基于OpenTCS的多品牌AMR調(diào)度系統(tǒng)研究與應(yīng)用

郭志明，常汝智，李 爽，李 杰

（1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)自動化和信息化的快速發(fā)展，AMR（Autonomous Mobile Robot）作為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的物流工具，應(yīng)用越來越廣泛。AMR可根據(jù)工藝流程、生產(chǎn)需要和倉儲需要，通過調(diào)度系統(tǒng)的實時調(diào)整，大大地降低了人力的需求。AMR的應(yīng)用給制造業(yè)帶來巨大的便利，實現(xiàn)AMR系統(tǒng)之間物流聯(lián)通的信息化，提高了整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行效率。

AMR采用了特殊傳感技術(shù)（例如激光或視覺等傳感器），實現(xiàn)了根據(jù)預(yù)設(shè)程序自主運送物料。但在實際生產(chǎn)制造領(lǐng)域存在問題：同一品牌的AMR調(diào)度系統(tǒng)往往只能兼容本品牌的AMR，隨著AMR品牌制造商的不斷涌現(xiàn)，給應(yīng)用帶來了更新和應(yīng)用方面的難題。另外，同一AMR調(diào)度系統(tǒng)不能實現(xiàn)對多個品牌的AMR調(diào)控和監(jiān)督。

鑒于在實際制造業(yè)環(huán)境中存在對多種不同種類AMR實時監(jiān)控管理的功能需求，本文在分析現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有解決方案的不足，重點研究基于OpenTCS的監(jiān)控與管理系統(tǒng)。本文在開源OpenTCS的基礎(chǔ)上通過修改API實現(xiàn)了一套調(diào)度系統(tǒng)控制多臺AMR小車的功能。

1 AMR調(diào)度控制系統(tǒng)

1.1 OpenTCS簡介

OpenTCS是一款開源獨立、可靈活使用的AMR交通控制系統(tǒng)平臺。它最初是一個公共資金資助的項目，當(dāng)前代碼由德國多特蒙德的弗勞恩霍夫物料流和物流研究所（IML）維護和開發(fā)。

OpenTCS作為AMR任務(wù)調(diào)度和路徑規(guī)劃的開源系統(tǒng)，包括：內(nèi)核（Kernel）、內(nèi)核控制中心（Kernel Control Center）和終端（plant overview）3個模塊，其中內(nèi)核負(fù)責(zé)路徑規(guī)劃與任務(wù)調(diào)度，終端與內(nèi)核控制中心主要負(fù)責(zé)提供可視化界面，方便人員監(jiān)控管理AMR?；谠撈脚_進行二次開發(fā)，可以快速實現(xiàn)AMR的任務(wù)分配、路徑規(guī)劃和交通管制等功能。同時，OpenTCS還具備AMR的仿真功能，是一款功能全面、接口豐富的軟件。

1.2 需求分析

AMR調(diào)度系統(tǒng)作為AMR的上位機控制系統(tǒng)，應(yīng)實現(xiàn)對AMR的實時控制和監(jiān)督，同時，要與企業(yè)的信息化企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）或制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）系統(tǒng)實現(xiàn)無縫融合，打造全柔性和自動化的現(xiàn)代化物流。AMR調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)包括：調(diào)度任務(wù)分發(fā)、配送路徑規(guī)劃、車輛管理和交通管制等功能，同時，要實現(xiàn)多種品牌AMR調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)實時通訊。其系統(tǒng)功能需求見表1。

表1 調(diào)度系統(tǒng)功能需求

在整個生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，各信息系統(tǒng)的作用如圖1所示。ERP和MES系統(tǒng)是整個制造工廠的“大腦”，它負(fù)責(zé)派發(fā)生產(chǎn)工單。當(dāng)工單分派到物流管理系統(tǒng)（WMS）后，WMS系統(tǒng)通過任務(wù)下架、PDA揀選和AMR出庫配送，將具體的配送任務(wù)發(fā)送到AMR調(diào)度和監(jiān)控系統(tǒng)。AMR調(diào)度和監(jiān)控系統(tǒng)是AMR任務(wù)派發(fā)的“小組長”。經(jīng)過計算，選取合適的AMR進行任務(wù)派發(fā)，并計算和規(guī)劃最合理的運輸路徑；AMR進行配送作業(yè)，包括調(diào)度AMR、料箱的交接、路徑配送和行程中安全避讓。當(dāng)AMR運輸?shù)街付ㄎ恢煤?，AMR完成物料的交接和空箱回倉工作。同時，產(chǎn)線物料的配送和消耗實時反饋到WMS系統(tǒng)。

圖1 生產(chǎn)制造系統(tǒng)AMR調(diào)度系統(tǒng)

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所重點研究和設(shè)計的AMR調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括3個部分：AMR小車終端設(shè)計、中央調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計（接口）和搭建無線網(wǎng)絡(luò)部分，上層信息化系統(tǒng)（包括ERP、MES和WMS）應(yīng)用的是已有的系統(tǒng)。其中，中央調(diào)度系統(tǒng)在OpenTCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，通過修改API接口和內(nèi)部算法，實現(xiàn)與WMS、各調(diào)度子系統(tǒng)進行通訊、調(diào)度和監(jiān)控；利用無線AP、防火墻、交換機和服務(wù)器組網(wǎng)，完成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建，建立了設(shè)備之間信息交互的平臺；AMR終端重點圍繞控制器及內(nèi)部硬件的組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)AMR具體運動命令的控制。

圖2 AMR調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

2 AMR調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)

AMR調(diào)度系統(tǒng)部分包括AMR小車終端設(shè)計、中央調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計和通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

2.1 AMR小車終端設(shè)計

2.1.1 AMR終端硬件設(shè)計。AMR終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用西門子1200PLC作為AMR終端的控制器。AMR終端主要包括4個部分：控制模塊、檢測導(dǎo)航模塊、通訊模塊和驅(qū)動模塊。其中控制模塊是AMR終端的“大腦”，負(fù)責(zé)接收上位調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)，并將任務(wù)分解為具體的動作指令；檢測導(dǎo)航模塊是AMR終端的“眼睛”，起到感測外界環(huán)境和安全的作用；通訊模塊是連接AMR終端和上位系統(tǒng)的媒介；驅(qū)動模塊是AMR終端的執(zhí)行系統(tǒng)，負(fù)責(zé)具體動作指令的執(zhí)行。

圖3 AMR終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.2 AMR小車終端軟件。AMR小車終端設(shè)計主要是對控制器編程和調(diào)試。對AMR小車進行建模，并對其基本數(shù)據(jù)類型和動作狀態(tài)進行了數(shù)值化顯示，見表2和表3。并將各小車的基本數(shù)據(jù)存儲在PLC的數(shù)據(jù)塊（DB）結(jié)構(gòu)中。

表2 基本數(shù)據(jù)類型

表3 硬件與小車動作狀態(tài)

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)命令與AMR小車通訊的媒介?？蛻舳撕头?wù)器（C/S）是最常用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。即將中央調(diào)度系統(tǒng)和子調(diào)度系統(tǒng)安裝在服務(wù)器端。這是通過驅(qū)動程序?qū)④囕v集成到系統(tǒng)中來實現(xiàn)的，類似于操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序。

圖4 C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖4所示，無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)采用防火墻、交換機和布設(shè)無線AP的方式。無線AP的信號覆蓋到整個AMR小車的工作區(qū)域。輻射范圍方面：整個機器人區(qū)域需要無線AP全覆蓋，不能有明顯的信號盲區(qū)/弱區(qū)，對存在信號弱的區(qū)域設(shè)置補盲AP點位。對于機器人排隊區(qū)域，需要加強AP信號的強度，強度要求0～65dbm。整體方案需要部署5個華為AP，每個AP點位采用掛壁式安裝，高度為6m，采用PoE供電，見表4。

表4 無線網(wǎng)絡(luò)配置

2.3 中央調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中央調(diào)度系統(tǒng)在開源系統(tǒng)OpenTCS的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，如圖5所示。其主要部分包括接口協(xié)議、呼叫系統(tǒng)的搭建、IT系統(tǒng)交互、數(shù)據(jù)庫和異常處理機制。由于在文章的其他部分有所闡述，這里不再贅述。

圖5 AMR中央調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 遺傳算法應(yīng)用

路徑規(guī)劃是AMR調(diào)度系統(tǒng)關(guān)鍵的部分，而算法則是路徑規(guī)劃的核心。機器人路徑規(guī)劃最常用的算法就是遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）。遺傳算法，是一類模仿生物進化規(guī)律而演化而來的隨機化搜索方法。遺傳算法全局搜索能力強，容易實現(xiàn)并行化，并且非常容易實現(xiàn)與其他算法相結(jié)合。常用的遺傳算法如圖6所示。

圖6 遺傳算法分類

遺傳算法的核心流程，如圖7所示，包括編碼、初始群體的生成、適應(yīng)度評估、選擇、交叉和變異等。

圖7 遺傳算法基本流程

（1）編碼。編碼是應(yīng)用遺傳算法時要解決的首要問題，也是設(shè)計遺傳算法時的一個關(guān)鍵步驟。其影響遺傳算法的交叉、選擇、變異操作，很大程度上影響著遺傳算法的效率?，F(xiàn)有的編碼方式主要有二進制編碼、實數(shù)編碼等。

（2）初始群體的生成。隨機產(chǎn)生N個初始編碼串，每個編碼串稱為一個個體，N個個體構(gòu)成了一個群體。GA以這N個編碼串作為初始點開始進化。

（3）適應(yīng)度評估。適應(yīng)度表明個體或解的優(yōu)劣性。不同的問題，相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計也不同。

（4）選擇。選擇的目的是為了從當(dāng)前群體中選出優(yōu)良的個體，使它們有機會作為父代為下一代繁殖子孫。遺傳算法通過選擇過程體現(xiàn)這一思想，進行選擇的原則是適應(yīng)性強的個體為下一代貢獻一個或多個后代的概率大。選擇體現(xiàn)了達爾文的適者生存原則。

（5）交叉。交叉操作是遺傳算法中最主要的遺傳操作。通過交叉操作可以得到新一代個體，新個體組合了其父輩個體的特性。交叉體現(xiàn)了信息交換的思想。

（6）變異。變異首先在群體中隨機選擇一個個體，對于選中的個體以一定的概率隨機地改變編碼串中某個串的值。同生物界一樣，GA中變異發(fā)生的概率很低，通常取值很小。

4 試驗測試

試驗設(shè)備主要包括一套上位機系統(tǒng)、兩種品牌AMR、無線網(wǎng)絡(luò)平臺等。利用OpenTCS仿真平臺，上線測試AMR，系統(tǒng)加載完成，如圖8所示。

圖8 OpenTCS加載設(shè)置界面

利用OpenTCS系統(tǒng)模擬任務(wù)派發(fā)，如圖9所示。

圖9 AMR調(diào)度系統(tǒng)訂單任務(wù)指派

利用OpenTCS調(diào)度系統(tǒng)仿真運行如圖10所示。經(jīng)試驗驗證，中央調(diào)度控制系統(tǒng)與子調(diào)度系統(tǒng)1和子調(diào)度系統(tǒng)2能實現(xiàn)正常有效通訊，AMR系統(tǒng)能夠完成訂單作業(yè)。

圖10 OpenTCS系統(tǒng)仿真界面

測試試驗數(shù)據(jù)表明，基于OpenTCS開發(fā)的AMR中央調(diào)度系統(tǒng)能實現(xiàn)與多品牌的AMR信息交互。隨著AMR終端功能和性能的不斷提升，調(diào)度系統(tǒng)面臨眾多問題等待解決。本系統(tǒng)不斷更新和優(yōu)化，未來可在生產(chǎn)制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。