多AGV系統(tǒng)及關鍵技術研究

肖熙，宋旭

（中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

1 多AGV系統(tǒng)出現(xiàn)的背景

1.1 相關技術的突破

一方面，隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，通過物聯(lián)網技術，將AGV與其他設備連接起來，實現(xiàn)各設備之間自動的、實時的通信，從而實現(xiàn)對各設備的識別、定位、追蹤以及監(jiān)控等功能。

另一方面，在AGV運動的過程中，導航定位技術作為AGV的“眼睛”起著至關重要的作用，隨著技術的不斷發(fā)展，AGV的導航定位方法也越來越多，導航的精度與靈活性也越來越高。這些高精度、高柔性的導航技術為智能車間中物流系統(tǒng)的高效運行提供了重要保障。

1.2 生產模式的變化

當社會飛速發(fā)展，科技日新月異，人們對于日常所見的商品不再滿足其單一的外觀以及性能，因而產生了更多個性化需求。大規(guī)模個性化定制生產逐漸興起。這種生產模式就是以接近大規(guī)模生產的效率為不同的客戶提供個性化的產品需求，可以通過生產系統(tǒng)內不同生產單元的相互集成、柔性重構以及靈活組織，并結合現(xiàn)代制造技術、信息技術以及人工智能等一些高科技手段，提高生產系統(tǒng)的柔性程度以及生產系統(tǒng)對動態(tài)的個性化需求的快速響應速度，從而滿足客戶的個性化需求，為顧客快速生產出其滿意的個性化產品。

2 常見的多AGV系統(tǒng)

2.1 按控制方式分類

隨著AGV數(shù)量的不斷增加，多AGV系統(tǒng)的高效控制就顯得至關重要，按照對AGV的控制方式可以將AGV系統(tǒng)分為集中控制式AGV系統(tǒng)和分布控制式AGV系統(tǒng)。

（1）集中控制式AGV系統(tǒng)。集中控制式AGV系統(tǒng)分為上下兩層，系統(tǒng)上層的核心是上位機，系統(tǒng)下層是下位機，上位機能夠實現(xiàn)對不同AGV的任務分配、路徑規(guī)劃以及沖突調節(jié)，然后，通過兩者之間的通信協(xié)議將這些信息發(fā)送給下位機AGV；接受到上位機的指令后，AGV按照指令沿著預先規(guī)劃好的路徑逐步完成各項分配的任務，并在AGV遇到沖突是，上位機能夠及時啟動調節(jié)機制，避免AGV發(fā)生碰撞，如圖1（a）所示。

圖1

集中控制式AGV系統(tǒng)的優(yōu)點是易于管理，各AGV之間能夠實現(xiàn)較強的全局優(yōu)化，這種控制方式還可以實現(xiàn)幾乎離線規(guī)劃的方式，對系統(tǒng)的實時性要求不高。

（2）分布控制式AGV系統(tǒng)。分布控制式AGV系統(tǒng)也分為上下兩個層級，但是，這兩個層級不像集中控制式系統(tǒng)那樣具有很高的耦合性，兩個層級都具有自主決策的能力。在分布控制式AGV系統(tǒng)中，上位機主要負責的是任務的分配以及路徑的協(xié)調，主要作用是在任務、路徑發(fā)生沖突時的協(xié)調作用。在這種控制系統(tǒng)中，每個AGV都存儲這虛擬環(huán)境地圖，在接受到上位機發(fā)來的任務指令后，AGV可以自己進行路徑規(guī)劃，執(zhí)行任務，如圖1（b）所示。

分布控制式AGV系統(tǒng)有很強的并行處理能力，同時，由于系統(tǒng)上下層之間的耦合關系不強，這種AGV系統(tǒng)擴容與集成相對容易，因此，分布式控制系統(tǒng)具有更高的柔性，也對通信系統(tǒng)的實時性和可靠性提出了更好的要求，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不如集中控制式AGV系統(tǒng)，同時，這種系統(tǒng)的整體協(xié)調性也更差。

2.2 按布局方式分類

為了規(guī)劃出一個更好的AGV系統(tǒng)，人們提出了四種AGV 的配置方式：傳統(tǒng)配置、單回路配置、區(qū)段式配置以及區(qū)域式配置，如圖2所示。

圖2 AGV系統(tǒng)分類

（1）傳統(tǒng)配置方式。在早期的生產系統(tǒng)中，車間里面多采用的是網絡式的AGV系統(tǒng)，如圖2(a)所示。這種系統(tǒng)中AGV的路徑設置十分靈活，不需要遵循太多規(guī)則，但多個AGV一起工作時容易導致沖突、碰撞以及死鎖等情況，因此，這種AGV系統(tǒng)的調度管理與路徑規(guī)劃是非常復雜的。

（2）單回路配置。由于傳統(tǒng)AGV配置存在路徑沖突、易死鎖等問題，單回路配置方式就慢慢被使用都生產系統(tǒng)中，如圖2(c)所示。單回路配置方式中只有一條AGV路徑，這條路徑會將所有工位聯(lián)系在一起，形成一個閉環(huán)循環(huán)，并且該路徑只有一個方向，所以AGV的控制也相對比較簡單。但由于所有AGV只能在一條路徑上沿著同一方向運行，所以這種配置方式AGV的柔性不高，運行效率也很低，同時，AGV的使用效率也比較低。

（3）區(qū)段式配置。區(qū)段式AGV系統(tǒng)中，將路徑劃分成若干個小段，每個小段上配置一輛AGV，這輛AGV可以沿著路徑雙向運行運送物料，這種AGV的配置方式也能夠解決沖突、碰撞等問題，但是，柔性程度比較低，如圖2(d)所示。

（4）區(qū)域式配置。區(qū)域式AGV系統(tǒng)也叫串聯(lián)式AGV系統(tǒng)，如圖2(b)所示。區(qū)域式AGV系統(tǒng)結合了上述幾種配置方式的特點，這種配置方式首先需要將整個車間區(qū)域劃分成若干個互不重疊的單元，每個單元內配置一輛AGV負責物料的運輸。這種AGV系統(tǒng)中也不會發(fā)生AGV沖突、碰撞等現(xiàn)象，從而AGV的控制和調度也比較容易，維護成本也比較低。每個區(qū)域也可以通過合理的劃分與組合實現(xiàn)不同的生產功能，因此，這種配置方式具有很高的柔性。

通過對上述四種AGV配置方式的對比，區(qū)域式AGV系統(tǒng)具有路徑規(guī)劃容易控制簡單以及柔性高等優(yōu)點，所以本文將針對區(qū)域式AGV系統(tǒng)規(guī)劃需要解決的問題展開介紹。

3 區(qū)域式AGV系統(tǒng)規(guī)劃需要解決的問題

區(qū)域式AGV系統(tǒng)采取“分而治之”的思想，將整個工作區(qū)域劃分成若干個互相不重疊的子區(qū)域，每個子區(qū)域中都分配好不同的工作站位，同時，每個子區(qū)域都分配唯一的一輛AGV并設置有上、下料點，相連區(qū)域之間如果有物料流通，就會通過每個區(qū)域的上、下料點進行物料交換。

區(qū)域式AGV系統(tǒng)可以更好實現(xiàn)車間的并行處理，符合分布控制式AGV系統(tǒng)的原則；當車間內需要添加更多的工位時，可以通過增加一個或多個子區(qū)域來實現(xiàn)，對于原有的設備不需要做太多調整，極大地提高了系統(tǒng)的柔性，更有利于企業(yè)以后的系統(tǒng)升級與擴容發(fā)展。

通過以上對區(qū)域式AGV系統(tǒng)的分析，區(qū)域式AGV系統(tǒng)如果要高效地運行，在規(guī)劃的時候要解決以下幾個問題：

（1）區(qū)域的劃分。在區(qū)域式AGV系統(tǒng)中，整個區(qū)域被劃分成若干個相互不重疊的工作單元，各個單元之間如何能夠相互協(xié)調發(fā)揮最大的生產效率是區(qū)域式 AGV系統(tǒng)要解決的關鍵問題之一。區(qū)域的劃分數(shù)量和每個區(qū)域分配的設備直接影響了區(qū)域劃分的可行性，為了平衡各個區(qū)域之間的工作量，理想的劃分方案可以實現(xiàn)各區(qū)域物流相對平衡，各區(qū)域及區(qū)域間的物流量都相對合理。

（2）設施的布局。車間的設施布局對于提高車間物流的運行效率，降低車間的物料搬運成本至關重要。對于區(qū)域式AGV系統(tǒng)，我們在區(qū)域劃分的基礎上，將劃分好的區(qū)域合理布局到車間內，可以很大程度上提高整個AGV系統(tǒng)的工作效率，提高AGV的利用率。

（3）上、下料點位置的確定。在區(qū)域式AGV系統(tǒng)中，區(qū)域之間會存在物料的流動，如何提高區(qū)域間物料流動的效率，上、下料點在系統(tǒng)中的布置就非常重要。上、下料點相當于系統(tǒng)中每個區(qū)域的門，每個區(qū)域都會通過這個門與其他區(qū)域發(fā)生物料流動。上、下料點的位置對整個系統(tǒng)的運行成本以及系統(tǒng)的靈活性有很大的影響。并且在實際的研究中，考慮上、下料點的位置對于設施的布局研究也很有幫助，能夠更加真實地模擬實際的生產場景。

（4）路徑規(guī)劃。要想進一步提高AGV在系統(tǒng)中運行效率，就必須對AGV進行合理的路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃就是給定AGV工作的起點和終點，按照相關限制給AGV規(guī)劃出一條沒有障礙的從起點到終點的路徑，路徑規(guī)劃問題涉及AGV的沖突、碰撞以及死鎖等相關子問題，是多AGV系統(tǒng)要解決的核心問題之一。

4 結語

本文從AGV相關技術的突破和生產模式的改變著手，分析了AGV在制造業(yè)車間中廣泛應用的必然性。并介紹了目前常見的多AGV系統(tǒng)，并以優(yōu)點較多的區(qū)域式AGV系統(tǒng)作為研究對象，介紹了如何更好規(guī)劃一個多AGV系統(tǒng)，并分析了影響區(qū)域式AGV系統(tǒng)運行效率的幾個關鍵問題。