基于Web的AGV實時狀態監控與任務管理系統設計與實現

劉 勝，蘇 宇，吳 若，蘇亞輝

（1.安徽大學 電氣工程與自動化學院，合肥 230601；2.合肥市煜仁科技發展有限責任公司，合肥 230088；3.安徽大學 電子信息工程學院，合肥 230601)

0 引言

AGV具備自動搬運和高效便捷的優點，能夠有效解決企業在生產過程中產品的運輸過程耗費大量的人力資源，因此在汽車工業、家電制造、煙草、物流、3C電子、醫藥、食品等行業得到了大量的應用[1～3]。隨著工廠生產流水線的高速運轉，用戶對于AGV系統的實時運行狀況和安全性提出了更高要求，AGV管理監控調度系統能夠對AGV進行實時狀態監控和任務信息的下達與接收，是AGV系統重要核心技術之一[4]。現有的AGV管理監控系統大多是采用桌面軟件系統，需要用戶安裝相應的軟件才能使用，存在缺乏資源共享、難以維護、使用不便捷的問題，針對該問題，設計了一種基于Web應用程序的AGV實時狀態監控與任務管理軟件系統。

該系統主要功能是對車輛進行實時狀態監控并對任務進行管理，用戶可通過Web端獲取車輛的相關信息、控制車輛的運行狀態、下達相應的任務、查看相關歷史信息等，從而達到人機交互、滿足復雜生產環境運行、高效便捷的特點，為企業生產提供了一個智能化、信息化、便捷化的管理平臺。本文將從需求分析、業務流程與技術結構、功能模塊的實現三個方面介紹系統的設計思想和實現方法。

1 系統需求分析

為了體現軟件系統設計的規范化、科學化，將系統需求分析分為功能需求和非功能需求。

1.1 功能需求

1.1.1 AGV實時狀態監控

用戶通過瀏覽器在Web頁面上登錄系統后進入系統主控界面，主控界面具有總覽AGV集群運行狀態的作用，在Web頁面上可實時顯示每個AGV的運行狀態，并可以通過頁面上的按鍵進行手動控制AGV的運動。

1.1.2 AGV任務管理

用戶通過Web頁面上的任務管理界面對AGV集群進行任務下達，系統能夠自動進行任務調度，并且可以實時觀測任務執行的狀態。

1.1.3 路徑規劃

系統在接收到用戶下達的特定任務后，能夠自動規劃一條由目標起點至目標終點的最優路徑。

1.2 非功能需求

1.2.1 可用性

考慮不同用戶對于軟件平臺的操作能力不同，系統需要對必填項實行控制，讓用戶可以確保完整的錄入相關信息，同時對必填項進行統一規范的提示，提供統一規范的操作提示，降低用戶的使用難度，并有足夠的提示信息幫助用戶有效正確地完成任務，站在用戶的立場考慮問題，確保流程運作的合理性，使用戶便于使用本系統。

1.2.2 高性能

對車輛的數量、用戶與管理員數量、站點數量進行規劃，分析同時在線用戶及Web端響應時間，確保系統能夠適用一定規模的應用群體和進行高效的運行，確保軟件之間能夠進行正確的數據交換和共享。系統需要具備較高的容錯和抵抗干擾的能力，能夠保證在硬件和通訊系統正常的情況下進行高效的運行。

1.2.3 安全性

本系統應對用戶口令按一定的算法進行加密，提供數據庫的自動備份機制，并允許用戶進行手工的數據的備份和恢復，以彌補數據的破壞和丟失，能夠記錄系統運行時發生的所有錯誤，這些錯誤記錄便于查找錯誤的原因。用戶的重要操作都做相應的日志記錄以備查看，同時記錄用戶的關鍵性操作信息。

2 系統的業務流程與技術架構

2.1 系統總體業務流程

本系統主要有兩部分業務，管理員業務和普通用戶業務，普通用戶通過瀏覽器在Web網頁上進行系統登錄后，進入主控界面，可以通過主控界面查看各個AGV的實時狀態和任務信息，并且可以下達任務，使收到任務的AGV進行相應任務的完成。管理員除了可以執行普通用戶業務之外，還可以對系統的相關基礎數據進行管理，包括用戶的查看、修改、增加、刪除，賦予不同用戶的不同權限，設置系統相關的選項，并且可以對地圖和車輛進行管理。如圖1所示。

圖1 系統業務流程圖

2.2 系統結構示意圖

本系統采用B/S結構即Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構[5，6]。整個系統由4部分組成：Web客戶端、應用服務器、通訊子系統、任務調度和路徑規劃服務。如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖

1）Web客戶端是運行在PC機上的Web應用，要求安裝有瀏覽器，通過瀏覽器就可以使用服務器提供的各種功能，用戶可以在Web客戶端上查看AGV的運行狀態，下達運行任務等。

2）應用服務器實現Web客戶端對應的數據存儲和業務邏輯。實現了AGV狀態監控、AGV狀態查詢、任務管理、地圖編輯、用戶管理、系統管理等業務邏輯。

3）通訊子系統主要實現與AGV的雙向通訊，通訊子系統架構于OPC-UA協議之上[8]。

實現實時接收AGV的狀態信息，實時發送控制信息給AGV。

4）任務調度負責接受Web客戶端下達的任務，通過任務調度算法協調系統中的AGV完成給定任務。路徑規劃針對某一特定任務，計算出從源位置到目的位置的最佳路徑。

2.3 軟件技術架構

為了實現“高內聚，低耦合”的思想，系統結構按功能從下到上主要分為5層：運行環境、持久層、數據訪問層、業務邏輯層和表現層[7]。如圖3所示。

圖3 軟件技術架構圖

運行環境：主要包括軟硬件的基礎設施。

持久層：主要是數據庫，用以保存系統數據。

數據訪問層：主要功能是提供對數據庫訪問的統一的接口。

業務邏輯層：主要負責系統業務領域的處理，并將結果在表現層中展示，業務邏輯層處于數據層和表現層之間，起到了數據交換中承上啟下的作用。

表現層：主要功能是界面的展示并接收和傳輸用戶的數據，為用戶提供與后臺的交互界面。

AGV監控與管理系統服務端選用JAVA語言開發，系統服務端采用Spring Boot作為開發框架，數據訪問層使用了Spring Data JPA，數據庫使用主流的開源關系數據庫MySQL。AGV監控與管理系統系統的Web前端采用TypeScript語言和React框架開發，并通過WebSocket與瀏覽器保持長連接，使得用戶可以實時監控AGV狀態變化。AGV監控與管理系統通過標準的工業通信協議OPC-UA與AGV車輛進行數據交互[8，9]。

2.4 硬件技術架構

本系統涉及的硬件設備包括：AGV本體（包含機械結構、電氣設備和由于AGV本體控制的工控機）、工業局域網設備、軟件系統發布使用的應用服務器，負責數據存儲的數據庫服務器，終端用戶完成管理和監控的計算機。工作原理如下：首先AGV本體通過接入工業無線接入點將信息傳感設備采集到的感知信息發送到遠端的應用服務器，然后應用服務器對數據處理成功后存儲到數據庫中，最后用戶通過PC客戶端實現對AGV實時狀態信息的遠程監控。硬件技術示意圖如圖4所示。

圖4 硬件技術示意圖

3 功能模塊設計與實現

根據系統需求分析和業務流程，以規范業務流程、信息資源共享、提高工作效率、減少人力成本為目標，將整體系統規劃為車輛實時狀態監控、地圖管理、車輛管理、任務調度與管理、系統管理五大主要功能模塊，系統功能模塊圖如圖5所示。

圖5 系統功能模塊圖

3.1 車輛實時狀態監控

系統可以實時監控與之通訊的車輛的狀態，主要狀態項如：AGV編號、AGV類型、AGV當前站點、運行狀態、裝載狀態、運行速度、運行方向、通信狀態、電池電量、結構狀態。還可以通過手動的方式對車輛的速度及方向進行控制。如圖6所示。

圖6 車輛實時狀態監控圖

3.2 任務調度與管理

用戶可以在系統中添加特定任務：工作任務、停止任務、充電任務，任務詳情包括：起始工位，目標工位、啟動時間、任務優先級等，當任務下達之后，系統自動進行路徑規劃、車輛分配和任務調度。并可對任務進行查詢、修改、取消、情況匯總等，任務查詢可以查詢如下內容：任務標識、任務類型、任務詳情、任務優先級、任務起始時間、任務執行狀態等。如圖7所示。

圖7 任務調度與管理圖

3.3 地圖管理

用戶可以在系統中以圖形化的方式編輯地圖，地圖的主要組件有：站點、路線、區域。對地圖、站點、路線進行創建、編輯、刪除和啟用，保證車輛適用于復雜的工作環境。如圖8所示。

圖8 地圖管理圖

3.4 車輛管理

用戶可以在系統中查詢車輛的信息，主要包括：歷史運行記錄查詢、當前運行時間查詢，還可以在系統中添加、刪除車輛以及設置車輛的功能，使車輛執行各自任務。如圖9所示。

圖9 車輛管理圖

3.5 系統管理

系統管理主要包含用戶管理、通信管理、權限設置、日志管理四個子模塊，其中用戶管理模塊功能主要是系統支持管理員對其個人基本信息與登錄密碼進行設置和修改。超級管理員用戶(有且只有一個)還支持對其他管理員用戶的查詢，增加，刪減與修改操作；分配其他各個管理員用戶的權限級別，實現完整的RBAC（Role-BasedAccess Control）模式[10]；通信管理模塊主要功能是用戶選擇不同的設置項，對發送和接收的數據進行管理。權限管理通過分配角色給用戶，同一用戶具有不同角色的功能，賦予角色不同權限，用來管理系統，具有靈活性及安全性。日志管理模塊主要功能是記錄并儲存用戶的一些改查增刪操作，當用戶進行查詢操作時以日志模式展現給用戶。如圖10所示。

圖10 系統管理圖

4 結語

本文設計了一種基于Web應用程序的AGV實時狀態監控與任務管理系統。該系統實現了AGV在不同場景下進行人機交互，使用戶能夠實時獲取監車輛運行狀態和相關信息、查看任務完成情況，實現遠程調度與管理的功能，具有操作便捷、性能高、安全性強的優點，有效解決車輛在復雜生產線運作而造成監控與管理不便的問題。在當今制造業和物流產業飛速發展的潮流中，具有廣泛的應用性。