淺談智能四向穿梭車系統(tǒng)及調(diào)度策略

顧 濤

（南京音飛儲存設(shè)備（集團(tuán)）股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

隨著市場對密集倉儲的需求增加，很多物流設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和集成公司加入到密集倉儲研發(fā)和生產(chǎn)工作中，其中智能四向穿梭車（簡稱四向車）作為托盤類解決方案的先進(jìn)技術(shù)，得到眾多企業(yè)的親賴。四向車調(diào)度策略不僅僅是WCS設(shè)備調(diào)度層級的功能模塊，更是與上位WMS 和下位ECS 整體考慮相互優(yōu)化的產(chǎn)物。本文主要介紹和分析四向車的調(diào)度策略及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)布局

四向車調(diào)度策略的實(shí)現(xiàn)首先依賴整體物流規(guī)劃，需要從使用層面綜合考慮物料的品類、批次、儲量、周轉(zhuǎn)期及入出庫頻率等。進(jìn)行四向車項(xiàng)目規(guī)劃時，首先需要進(jìn)行以上信息的數(shù)據(jù)分析和處理，針對不同的業(yè)務(wù)需求，提供不同的解決方案。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也是四向車貨架子通道及母通道的配置理論依據(jù)。圖1、圖2展現(xiàn)不同的布置方式，同時也代表著兩種不同的使用需求。

3 調(diào)度策略

3.1 任務(wù)規(guī)劃

四向車系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)應(yīng)采用多任務(wù)模式，作業(yè)任務(wù)采用任務(wù)池的形式。采用任務(wù)池的模式相比于傳統(tǒng)任務(wù)列表的執(zhí)行方式，能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)綜合優(yōu)化的能力，也為四向車集群的全局效率提升提供了更多的可能性。

圖1 平面布置方案一

圖2 平面布置方案二

四向車需要具備作業(yè)完成時間指示，即需要對后續(xù)任務(wù)進(jìn)行作業(yè)量的評估，能夠?qū)⒆鳂I(yè)時間及作業(yè)完成時間進(jìn)行計算，系統(tǒng)對四向車集群內(nèi)各車進(jìn)行綜合利用率評分，最終以滿足四向車集群的全局效率作為首要考核指標(biāo)。

對已下發(fā)任務(wù)因四向車異常導(dǎo)致的任務(wù)未執(zhí)行，系統(tǒng)應(yīng)及時將任務(wù)掛起，并調(diào)整當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級后進(jìn)入任務(wù)池進(jìn)行優(yōu)化計算，原則上該任務(wù)以最高優(yōu)先級執(zhí)行；

3.2 路徑規(guī)劃

四向車調(diào)度策略中的路徑規(guī)劃，目前主流的方式為分時復(fù)用模式和單行線模式。

分時復(fù)用模式是比較傳統(tǒng)并且調(diào)度邏輯較為簡單的一種運(yùn)行方式，同一母通道內(nèi)同時只允許一臺或兩臺四向車運(yùn)行，降低了主通道的利用率或通過率，由于運(yùn)行路徑最短化，因此一定程度上提高單機(jī)效率，適用于高儲量低周轉(zhuǎn)率的倉庫應(yīng)用環(huán)境。圖3為分時復(fù)用模式，圖3中四向車B在母通道由右側(cè)向左側(cè)運(yùn)行，此時四向車A需要由母通道向右側(cè)運(yùn)行，A車需等待B車運(yùn)行離開當(dāng)前母通道后方可運(yùn)行。

單行線模式采用母通道單向運(yùn)行方式，同一母通道內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多車的跟隨運(yùn)行，提高母通道四向車通行率，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行總體效率。單行線模式一定程度上降低了單臺四向車的運(yùn)行效率，更適用于多車同層調(diào)度模式。圖4為單行線模式，圖4中四向車A和B可同時在母通道內(nèi)同方向運(yùn)行。

作業(yè)路徑規(guī)劃采用最近路徑、最少換向、空載下穿模式，最終以時間作為整體評估標(biāo)準(zhǔn)。以下均以單行線模式運(yùn)行方式進(jìn)行介紹。

圖3 分時復(fù)用模式

圖4 單行線模式

3.3 路徑占用及避讓規(guī)則

通過子通道和母通道交叉路口時，子通道四向車不得直接進(jìn)入母通道，系統(tǒng)需要進(jìn)行預(yù)判，提前一個作業(yè)動作進(jìn)行母通道內(nèi)四向車運(yùn)行計劃檢查。檢查后母通道內(nèi)沒有四向車運(yùn)行或當(dāng)前運(yùn)行路徑已經(jīng)解鎖，此時子通道四向車可正常減速后直接進(jìn)入母通道運(yùn)行。

若當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)下多個子通道四向車需要進(jìn)入母通道時，按母通道運(yùn)行方向的前方子通道內(nèi)四向車優(yōu)先通行的原則進(jìn)行作業(yè)。四向車在運(yùn)行過程中，按系統(tǒng)需求與上位系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，系統(tǒng)鎖定前一次交互點(diǎn)與下一次交互點(diǎn)之間的運(yùn)行路徑，系統(tǒng)解鎖前一次交互點(diǎn)之前該四向車的所有運(yùn)行的路徑段。四向車在系統(tǒng)強(qiáng)制交互點(diǎn)需要與上位系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，如四向車未按時完成交互，系統(tǒng)指示當(dāng)前任務(wù)異常并以異常狀態(tài)鎖定當(dāng)前任務(wù)段路徑。另外四向車在運(yùn)行過程中，觸發(fā)下一路徑段任務(wù)時，如遇通過路徑異常鎖定的情況，系統(tǒng)重新計算路徑，如當(dāng)前為運(yùn)行鎖定狀態(tài)，系統(tǒng)將等待時間和更新后路徑運(yùn)行時間對比，綜合判斷確認(rèn)。

3.4 路徑劃分顆粒度

四向車調(diào)度系統(tǒng)中，關(guān)于路徑規(guī)劃及避讓通過固定的算法和邏輯即可實(shí)現(xiàn)，最終決定調(diào)度系統(tǒng)同層四向車數(shù)量及同層最大作業(yè)效率的則是路徑劃分的顆粒度，以下對三種顆粒度劃分方式進(jìn)行介紹說明。

方式一為整體路徑規(guī)劃的方式，如圖5 所示，分為整體路徑整體解鎖及整體路徑分段解鎖兩種方式。整體路徑整體解鎖方式為四向車根據(jù)前文所述方式完成路徑規(guī)劃后，運(yùn)行路徑信息一次下發(fā)給四向車，四向車按照給定路徑完成整個作業(yè)任務(wù)，僅在任務(wù)接收和任務(wù)完成兩個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)交互，過程中可不進(jìn)行信息交互，過程中路徑不可更改。整體路徑分段解鎖方式為四向車完成路徑規(guī)劃后，運(yùn)行路徑信息一次下發(fā)，作業(yè)過程中路徑不可更改，但是在運(yùn)行過程中設(shè)定多個位置交互點(diǎn)，每經(jīng)過一個交互點(diǎn)，系統(tǒng)解鎖該交互點(diǎn)之前的所有路徑。

圖5 整體路徑規(guī)劃的方式示意圖

圖6 分段路徑分段解鎖方式示意圖

方式二為分段路徑分段解鎖方式，如圖6 所示。分段路徑分段解鎖為目前比較常用的路徑規(guī)劃方式。運(yùn)行路徑上每個子通道和母通道的交叉點(diǎn)作為路徑分段點(diǎn)，每兩個相鄰交叉點(diǎn)之間作為一個路徑分段，作業(yè)過程中可對未執(zhí)行的路徑進(jìn)行更改，及時調(diào)整為新的運(yùn)行路徑。一般情況下項(xiàng)目至少要保證母通道及母通道相鄰子通道第一深位信號覆蓋滿足四向車通訊要求。

方式三為分段路徑實(shí)時解鎖方式，如圖7 所示。分段路徑實(shí)時解鎖方式為目前技術(shù)研究的主要方向。該路徑分段與方式二大致相同，但過程中增加若干四向車可控分段點(diǎn)，解鎖方式則根據(jù)四向車在運(yùn)行過程中的實(shí)時位置信息交互，當(dāng)前運(yùn)行位置之前的路徑均處于解鎖狀態(tài)。此方式需要現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)趨于全面覆蓋，四向車需要連續(xù)讀取及反饋位置信息，電控系統(tǒng)能夠修改當(dāng)前運(yùn)行的目標(biāo)位置用以滿足調(diào)度系統(tǒng)對當(dāng)前運(yùn)行目標(biāo)位置的修改。

圖7 分段路徑實(shí)時解鎖方式示意圖

以上三種方式中調(diào)度方式對網(wǎng)絡(luò)覆蓋、四向車功能及各自優(yōu)缺點(diǎn)均不相同，見表1。

表1 路徑分段方式對比表

4 設(shè)備硬件支持

4.1 單機(jī)功能支持

四向車具有當(dāng)前位置實(shí)時反饋功能、路徑列表寫入和修改功能、運(yùn)行記錄及異常記錄保持功能。四向車作業(yè)時系統(tǒng)按照當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)進(jìn)行路徑下發(fā)，在各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下一步路徑執(zhí)行申請，確認(rèn)可執(zhí)行的下一路徑段并反饋上一節(jié)點(diǎn)任務(wù)完成，用于系統(tǒng)清空已作業(yè)路徑，便于后續(xù)設(shè)備通行。為提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，子通道和母通道內(nèi)多臺四向車同時運(yùn)行時后車采用跟隨模式運(yùn)行。

四向車需要設(shè)置前后左右四個方向距離檢測傳感器用于硬件避障，防止巷道內(nèi)異物進(jìn)入，同時，距離檢測傳感器可用于控制子/母通道內(nèi)兩車跟隨運(yùn)行，并且避免四向車對向運(yùn)行或跟隨運(yùn)行狀態(tài)下異常發(fā)生。

根據(jù)托盤貨物高度、物料滑動摩擦系數(shù)以及四向車行走輪滾動摩擦系數(shù)等因素，各物流設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計的四向車最大運(yùn)行速度一般不大于2m/s，加速度一般不大于1m/s2，在此基礎(chǔ)上，上述的距離檢測傳感器檢測行程一般不小于5m。由于四向車在貨架內(nèi)運(yùn)行時受到貨架和貨物的影響，檢測距離需要根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行位置進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

4.2 網(wǎng)絡(luò)支持

目前四向車信息無線傳輸方式主要是WiFi，其他如Zigbee、藍(lán)牙等傳輸方式經(jīng)過部分實(shí)景測試后效果并不理想。

網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性和實(shí)時性極大地影響到四向車系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，四向車的信息交互一般設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)連接較好的位置或區(qū)域。一般來說，路徑劃分越細(xì)，調(diào)度過程中的系統(tǒng)運(yùn)行效率就越高，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)的實(shí)時性要求也越高。同時目前個別先進(jìn)的設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和集成商還在積極尋求四向車集群中設(shè)備間的通訊互聯(lián)，這項(xiàng)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，將徹底改變現(xiàn)有的核心調(diào)度理念，可能成為未來四向車集群調(diào)度解決方案的新方向。

5 相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

在四向車調(diào)度策略的應(yīng)用過程中，系統(tǒng)規(guī)劃理念及仿真技術(shù)的應(yīng)用可以最大程度的將項(xiàng)目的實(shí)施結(jié)果前移，通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)對結(jié)果的精確把控。傳感和控制技術(shù)的發(fā)展，使四向車在運(yùn)行過程中獲得更多的外部信息，充分感知周圍的狀態(tài)變化情況，指導(dǎo)設(shè)備做出準(zhǔn)確的判斷和精確的動作。隨著5G技術(shù)的正式商用，基于5G 技術(shù)的智能物流研究也在逐步開展，新的通訊技術(shù)將會對行業(yè)帶來一次較大的創(chuàng)新。

6 總結(jié)

本文所述調(diào)度系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的研究和探討還將在行業(yè)內(nèi)繼續(xù)深入研究，行業(yè)內(nèi)相關(guān)研究人員也一直致力于將更穩(wěn)定、更適合的物流裝備和系統(tǒng)應(yīng)用于各行業(yè)中去。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能物流的研究將會持續(xù)走在發(fā)展的道路上，行業(yè)內(nèi)的技術(shù)溝通和交流也將會有更廣闊的空間。