排煙防火閥門智能倉儲系統的設計與仿真

林晉立，林欽志

（1.廣東產品質量監(jiān)督檢驗研究院，廣州 510330；2.廣州鐵路集團羊城鐵路總公司，廣東廣州 510100）

0 引言

排煙防火閥門是建筑物內部通風和空調系統、機械排煙系統的組成部分，規(guī)范閥門的生產廠家，檢測閥門的安全性能十分重要。2019年國家市場監(jiān)管局取消了排煙防火閥門的強制性認證，但企業(yè)仍需進行閥門產品的自愿性認證。國內排煙防火閥門的生產企業(yè)眾多，大量閥門需要送檢與認證。由于送檢的主型產品獲證后可以覆蓋其它小尺寸的分型產品，企業(yè)一般選擇高度為0.8～2.5 m，寬度為0.8～1.25 m的大閥門作為主型產品送檢。目前，閥門送至檢測場地后一般堆集在劃定區(qū)域內，需要檢測時由檢驗員從大量閥門中找出。一個尺寸為1 m×1 m的閥門質量約為45 kg，相當于一位成年人的體重，至少需要兩個壯年才可抬起。若待檢閥門置于堆放區(qū)內部，還需移動其他阻擋的閥門才可將其搬出，這樣將浪費大量的時間和人力。隨著自動化技術、計算機技術和人工智能技術的不斷發(fā)展，過去將貨物堆積在地面的存儲方式已被取代，立體貨架成為倉儲的一大亮點[1-2]。自動化倉儲的特點是存儲量大，貨物存取效率高[3-4]。本文設計排煙防火閥門智能倉儲系統，可對排煙防火閥門進行高效存儲與運輸，減少閥門存儲過程中浪費的時間，提高儲運效率，節(jié)約人力和成本。

1 智能倉儲系統工作原理

智能倉儲系統即通過自動化控制的倉庫存儲與運輸系統。倉儲系統通過智能機械運輸工具實現貨物的自動入庫與出庫，上位機系統則實時記錄倉庫中貨物存儲的具體位置及空閑庫位。智能倉儲系統自動化程度極高，產品出入庫由自動化運輸機械來實現，替代了傳統方式下工人的機械操作。上位機管理系統自動登記貨物信息，替代了繁瑣的人工盤點，極大提升倉庫的儲運效率。智能倉儲系統需要由AGV(Automated Guided Vehicle)來實現，AGV是指安裝有自動導航裝置，可根據導航沿指定路線行駛，具有躲避障礙等功能的運輸車輛，以下簡稱“AGV無人車”。隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，AGV無人車已廣泛應用于港口、碼頭、機場、倉儲等運輸行業(yè)，在智能倉儲系統中扮演重要的角色[5]。

2 智能倉儲系統設計

2.1 倉儲系統結構與組成

智能倉儲系統由貨倉、閥門運輸工具和上位機控制軟件組成。貨倉主體結構為重型單元式貨架，閥門運輸工具為基于激光SLAM導航技術的AGV無人車。上位機管理軟件可進行系統出入庫的管理與AGV無人車路線的規(guī)劃。

2.2 貨倉設計

貨倉由A、B兩并排貨架組成，貨架間設有5 m寬的過道供AGV無人車取貨與轉向。貨架A為3層結構，每層可放置高寬尺寸范圍在1.25 m×1.25 m內的排煙防火閥門；貨架B為“H”型雙層結構，上層放置高寬尺寸范圍在1.25 m×1.25 m的閥門，下層可放置高寬尺寸范圍在2.5 m×1.25 m內的閥門。貨倉結構組成如圖1所示。

圖1 貨倉結構Fig.1 Warehouse structure

設計的貨架由方形鋼制管材焊接而成，屬于重型單元式結構，每單元承重2 000 kg。貨架每單元包含兩個庫位，一個庫位對應放置一個川字托盤。每個川字托盤可容納5個寬度尺寸為1.25 m及以下的閥門，此設計可滿足載重要求。貨架A包含12個單元，貨架B包含8個單元，共可存放200個閥門。倉庫占地面積小，能滿足檢測閥門的存儲需求，若需存放閥門的數量超出范圍，可相應增加貨架的單元數量。

2.3 AGV無人車設計

2.3.1 整體結構

AGV無人車車身為四輪平衡重式結構，控制系統由主板、激光雷達、深度相機、IMU、通訊模塊、里程計、電機驅動模塊和液壓升降模塊組成。主板選擇Jeson nano，操作系統為Ubuntu 18.04，可通過串口通信驅動底層STM32板卡控制電機模塊與液壓升降模塊；激光雷達選擇RPLIDAR A2，其檢測距離為0.2～12 m，精度為測量值的2%，分辨率為測量值的1%；深度相機采用Astra Pro，視場角（FOV：H58.4°×V40.2°），視距0.6～8 m；IMU慣性測量單元為HWT905九軸陀螺儀傳感器，可輸出加速度、角度等數據?？刂葡到y結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構Fig.2 Control system structure diagram

2.3.2 激光SLAM導航系統

目前，AGV無人車導航技術有磁條導航、色帶導航、二維碼導航、激光導航、SLAM導航等。磁條導航需在地面鋪設軌道，影響區(qū)域的通過性能；色帶導航易受污染而影響導航的準確度。激光導航需要設置反光板，價格昂貴[6-7]。此系統采用激光SLAM導航技術，無需鋪設軌道或使用反光板，通過倉庫中的墻面、貨架立柱等作為參照，實現定位與導航。

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）即同步定位與地圖構建技術，將AGV無人車置于貨倉內任一位置并開始運動，通過激光雷達向參照物發(fā)射激光信號，與參照物反射的回波信號進行比較，從而獲取AGV無人車的位置、速度等信息。同時與深度相機、IMU、里程計獲取的數據融合，可實現貨倉地圖構建、AGV無人車定位、避障、入庫及自主導航的功能[8-10]。

2.3.3 導航算法

SLAM導航算法分為兩類：一類是基于濾波理論的SLAM算法，如AMCL、EKF、Gmapping等；另一類是基于圖優(yōu)化理論的SLAM算法，如Karto、Hector、Catographer等。

基于圖優(yōu)化理論的SLAM算法具有閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)，優(yōu)化所使用的存儲空間小，適用于構建大面積的場景。但此算法運算量大，使用普通設備難以進行復雜計算?；诹Ｗ訛V波理論的SLAM算法運算量小，適用于構建小面積的場景。倉儲空間在檢測場地中占地面積小，本文結合實際場景，選擇基于粒子濾波理論的Gmapping算法，Gmapping算法可實時構建場景地圖，應用廣泛。

定位及構圖原理：將AGV無人車放置于倉儲場景中的某一位置，分別設置初始狀態(tài)下無人車、激光雷達和里程計的坐標系并進行坐標轉換，使無人車從原點O0行駛至On位置，則O1，O2，…，On-1依次為其途經點。在無人車行駛過程中，激光雷達發(fā)射激光束對周圍環(huán)境進行掃描，激光束抵達的區(qū)域可標識為0，激光束無法抵達的區(qū)域即障礙物標識為1，則倉儲環(huán)境可通過包含0、1信息的柵格地圖進行表示。里程計則記錄了無人車的位姿。無人車在O0～On的任一點都有自身的位姿和柵格地圖數據。無人車處于O1時，根據自身位姿預測一條行駛軌跡；到達O2時，通過里程計數據更新無人車位姿及地圖；行駛到On，計算所有途經點的權重并構建出倉儲區(qū)域的準確地圖。

2.3.4 路徑規(guī)劃

若要使無人車運輸閥門至指定位置，則需對其行駛路徑進行規(guī)劃。AGV無人車行駛路徑規(guī)劃主要分為兩部分：入庫路徑規(guī)劃和出庫路徑規(guī)劃。

送檢閥門運送至檢測場地后，需要進行卸貨、信息錄入等操作。入庫則是將閥門從信息錄入區(qū)域運送至貨倉庫位上，AGV無人車完成一次入庫后將回到信息錄入區(qū)域。入庫路徑規(guī)劃如圖3所示。

圖3 入庫路徑規(guī)劃Fig.3 Inbound path planning

出庫是指將閥門從貨倉相應庫位移送至檢測區(qū)域。一個川字托盤上放有5個閥門，將待檢閥門取出后，需要把托盤放回原來的庫位。出庫路徑規(guī)劃如圖4所示。

圖4 出庫路徑規(guī)劃Fig.4 Outbound path planning

由于每次只取出托盤上的一個閥門進行檢測，因此從檢測區(qū)送回的托盤仍有剩余的存儲空間。若有閥門需要存入，可設置路徑讓AGV無人車先把托盤移送至信息錄入區(qū)，待閥門裝滿托盤后再將其運回原來庫位，圖5所示為AGV無人車對某一庫位的閥門進行出庫與補充入庫的路徑圖。

圖5 指定路徑Fig.5 Specify the path

2.4 上位機軟件設計

上位機通過智能倉儲管理軟件對系統進行管理，軟件具有庫位狀態(tài)顯示、閥門信息查詢和AGV無人車導航路徑設置等功能。貨倉中每個庫位都有對應的編碼，如貨架A中層第1庫位的庫位號為A-m-1，貨架B上層第8庫位的庫位號為B-u-8。每個庫位的狀態(tài)可在軟件的庫位顯示器中實時顯示，如圖6所示。其中綠色表示庫位已裝滿、紅色表示空閑庫位、橙色表示該庫位中閥門未裝滿。

圖6 智能倉儲管理系統界面Fig.6 Interface diagram of intelligent warehouse management system

閥門送達檢測場地后，業(yè)務員登記閥門信息并生成二維碼（QR Code）標簽，包含閥門編號、生產廠家、規(guī)格型號等信息。標簽貼于閥體，是閥門唯一的標識。使用手持式讀寫終端掃描標簽上的二維碼，可將閥門編號錄入倉儲管理系統并為其分配庫位[11-12]。

查詢區(qū)可通過輸入閥門編號查找其所處庫位，也可輸入庫位號查詢庫位中的所有閥門。在導航區(qū)中設置AGV無人車的運行方式、庫位號、途經點等信息，系統將生成導航路徑并發(fā)送至AGV無人車執(zhí)行導航指令。

3 系統仿真與分析

在Inventor中對智能倉儲系統建模，系統的總體布局如圖7所示。

圖7 智能倉儲系統總體布局Fig.7 Overall layout of intelligent storage system

設置AGV無人車行駛速度為0.5～3 km/h，空載且直線行駛時速度可保持在3 km/h。轉彎速度應減慢以保持托盤上閥門的穩(wěn)定，避免因慣性作用導致閥門掉落。貨叉的升降速度為10～15 m/min，空載時升降速度可適當加快，負載時速度減慢。隨機選取10個庫位進行出入庫的仿真分析，仿真結果如表1所示。表中，T1為AGV無人車行駛時間，T2為升降貨叉及裝卸托盤的操作時間，T0為完成一次運送任務的總時長。由表可知，使用此智能倉儲系統對檢測閥門進行查詢及運送的時間為0.60～1.43 min，而通過人工查找與搬運的時間約為10～15 min。智能倉儲系統的工作效率相比人工操作提高了85.7%～94.0%。

表1 10個庫位仿真數據表Tab.1 Simulation data sheet of 10 locations

4 結束語

本文將自動化倉儲技術應用于排煙防火閥門的存儲與運輸，設計了排煙防火閥門智能倉儲系統。系統采用并列式貨架結構，使用激光SLAM技術對AGV無人車進行定位與導航，在上位機管理軟件中設置AGV無人車的出入庫路徑。設置了10組閥門出入庫路徑并進行仿真，仿真結果表明此智能倉儲系統的工作效率相比人工操作提高了85.7%～94.0%。設計的排煙防火閥門智能倉儲系統具備閥門自動出入庫及庫位狀態(tài)實時顯示等功能，系統準確、高效，具有一定的應用價值。