基于虚实结合教学法的无人仓智能物流实训平台研究

杨洋，武志磊，李俊韬

（1.中国矿业大学（北京） 管理学院，北京 100083；2.北京物资学院 信息学院，北京 101149）

0 引言

随着人工智能等现代技术的发展，我国“互联网+物流”、“机器换人”上升为国家战略。2017年1月，商务部等五部门联合发布的《商贸物流发展“十三五”规划》指出要推广应用大数据、人工智能、机器人等先进技术，提高供应链精益化管理水平。国家发改委在《“互联网+”高效物流实施意见》的通知中指出要提升仓储配送智能化水平，鼓励物流机器人技术开发，促进机器人在物流领域应用，开展仓内机器人多模式应用[1]。面对大量货品的流动，无人仓解决进货、存储、拣货、包装、分拣等环节；无人仓的“智能化”进行有条不紊的调配和操作，让仓储的运营效率不断逼近最优值。无人仓在智能物流运营效率、灵活性、吞吐量等方面跨上了一个新的台阶，将成为未来物流仓储发展的趋势。而由于无人仓系统组成要素的复杂性，合理地规划与运营显得尤为重要。

物流业是现代国民经济的“血脉”和新兴增长点，产业变革急需实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才[2]。大学生作为受教育程度较高的社会人群，将成为促进产业持续高速发展的主力军，这对供应链管理人才的培养提出新的需求与挑战。2017年3月，教育部发布《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》,并从建设目标、建设内容、建设规划、建设方式和组织管理等方面作了具体要求[3]。2018年1月，教育部发布《关于印发教育部高等教育司2018年工作要点的通知》，要求全面推动互联网、大数据、虚拟现实、人工智能等现代信息技术与课堂教学深度融合，创新教育形态、丰富教学资源、重塑教学流程，以教育技术现代化助推高等教育现代化[4]。

在人工智能、大数据技术的快速发展下，以及虚拟仿真技术的日趋成熟中，高等教育中特别是物流专业，已慢慢孕育出了新的教学模式。通过大数据与人工智能技术强化师资力量，通过3D技术构建的虚拟仿真实训课程，能够很好的解决目前物流教学与产业对接不足、课程滞后、实践和创新性不足等问题[5]。因此开设相应的智慧物流资源课程，建设符合物流行业发展趋势、与企业物流先进技术接轨的智慧物流和虚拟仿真实验室，培养创新性强、专业技术硬的应用型物流人才，是高校专业实验教学的有益补充和创新，既符合院校物流及相关学科专业建设发展的需要，也是为智能物流产业发展培养高质量人才的大势所趋。

本文从目前物流仓储领域应用速度较快的AGV系统出发，提出和设计了基于AGV的无人仓实操平台和无人仓运营规划仿真平台，为基于视觉识别技术的AGV无人仓物流教学和科研进行了探索和实践。

1 无人仓智能物流虚拟仿真教学平台构建

无人仓智能物流虚拟仿真实训教学平台由AGV货到人拣选实训平台和无人仓虚拟仿真平台组成，能够完成基于AGV的无人仓设备认知、运营实操、规划仿真和数据分析实训，如图1所示。

图1 AGV无人仓系统布局

1.1 AGV货到人拣选实训平台

AGV货到人拣选系统主要包括业务交互系统（无人仓管理系统）、智能调度系统、自动充电系统、AGV小车、工作站（上架/拣选/盘点）、移动货架等辅助设备。学生可通过该实训系统学习并完成“货到人”模式仓储系统的整个作业流程。首先，可通过业务交互系统完成下单、拣选出库等下达指令操作，再通过智能机器人在调度系统的指引下完成最优方案的拣选动作，最后完成指定任务。此外，物流机器人拣选能够真实模拟各实训场景中的仓储管理的作业流程，可以很好地反映现实场景系统的效率，并且能够模拟现实还没有实现的更大规模场景，学生可进行不同场景的组合优化进行研究，AGV无人仓作业流程如图2所示。

图2 AGV无人仓作业流程

当拣选任务发布后就可以启动调度系统对AGV进行调度，通过调度系统的任务划分及算法模型进行最优匹配并按照耗能成本最小进行作业任务，其运作模式如下流程：

首先，当有订单下达，需要进行拣货作业时，无人仓管理系统对客户订单进行分析，获取客户下单的物品品类、型号以及数量，然后考虑仓库库存水平，对所有需要拣选货物的所在货架进行定位并确定各目标货架综合最短距离对应的拣选工作站，并分配订单给不同的拣选工作站。

其次，系统会根据任务货架的情况以及当前系统中所有AGV的情况，选择适当的AGV去执行任务货架：AGV从当前位置前往货架位置，将货架顶起并送至相应的拣选工作站，由拣选工作站的操作人员完成货物的拣选工作；当单元搬运货架完成拣选任务后，系统进行实时计算根据当前仓库状态给当前货架分配回归位置，调度系统收到指令调度AGV至相应货位。此货位不一定是该货架原始货位，而是根据目前业务和仓库存储状况，通过系统大数据算法优化后重新分配的库位。

最后，AGV被释放，继续接受新的任务货架。

（1）无人仓管理系统。基于机器人的无人仓管理系统与无人仓作业业务流程相匹配，实现仓库管理、入库单管理、入库上架、在库管理、出库单管理、货到人拣选、二次拣选、任务管理、分拣等功能。同时，系统利用大数据分析技术对商品进行关联性分析、聚类分析等方法对货物进行分散存储、ABC分类等提高AGV作业效率，对AGV的运营状态监控和轨迹数据进行全局/局部热度分布和展示分析。

（2）无人仓调度系统。无人仓调度系统通过路径规划、全场定位导航、行走路径控制等完成对智能机器人的任务调度、状态管理。通过固定的协议与物流拣选AGV和拣选工作站通信，完成货物上架以及货物拣选作业。主要包括基础设置、地图设置、任务调度、AGV管理、在线设备、监控预警等功能。大规模AGV作业时，AGV之间的路径规划、智能调度对仓库作业效率至关重要，本系统中运用关联度分析、聚类算法、启发式算法、大数据深度学习等方法实现对AGV的调度，大大提高了拣选分拣的作业效率，如图3所示。

图3 无人仓调度系统功能

（3）AGV小车。Automated Guided Vehicle，简称AGV，是一种自动导航移动机器人，是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的可移动的物流搬运装备[8]。物流机器人的核心技术是自主导航技术，它是以地面部署的二维条码作为参考坐标点，并与惯性导航模块信息融合进行组合定位导航，通过WiFi与总控系统通讯，动态规划行走路径。该物流机器人集成了激光、视觉识别、惯性导航、WiFi等多种先进技术的高度智能化的智能物流装备，如图4所示。

图4 拣选AGV小车结构

（4）上架/拣选/盘点工作站。工作站主要完成货物的上架、拣选、盘点，工作人员在各类信息传递设备的帮助下，将目标货物从存储货架上拣选至订单货架的料箱中，由工作站系统、识别设备、电子标签辅助拣选设备、货架和周转箱等组成，如图5所示。

图5 工作站实景

（5）自动充电系统。充电站和机器人的运行统一接受服务器的统一调度，实现在线自动充电。机器人上报电池实时状态给服务器，根据预设的充电逻辑，服务器调度机器人到充电站进行充电。机器人运行至充电站，完成充电接口自动对接并将检测对接正常状态上报给服务器，服务器收到机器人对接完毕状态后，给充电站发送启动充电指令，开始对机器人充电。充电过程中，机器人将电池状态上报服务器，当机器人检测到电池充好后，将充电完成状态上报给服务器，服务器给充电站发送停止充电指令。

1.2 无人仓规划运营仿真平台

为满足大规模教学与电商物流的实际业务需求，利用仿真平台对电商物流系统进行仿真，支持大规模的教学活动，同时能够对毕设、科研等提供支撑。无人仓仿真平台针对智能仓储流程进行了深度的强化和专业知识的分解，再现智能仓储作业的真实业务场景及动作，无人仓仿真平台核心组成包括无人仓运营仿真系统、无人仓规划仿真系统和柔性生产物流系统。

（1）无人仓3D仿真系统。利用Unity3d技术构建无人仓3D认知学习平台，实现AGV的基本结构、工作原理、工作过程、设备拆装、设备维护、故障排除等认知功能，如图6所示。

图6 无人仓3D仿真系统界面

（2）无人仓运营仿真系统。无人仓运营仿真系统模拟拣选、分拣等仓储作业核心流程，呈现智能仓储系统作业环节的各主要功能及场景，包括拣选工作站、分拣工作站、充电区、停车区、通道、格口、货架等场景。呈现仓储系统各作业环节的真实模拟，包括搬运操作、拣选操作、分拣操作。该系统可灵活设置系统参数进行多样化仓储布局。学生可在相同的要求下进行不同布局的实验并记录，加深对智能物流系统的理解。同时运营仿真系统在无机器人的情况下，替代机器人与智能调度系统，与无人仓仓储管理系统交互，解决学生较多、设备不足情况下教学实训问题，如图7所示。

图7 无人仓运营仿真系统界面

（3）无人仓规划仿真系统。无人仓规划仿真系统在学生了解无人仓运营流程的基础上进一步针对AGV的仓储进行规划设计的进阶学习。在无人仓的应用过程中，如何解决大规模调度一直是行业内的难题，同时大规模的无人仓系统涉及到布局、规划、资源配置、任务分配多个难题，通过仿真系统，能够更加直观的将问题呈现，并且通过仿真得到有效的解决方案。主要包括用户管理、储位分配、拣选规划仿真、分拣规划仿真，如图8所示。

图8 无人仓规划仿真系统界面

（4）柔性生产物流系统仿真。系统包括生产机器人、路线、生产工作站、分拣工作站，充电区、停车区等规划仿真，实现柔性生产业务仿真，并能对运行结果进行分析。包括用户管理、车间管理、路网规划、柔性生产线布置、车间数据管理、车间计划管理、加工管理、生产业务交互系统等主要功能。让学生了解基于AGV的柔性生产车间规划运营理念，如图9所示。

图9 柔性生产物流系统仿真界面

2 无人仓智能物流虚拟仿真实训教学组织与实施

2.1 虚实结合教学法

利用虚拟仿真技术将无人仓作业流程在虚拟软件中结合起来，实现无人仓AGV、充电桩、工作站等关键设备和上架、拣选、分拣等流程的3d展示，让学生直观认知。通过无人仓运营规划仿真系统实现无人仓运营仿真，模拟作业全流程，学生可以通过软件实现新型无人仓的流程分析及动线布置等规划设计并进行验证。物流大数据分析平台则可将无人仓或整个物流环节的订单、客户、仓储、设备、轨迹等多个维度信息进行数据挖掘和利用分析，从而进行商业价值挖掘和管理提升，最后学生能够通过真实的无人仓平台进行无人仓搭建、数字化运营的实操，切实掌握整个无人仓相关知识。无人仓实训平台实验设计见表1。

表1 无人仓实训平台实验设计

实训设计过程中将先进物流装备、大数据、物联网等技术融入到物流教学中，让学生感知科学技术对物流发展的影响，同时通过3D和仿真等虚拟结合，教学过程直观生动、教学内容全面，便于学生对无人仓作业模式的感性和理性认识，显著提高教学效果。

2.2 模块化教学法

无人仓智能物流虚拟仿真实训教学平台实现了从订单下达、拣选、分拣、配送整个物流流程，同时每部分流程或设备都有详细的资源配置可进行单独教学。如针对物流管理专业，可以从无人仓业务流程、仓储管理、仓库规划、物流大数据分析等环节重点教学，针对物流工程专业可从物流装备的认知和运维、物流装备作业原理及配置、大数据挖掘模型编程设计等方面入手，实现因材施教、灵活多用。

3 结语

AGV智能无人仓实训平台的建设实现了目前电商物流仓储中应用日益广泛的AGV货到人拣选作业模式，满足学生实训的同时，起到了很好的示范作用。无人仓运营规划仿真系统对区别于传统仓库布局的新型货到人无人仓作业运营规划提供了仿真平台，具有创新性和先进性。通过虚拟仿真平台的建设很好的解决了资金、场地条件有限的情况下，大规模学生上课组织的问题，让课堂脱离硬件也能进行。

平台将最新行业发展趋势和技术融入到教学过程中，通过课程资源和平台的开发，人才培养方案的优化，提供AGV货到人无人仓相关的实验室软件、教学系统、课件等教学资源，丰富了教学内容，提升了教育理念、教学能力，促进了专业化发展。平台在满足教学实训的同时，也可以基于实验室环境开展专业实训、课程设计、毕业设计、学科竞赛等活动，为多学科共享开放实验室提供了支撑和保障。平台的建设将继续促进教学资源形成科研成果，探索人才培养的新模式，进一步向着建成能够满足行业发展需要、可共享的课程、教材资源并能推广应用的方向努力。