基于工藝過程的AGV空時響應調度機制研究

羅福興，王利剛，吳煒煒

（杭州浙達精益機電技術股份有限公司，浙江 杭州 311121）

AGV（Automatic Guided Vehicle）即自動導引小車作為物料運輸的承載器件，在生產過程的物料組織中起到關鍵作用。AGV小車在實際運用過程中場景多樣化，按照引導原理可分為磁條引導、激光引導、RFID引導、視覺引導等方式。現今AGV小車廠商對小車系統本身研究開發的居多，而生產過程中的調度均交給用戶處理。生產工藝過程在組織模式、AGV運送路徑、上下料、停留時間等方面有其自身特點，AGV小車調度機制的有效性直接影響其性能發揮和生產效率。

1 運行路徑的特點

生產工藝過程和倉儲不同，具有強邏輯的特點，即嚴格按照所生產產品的工藝路線執行。針對不同的產品或者相同產品的不同規格，工藝路線會做調整，一旦調整完成，工藝路線就相對固定。這種相對固定的工藝路線給與之對應的AGV小車的運行路徑設計帶來便捷。

若工藝節點由下游往上游行走的路徑為上行路徑，反之，工藝節點由上游往下游行走的路徑為下行路徑，總的路徑數量根據工藝節點的組合，理論上共有C2N+1上行或者下行路徑。在具體系統中AGV小車的運行路徑可以按照生產實際確定或者在理論路徑數量的基礎上對不可能存在的路徑進行刪除。

2 生產作業模型

將復雜的生產作業過程經過單元化處理或者拆分后，可以提煉出如圖1所示四種典型的生產作業模型。（1）串行作業，對應路徑R①-②；（2）并行作業，對應路徑R②-③④，反向為合并作業，如路徑R⑤⑥-⑦；（3）交叉作業，對應路徑R③-⑥，R④-⑤之間形成交叉；（4）空過作業，對應路徑R③-⑦，經過工藝節點⑤，但不做工藝處理，形成跨工藝節點的空過作業。復雜的生產作業可以看作以上四種典型的生產作業模型的疊加，如R④-⑤⑥與R②-③④視為并行作業，而R②③-④可以當作并行作業的反向合并作業。

圖1 典型的生產作業模型

3 生產作業時間的分解及預設

為了減少生產作業等待時間，提高整體生產作業率，對生產作業時間及AGV小車運送時間做分解及相應的預設是有必要的。若生產工藝節點在缺少物料時才發出物料請求信號，AGV小車再通過物料請求信號去上個工藝節點進行運送，那么就損失了一個來回的上下行時間，此節點則處于空閑狀態。生產作業過程在實際應用中，需綜合考慮來料狀態、物料運送過程及生產作業時間。

為了方便對各階段的動作在時間上做出預估，將生產作業時間TW、AGV小車運送時間TA做以下分解：

生產作業時間TW=上料時間+加工時間+下料時間；

AGV小車運送時間TA=運送時間+輔助時間+交通管制時間；

運送時間=上行時間+下行時間。

系統初始設計時可以先預設各階段的時間進行試運行，有相同產品生產記錄的情況下直接進行引用。對于某個工藝節點在某個時段生產同一產品是常態，同一參數可以引用前值或者歷史均值使預設的估計值更接近實際值。

設置緩存區是解決時間銜接問題的有效辦法。某種來料充足的情況下則只計算加工及下料時間，上料時間預設為零；工藝節點上無料，則可以向前追溯前端工藝節點的生產作業狀況，對時長進行累加，以此類推，直至原料庫，原料庫的內部作業時間可以當作0號工藝節點來對待，原料庫無料視為無限時長。

4 投入運行小車數量的確定

AGV小車價格高，占總投資比重大，確定AGV小車實際投入數量值得重視。

根據生產作業模型設計規劃路徑，然后結合AGV行駛速度、加速度等性能參數及裝卸貨時間計算總體運行時長，同時，對各個工藝節點的加工總時長進行比較取整可以確定初步所需數量。也可以依照上述思想預估上下行單條任務的一個時長除以單個工藝節點的時長取整累加估算系統的AGV數量。

AGV小車運送時間TA小于生產作業時間TW時才能保障工藝節點順暢工作。AGV小車的實際投入運行數量還應結合規劃路徑乘以阻塞系數（大于1的經驗系數）。另外，還需考慮AGV補充能量（充電）的時間，這與電池容量、充電方式以及AGV平均功耗相關。

在上述基礎上，有條件的還可以通過系統仿真來對AGV預估數量和規劃路徑做驗證和優化。

5 小車編號及服務優先級設定

為了響應各工藝節點物料運送，對AGV小車進行相應的編號是必要的。在選購時，一般均會采用同一廠家及型號AGV小車，但根據物料尺寸及重量等參數選擇特定場合使用的AGV小車的情況也時有發生，設定為最高優先級或專有響應，AGV小車編號及行走路徑可以固化。

同一型號的AGV小車設置永久編號及路徑臨時標號，永久編號在充電、保養、維修等過程中使用，臨時標號在物料運送過程中可以根據所在路徑或者停靠站進行賦號，增加調度靈活性。例如，永久編號A-0001，臨時標號SR-0010，代表編號A-0001的小車在上行路徑10中作業，若工藝節點09有運送請求，按照最短路徑或最短到達時間原則調用SR-0010進行需求響應。

依據上述原則，特定場合使用的AGV小車專有響應定為最高級；串行工藝路線中節點靠前的優先級高于靠后的；并行、交叉路線中料少的或者工藝節點中剩余作業時間短的優先級高于料多的或者工藝節點中剩余作業時間長的；其他情況可以按照最短路徑或最短到達時間確定優先等級；上下行路徑不能分開的場合上行（空載）讓下行（滿載）；交通管制情況按照管制原則執行。

6 空時響應

在工藝節點的模式，AGV小車的運行路徑設計，生產單元的分解及工時預估以及AGV小車投入運行的數量基本確定后，AGV調度系統采用一定的調度機制從空閑AGV中選擇一臺，指揮協調AGV按照一定的路線完成運輸的功能。AGV調度系統需要統籌所有AGV小車的行為，達到整體最優，而不是一個或某幾個AGV小車的最優。

造成整體系統或局部暫時停頓、AGV小車空閑的因素較多。工藝節點所生產產品的變動，半自動、甚至手動操作工時的不穩定，設備故障、檢修，AGV小車充電、故障、檢修，AGV小車交通管制，上級系統物料調配，產品檢驗、中斷調整，緩沖區的影響都可能導致工藝節點與AGV小車物料運送在時間上的錯配。

AGV調度系統需根據實際情況記錄并實時計算在每個工藝節點的物料情況及生產作業時間，并按照優先等級進行響應排序。在生產過程中的某個時段，AGV調度系統賦予AGV臨時標號并執行相關運送任務，運送任務未完成臨時標號不變。沒有賦予臨時標號的AGV小車代表處于完全空閑狀態。處于同一路徑的上下行AGV小車可以采用尾數單雙號用以關聯和區分，如SR-0009、SR-0010。

AGV調度系統在生產作業正常的情況下，可以根據上次的記錄值及各階段的時間預設提前做好調度規劃，趨近或者達到AGV運送整體最優效果。

7 結語

總體而言，在整個生產工藝過程中，AGV調度系統能夠很好地解決物料的分配與控制問題，可以與制造執行系統（MES）、倉儲管理系統（WMS）、企業資源計劃（ERP）系統等進行數據交換、對接，實現無人化的多機配合，智能排程，打造柔性、現代的智能物流系統，提升物流搬運整體效率。

AGV調度系統所涉及的路徑設置、AGV小車性能、響應機制等，以及對具體生產工藝過程的深度結合與優化仍然有很大的探討和進步空間。