基于工藝過程的AGV空時(shí)響應(yīng)調(diào)度機(jī)制研究

羅福興，王利剛，吳煒煒

（杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 311121）

AGV（Automatic Guided Vehicle）即自動(dòng)導(dǎo)引小車作為物料運(yùn)輸?shù)某休d器件，在生產(chǎn)過程的物料組織中起到關(guān)鍵作用。AGV小車在實(shí)際運(yùn)用過程中場(chǎng)景多樣化，按照引導(dǎo)原理可分為磁條引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、RFID引導(dǎo)、視覺引導(dǎo)等方式?，F(xiàn)今AGV小車廠商對(duì)小車系統(tǒng)本身研究開發(fā)的居多，而生產(chǎn)過程中的調(diào)度均交給用戶處理。生產(chǎn)工藝過程在組織模式、AGV運(yùn)送路徑、上下料、停留時(shí)間等方面有其自身特點(diǎn)，AGV小車調(diào)度機(jī)制的有效性直接影響其性能發(fā)揮和生產(chǎn)效率。

1 運(yùn)行路徑的特點(diǎn)

生產(chǎn)工藝過程和倉儲(chǔ)不同，具有強(qiáng)邏輯的特點(diǎn)，即嚴(yán)格按照所生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝路線執(zhí)行。針對(duì)不同的產(chǎn)品或者相同產(chǎn)品的不同規(guī)格，工藝路線會(huì)做調(diào)整，一旦調(diào)整完成，工藝路線就相對(duì)固定。這種相對(duì)固定的工藝路線給與之對(duì)應(yīng)的AGV小車的運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)帶來便捷。

若工藝節(jié)點(diǎn)由下游往上游行走的路徑為上行路徑，反之，工藝節(jié)點(diǎn)由上游往下游行走的路徑為下行路徑，總的路徑數(shù)量根據(jù)工藝節(jié)點(diǎn)的組合，理論上共有C2N+1上行或者下行路徑。在具體系統(tǒng)中AGV小車的運(yùn)行路徑可以按照生產(chǎn)實(shí)際確定或者在理論路徑數(shù)量的基礎(chǔ)上對(duì)不可能存在的路徑進(jìn)行刪除。

2 生產(chǎn)作業(yè)模型

將復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)過程經(jīng)過單元化處理或者拆分后，可以提煉出如圖1所示四種典型的生產(chǎn)作業(yè)模型。（1）串行作業(yè)，對(duì)應(yīng)路徑R①-②；（2）并行作業(yè)，對(duì)應(yīng)路徑R②-③④，反向?yàn)楹喜⒆鳂I(yè)，如路徑R⑤⑥-⑦；（3）交叉作業(yè)，對(duì)應(yīng)路徑R③-⑥，R④-⑤之間形成交叉；（4）空過作業(yè)，對(duì)應(yīng)路徑R③-⑦，經(jīng)過工藝節(jié)點(diǎn)⑤，但不做工藝處理，形成跨工藝節(jié)點(diǎn)的空過作業(yè)。復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)可以看作以上四種典型的生產(chǎn)作業(yè)模型的疊加，如R④-⑤⑥與R②-③④視為并行作業(yè)，而R②③-④可以當(dāng)作并行作業(yè)的反向合并作業(yè)。

圖1 典型的生產(chǎn)作業(yè)模型

3 生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間的分解及預(yù)設(shè)

為了減少生產(chǎn)作業(yè)等待時(shí)間，提高整體生產(chǎn)作業(yè)率，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間及AGV小車運(yùn)送時(shí)間做分解及相應(yīng)的預(yù)設(shè)是有必要的。若生產(chǎn)工藝節(jié)點(diǎn)在缺少物料時(shí)才發(fā)出物料請(qǐng)求信號(hào)，AGV小車再通過物料請(qǐng)求信號(hào)去上個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)送，那么就損失了一個(gè)來回的上下行時(shí)間，此節(jié)點(diǎn)則處于空閑狀態(tài)。生產(chǎn)作業(yè)過程在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮來料狀態(tài)、物料運(yùn)送過程及生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間。

為了方便對(duì)各階段的動(dòng)作在時(shí)間上做出預(yù)估，將生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間TW、AGV小車運(yùn)送時(shí)間TA做以下分解：

生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間TW=上料時(shí)間+加工時(shí)間+下料時(shí)間；

AGV小車運(yùn)送時(shí)間TA=運(yùn)送時(shí)間+輔助時(shí)間+交通管制時(shí)間；

運(yùn)送時(shí)間=上行時(shí)間+下行時(shí)間。

系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)時(shí)可以先預(yù)設(shè)各階段的時(shí)間進(jìn)行試運(yùn)行，有相同產(chǎn)品生產(chǎn)記錄的情況下直接進(jìn)行引用。對(duì)于某個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)段生產(chǎn)同一產(chǎn)品是常態(tài)，同一參數(shù)可以引用前值或者歷史均值使預(yù)設(shè)的估計(jì)值更接近實(shí)際值。

設(shè)置緩存區(qū)是解決時(shí)間銜接問題的有效辦法。某種來料充足的情況下則只計(jì)算加工及下料時(shí)間，上料時(shí)間預(yù)設(shè)為零；工藝節(jié)點(diǎn)上無料，則可以向前追溯前端工藝節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)作業(yè)狀況，對(duì)時(shí)長進(jìn)行累加，以此類推，直至原料庫，原料庫的內(nèi)部作業(yè)時(shí)間可以當(dāng)作0號(hào)工藝節(jié)點(diǎn)來對(duì)待，原料庫無料視為無限時(shí)長。

4 投入運(yùn)行小車數(shù)量的確定

AGV小車價(jià)格高，占總投資比重大，確定AGV小車實(shí)際投入數(shù)量值得重視。

根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)模型設(shè)計(jì)規(guī)劃路徑，然后結(jié)合AGV行駛速度、加速度等性能參數(shù)及裝卸貨時(shí)間計(jì)算總體運(yùn)行時(shí)長，同時(shí)，對(duì)各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的加工總時(shí)長進(jìn)行比較取整可以確定初步所需數(shù)量。也可以依照上述思想預(yù)估上下行單條任務(wù)的一個(gè)時(shí)長除以單個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的時(shí)長取整累加估算系統(tǒng)的AGV數(shù)量。

AGV小車運(yùn)送時(shí)間TA小于生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間TW時(shí)才能保障工藝節(jié)點(diǎn)順暢工作。AGV小車的實(shí)際投入運(yùn)行數(shù)量還應(yīng)結(jié)合規(guī)劃路徑乘以阻塞系數(shù)（大于1的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)）。另外，還需考慮AGV補(bǔ)充能量（充電）的時(shí)間，這與電池容量、充電方式以及AGV平均功耗相關(guān)。

在上述基礎(chǔ)上，有條件的還可以通過系統(tǒng)仿真來對(duì)AGV預(yù)估數(shù)量和規(guī)劃路徑做驗(yàn)證和優(yōu)化。

5 小車編號(hào)及服務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定

為了響應(yīng)各工藝節(jié)點(diǎn)物料運(yùn)送，對(duì)AGV小車進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào)是必要的。在選購時(shí)，一般均會(huì)采用同一廠家及型號(hào)AGV小車，但根據(jù)物料尺寸及重量等參數(shù)選擇特定場(chǎng)合使用的AGV小車的情況也時(shí)有發(fā)生，設(shè)定為最高優(yōu)先級(jí)或?qū)Ｓ许憫?yīng)，AGV小車編號(hào)及行走路徑可以固化。

同一型號(hào)的AGV小車設(shè)置永久編號(hào)及路徑臨時(shí)標(biāo)號(hào)，永久編號(hào)在充電、保養(yǎng)、維修等過程中使用，臨時(shí)標(biāo)號(hào)在物料運(yùn)送過程中可以根據(jù)所在路徑或者?？空具M(jìn)行賦號(hào)，增加調(diào)度靈活性。例如，永久編號(hào)A-0001，臨時(shí)標(biāo)號(hào)SR-0010，代表編號(hào)A-0001的小車在上行路徑10中作業(yè)，若工藝節(jié)點(diǎn)09有運(yùn)送請(qǐng)求，按照最短路徑或最短到達(dá)時(shí)間原則調(diào)用SR-0010進(jìn)行需求響應(yīng)。

依據(jù)上述原則，特定場(chǎng)合使用的AGV小車專有響應(yīng)定為最高級(jí)；串行工藝路線中節(jié)點(diǎn)靠前的優(yōu)先級(jí)高于靠后的；并行、交叉路線中料少的或者工藝節(jié)點(diǎn)中剩余作業(yè)時(shí)間短的優(yōu)先級(jí)高于料多的或者工藝節(jié)點(diǎn)中剩余作業(yè)時(shí)間長的；其他情況可以按照最短路徑或最短到達(dá)時(shí)間確定優(yōu)先等級(jí)；上下行路徑不能分開的場(chǎng)合上行（空載）讓下行（滿載）；交通管制情況按照管制原則執(zhí)行。

6 空時(shí)響應(yīng)

在工藝節(jié)點(diǎn)的模式，AGV小車的運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)，生產(chǎn)單元的分解及工時(shí)預(yù)估以及AGV小車投入運(yùn)行的數(shù)量基本確定后，AGV調(diào)度系統(tǒng)采用一定的調(diào)度機(jī)制從空閑AGV中選擇一臺(tái)，指揮協(xié)調(diào)AGV按照一定的路線完成運(yùn)輸?shù)墓δ?。AGV調(diào)度系統(tǒng)需要統(tǒng)籌所有AGV小車的行為，達(dá)到整體最優(yōu)，而不是一個(gè)或某幾個(gè)AGV小車的最優(yōu)。

造成整體系統(tǒng)或局部暫時(shí)停頓、AGV小車空閑的因素較多。工藝節(jié)點(diǎn)所生產(chǎn)產(chǎn)品的變動(dòng)，半自動(dòng)、甚至手動(dòng)操作工時(shí)的不穩(wěn)定，設(shè)備故障、檢修，AGV小車充電、故障、檢修，AGV小車交通管制，上級(jí)系統(tǒng)物料調(diào)配，產(chǎn)品檢驗(yàn)、中斷調(diào)整，緩沖區(qū)的影響都可能導(dǎo)致工藝節(jié)點(diǎn)與AGV小車物料運(yùn)送在時(shí)間上的錯(cuò)配。

AGV調(diào)度系統(tǒng)需根據(jù)實(shí)際情況記錄并實(shí)時(shí)計(jì)算在每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的物料情況及生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，并按照優(yōu)先等級(jí)進(jìn)行響應(yīng)排序。在生產(chǎn)過程中的某個(gè)時(shí)段，AGV調(diào)度系統(tǒng)賦予AGV臨時(shí)標(biāo)號(hào)并執(zhí)行相關(guān)運(yùn)送任務(wù)，運(yùn)送任務(wù)未完成臨時(shí)標(biāo)號(hào)不變。沒有賦予臨時(shí)標(biāo)號(hào)的AGV小車代表處于完全空閑狀態(tài)。處于同一路徑的上下行AGV小車可以采用尾數(shù)單雙號(hào)用以關(guān)聯(lián)和區(qū)分，如SR-0009、SR-0010。

AGV調(diào)度系統(tǒng)在生產(chǎn)作業(yè)正常的情況下，可以根據(jù)上次的記錄值及各階段的時(shí)間預(yù)設(shè)提前做好調(diào)度規(guī)劃，趨近或者達(dá)到AGV運(yùn)送整體最優(yōu)效果。

7 結(jié)語

總體而言，在整個(gè)生產(chǎn)工藝過程中，AGV調(diào)度系統(tǒng)能夠很好地解決物料的分配與控制問題，可以與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、對(duì)接，實(shí)現(xiàn)無人化的多機(jī)配合，智能排程，打造柔性、現(xiàn)代的智能物流系統(tǒng)，提升物流搬運(yùn)整體效率。

AGV調(diào)度系統(tǒng)所涉及的路徑設(shè)置、AGV小車性能、響應(yīng)機(jī)制等，以及對(duì)具體生產(chǎn)工藝過程的深度結(jié)合與優(yōu)化仍然有很大的探討和進(jìn)步空間。