多AGV系統及關鍵技術研究

肖熙，宋旭

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

1 多AGV系統出現的背景

1.1 相關技術的突破

一方面，隨著物聯網技術的不斷發展，通過物聯網技術，將AGV與其他設備連接起來，實現各設備之間自動的、實時的通信，從而實現對各設備的識別、定位、追蹤以及監控等功能。

另一方面，在AGV運動的過程中，導航定位技術作為AGV的“眼睛”起著至關重要的作用，隨著技術的不斷發展，AGV的導航定位方法也越來越多，導航的精度與靈活性也越來越高。這些高精度、高柔性的導航技術為智能車間中物流系統的高效運行提供了重要保障。

1.2 生產模式的變化

當社會飛速發展，科技日新月異，人們對于日常所見的商品不再滿足其單一的外觀以及性能，因而產生了更多個性化需求。大規模個性化定制生產逐漸興起。這種生產模式就是以接近大規模生產的效率為不同的客戶提供個性化的產品需求，可以通過生產系統內不同生產單元的相互集成、柔性重構以及靈活組織，并結合現代制造技術、信息技術以及人工智能等一些高科技手段，提高生產系統的柔性程度以及生產系統對動態的個性化需求的快速響應速度，從而滿足客戶的個性化需求，為顧客快速生產出其滿意的個性化產品。

2 常見的多AGV系統

2.1 按控制方式分類

隨著AGV數量的不斷增加，多AGV系統的高效控制就顯得至關重要，按照對AGV的控制方式可以將AGV系統分為集中控制式AGV系統和分布控制式AGV系統。

（1）集中控制式AGV系統。集中控制式AGV系統分為上下兩層，系統上層的核心是上位機，系統下層是下位機，上位機能夠實現對不同AGV的任務分配、路徑規劃以及沖突調節，然后，通過兩者之間的通信協議將這些信息發送給下位機AGV；接受到上位機的指令后，AGV按照指令沿著預先規劃好的路徑逐步完成各項分配的任務，并在AGV遇到沖突是，上位機能夠及時啟動調節機制，避免AGV發生碰撞，如圖1（a）所示。

圖1

集中控制式AGV系統的優點是易于管理，各AGV之間能夠實現較強的全局優化，這種控制方式還可以實現幾乎離線規劃的方式，對系統的實時性要求不高。

（2）分布控制式AGV系統。分布控制式AGV系統也分為上下兩個層級，但是，這兩個層級不像集中控制式系統那樣具有很高的耦合性，兩個層級都具有自主決策的能力。在分布控制式AGV系統中，上位機主要負責的是任務的分配以及路徑的協調，主要作用是在任務、路徑發生沖突時的協調作用。在這種控制系統中，每個AGV都存儲這虛擬環境地圖，在接受到上位機發來的任務指令后，AGV可以自己進行路徑規劃，執行任務，如圖1（b）所示。

分布控制式AGV系統有很強的并行處理能力，同時，由于系統上下層之間的耦合關系不強，這種AGV系統擴容與集成相對容易，因此，分布式控制系統具有更高的柔性，也對通信系統的實時性和可靠性提出了更好的要求，系統的穩定性不如集中控制式AGV系統，同時，這種系統的整體協調性也更差。

2.2 按布局方式分類

為了規劃出一個更好的AGV系統，人們提出了四種AGV 的配置方式：傳統配置、單回路配置、區段式配置以及區域式配置，如圖2所示。

圖2 AGV系統分類

（1）傳統配置方式。在早期的生產系統中，車間里面多采用的是網絡式的AGV系統，如圖2(a)所示。這種系統中AGV的路徑設置十分靈活，不需要遵循太多規則，但多個AGV一起工作時容易導致沖突、碰撞以及死鎖等情況，因此，這種AGV系統的調度管理與路徑規劃是非常復雜的。

（2）單回路配置。由于傳統AGV配置存在路徑沖突、易死鎖等問題，單回路配置方式就慢慢被使用都生產系統中，如圖2(c)所示。單回路配置方式中只有一條AGV路徑，這條路徑會將所有工位聯系在一起，形成一個閉環循環，并且該路徑只有一個方向，所以AGV的控制也相對比較簡單。但由于所有AGV只能在一條路徑上沿著同一方向運行，所以這種配置方式AGV的柔性不高，運行效率也很低，同時，AGV的使用效率也比較低。

（3）區段式配置。區段式AGV系統中，將路徑劃分成若干個小段，每個小段上配置一輛AGV，這輛AGV可以沿著路徑雙向運行運送物料，這種AGV的配置方式也能夠解決沖突、碰撞等問題，但是，柔性程度比較低，如圖2(d)所示。

（4）區域式配置。區域式AGV系統也叫串聯式AGV系統，如圖2(b)所示。區域式AGV系統結合了上述幾種配置方式的特點，這種配置方式首先需要將整個車間區域劃分成若干個互不重疊的單元，每個單元內配置一輛AGV負責物料的運輸。這種AGV系統中也不會發生AGV沖突、碰撞等現象，從而AGV的控制和調度也比較容易，維護成本也比較低。每個區域也可以通過合理的劃分與組合實現不同的生產功能，因此，這種配置方式具有很高的柔性。

通過對上述四種AGV配置方式的對比，區域式AGV系統具有路徑規劃容易控制簡單以及柔性高等優點，所以本文將針對區域式AGV系統規劃需要解決的問題展開介紹。

3 區域式AGV系統規劃需要解決的問題

區域式AGV系統采取“分而治之”的思想，將整個工作區域劃分成若干個互相不重疊的子區域，每個子區域中都分配好不同的工作站位，同時，每個子區域都分配唯一的一輛AGV并設置有上、下料點，相連區域之間如果有物料流通，就會通過每個區域的上、下料點進行物料交換。

區域式AGV系統可以更好實現車間的并行處理，符合分布控制式AGV系統的原則；當車間內需要添加更多的工位時，可以通過增加一個或多個子區域來實現，對于原有的設備不需要做太多調整，極大地提高了系統的柔性，更有利于企業以后的系統升級與擴容發展。

通過以上對區域式AGV系統的分析，區域式AGV系統如果要高效地運行，在規劃的時候要解決以下幾個問題：

（1）區域的劃分。在區域式AGV系統中，整個區域被劃分成若干個相互不重疊的工作單元，各個單元之間如何能夠相互協調發揮最大的生產效率是區域式 AGV系統要解決的關鍵問題之一。區域的劃分數量和每個區域分配的設備直接影響了區域劃分的可行性，為了平衡各個區域之間的工作量，理想的劃分方案可以實現各區域物流相對平衡，各區域及區域間的物流量都相對合理。

（2）設施的布局。車間的設施布局對于提高車間物流的運行效率，降低車間的物料搬運成本至關重要。對于區域式AGV系統，我們在區域劃分的基礎上，將劃分好的區域合理布局到車間內，可以很大程度上提高整個AGV系統的工作效率，提高AGV的利用率。

（3）上、下料點位置的確定。在區域式AGV系統中，區域之間會存在物料的流動，如何提高區域間物料流動的效率，上、下料點在系統中的布置就非常重要。上、下料點相當于系統中每個區域的門，每個區域都會通過這個門與其他區域發生物料流動。上、下料點的位置對整個系統的運行成本以及系統的靈活性有很大的影響。并且在實際的研究中，考慮上、下料點的位置對于設施的布局研究也很有幫助，能夠更加真實地模擬實際的生產場景。

（4）路徑規劃。要想進一步提高AGV在系統中運行效率，就必須對AGV進行合理的路徑規劃。路徑規劃就是給定AGV工作的起點和終點，按照相關限制給AGV規劃出一條沒有障礙的從起點到終點的路徑，路徑規劃問題涉及AGV的沖突、碰撞以及死鎖等相關子問題，是多AGV系統要解決的核心問題之一。

4 結語

本文從AGV相關技術的突破和生產模式的改變著手，分析了AGV在制造業車間中廣泛應用的必然性。并介紹了目前常見的多AGV系統，并以優點較多的區域式AGV系統作為研究對象，介紹了如何更好規劃一個多AGV系統，并分析了影響區域式AGV系統運行效率的幾個關鍵問題。