工業自主移動無人載具調度系統中的路徑規劃策略研究

摘要：隨著自動化機器人技術和網絡通信技術的發展，在工業場域實踐中，可自主移動的無人載具逐漸嘗試取代人工駕駛的叉車等傳統載具導入物料搬運流轉流程中。其中，高效的無人載具調度系統為實施的核心技術，負責調度無人載具將工件由存放中心有效地運輸到工作中心。本文將對無人載具調度系統中的路徑規劃策略進行說明及比較。

關鍵詞：無人載具調度系統;路徑規劃策略;集成決策

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2020）06-0054-02

Abstract：Withthedevelopmentofautomaticrobottechnologyandnetworkcommunicationtechnology，inindustrialfieldpractice，unmannedvehiclesthatcanmoveautonomouslyaregraduallytryingtoreplacetraditionalvehiclessuchasforkliftsdrivenbyhumanbeingstobeintroducedintothematerialhandlingflow.Amongthem，efficientunmannedvehicledispatchingsystemisthecoretechnologyofimplementation，whichisresponsiblefordispatchingtheworkpiecefromthestoragecentertotheworkcentereffectively.Inthispaper，pathplanningstrategiesinunmannedvehicleschedulingsystemaredescribedandcompared.

Keywords：unmannedvehicleschedulingsystem;Pathplanningstrategy;Integrateddecisionmaking

引言：無人載具調度系統的設計問題由許多決策變量組成，先進的自動化調度系統的研發和使用可極大地提升工業物流效率。標準的調度系統應具有以下調度及控制功能：敏捷的流程配置，可靠的死鎖避免和沖突解決策略，可定位的停靠位置，成熟的混合方向配置，可根據載具搬運參數、負載及任務狀態動態選擇路線。調度系統可有效減少搬運工作的用時，減少空載及調度時間，平衡載具的工作量。

調度系統的性能直接關系到整個搬運系統的性能。通過研究改進調度策略和算法，如路徑規劃策略、避免死鎖算法、調度規則、吞吐量分析模型、負載均衡策略、無沖突移動策略、沖突解決策略等所有方面的相互集成，可有效提升搬運系統性能。本文將對各種路徑規劃策略及其特性、優缺點和對系統性能參數的影響進行分析。

1路徑規劃策略

調度系統中的路徑規劃和布局設計問題被認為是研究無人載具在搬運系統中高效運行的最基本問題之一。路徑規劃策略的設計很大程度上取決于工作場域的布局。在布局中，路徑通常以通道、轉彎點和交叉點組成，并可在通道上的任何位置設置停站點。無人載具在通道上移動，同時將工件從一個停站點運送至另一個停站點。具有起始停站點和結束停站點的有向通道表示無人載具的行進方向。這表明與路徑規劃策略有關的問題也可以使用基于網絡的系統方法進行分析。

文中根據路徑拓撲圖、通道類型和移動方式來研究的路徑規劃策略的特性。

（I）路徑拓撲圖：無人載具在場域中的各類移動路徑的布局圖。

（II）通道類型：通道有單通道和平行通道兩種，平行通道指路徑策略中提供兩個彼此平行并且通行方向相反的通道。

（III）移動方式：無人載具通常有單向和雙向兩種移動方式。單向移動可以簡化調度邏輯，但會犧牲時間代價;而雙向移動可加大搬運吞吐量，但容易導致死鎖或與發生路徑沖突。

1.1路徑規劃策略的比較指標。在路徑規劃策略設計的背景下，無人載具的工作性能參數，即稼動率、運輸耗時、任務隊列長度和物料轉移成本等，取決于路徑規劃策略的是否有效設計和實施。其中，無人載具行駛總距離的最小化是最典型的性能指標。經研究，載具部署的規模、路徑長度和路徑策略，可作為具有目標函數的多準則決策問題計算得出最優解。而系統運行后的空載行駛時間、死鎖或干擾發生的概率和時長、運輸失敗率等數據，可作為分析搬運系統整體性能的參考指標。

1.2常規單向路徑規劃策略。在常規單向路徑規劃策略中，所有停站點都通過一條通道連接。通道可能具有交叉點和捷徑。通道可以是單向的，也可以是雙向的。單向通道僅允許車輛朝一個方向行駛，而在雙向通道系統中，載具可以朝前后兩個方向行駛。

常規單向路徑規劃策略是最基本最直接的路徑規劃策略。此策略中通道的布局可以直接由實際工作區域的連線構成，并根據實際需求確定載具數量配置、速度設定和調度規則。其優勢在于規劃直觀便捷，缺點在于通常缺乏靈活性且未考慮最優路徑。

1.3常規雙向路徑規劃策略。常規單向路徑規劃策略的改進是采用雙向通道系統，即載具可以按照搬運要求在前后兩個方向行進。與單向通道設計相比，雙向通道的設計，但系統的控制復雜度會大幅提高。雙向平行通道的優勢在于提供更大的靈活性和效率，載具間碰撞和相互干擾的概率大幅極低。缺點在于系統調度復雜度提升，在任何設施中規劃平行車道的成本較高，并且需要更多空間。

1.4單環路徑規劃策略。環狀路徑指設施中的路徑只由通道和轉彎點組成，無捷徑且形成閉環。其中最基本的策略稱為單環路徑規劃策略，即無人載具僅沿單方向環路行進。

單環路徑系統的優勢在于在部署的載具運行參數一樣的前提下，發生路徑死鎖或碰撞的機會幾乎為零。但少數場景下若需要使用混合載具，即多個載具以不同的速度運動時，碰撞的可能性會提升。在部署相同數量載具的前提下，單環路徑策略的局限性在于吞吐量較小，需要通過增加載具部署以提升搬運吞吐量。在實際應用中，單一使用單環路徑策略的場景較少，通常以單環路徑為基礎，多個環路混合規劃。

1.5串聯路徑規劃策略。串聯路徑規劃就是以單環路徑為基本單元通過串聯方式組合的路徑策略，其中最基本的配置方式是串聯環路規劃。即將工作區域劃分為一個以上的環路分區，一個載具分配給一個環路分區，各個運行區域間設置傳輸轉移點。由于將工作中心放置在制造設施中的不同位置，因此在運輸中的工件需要多個載具，以便在串聯環路中將工件從一個分區運輸到目的工作分區。以此策略基礎上，通過增加分區可以提升運輸效率，并減少對分區間轉移點的需求。然而缺點在于增加運輸分區會增加空間和成本投入。

通過改進，將傳統的串聯環路策略分為非重疊的串聯組合來規劃串聯路徑系統，稱為串聯專區環路路徑規劃策略。通過配置專用載具為每個分區服務，即在一個分區中只允許一輛載具工作，并在相鄰單環之間建立接口的附加傳輸點，可以達到更大的靈活性（圖1）。在此改進策略下載具可以雙向行駛，阻塞問題可完全消除。

經過一系列模擬驗證，以分析和比較系統中無人載具的性能參數（平均遲滯百分比，平均遲滯度，利用率和平均流動時間）的常規和串聯策略。觀察到串聯路徑策略的綜合效率比常規路徑策略更優。串聯路徑策略其優勢在于更易于調度控制，且有效避免擁塞和死鎖。劣勢在于串聯路徑策略對系統故障的容忍度較低，并且系統的吞吐量隨著傳輸緩沖區的額外要求而降低，處理時間增加。在串聯環路策略的設計上，可以通過：1.解決旅行推銷員問題（TravellingSalesmanProblem）以劃分工作中心的子集。2.應用馬爾可夫鏈模型找出工，作中心的最終子集。在進一步的改進中，提出了基于混合算法優化的串聯回路策略，通過設計一個串聯環帶區域防止載具在交叉路徑發生死鎖（圖2）。

通過對三種串聯路徑規劃策略的性能參數的比較，研究在不同規模設施下的總行駛時間和載具空載的比例。通過離散仿真運行，計算三種串聯路徑策略對空載行駛時間值之比的影響，串聯回路路徑策略表現最佳。

2路徑規劃策略性能分析

3結論

在以上文章中分析，無人載具的路徑規劃策略是在任何設施中進行有效物料搬運操作的最重要因素之一。即通過不同類型的路徑規劃策略的設計和實施，對設施中無人載具的最佳規模進行估算，對調度有效運行規則進行分析，以最佳利用路徑策略滿足設施中的搬運要求。

路徑規劃策略可分為常規單向/雙向、單環、串聯環路、串聯專區環路和串聯回路等。通過幾項參數的對比發現，每種策略的處理方式都是唯一的，其對于特定的制造環境具有其特定的應用。實踐中可根據需求采用單個或多個策略的組合提供的最佳解決方案。

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作者簡介：林蔚（1986-），男，碩士，工程師，主要從事工業互聯網生態系統建設及工業無人載具系統研究。