一種針對自動化碼頭AGV擁堵沖突的動態(tài)路徑優(yōu)化策略

宋 宇

上海國際港務(wù)(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

碼頭裝卸體系主要由岸邊作業(yè)、水平運輸、堆場裝卸3部分組成，繼堆場作業(yè)實現(xiàn)自動化后，越來越多的碼頭水平運輸系統(tǒng)采用自動化技術(shù)。與堆場裝卸自動化相比，水平運輸系統(tǒng)的自動化需要規(guī)劃合理的行走路徑，多設(shè)備環(huán)境下需解決沖突的交通控制問題、高效裝卸任務(wù)調(diào)度問題，實現(xiàn)高可靠性、高精度裝卸設(shè)備的自動化運行。

隨著參與作業(yè)的AGV數(shù)量的不斷增加，受其水平運輸設(shè)備性能、作業(yè)環(huán)境、水平運輸系統(tǒng)行駛區(qū)域布局等因素的影響，AGV作業(yè)過程中更容易發(fā)生路徑?jīng)_突及死鎖等問題，影響碼頭水平運輸系統(tǒng)的效率。在實際生產(chǎn)過程中，AGV在同方向行駛時，由于AGV行駛速度的不同(空車、重車、極重車)，有時會導(dǎo)致多臺AGV同時到達上下檔路口，或者同時到達進出中轉(zhuǎn)箱堆存的懸臂箱區(qū)通道路口，而發(fā)生等待沖突。

國內(nèi)外專家學(xué)者在對AGV路徑規(guī)劃的問題上開展了大量的專題研究，開發(fā)出了一系列優(yōu)化模型和算法。如通過將AGV路徑規(guī)劃與裝卸船集裝箱的AGV服務(wù)時間矩陣相結(jié)合進行數(shù)學(xué)建模，并通過遺傳算法求解匹配所調(diào)度的AGV及所選擇的行駛路徑，從而在滿足服務(wù)時間的基礎(chǔ)上避免了交通沖突的發(fā)生，但當(dāng)AGV的種群規(guī)模較大時，這種算法求解的時間較長，時實性較差[1]。通過考慮整個集裝箱裝卸生產(chǎn)過程，求解一組混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，建立一種自動化集裝箱碼頭自由范圍形式的AGV路徑規(guī)劃策略，可避免AGV在運行過程中發(fā)生沖突的情況，降低整個任務(wù)的執(zhí)行時間[2]。通過仿真目前集裝箱自動化碼頭中普遍使用的垂直式布局進行了數(shù)學(xué)建模，根據(jù)總路徑長度和需要轉(zhuǎn)彎的次數(shù)來確定首選路徑和備選路徑，再根據(jù)時間窗約束來確定各任務(wù)調(diào)度的AGV所使用的最終路徑，但該方案未考慮比較等待成本與增加的路徑成本和AGV多種姿態(tài)改變及加減速的情況，以及AGV本身車長所占有的路徑長度[3]。

自動化碼頭AGV擁堵沖突的動態(tài)路徑優(yōu)化策略，是在滿足既定目標(biāo)，即水平運輸系統(tǒng)服務(wù)承諾的前提下，根據(jù)水平運輸系統(tǒng)路網(wǎng)的實時狀態(tài)，對服務(wù)中的AGV進行實時快速的路徑動態(tài)規(guī)劃，從而避免在運行過程中發(fā)生路徑擁堵沖突問題。與傳統(tǒng)的靜態(tài)路徑規(guī)劃策略相比，動態(tài)路徑優(yōu)化不僅需要考慮AGV運行過程中的時間及路程成本，更需要考慮各作業(yè)任務(wù)工況下AGV本身性能差異限制、運行過程中發(fā)生路徑交叉沖突時的檢測和解除。在現(xiàn)有的AGV路徑規(guī)劃研究上，結(jié)合工作實際，提出一種自動化碼頭AGV擁堵沖突的動態(tài)路徑優(yōu)化策略。

2 AGV運行區(qū)域及運動特征

2.1 某自動化碼頭AGV運行區(qū)域

某自動化碼頭海側(cè)作業(yè)區(qū)為東西向布置，AGV運行區(qū)域根據(jù)功能設(shè)置劃分為5類(見圖1)。

1.岸橋交互及穿行車道 2.停泊及穿行緩沖區(qū) 3.穿行高速車道 4.場橋(無懸臂)交互車道 5.場橋(懸臂)交互及穿行車道

(1)岸橋交互及穿行車道

岸橋交互及穿行車道為自海側(cè)至陸側(cè)設(shè)置的1#～7#車道，寬度為4 m。2#、3#、5#、6#車道用于與岸橋進行交互作業(yè)，1#、4#、7#車道用于穿行，岸橋交互及穿行車道的行駛方向不固定，可根據(jù)作業(yè)需求進行變更。

(2)停泊及穿行緩沖區(qū)

停泊及穿行緩沖區(qū)為若干垂直于岸線設(shè)置的緩沖車道，用于空閑AGV停泊及海陸側(cè)穿行的通道，寬度為6 m，緩沖區(qū)的行駛方向設(shè)置為均可雙向行駛。

(3)穿行高速車道

穿行高速車道為自海側(cè)至陸側(cè)設(shè)置的8#～13#車道，其中8#～12#車道寬度為4 m，13#車道寬度為6.5 m。穿行高速車道為AGV穿梭于岸橋及場橋之間的主干車道，行駛方向均設(shè)置為單向行駛，其中8#、10#及12#車道為自西向東行駛車道，9#、11#及13#為自東向西行駛車道。

(4)場橋(無懸臂)交互車道

堆場垂直于岸線布置，場橋(無懸臂)交互車道位于無懸臂軌道吊堆場海側(cè)，每個無懸臂箱區(qū)有5個作業(yè)車道。每個車道寬5 m，設(shè)置有直接交互區(qū)與AGV伴侶(支架)交互區(qū)，每個作業(yè)車道僅允許1臺AGV進入作業(yè)，且為從海側(cè)單進單出行駛方式。

(5)場橋(懸臂)交互車道

為了滿足水水中轉(zhuǎn)比例高的作業(yè)需求，碼頭設(shè)置若干懸臂箱區(qū)，AGV可駛?cè)霊冶巯鋮^(qū)對應(yīng)作業(yè)車道，由懸臂軌道吊直接吊裝。每2個相臨懸臂箱區(qū)之間設(shè)置有1個懸臂箱區(qū)作業(yè)通道，每個通道有4個車道，靠近箱區(qū)的2個能夠雙向行駛的車道為作業(yè)車道，位于中間的2個車道行車方向相反，僅允許單向行駛的車道為行車道。

2.2 AGV運動特性

該自動化碼頭使用的AGV最大載重為65 t，直行速度最高可達6 m/s，轉(zhuǎn)彎速度最高可達2 m/s。AGV受本身幾何尺寸限制，相應(yīng)執(zhí)行器(電力驅(qū)動機構(gòu)、車橋轉(zhuǎn)向機構(gòu))在車道內(nèi)運行時相應(yīng)運動軌跡輪廓不超出車道邊界，在符合軌跡運動學(xué)方程的前提等約束條件下，為滿足水平運輸作業(yè)中AGV在岸橋交互及穿行車道、停泊及穿行緩沖區(qū)、穿行高速車道、場橋(無懸臂)交互車道及場橋(懸臂)交互車道之間穿梭的要求，規(guī)劃提供了以下運動方式。

(1)直行(Straight)

AGV直行運動加減速加速度與載重噸位有著如下關(guān)聯(lián)：電機空載加減速時間為10 s，對應(yīng)加速度為0.6 m/s2，最高速度為6 m/s；電機帶載(0～30 t)最小加減速時間為12 s，對應(yīng)加速度為0.5 m/s2，最高速度為6 m/s；電機帶載(30～50 t)最小加減速時間為15 s，對應(yīng)加速度0.4 m/s2，最高速度6 m/s；電機帶載(50～70 t)最小加減速時間為10 s，對應(yīng)加速度0.3 m/s2，最高速度3 m/s。

(2)直角轉(zhuǎn)彎(Q-turn)

直角轉(zhuǎn)彎使AGV姿態(tài)能夠在運動平面上轉(zhuǎn)動90°，根據(jù)不同的車道寬度組合共有窄轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎、窄轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎、寬轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎及寬轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎4種形式的直角轉(zhuǎn)彎(見圖2～圖5)。

圖2 窄轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎

圖3 窄轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎

圖4 寬轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎

圖5 寬轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎

(3)S型轉(zhuǎn)彎(S-turn)

S型轉(zhuǎn)彎(見圖6)能夠使運行在岸橋交互及穿行車道、穿行高速車道及場橋(懸臂)交互車道中的AGV快速地變換車道，比較常用的S型轉(zhuǎn)彎有4 m車道變換(變換行車方向)，8 m車道變換(變換至另一同向車道)。

圖6 S型轉(zhuǎn)彎

(4)斜行(O-turn)

斜行(見圖7)與S型轉(zhuǎn)彎功能相似，該動作能夠使車道中的AGV快速地變換車道，且斜行完成一次車道變換所需的距離較S型轉(zhuǎn)彎要短。以4 m車道變換為例，S型所需的行駛距離為17 m，而斜行所需的行駛距離為12 m，這一特性在岸橋肩并肩作業(yè)時，能夠使AGV具有較強的機動性。但是斜行過程較S型轉(zhuǎn)彎在運行總耗時上不具優(yōu)勢，而且斜行過程對AGV部件的磨損沖擊較S型轉(zhuǎn)彎大，因此逐漸被S型轉(zhuǎn)彎所替代。

圖7 斜行

3 自動化碼頭AGV沖突問題分析

3.1 自動化碼頭AGV沖突描述

AGV在運行過程中通過磁釘導(dǎo)航進行絕對位置校準，根據(jù)場地內(nèi)磁釘?shù)牟季忠?guī)劃最終形成了AGV水平運輸網(wǎng)絡(luò)中的各行車、作業(yè)車道。在自動化碼頭生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程中，岸橋根據(jù)船舶作業(yè)計劃進行集裝箱的裝卸作業(yè)，AGV則根據(jù)TOS發(fā)出的指令，將指令中承運的集裝箱從任務(wù)的收箱地點運抵任務(wù)的送箱地點。由于不同種類的集裝箱(例如普通箱及冷箱)堆存的位置各不相同，為提高裝卸集裝箱的收發(fā)箱能力，裝卸箱一般分散堆存在多個作業(yè)箱區(qū)，這樣便存在著多條AGV穿梭于岸橋作業(yè)區(qū)與堆場作業(yè)區(qū)之間的路徑。隨著根據(jù)作業(yè)任務(wù)需求投入的AGV數(shù)量不斷地增加，根據(jù)碼頭AGV運行區(qū)域的布局，在作業(yè)過程中AGV之間可能出現(xiàn)如下3種比較常見的沖突。

(1)AGV在相向行駛的過程中，一臺AGV等待另外一臺AGV而產(chǎn)生的等待或慢速行駛沖突。

(2)AGV在同向行駛的過程中，一臺AGV等待另外一臺AGV而產(chǎn)生的等待或慢速行駛沖突。

(3)AGV同時到達同一交車路口時而產(chǎn)生的交叉等待沖突，造成等待或慢速行駛沖突。

3.2 自動化碼頭AGV沖突原因分析

對以上沖突情況進行分析、觀察及研究，發(fā)現(xiàn)造成以上情況的因素主要有6種：

(1)岸橋循環(huán)方向或者作業(yè)位置發(fā)生改變，導(dǎo)致AGV在岸橋交互及穿行車道中發(fā)生互相等待。

(2)作業(yè)AGV所承運的集裝箱有箱門方向或者冷凍箱制冷器插頭方向的裝卸要求，雖然是在單向車道中，但路徑導(dǎo)引規(guī)則許可在換箱門時逆向占用行駛車道，導(dǎo)致相向駛來的AGV需要等待前一AGV動作完成而產(chǎn)生的等待沖突。

(3)AGV設(shè)備載重情況不同，導(dǎo)致彼此之間的加減速時間及最高速度產(chǎn)生差異，在運行過程中后方快車等待前方慢車。

(4)前方或在交叉路口中的AGV下一動作為轉(zhuǎn)向或者變更車道，且下一動作的路權(quán)許可尚未下達，導(dǎo)致其他AGV依次等待。

(5)AGV設(shè)備出現(xiàn)單機狀態(tài)性能漏洞，設(shè)備停車或設(shè)備監(jiān)控人員激活相關(guān)旁路功能而導(dǎo)致最高速度受到了限制，后方AGV等待。

以上AGV沖突的發(fā)生，會堵塞水平運輸路網(wǎng)，降低水平運輸效率，最終導(dǎo)致部分水平運輸任務(wù)超時。本文研究的沖突工況為AGV在相向行駛的過程中，一臺AGV等待另外一臺AGV而產(chǎn)生的等待或者慢速行駛沖突，這類沖突在AGV實際運行中占比較大。

4 模糊控制基本原理

4.1 路徑?jīng)_突檢測

AGV行駛區(qū)域的車流控制完全由計算機系統(tǒng)進行控制，通過鎖閉區(qū)管理來實現(xiàn)，由申明鎖閉區(qū)與申請鎖閉區(qū)組成。申明鎖閉區(qū)為當(dāng)前AGV已經(jīng)獲準的鎖閉區(qū)，長度由前方道路的凈空距離和AGV運動性能共同決定，鎖閉區(qū)的長度應(yīng)能保證AGV在當(dāng)前速度下安全制動；申請鎖閉區(qū)是隨著AGV的運動趨勢逐步延伸的一部分鎖閉區(qū)，該鎖閉區(qū)的長度由AGV的運動速度動態(tài)決定。

路徑?jīng)_突檢測是將交通控制算法(TC)和速度控制器(SC)結(jié)合，通過鎖閉區(qū)允許的行駛速度與理想行駛速度判斷AGV是否持續(xù)處于擁堵沖突狀態(tài)。

4.2 輸入數(shù)據(jù)的模糊化

在自動化控制中，模糊控制方法被廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)的相關(guān)業(yè)務(wù)中。模糊控制是以業(yè)務(wù)需要所建立的模糊集合、模糊變量及模糊邏輯作為基礎(chǔ)進行的一種計算機推理，基本流程為對輸入數(shù)據(jù)的模糊化，專家規(guī)則庫進行邏輯推斷，最終通過解模糊將結(jié)果輸出給受控對象。

模糊控制的輸入量可以是各種數(shù)據(jù)類型，為了幫助計算機系統(tǒng)對輸入量進行理解，在對輸入數(shù)據(jù)進行推斷之前，必須對輸入數(shù)據(jù)進行模糊化。模糊化的主要流程是將輸入的各種有量綱確定量轉(zhuǎn)換成一個無量綱的模糊量。

以AGV的行駛速度為例，0～2 m/s表示的是AGV行駛速度的物理意義，這樣的速度在人類感官認知上可以用“很慢”表示，依此類推，2～4 m/s可以用“較慢”表示，4～6 m/s可以用“正常”表示，在此基礎(chǔ)上不僅可以用三段式隸屬度來表示E={NS,ZE,PS}，更可以精確到五段式E={NB,NS,ZE,PS,PB}，甚至是七段式來表示E={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。

因此輸入數(shù)據(jù)的模糊化是將一個準確的輸入信號通過對應(yīng)的隸屬度函數(shù)規(guī)則，轉(zhuǎn)化為模糊信號提供給專家規(guī)則庫進行邏輯推斷。

4.3 專家規(guī)則庫邏輯推斷

專家規(guī)則庫是模糊控制的核心，該規(guī)則庫可以基于已有的專家知識，也可以是過程控制人員長期通過人工干預(yù)而積累的一定經(jīng)驗認知。它是一種仿照人類的感官推理得到結(jié)論的過程，通常模糊規(guī)則為一系列因果關(guān)系詞構(gòu)成，例如if、then和else等。

以AGV發(fā)生等待沖突或者擁堵為例，A、B、C分別表示為3臺發(fā)生等待沖突的AGV。假設(shè)A等待B通過，B等待C通過，C等待A通過，則3臺AGV進入死鎖狀態(tài)。此時模糊控制的輸入數(shù)據(jù)為3臺AGV下一行駛動作預(yù)計完成時間ET，A預(yù)計完成時間為10 s，B預(yù)計完成時間為5 s，C預(yù)計完成時間為3 s。根據(jù)隸屬度進行模糊化后，A預(yù)計完成時間模糊為“較長”(PB)，B預(yù)計完成時間為“中等”(Z)，C預(yù)計完成時間為“較短”(NB)。則預(yù)計完成時間ET與優(yōu)先度選擇優(yōu)度(OC)之間的關(guān)系為：預(yù)計完成時間“較短”的AGV能夠獲得較高的優(yōu)先權(quán)通過。但是如果再增加一個輸入量，即當(dāng)發(fā)生死鎖時A、B、C 3臺AGV后排隊等待通行的AGV數(shù)量，最終解除死鎖而進行的優(yōu)先度選擇優(yōu)度(OC)結(jié)果可能發(fā)生變化。

4.4 解模糊

當(dāng)推理結(jié)果獲得后，該結(jié)果依然為一個模糊值，不能直接作為控制量來應(yīng)用，必須通過解模糊化將模糊值解析為實際控制量。

例如解除AGV死鎖過程中，優(yōu)先度選擇優(yōu)度(OC)結(jié)果集E={NS,ZE,PS}，即可解析為AGV通過的優(yōu)先級順序號1、2、3。

5 模糊控制器設(shè)計

模糊控制器的作用是判別AGV是否處于擁堵沖突狀態(tài)，并決定是否采取S彎變道來擺脫沖擁堵沖突?？刂破鞯妮斎胗葾GV載重量、AGV當(dāng)前的行駛速度與AGV前方凈空距離三要素組成，輸出則為AGV作出的重新規(guī)劃路徑擺脫沖突的決定。

5.1 輸入、輸出參數(shù)變量定義

定義輸入?yún)?shù)如下：

(1)agv_payload定義為AGV載重量，AGV可達到的理論最大速度與加減速時間由載重量決定。

(2)agv_act_speed定義為AGV運行的當(dāng)前行駛速度。

(3)agv_lock_area_length_permit定義為AGV前方凈空距離，即表明道路擁擠情況。

輸出參數(shù)agv_conflict_solution定義為處于沖突態(tài)的AGV作出的重新規(guī)劃路徑擺脫沖突的決定。

5.2 輸入信號模糊集定義

(1)agv_lock_area_length_permit擁擠程度模糊化{NB,Z,PB}，見表1。

表1 agv_lock_area_length_permit模糊集

(2)agv_payload AGV載重量模糊化{NB,Z,PB}，見表2。

表2 agv_payload模糊集

(3)agv_act_speed AGV實際速度模糊化{NB,Z,PB}，見表3。

表3 agv_act_speed模糊集

5.3 構(gòu)建模糊邏輯推斷模型

發(fā)生AGV擁堵后，模型判斷AGV是否進入擁堵沖突狀態(tài)，是否需要通過AGV規(guī)劃一個S彎來擺脫沖突狀態(tài)。為了簡化模糊邏輯推斷規(guī)則，對模糊規(guī)則做如下篩選：

(1)當(dāng)agv_lock_area_length_permit=PB狀態(tài)時，無論當(dāng)前速度或載重情況如何，AGV都能達到理想的行駛速度。

(2)當(dāng)agv_lock_area_length_permit=NB狀態(tài)時，無論當(dāng)前速度或載重情況如何，AGV都會很塊達到擁堵沖突狀態(tài)。

根據(jù)上述篩選，最終模糊規(guī)則共有如下9條邏輯推斷規(guī)則(見表4)。其中第2、3及6條規(guī)則，即判定AGV是處于擁堵狀態(tài)并采取變道策略。

表4 AGV擁堵模糊邏輯推斷規(guī)則

5.4 輸出信號解模糊化

agv_conflict_solution該輸出決定AGV是否處于擁堵狀態(tài)并采取變道策略，見表5。

表5 agv_conflict_solution模糊集

6 結(jié)語

對AGV在同向行駛的過程中，一臺AGV等待另外一臺AGV而產(chǎn)生的等待或者慢速行駛擁堵沖突工況進行了建模與仿真。經(jīng)仿真驗證，使用模糊控制進行沖突管理時，可節(jié)約AGV占用時間總計69 s。該方法能夠有效地減少由沖突和擁堵造成的AGV占用任務(wù)時間長的問題，提高AGV周轉(zhuǎn)率，提高水平運輸效率，最終達到提高碼頭作業(yè)效率的目標(biāo)。