基于機(jī)器視覺的設(shè)施布置規(guī)劃方法研究

高成沖,董 鶯,王為民

(南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

實(shí)施卓有成效的創(chuàng)新是中國(guó)從制造大國(guó)升級(jí)為制造強(qiáng)國(guó)的必需路徑和必要手段.因此,中國(guó)企業(yè)變革管理模式、重構(gòu)業(yè)務(wù)流程、優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng),以期用管理創(chuàng)新來(lái)降低企業(yè)生產(chǎn)成本、增強(qiáng)產(chǎn)品的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.

在離散制造企業(yè),比如汽車及其配件制造公司,在從原材料購(gòu)買入廠、各類零部件連續(xù)加工、直至多型號(hào)產(chǎn)成品組裝整個(gè)生產(chǎn)流程中,據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,物料真正處于被加工狀態(tài)的時(shí)間僅占生產(chǎn)總流程時(shí)間的8%左右,也就是說(shuō),生產(chǎn)流程中的物料在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于搬運(yùn)、等待、存儲(chǔ)狀態(tài),導(dǎo)致制造企業(yè)的物料搬運(yùn)費(fèi)用占產(chǎn)品總成本的比例高達(dá)20%～30%.因此,追求不間斷的作業(yè)流程、消除多余的物料搬運(yùn)浪費(fèi)和時(shí)間等待浪費(fèi),成為制造企業(yè)持之以恒的追求.

由此,設(shè)施布置方法被廣泛應(yīng)用于各類制造企業(yè)的設(shè)施選址和設(shè)施布局,通過(guò)構(gòu)建合理的設(shè)施布局,消除多余的物料搬運(yùn)環(huán)節(jié)、減少不合理的物料搬運(yùn)流程、避免不必要的物料存儲(chǔ),成為制造企業(yè)提升生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品總成本、縮短產(chǎn)品上市周期的重要措施之一.

在傳統(tǒng)設(shè)施布置方法的基礎(chǔ)上,學(xué)者們提出了以系統(tǒng)化設(shè)施布置方法(system layout planning,SLP)為代表的若干典型設(shè)施布置方法[1].SLP布置法在量化物流量與非物流量的基礎(chǔ)上,借助多種方法作為分析工具,采取理性化、系統(tǒng)化推理過(guò)程,可有效規(guī)劃設(shè)施布局,得到了廣泛應(yīng)用.鑒于這些方法并沒有給出正式的程序與算法且常需要借助費(fèi)用分析法、層次分析法等定性定量方法來(lái)評(píng)價(jià)各規(guī)劃方案的優(yōu)劣[2],一些基于模型的布置算法被構(gòu)造,比如,基于距離或相似度的二次分配模型算法、基于圖論或排隊(duì)論的模型算法.同時(shí),借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字仿真布置方法也得到長(zhǎng)足發(fā)展和應(yīng)用.

這些方法的本質(zhì)是有效減少物料搬運(yùn)距離、降低物料流轉(zhuǎn)費(fèi)用.雖然一些方法會(huì)考慮非物流因素,但沒有直接考慮諸如時(shí)間費(fèi)用、裝卸作業(yè)費(fèi)用等其他費(fèi)用[3].鑒于產(chǎn)品生產(chǎn)周期及上市周期對(duì)企業(yè)降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本、提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力越來(lái)越重要,特別是在智能制造日趨成為主流制造業(yè)態(tài)下,智能化搬運(yùn)給設(shè)施規(guī)劃帶來(lái)新的觀察視角[4],有必要在設(shè)施布局規(guī)劃時(shí)統(tǒng)籌考慮多種影響搬運(yùn)效益的因素.

1 機(jī)器視覺特性及其對(duì)設(shè)施布置規(guī)劃的影響分析

作為物料搬運(yùn)工具,自動(dòng)導(dǎo)向小車(automated guided vehicle,AGV)因其可靈活、高效地完成物料的搬運(yùn)而被廣泛應(yīng)用在機(jī)電加工、物流倉(cāng)儲(chǔ)等領(lǐng)域[5].確保AGV正確行走的導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)一直是AGV研究與應(yīng)用的核心內(nèi)容.傳統(tǒng)的AGV導(dǎo)航方式主要有電磁感應(yīng)引導(dǎo)、激光反射引導(dǎo)、二維碼引導(dǎo)、色帶光學(xué)等.電磁感應(yīng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,但此時(shí)AGV只能按預(yù)埋設(shè)的導(dǎo)引線行走,無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能避讓;激光反射導(dǎo)航需要在固定位置安裝精確的激光反射板,安裝與位置計(jì)算以及導(dǎo)引效果常受環(huán)境影響;二維碼導(dǎo)航面臨頻繁更換二維碼問(wèn)題;色帶光學(xué)導(dǎo)航面臨頻繁更換色帶問(wèn)題.這使得這些傳統(tǒng)方法難以在產(chǎn)品品種、類型更換時(shí)提供及時(shí)的AGV引導(dǎo).特別是在個(gè)性化定制時(shí)代,多品種、小批量生產(chǎn)成為制造企業(yè)生產(chǎn)常態(tài),生產(chǎn)線的持續(xù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)成為常態(tài),常規(guī)引導(dǎo)方法難以適應(yīng)制造行業(yè)的新要求.

在智能制造時(shí)代,伴隨著制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn),讓AGV在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中快速移動(dòng)、實(shí)現(xiàn)高效的智能物料運(yùn)送成為制造企業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)[6],因此,著力提升引導(dǎo)能力成為推動(dòng)AGV發(fā)展與應(yīng)用的重要方面.基于機(jī)器視覺的導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)逐漸在AGV上得到應(yīng)用.

以即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping,SLAM)為基礎(chǔ),機(jī)器視覺利用安裝在AGV上的攝像機(jī)獲取AGV行駛過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖像信息,通過(guò)特征識(shí)別方法對(duì)這些圖像信息進(jìn)行處理,識(shí)別AGV所處環(huán)境、位置與方向,進(jìn)而引導(dǎo)AGV下一步的運(yùn)動(dòng).伴隨人工智能的長(zhǎng)足發(fā)展,機(jī)器視覺技術(shù)成為當(dāng)下熱門技術(shù),但機(jī)器視覺存在如何準(zhǔn)確、高效地識(shí)別周圍環(huán)境,如何提升引導(dǎo)實(shí)時(shí)性等問(wèn)題.

當(dāng)智能物料搬運(yùn)逐步取代人工、小推車等物料搬運(yùn)方式時(shí),機(jī)器視覺存在的問(wèn)題給智能設(shè)備布置規(guī)劃帶來(lái)了挑戰(zhàn)：

1) 路徑特征的高可識(shí)別性,以保證視覺AGV能準(zhǔn)確、高效地完成物料搬運(yùn);

2) 路徑通行的高流暢性,以保證視覺AGV能實(shí)時(shí)完成物料高速搬運(yùn).

在制造業(yè)向數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí),基于智能物料搬運(yùn)的智能設(shè)備布置規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)智能制造的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn).

2 基于機(jī)器視覺的設(shè)施布置規(guī)劃模型

2.1 機(jī)器視覺下物流費(fèi)用計(jì)算方法

帶機(jī)器視覺引導(dǎo)的AGV等智能搬運(yùn)車在搬運(yùn)物料或返程過(guò)程中依靠視覺圖像引導(dǎo)行走.除車輛類型、運(yùn)動(dòng)方式等因素會(huì)限制智能搬運(yùn)車的運(yùn)動(dòng)速度外,也受到機(jī)器視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的限制,在設(shè)定的條件下其運(yùn)行速度有確定的設(shè)定值.

2.1.1 重疊路徑的附加時(shí)間費(fèi)用

機(jī)器視覺AGV在行走過(guò)程中需要不間斷地進(jìn)行視覺監(jiān)測(cè),一方面需要基于視覺圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)引導(dǎo),另一方面還需要判斷是否與其他機(jī)器視覺AGV存在交匯、碰撞的可能.機(jī)器視覺AGV在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,相比其行走在非重疊路徑上的速度,其行走在重疊路徑上的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)存在一定的速度損失,產(chǎn)生附加的時(shí)間成本.從而,在智能制造設(shè)備布置規(guī)劃時(shí)應(yīng)減少機(jī)器視覺AGV行走路徑重疊,這將可縮短物料搬運(yùn)時(shí)間、降低物料搬運(yùn)成本.

設(shè)機(jī)器視覺AGV從場(chǎng)址i行走到場(chǎng)址j時(shí)正常運(yùn)動(dòng)速度為vij、搬運(yùn)物流量為qij、所行走的路徑長(zhǎng)度為dij,該路段的物流費(fèi)用成本為:

wij=ρijqijdij

式中,ρij為單位物品單位距離的搬運(yùn)費(fèi)用.

當(dāng)路徑為智能搬運(yùn)車行走的重疊路徑時(shí),設(shè)速度損失率為αij,因速度損失導(dǎo)致的該路段附加時(shí)間成本為:

zij=bqijσij

2.1.2 轉(zhuǎn)彎路徑的附加搬運(yùn)費(fèi)用

當(dāng)機(jī)器視覺AGV在搬運(yùn)物料或返程過(guò)程中需要轉(zhuǎn)彎時(shí),AGV需要降低運(yùn)動(dòng)速度,從而引起附加搬運(yùn)損耗.設(shè)單位物料單次轉(zhuǎn)彎附加搬運(yùn)費(fèi)用為τij,當(dāng)物流量為qij、該路徑上存在lij個(gè)轉(zhuǎn)彎時(shí),該路徑上因轉(zhuǎn)彎路徑產(chǎn)生的附加搬運(yùn)費(fèi)用為:

rij=τijqijlij.

2.1.3 圓弧路徑的搬運(yùn)損耗

從集成制造系統(tǒng)視角,制造單元是一種常采用的、可提高生產(chǎn)效率的布置方式,此時(shí),如果采取智能AGV來(lái)搬運(yùn)物料,那么智能AGV行走路線通常為圓弧形.

當(dāng)依靠機(jī)器視覺AGV行走在圓弧路徑上時(shí),AGV需要時(shí)刻查看路徑情況,必然導(dǎo)致較大的運(yùn)行速度損失.設(shè)機(jī)器視覺AGV行走在圓弧路徑上時(shí)速度損失率為φij,因速度損失導(dǎo)致的該路段附加時(shí)間成本為:

eij=φijqijdij.

2.2 智能搬運(yùn)下設(shè)施布置規(guī)劃模型

將n臺(tái)設(shè)施布置在給定空間內(nèi),除考慮常規(guī)物料流動(dòng)成本外,必須計(jì)量重疊路徑的附加時(shí)間費(fèi)用、轉(zhuǎn)彎路徑的附加搬運(yùn)費(fèi)用以及圓弧路徑的附加費(fèi)用.

常規(guī)物料搬運(yùn)費(fèi)用為：

(1)

重疊路徑的附加時(shí)間費(fèi)用為：

(2)

轉(zhuǎn)彎路徑的附加搬運(yùn)費(fèi)用為：

(3)

圓弧路徑的附加搬運(yùn)費(fèi)用為：

(4)

因物料流動(dòng)成本以及重疊路徑等附加時(shí)間費(fèi)用都是追求最小化,故可將它們統(tǒng)一構(gòu)建總費(fèi)用函數(shù)：

CT=Cw+Cz+Cr+Ce=

(5)

式中:β=0,1;γ=0,1;β+γ=1.

建立智能制造下基于機(jī)器視覺的設(shè)施布置規(guī)劃目標(biāo)函數(shù):

minCT=min(Cw+Cz+Cr+Ce)

(6)

在給定約束條件下即可借助二次分配問(wèn)題求解方法得到合理的布置規(guī)劃方案,也可利用該目標(biāo)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)多個(gè)布置規(guī)劃方案的優(yōu)劣.

3 實(shí)例分析

3.1 優(yōu)化方案構(gòu)建

某公司主導(dǎo)產(chǎn)品分為三大類,這三大類生產(chǎn)工藝流程相似,由注塑線生產(chǎn)各種類型空調(diào)外殼,由蒸發(fā)器線生產(chǎn)、組裝多種型號(hào)的蒸發(fā)器總成,并將它們與各種對(duì)應(yīng)型號(hào)的外購(gòu)件進(jìn)行拼裝,最終形成顧客需要的各種規(guī)格空調(diào)成品,并發(fā)送出廠.

某公司的廠區(qū)設(shè)施布置原始方案如圖1所示.圖1中,R區(qū)為各類原材料的暫存區(qū).原材料經(jīng)分裝后,按生產(chǎn)訂單由員工用小車分別拖送到P、N、V區(qū),N區(qū)為外殼注塑生產(chǎn)線與儲(chǔ)存區(qū),V區(qū)為蒸發(fā)器生產(chǎn)線與儲(chǔ)存區(qū),P區(qū)為各類外購(gòu)件儲(chǔ)存區(qū).P、V、N區(qū)儲(chǔ)存的外殼分總成、蒸發(fā)器分總成、各類外購(gòu)件均按計(jì)劃由員工用小車送到分別位于L、D、M區(qū)的三條組裝線,對(duì)應(yīng)組裝出三大類汽車空調(diào)產(chǎn)品,并運(yùn)送到成品倉(cāng)庫(kù)W區(qū).各區(qū)每天的物流量如表1所示.

圖1 廠區(qū)設(shè)施布置原始方案

表1 由生產(chǎn)區(qū)至組裝區(qū)的每天物流量 個(gè)

原始布置方案將生產(chǎn)與流程各環(huán)節(jié)嚴(yán)格區(qū)分,提升了各個(gè)環(huán)節(jié)間物流流動(dòng)效率,保證了在制品的質(zhì)量,也提升了區(qū)域利用效率.但原材料配送及分裝流程不合理、運(yùn)輸工具效能較低、物流過(guò)程效率有待提升、空間面積還沒有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化.

因此,采用SLP法對(duì)該廠區(qū)重新進(jìn)行設(shè)施布置設(shè)計(jì).通過(guò)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)間物流量、確定物流關(guān)系與非物流關(guān)系、計(jì)算綜合相互關(guān)系量值,并根據(jù)各區(qū)面臨需求提出布置規(guī)劃改進(jìn)方案[7],如圖2所示.

圖2 廠區(qū)設(shè)施布置改進(jìn)方案(m)

此改進(jìn)方案可優(yōu)化布局、提升物料效率,此外還具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn):1) 采用直送方式,將各類原材料直接送至指定的P、V、N區(qū),消除了多余物料活動(dòng);2) 考慮P、V、N區(qū)對(duì)L、D、M區(qū)的一對(duì)多聯(lián)通性,將P區(qū)、V區(qū)、N區(qū)三區(qū)出口并列,將L區(qū)、D區(qū)、M區(qū)三區(qū)并列;3) 滿足了各區(qū)生產(chǎn)與儲(chǔ)存作業(yè)的空間需求.

由圖2可見,該布局規(guī)劃方案中存在較多的重疊交叉路徑,在細(xì)節(jié)上沒有考慮到P、V、N各區(qū)對(duì)L、D、M各區(qū)在物流量上的差異.因而,在智能制造形態(tài)下,當(dāng)將人工小車改為機(jī)器視覺AGV時(shí),較多的重疊交叉路徑與各路徑上的物流量差異將降低整個(gè)廠區(qū)的物料流通效率、延長(zhǎng)生產(chǎn)周期.

本文有針對(duì)性地對(duì)此改進(jìn)方案進(jìn)行優(yōu)化,提出廠區(qū)布置規(guī)劃的優(yōu)化方案如圖3所示.

圖3 廠區(qū)設(shè)施布置優(yōu)化方案(m)

3.2 方案對(duì)比分析

借助布局規(guī)劃模型對(duì)廠區(qū)設(shè)施布置改進(jìn)方案和優(yōu)化方案物料費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算分析.假設(shè):

1) 兩方案在各類原材料進(jìn)場(chǎng)物流量上,經(jīng)概算,優(yōu)化方案的物流費(fèi)用較改進(jìn)方案的物流費(fèi)用略小,差異可忽略不計(jì);

2) 從L、D、M各區(qū)到W區(qū)的產(chǎn)成品搬運(yùn)物流量與物流費(fèi)用變動(dòng)極少;

3) 不考慮兩種方案從P、V、N各區(qū)到L、D、M各區(qū)的相同物流量(費(fèi)用).

因此,重點(diǎn)計(jì)算兩方案從P、V、N各區(qū)到L、D、M各區(qū)的不同物流費(fèi)用.

在改進(jìn)布局方案下,從P、V、N各區(qū)到L、D、M各區(qū)(僅計(jì)及不同物流費(fèi)用)的單次重疊路徑距離見表2所示;不計(jì)及并列設(shè)置的生產(chǎn)區(qū)—組裝區(qū)之間的轉(zhuǎn)彎數(shù)量,則從生產(chǎn)區(qū)至組裝區(qū)的單次轉(zhuǎn)彎數(shù)量見表2所示.

表2 改進(jìn)方案的單次重疊路徑距離以及單次轉(zhuǎn)彎數(shù)量 (m,個(gè))

為簡(jiǎn)便計(jì)算,可假設(shè)ρij=ρ,σij=σ,τij=τ(i=1,2,…,n,j=1,2,…,n).將表1、表2中的數(shù)據(jù)代入機(jī)器視覺下設(shè)施布置規(guī)劃模型式(6),可得在改進(jìn)方案下物流費(fèi)用為：

((1×400+9×200+24×230)+

(14×350+4×300+11×160)+

(28×400+18×300+3×200))(ρ+σ)+

((200×2+230×2)+(350×2+160×2)+

(400×2+300×2))τ=

32 780(ρ+σ)+3 280τ

在優(yōu)化布局方案下,由生產(chǎn)區(qū)至組裝區(qū)的單次重疊路徑距離以及單次轉(zhuǎn)彎數(shù)量如表3所示.

表3 優(yōu)化方案的單次重疊路徑距離以及單次轉(zhuǎn)彎數(shù)量 (m,個(gè))

將表1、表3中的數(shù)據(jù)代入機(jī)器視覺下設(shè)施布局規(guī)劃模型式(6),可得在優(yōu)化方案下物流費(fèi)用為：

((19×400+29×200+4×230)+

(8×350+2×300+23×160)+

(6×400+16×300+9×200))(ρ+σ)+

((400×2+200×2)+(350×2+160×2)+

(300×2+000×2))τ=

30 400(ρ+σ)+3 220τ

與改進(jìn)方案相比,優(yōu)化方案可節(jié)約物流費(fèi)用為:

2 540(ρ+σ)+60τ.

4 結(jié)論

針對(duì)智能制造下如何降低物料流通時(shí)間和費(fèi)用、提升物料流動(dòng)效率問(wèn)題,本文對(duì)智能物料搬運(yùn)下的智能設(shè)施布置展開研究:

1) 在分析機(jī)器視覺特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,剖析了機(jī)器視覺AGV對(duì)設(shè)施布置規(guī)劃的影響,要求智能設(shè)施布置應(yīng)具有路徑特征的高可識(shí)別性和路徑通行的高流暢性;

2) 分析機(jī)器視覺AGV在重疊路徑、轉(zhuǎn)彎路徑和圓弧路徑上行走時(shí)時(shí)間損失費(fèi)用產(chǎn)生原因,給出時(shí)間損失費(fèi)用具體計(jì)算方法;

3) 考慮智能物料搬運(yùn)時(shí)間損失費(fèi)用,構(gòu)建基于機(jī)器視覺的智能設(shè)施布置規(guī)劃模型,為有效降低物流系統(tǒng)總費(fèi)用提供了依據(jù);

4) 將本文設(shè)施布置方法應(yīng)用于具體實(shí)例,驗(yàn)證了基于機(jī)器視覺的設(shè)施布置規(guī)劃模型的有效性.

有效的智能設(shè)施布置規(guī)劃方法將有助于智能制造下制造企業(yè)降低產(chǎn)品生產(chǎn)總成本、縮短產(chǎn)品交貨期,并以此可獲得更多的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).