AGV系統(tǒng)在物流分揀作業(yè)中的應用研究

王洪

[摘要]隨著國內(nèi)快遞行業(yè)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的分揀作業(yè)模式已經(jīng)無法滿足日益增長的用戶對速度的需求，AGV作為現(xiàn)代自動化物流設備，具有靈活性、可靠性等特征，減少了工作人員的數(shù)量并極大地提高了工作效率。文章構(gòu)建了一個AGV系統(tǒng)，應用于快遞分揀作業(yè)，詳細闡述了AGV應用的業(yè)務流程以及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，基于任務調(diào)度一系列的算法設計，最終，通過仿真軟件，分析分揀效率以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[關鍵詞]AGV；物流；分揀；快遞業(yè)務

[DOI]1013939/jcnkizgsc201717197

1引言

隨著電子商務的繁榮發(fā)展，特別是人們的個性化需求，使得電子商務的規(guī)模越來越大并趨向“多品種小批量”的特征，從而推動著快遞行業(yè)高速發(fā)展，快遞業(yè)對國家經(jīng)濟以及人們的日常生活起著越來越重要的作用。與此同時，在電商與消費者之間出現(xiàn)了一系列的問題，比如物流配送費用高、物流配送時間長等，特別是訂單的集中爆發(fā)對物流配送能力提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，我國近五年來的快遞量如圖1所示。[1]

顧客對于快遞行業(yè)服務質(zhì)量評價的一個重要方面為速度，其中，分揀作業(yè)處理快件的時效直接影響到整個快件的速度。[2][3]在配送中心搬運成本中，分揀作業(yè)搬運成本約占90%，而在勞動密集型配送中心，直接參與分揀操作的人力占50%，整個配送中心作業(yè)時間為30%～40%，更是被分揀作業(yè)時間所占。[4]分揀作業(yè)是依據(jù)顧客的訂貨要求或配送中心的送貨計劃，盡可能迅速、準確地將商品從其存儲區(qū)域揀選出來分類、集中作業(yè)的處理過程。[5]針對分揀作業(yè)模式，[6][7]傳統(tǒng)的模式主要靠人工進行分揀，自動化水平低，優(yōu)點為成本低，缺點為效率低、差錯率高；自動分揀機、立體倉庫等，依靠傳輸設備以及物流信息技術，雖然有著較高的分揀效率，但占地面積大，一旦建成不可改變，并且靈活性以及魯棒性太差等。

隨著快遞量的增多，會出現(xiàn)分揀效率低，出錯率高等問題，自動導引小車，是一種先進的自動化物流設備，可以很好地滿足物流分揀作業(yè)的要求，將分揀模式由“人到貨”轉(zhuǎn)變?yōu)椤柏浀饺恕?。目前，在國?nèi)AGV主要應用于光電制造、煙草、汽車、銀行、印刷等行業(yè)，[8]在這些傳統(tǒng)行業(yè)中，AGV的應用大多表現(xiàn)為獨立工作，固定的軌道，以及AGV應用規(guī)模小等特點。AGV系統(tǒng)是指多個AGV通過相互協(xié)作共同完成指定的任務，最終實現(xiàn)整體效益最大。AGV系統(tǒng)的自動化、線路靈活、魯棒性高以及柔性化等特征能夠很好地滿足業(yè)務量越來越大的快遞分揀業(yè)務。

基于大批量、外形規(guī)則的物流分揀的業(yè)務模式，本文將AGV系統(tǒng)運用到物流分揀業(yè)務中，從倉儲布局、AGV的任務分配，路徑規(guī)劃以及壁障等方面進行研究，并利用分布式的通信方式，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的效益最高，完成物流分揀業(yè)務。最后，通過c#實驗仿真平臺，進行AGV系統(tǒng)在分揀作業(yè)中的效率分析。

2業(yè)務流程描述

假設m個任務（不可分割的任務單元），n個入庫口；s個AGV；h個格口。其中，m個任務單元隨機到達，不同的格口代表不同的地區(qū)。根據(jù)各入庫口的剩余任務量的情況，將m個任務均勻分配給n個入庫口。停放在暫停區(qū)的AGV均勻分配給n個入庫口，一個AGV一次只能完成一個任務，一個任務只能由一個AGV完成，在入庫口，自動識別任務的信息，并將任務對應的格口位置發(fā)送給AGV，AGV將貨物運送到指定的格口位置。完成任務的AGV根據(jù)任務分配的規(guī)則，返回指定的入庫口進行下一次的任務，直到所有的任務都被分揀完成，AGV返回到暫停區(qū)或者是充電樁自動充電。分揀作業(yè)的流程如圖2所示。

利用柵格法建立環(huán)境地圖模型，柵格法地圖建模[2]是指將環(huán)境地圖劃分為各個大小相同的柵格，利用二維網(wǎng)絡形式描述機器人工作環(huán)境的周圍信息，并將這些信息轉(zhuǎn)化為機器人系統(tǒng)能夠理解的機器特征語言，其中，柵格的尺寸與數(shù)目根據(jù)機器人以及工作空間的大小來確定的，其表面分布著已知靜態(tài)的障礙物，包括格口、入庫口、暫停區(qū)、充電樁等，箭頭所指向的方向代表AGV的行駛方向。本文的仿真平臺的布局如圖3所示。

其中，紅色的表示入庫口，綠色的表示格口，紫色的表示暫停區(qū)，箭頭所指的方向代表AGV可以行使的方向。AGV從暫停區(qū)進入入庫口等待任務分配，將分配的任務放入所對應的格口，再到下一個指定的入庫口進行任務的分配，直到所有入庫口的任務都被執(zhí)行，程序結(jié)束。

3系統(tǒng)描述

AGV系統(tǒng)分揀作業(yè)采用分布式的控制方式，中央控制單元，承擔返回的數(shù)據(jù)處理，任務指派以及故障處理等功能，每個AGV具有各自的處理器，可以進行自身的效益值的計算，并與中央控制單元通過無線局域網(wǎng)進行實時通信，AGV隨時將自身的狀態(tài)信息和任務完成情況以及效益函數(shù)反饋給中央處理單元。中央處理單元根據(jù)各入庫口已完成任務個數(shù)和剩余任務個數(shù)以及AGV的自身位置等信息將AGV分配給整體效益最大的入庫口進行下一個任務的分揀作業(yè)。AGV系統(tǒng)分揀作業(yè)架構(gòu)如圖4所示。本文所構(gòu)建的AGV分揀作業(yè)系統(tǒng)，通過多個入庫口并行作業(yè)可以提高任務揀選的效率，適合快遞業(yè)務大批量的特性。

4任務調(diào)度

41任務分配

AGV完成當前任務，需要選擇下一個入庫口執(zhí)行新的任務，這一過程涉及任務的分配規(guī)則。主要考慮兩個方面的因素，AGV的效率以及入庫口工作人員的工作效率，達到人機協(xié)同，使得總的效益值最大。其中，AGV的效率主要由各AGV到各個入庫口的實際距離進行衡量，工作人員的工作效率主要考慮已完成任務個數(shù)以及剩余任務個數(shù)。

42路徑規(guī)劃

任務分配結(jié)束，即確定起始點和終止點，利用A*算法進行最短路徑規(guī)劃，并結(jié)合時間窗的概念，進行目標函數(shù)的修改，達到動態(tài)路徑規(guī)劃的效果，主要考慮兩個方面的因素，當前點到目標點的距離以及各條可行路徑上車輛的個數(shù)，在交叉路口，對小車的路徑進行重新規(guī)劃，檢測到所有可能的路線，并加入一個關于車輛共用道路的懲罰值，懲罰值的大小由離小車的距離不同而確定。

43避障規(guī)劃

在多AGV系統(tǒng)中，結(jié)合路徑規(guī)劃并利用提前設定的優(yōu)先級進行AGV之間的沖突處理，其中，AGV之間的優(yōu)先級設定要求為以下三方面：①status（載任務）>status（未載任務）；②任務完成時間長短。③當兩AGV為相同方向運動時，后一個AGV必須選擇等待策略；AGV所在的位置不在對方行駛的方向上，則優(yōu)先級低的AGV需要等待。

通過對任務分配、路徑規(guī)劃以及避障規(guī)劃的研究，在任務調(diào)度有序進行的基礎上，使得完成總的時間盡量地縮短，最終達到效益最大化。

5系統(tǒng)仿真

在C Sharp軟件平臺上，將AGV的任務分配、路徑規(guī)劃以及避碰規(guī)劃算法進行整合。左側(cè)為菜單欄，可以實時監(jiān)控AGV的運行狀態(tài)以及調(diào)整AGV的速度和加速度；右側(cè)為工作區(qū)域，可以模擬真實的分揀環(huán)境；另外，系統(tǒng)可以根據(jù)需要自行設置AGV的應用環(huán)境以及所需要的任務量。AGV的不同顏色是根據(jù)AGV的當前的狀態(tài)（暫停、轉(zhuǎn)彎、托貨、空載等）進行設置的，可以通過AGV的顏色不同，對AGV進行進一步的分析以及故障檢測。本文分別利用120臺小車，8個揀選口，AGV的速度設置為2m/s，從時間，分揀效率，差錯率等方面進行分析得到表1結(jié)果。

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及效率值和差錯率的計算，可以看出AGV系統(tǒng)的分揀效率高，容錯能力好。在分揀效率方面，AGVs的分揀效率與自動分揀機的效率相當，但比自動分揀機在成本以及柔性等方面有著明顯的優(yōu)勢。

6結(jié)論

本文將AGV系統(tǒng)應用與物流快遞分揀作業(yè)中，從業(yè)務流程設計，網(wǎng)絡架構(gòu)以及任務調(diào)度三個方面，說明該系統(tǒng)的可行性，并最終通過仿真驗證，AGV系統(tǒng)應用與物流快遞分揀作業(yè)具有較高的效率和穩(wěn)定性。對于系統(tǒng)的效率方面的提升將是接下來研究的重點，將從具體的任務調(diào)度算法進行改進與完善，最終得到更高效率的AGV系統(tǒng)。參考文獻：

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計局國家數(shù)據(jù)National Bureau of Statistics of China[DB].http：//datastatsgovcn/searchhtm？s=2015%20%E5%BF%AB%E9%80%92%E6%95%B0%E9%87%8F

[2]湯念念快遞企業(yè)分揀作業(yè)研究[D].大連：大連海事大學， 2012

[3]高小茜淺析我國快遞企業(yè)的分揀問題[J].商場現(xiàn)代化， 2014（29）：55-57

[4]向偉， 李平國內(nèi)快遞行業(yè)現(xiàn)有分揀技術之初探[J].全國商情·理論研究， 2013（3）：39-40

[5]Zhang Y， Wu YResearch of efficiency optimization in tobacco automated sorting system[C]// IEEE International Conference on Automation and LogisticsIEEE， 2007：1209-1213

[6]張貽弓， 吳耀華可合流的自動分揀系統(tǒng)訂單排序優(yōu)化[J].山東大學學報：工學版， 2008， 38（5）：67-71

[7]陳明， 倪雄軍， 章軍，等AGV技術在煙草工業(yè)物流系統(tǒng)中的應用研究[J].物流技術與應用， 2015， 20（10）：170-173

[8]孫瑜， 張倩， 姜一丁AGV控制系統(tǒng)在煙草物流過程中的應用[J].自動化與儀表， 2012， 27（5）：39-41