面向公共图书馆的AGV分拣系统优化策略研究

摘 要：文章分析了面向公共图书馆AGV分拣系统的优势及存在的问题，提出了三种优化策略，分别是路径规划的优化、任务调度的优化及分拣效率的提高，路径规划优化包括静态路径规划与动态路径规划，任务调度优化包括任务分配策略的制定和调度算法的设计，分拣效率的提高涉及AGV的运动控制优化、图书馆布局及货架结构等，以期全面提升公共图书馆AGV分拣系统的运行效率及智能化水平。

关键词：公共图书馆；AGV分拣系统；路径规划；任务调度；分拣效率

中图分类号：G258. 2 文献标识码：A 文章编号：1003-1588（2025）01-0050-03

随着图书馆业务量的日益增大，自动化技术也被越来越多地应用到图书馆。自动导引车（AGV）作为一款尖端的自动化工具，具备高效分类和搬运图书的能力，极大地增强了图书馆的工作效率[1]。但是，现有AGV分拣系统在实践中还存在路径规划不高效、任务调度不智能、分拣过程不高效等问题。为进一步提高AGV分拣系统的性能及智能化水平，公共图书馆需要对分拣系统进行优化设计。

1 面向公共图书馆的AGV分拣系统的优势

1. 1 提高工作效率

自动导引车分拣系统在公共图书馆的使用能够明显增强工作效率：一是AGV系统可以高速度、高精度地完成分拣任务，缩短图书输送、分拣时的等待时间。二是AGV系统能够持续运行，能够做到全天候分拣与运送，极大地提升图书馆工作效率与服务水平。此外，AGV系统可以通过优化调度算法对分拣任务进行灵活调整，并对需求的变化做出迅速反应，维持其高效运行[2]。三是AGV系统能够优化资源配置，优化馆藏结构，提升图书利用率。四是AGV系统能够通过大数据分析技术与智能算法对分拣路径与运输路线进行优化，进一步提升工作效率。

1. 2 减轻人工负担

首先，AGV系统可以通过自动化技术担负繁重的分拣与运输任务，减轻馆员体力劳动压力；其次，AGV系统能代替人工进行重复性作业，让馆员能把更多时间和精力用在专业性较强的工作中，提升工作质量和服务水平；再次，AGV系统能够通过减少人工分拣及运输工作量，降低图书馆人力资源投入和运营成本；最后，AGV系统装备了先进传感器及避障技术，可在复杂环境下安全工作，避免图书及设备受损，确保馆员的人身安全[3]。

1. 3 增强系统灵活性

AGV系统可编程性高，可扩展性强，可根据图书馆实际需要进行灵活调节，如：图书馆分拣需求在不同时段可能会发生改变，AGV系统能够通过简单程序调整与任务分配快速适应这种改变并确保系统顺利运行[4]。AGV系统所具备的智能调度和路径规划特性，确保了其在多变和复杂的场景中可以灵活执行任务。借助先进的传感器与导航技术，AGV系统可以对周边环境进行实时感知、自主避障与规划路径，灵活处理各类障碍和突发情况，确保分拣与运输工作顺利开展。此外， AGV系统能够通过增加设备数量或对硬件进行升级，迅速拓展系统能力，适应图书馆多变的需求。

2 面向公共图书馆的现有AGV分拣系统存在的问题

2. 1 路径规划效率低下

图书馆的书架布局、人员流动和临时障碍会对AGV行驶路径造成影响，系统需要对线路进行重新规划，既浪费时间，又降低了分拣效率。同时，路径规划算法对多AGV协同工作的处理缺乏有效协调机制，狭窄通道内多台AGV之间易产生碰撞或互阻现象，从而进一步降低系统整体效率。AGV要求行驶路线能随实时环境变化而进行快速调整，而现有算法的响应速度较慢，不能及时适应动态变化的环境，这一滞后性使AGV在实际运行时往往要等待或绕道而行，极大地影响了工作效率和系统运行的稳定性。路径规划算法的计算复杂度高，这是目前存在的重要难题。在实际运行时，许多系统都使用近似算法或简化模型以简化计算为目标，但常常以损失路径最优性为代价，从而造成AGV运行距离的增大和效率的降低。

2. 2 任务调度不够智能

公共图书馆既有AGV分拣系统任务调度存在问题较多，主要表现为任务分配与资源利用不够智能化。目前，AGV系统一般使用预设规则或简单调度算法分配任务，该方法不能根据实时情况及多变需求进行灵活调节，造成系统整体效率较低：一是任务分配策略不灵活，动态调整能力不强。图书馆借还书的需求起伏很大，有些时间段可能要应对很多分拣任务，有些时间段则比较闲置，已有系统通常不能根据实时需求进行任务分配，造成高峰期资源不充分、效率低，低谷期资源浪费严重。二是多AGV在协同工作时缺少有效协调机制。多台AGV同时执行分拣与输送任务，若没有智能调度算法则存在任务分配不均衡、路径冲突与资源争夺现象，既影响AGV工作效率，又易造成系统稳定性降低。此外，已有的调度算法对突发事件及紧急任务的响应性能较差，对突发事件的处理能力不强，影响总体服务水平的提升。

2. 3 分拣过程效率较低

分拣效率低表现为分拣速度较慢、分拣精度不够、系统整体协同能力差：首先，分拣速度缓慢是个大问题。制约AGV行驶速度及分拣速度的因素有很多，图书馆环境的复杂性、书架的密集性、通道的狭窄性等使AGV需经常减速慢行、转弯，降低了分拣速度，同时，AGV分拣作业过程中机械臂抓取与摆放动作相对迟缓，降低了工作效率。其次，分拣精度不够也是个重要问题。AGV系统分拣图书时易产生抓取不正确、摆放不正确等问题，既要进行再次分拣操作，浪费时间，又会造成图书破损或遗失。

3 AGV分拣系统优化策略研究

3. 1 AGV路径规划优化

3. 1. 1 静态路径规划。AGV系统通常预置行驶路径，并依据图书馆布局及常规流量对其进行优化，图书馆对此可采取若干策略对静态路径规划进行完善：一方面通过图书馆内部的地图布局创建最短路径树或最短路径图[5]，使AGV能够按照预先设定的最优路径运行，减少无谓的绕行与停顿，也可利用经典Dijkstra算法计算最短路径，确保AGV执行分拣任务时总是沿最短可达性路径运行；另一方面利用历史数据分析可确定图书馆普遍存在的拥堵区域及高流量通道，在规划路径时可避开上述区域并选择较闲置的路径，以降低高峰时段AGV的停滞与延误，并对固定拥堵区域设定权重，使AGV优先选择较通畅路径。此外， AGV系统还可采用分区路径规划的策略将图书馆分成多个分区，各分区内部的路径规划是独立完成的，在确保各分区AGV之间互不干扰的前提下降低路径规划的计算复杂度，提升整体系统的运行稳定性与效率。

3. 1. 2 动态路径规划。区别于静态路径规划，动态路径规划可以根据实时环境及任务需求随时对AGV行驶路线进行调整，确保系统面临突发情况下仍可以高效运行。AGV系统利用实时感知与反馈机制，提出了一种高效的动态性路径规划[6]。通过为AGV加装高级传感器及摄像头，该系统能够对周边环境进行实时监测并探测障碍物及路径的变化。这些传感器的数据通过无线网络传送至中央控制系统，中央系统会根据最新的环境信息实时计算出最优路径，并将更新后的路径指令发送给AGV，这种实时调整可以有效避免因临时障碍或路径阻塞而造成停滞与拖延。采用强化学习算法后，AGV能够通过不断地试探与学习逐步优化行驶策略并寻找多种环境中的最优路径。分布式路径规划策略可用于提高系统反应速度与计算效率，把路径规划任务离散在若干计算节点上，发挥并行计算优势，加快路径计算速度。

3. 2 AGV任务调度优化

3. 2. 1 任务分配策略。现有任务分配通常缺乏灵活性与动态调整能力，为解决该问题可采取多种优化策略加以改进：首先是基于优先级任务分配策略。不同分拣任务的紧急程度及优先级不一样，该系统可按任务分配优先级，保证高优先级的任务被优先处理。通过对任务优先级的实时调整，该系统可以灵活处理图书馆的借阅高峰及突发需求。其次是使用智能任务分配算法。通过运用如遗传算法、蚁群优化算法或粒子群优化算法等先进的计算方法，该系统能够在全馆范围内进行任务分配的优化。这些算法可以根据AGV的实时状态及任务需求动态调整任务分配方案，确保每台AGV负载均衡并高效地执行任务，如：遗传算法能够通过对自然选择与进化过程的仿真逐步优化任务分配策略并寻找最优解。再次是可将历史数据与预测分析相结合优化任务分配。通过对图书馆历史借阅数据及分拣任务数据的分析，该系统能够预测未来某段时间的任务需求及流量变化情况，根据这些预测结果预先对任务分配方案进行调整，保证高峰期的资源合理配置和低谷期的资源不闲置，这种预测分析可有效提高任务分配精度和效率。

3. 2. 2 调度算法设计。设计优化调度算法对促进公共图书馆AGV分拣系统高效灵活运行具有重要意义。现有系统的调度算法通常过于单一，智能化及动态调整能力不足。为克服上述缺点，一个行之有效的策略就是以多目标优化为基础的调度算法。图书馆分拣系统需综合考虑分拣时间最小化、资源利用率最大化、AGV负载均衡等多目标，多目标优化算法可采用加权法和Pareto优化兼顾上述目标并寻求最优调度方案。以Pareto为例，该优化方法能够寻求多目标之间的平衡点并确保各指标综合最优，同时可基于强化学习调度算法进行调度，借助智能体与环境的相互作用持续优化决策策略。

3. 3 AGV分拣效率提升

3. 3. 1 AGV运动控制优化。现有系统在运动控制时常常会出现精度不足、响应速度慢等问题，采用各种优化策略可显著改善AGV运动控制性能，具体方法包括：一是利用先进运动控制算法增强AGV的运动精度与稳定性，如：采用比例—积分—微分控制算法能够准确控制AGV在复杂环境下的车速与位置并确保其顺利运行。为了有效应对图书馆的复杂路径和障碍，该系统可以利用模型预测控制算法实时预测AGV的运动状况，并提前调整控制策略，以防止碰撞和路径偏离。二是对AGV传感器系统进行优化，增强环境感知能力。通过设置高精度激光雷达、摄像头及超声波传感器等设备，AGV能够实时采集周边环境信息并精准感知障碍物及路径变化。这些传感器数据经过融合处理后能够提供更全面、更精确的环境信息，支撑运动控制算法，如：用激光雷达可达到高精度定位避障的目的，摄像头则可对书架、通道等进行识别以达到视觉导航的目的。

3. 3. 2 图书馆布局及书架结构优化。目前，图书馆布局及书架设计通常没有充分考虑AGV作业需要，造成分拣效率不高，通过合理布局及结构优化可最大限度提升AGV工作效率及系统整体性能，具体方法包括：一是可对图书馆总体布局进行重新规划，保证通道宽敞、道路顺畅；对书架放置位置及通道宽度进行合理规划，减少AGV运行时的拥挤及停滞现象。二是书架的结构优化可保证AGV分拣运输时的高效运行。模块化书架设计确保了图书摆放位置均匀一致，便于AGV机械臂抓取及摆放，书架高度及间距要依据AGV运行范围确定，保证AGV能够平稳地完成各种高度及角度的分拣。

参考文献：

[1] 陈达，孙明跃，郑龙，等.一种基于5G应用与AGV分拣的图书管理系统设计[J].中国科技信息，2022（15）：124-128.

[2] 张镜辉.图书馆AGV智能分拣系统功能设计与建设实践：以汕头市图书馆为例[J].河南图书馆学刊， 2022（4）：105-108，118.

[3] 章晓红. AGV智能分拣在公共图书馆应用普适性分析：以深圳市宝安区图书馆为例[J].河南图书馆学刊，2021（3）：15-17.

[4] 蒋雯笑. AGV机器人分拣技术在图书馆的应用探析[J].图书馆研究与工作，2021（3）：68-72.

[5] 张镜辉.图书馆AGV智能分拣系统构成分析与规划设计：以汕头市图书馆为例[J].图书馆学研究，2021（4）：23-28.

[6] 王晶锋. AGV分拣技术在图书馆的应用研究[J].图书馆杂志，2020（12）：66-70.

（编校：周雪芹）