基于物流 AGV 的電商無人倉路網研究

(北京物資學院 北京 101149)

一、引言

隨著電商行業的迅速發展，自動導引車系統(Automated Guided Vehicle System,AGVS)應運而生，相比于傳統的人工揀選方式，AGV揀選作業方式大大增加了揀選效率。AGV揀選系統的作業模式通常為：揀選AGV在接收到任務之后，沿地面上貼有坐標信息的二維碼到達相應的貨架下方，把含有需揀選商品的貨架整個運輸到揀選工作站，揀選工作人員根據提示把需要的商品拿出并放在料箱，當貨架需揀選的商品被揀選完之后，AGV拖運貨架重新放回或者放回到其他位置，繼續執行下一個揀選任務。電商無人倉揀選作業區的基本布局如圖1所示。

圖1 電商無人倉揀選作業區基本布局圖

電商無人倉系統路網的布局情況通常為貨架間的細窄通道，為了提高倉庫的利用效率，每條通道的寬度一般設為只能一輛AGV通過，在任務量少時AGV可以高效的完成任務，但是在任務量比較多的情況下，AGV在運行過程中可能會出現擁堵、碰撞或死鎖等現象，影響這些的因素有很多，無人倉的路徑網絡設計就為其中一個關鍵因素，其不僅影響物流 AGV的工作效率，還會影響倉庫的利用率，所以對整個電商無人倉的效率都起著關鍵的作用。

二、電商無人倉路徑網絡概述

電商無人倉路徑網絡布局問題，是在已經確定好路徑網絡的情況下，對路網中每條路徑規劃出各自的方向，最終目的是使得AGV在執行任務時可以用最短路徑、最少時間完成所有任務。

對電商無人倉的研究通常會將揀選區抽象為柵格地圖，通過運行歷史訂單來確定路網中每個路段的方向，無人倉路網布局主要有兩種基本形式：單向路徑網絡布局與雙向路徑網路布局。

(一)單向路徑網絡布局

單向路徑網絡布局在現有的物流領域使用的最為廣泛，它規定AGV在無人倉路網中的每個路段只被允許向一個方向行駛，這種布局可以有效的減少AGV在運行過程中發生沖突、碰撞，在這種路徑網路布局下，規劃路網中每個路段的可行駛方向是路網布局的關鍵，但是單向路徑網絡布局也有其弊端，因為路網中每個路段的方向只有一個，不允許AGV掉頭，在有些情況下會增加了AGV在執行任務時的行駛距離和時間。

對于單向路徑網絡布局來說，每個路段的方向有兩種情況，也就是說一個擁有m條路段的無人倉，它的路網布局情況就有2m個，不同的路網布局情況下AGV執行任務的效率有可能不同，路網布局是否合理，關系到AGV的揀選路程與揀選時間，所以電商無人倉的路網布局優化顯得尤為重要，如圖2所示，為同一揀選區的兩種路網布局方案。

圖2(a)

圖2(b)

(二)雙向路徑網絡布局

雙向路徑網絡布局在現實的物流領域運用的比較少，雖然它可以有效的減少AGV的繞行時間，但是在AGV數量較多時，也增加了AGV在行駛過程中發生碰撞及死鎖的可能性。此外，雙向路徑網絡布局還存在雙車道單向路徑網絡布局形式，無人倉路徑網絡中每個路段含有兩條路徑，且每條路徑中AGV 可以被允許行駛的方向相反，所以雙車道單向路徑網絡布局也是一種特殊的單向路徑網絡布局[1]。

三、研究現狀

對于電商無人倉路網規劃的問題，相關學者已有相關的研究文獻。Kelly K.Bartlett[2]指出自動機器人系統擁堵與路網布局和路徑的規劃方法緊密相關。所以AGV的路網布局研究是一個被學者關注的問題。

Tuan Le-Anh等[3]提出路網布局通常包括單向導引路徑系統、雙向導引路徑系統、單回路路徑系統和串聯路徑系統等。Gaskins等[4]首先提出單向路徑網絡的設計問題，并運用0-1整數規劃方法來進行路網規劃。Chiung-Hsi Hsieh[5]在不增加機器人數量的前提下，提出了雙軌雙向的系統布局方案，避免AGV在運行過程中的擁堵和死鎖。肖海寧等[6]在設計AGV路徑網絡問題時，把禁忌搜索算法與遺傳算法相結合形成混合算法，提高了算法的收斂速度并且提高了局部搜索能力。管賢平等[7]在對單向路徑網絡進行設計時采用改進的遺傳算法，將其結合變鄰域搜索與小生境淘汰運算，形成VNS/NGA混合方法，并綜合考慮了負載和空載的路程，提高了結果的可行性。

在電商無人倉物流AGV的運行當中不可避免的會出現沖突的現象，造成AGV沖突的原因有很多，比如物流AGV的節點沖突、路途遇到障礙、節點死鎖等，針對不同的情況，學者提出不同的解決方案。Srinivasan Rajagopala[8]在雙向路徑的機器人環境下，通過增加懲罰函數的混合整數模型，減少AGV在運行過程中的碰撞和死鎖。Yoonho等[9]在設計單向路徑網絡時利用了具有良好局部搜索能力的禁忌搜索算法。過金超等[10]指出AGV發生路徑沖突主要在主干道，于是對發生沖突的AGV進行優先級的排序，對于優先級高的AGV具有優先進入主干道權限的方法，來控制主干道上AGV的數量，保證了主干道不會出現堵死與沖突的問題。

四、總結與展望

電商行業的迅速崛起，不僅加快了物流的效率，更給我們帶來了更多的研究領域，像是電商無人倉路網規劃、路徑規劃、任務分配，儲位分配等問題，雖然路徑網絡設計只是電商無人倉規劃環節中的一環，但是它卻發揮著關鍵的作用。

國內外學者對于電商無人倉路徑網絡布局的研究，用到了不同的算法，例如遺傳算法，分支定界算法，啟發式算法等，但是對于電商無人倉路網模型建立方面，目標函數更多考慮的是最短化AGV執行任務所花費的總路程，在實際的電商無人倉物流AGV應用中，規劃路網過程中還應該考慮AGV在運行中的擁堵現象，如果把擁堵因素考慮進路網模型中，這樣設計出來的路徑網絡可以使得AGV在執行任務時，不僅可以實現路程最短的效果，并且可以減少AGV在行駛過程中發生碰撞、死鎖的可能性。