AGV系统在物流分拣作业中的应用研究

王洪

[摘要]随着国内快递行业迅速发展，传统的分拣作业模式已经无法满足日益增长的用户对速度的需求，AGV作为现代自动化物流设备，具有灵活性、可靠性等特征，减少了工作人员的数量并极大地提高了工作效率。文章构建了一个AGV系统，应用于快递分拣作业，详细阐述了AGV应用的业务流程以及网络结构，基于任务调度一系列的算法设计，最终，通过仿真软件，分析分拣效率以及系统的稳定性。

[关键词]AGV；物流；分拣；快递业务

[DOI]1013939/jcnkizgsc201717197

1引言

随着电子商务的繁荣发展，特别是人们的个性化需求，使得电子商务的规模越来越大并趋向“多品种小批量”的特征，从而推动着快递行业高速发展，快递业对国家经济以及人们的日常生活起着越来越重要的作用。与此同时，在电商与消费者之间出现了一系列的问题，比如物流配送费用高、物流配送时间长等，特别是订单的集中爆发对物流配送能力提出了更高的要求。据统计，我国近五年来的快递量如图1所示。[1]

顾客对于快递行业服务质量评价的一个重要方面为速度，其中，分拣作业处理快件的时效直接影响到整个快件的速度。[2][3]在配送中心搬运成本中，分拣作业搬运成本约占90%，而在劳动密集型配送中心，直接参与分拣操作的人力占50%，整个配送中心作业时间为30%～40%，更是被分拣作业时间所占。[4]分拣作业是依据顾客的订货要求或配送中心的送货计划，尽可能迅速、准确地将商品从其存储区域拣选出来分类、集中作业的处理过程。[5]针对分拣作业模式，[6][7]传统的模式主要靠人工進行分拣，自动化水平低，优点为成本低，缺点为效率低、差错率高；自动分拣机、立体仓库等，依靠传输设备以及物流信息技术，虽然有着较高的分拣效率，但占地面积大，一旦建成不可改变，并且灵活性以及鲁棒性太差等。

随着快递量的增多，会出现分拣效率低，出错率高等问题，自动导引小车，是一种先进的自动化物流设备，可以很好地满足物流分拣作业的要求，将分拣模式由“人到货”转变为“货到人”。目前，在国内AGV主要应用于光电制造、烟草、汽车、银行、印刷等行业，[8]在这些传统行业中，AGV的应用大多表现为独立工作，固定的轨道，以及AGV应用规模小等特点。AGV系统是指多个AGV通过相互协作共同完成指定的任务，最终实现整体效益最大。AGV系统的自动化、线路灵活、鲁棒性高以及柔性化等特征能够很好地满足业务量越来越大的快递分拣业务。

基于大批量、外形规则的物流分拣的业务模式，本文将AGV系统运用到物流分拣业务中，从仓储布局、AGV的任务分配，路径规划以及壁障等方面进行研究，并利用分布式的通信方式，最终实现系统的效益最高，完成物流分拣业务。最后，通过c#实验仿真平台，进行AGV系统在分拣作业中的效率分析。

2业务流程描述

假设m个任务（不可分割的任务单元），n个入库口；s个AGV；h个格口。其中，m个任务单元随机到达，不同的格口代表不同的地区。根据各入库口的剩余任务量的情况，将m个任务均匀分配给n个入库口。停放在暂停区的AGV均匀分配给n个入库口，一个AGV一次只能完成一个任务，一个任务只能由一个AGV完成，在入库口，自动识别任务的信息，并将任务对应的格口位置发送给AGV，AGV将货物运送到指定的格口位置。完成任务的AGV根据任务分配的规则，返回指定的入库口进行下一次的任务，直到所有的任务都被分拣完成，AGV返回到暂停区或者是充电桩自动充电。分拣作业的流程如图2所示。

利用栅格法建立环境地图模型，栅格法地图建模[2]是指将环境地图划分为各个大小相同的栅格，利用二维网络形式描述机器人工作环境的周围信息，并将这些信息转化为机器人系统能够理解的机器特征语言，其中，栅格的尺寸与数目根据机器人以及工作空间的大小来确定的，其表面分布着已知静态的障碍物，包括格口、入库口、暂停区、充电桩等，箭头所指向的方向代表AGV的行驶方向。本文的仿真平台的布局如图3所示。

其中，红色的表示入库口，绿色的表示格口，紫色的表示暂停区，箭头所指的方向代表AGV可以行使的方向。AGV从暂停区进入入库口等待任务分配，将分配的任务放入所对应的格口，再到下一个指定的入库口进行任务的分配，直到所有入库口的任务都被执行，程序结束。

3系统描述

AGV系统分拣作业采用分布式的控制方式，中央控制单元，承担返回的数据处理，任务指派以及故障处理等功能，每个AGV具有各自的处理器，可以进行自身的效益值的计算，并与中央控制单元通过无线局域网进行实时通信，AGV随时将自身的状态信息和任务完成情况以及效益函数反馈给中央处理单元。中央处理单元根据各入库口已完成任务个数和剩余任务个数以及AGV的自身位置等信息将AGV分配给整体效益最大的入库口进行下一个任务的分拣作业。AGV系统分拣作业架构如图4所示。本文所构建的AGV分拣作业系统，通过多个入库口并行作业可以提高任务拣选的效率，适合快递业务大批量的特性。

4任务调度

41任务分配

AGV完成当前任务，需要选择下一个入库口执行新的任务，这一过程涉及任务的分配规则。主要考虑两个方面的因素，AGV的效率以及入库口工作人员的工作效率，达到人机协同，使得总的效益值最大。其中，AGV的效率主要由各AGV到各个入库口的实际距离进行衡量，工作人员的工作效率主要考虑已完成任务个数以及剩余任务个数。

42路径规划

任务分配结束，即确定起始点和终止点，利用A*算法进行最短路径规划，并结合时间窗的概念，进行目标函数的修改，达到动态路径规划的效果，主要考虑两个方面的因素，当前点到目标点的距离以及各条可行路径上车辆的个数，在交叉路口，对小车的路径进行重新规划，检测到所有可能的路线，并加入一个关于车辆共用道路的惩罚值，惩罚值的大小由离小车的距离不同而确定。

43避障规划

在多AGV系统中，结合路径规划并利用提前设定的优先级进行AGV之间的冲突处理，其中，AGV之间的优先级设定要求为以下三方面：①status（载任务）>status（未载任务）；②任务完成时间长短。③当两AGV为相同方向运动时，后一个AGV必须选择等待策略；AGV所在的位置不在对方行驶的方向上，则优先级低的AGV需要等待。

通过对任务分配、路径规划以及避障规划的研究，在任务调度有序进行的基础上，使得完成总的时间尽量地缩短，最终达到效益最大化。

5系统仿真

在C Sharp软件平台上，将AGV的任务分配、路径规划以及避碰规划算法进行整合。左侧为菜单栏，可以实时监控AGV的运行状态以及调整AGV的速度和加速度；右侧为工作区域，可以模拟真实的分拣环境；另外，系统可以根据需要自行设置AGV的应用环境以及所需要的任务量。AGV的不同颜色是根据AGV的当前的状态（暂停、转弯、托货、空载等）进行设置的，可以通过AGV的颜色不同，对AGV进行进一步的分析以及故障检测。本文分别利用120台小车，8个拣选口，AGV的速度设置为2m/s，从时间，分拣效率，差错率等方面进行分析得到表1结果。

由统计数据以及效率值和差错率的计算，可以看出AGV系统的分拣效率高，容错能力好。在分拣效率方面，AGVs的分拣效率与自动分拣机的效率相当，但比自动分拣机在成本以及柔性等方面有着明显的优势。

6结论

本文将AGV系统应用与物流快递分拣作业中，从业务流程设计，网络架构以及任务调度三个方面，说明该系统的可行性，并最终通过仿真验证，AGV系统应用与物流快递分拣作业具有较高的效率和稳定性。对于系统的效率方面的提升将是接下来研究的重点，将从具体的任务调度算法进行改进与完善，最终得到更高效率的AGV系统。参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局国家数据National Bureau of Statistics of China[DB].http：//datastatsgovcn/searchhtm？s=2015%20%E5%BF%AB%E9%80%92%E6%95%B0%E9%87%8F

[2]汤念念快递企业分拣作业研究[D].大连：大连海事大学， 2012

[3]高小茜浅析我国快递企业的分拣问题[J].商场现代化， 2014（29）：55-57

[4]向伟， 李平国内快递行业现有分拣技术之初探[J].全国商情·理论研究， 2013（3）：39-40

[5]Zhang Y， Wu YResearch of efficiency optimization in tobacco automated sorting system[C]// IEEE International Conference on Automation and LogisticsIEEE， 2007：1209-1213

[6]张贻弓， 吴耀华可合流的自动分拣系统订单排序优化[J].山东大学学报：工学版， 2008， 38（5）：67-71

[7]陈明， 倪雄军， 章军，等AGV技術在烟草工业物流系统中的应用研究[J].物流技术与应用， 2015， 20（10）：170-173

[8]孙瑜， 张倩， 姜一丁AGV控制系统在烟草物流过程中的应用[J].自动化与仪表， 2012， 27（5）：39-41