Agv調(diào)度管理的建模及其優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明具體涉及AGV調(diào)度管理的建模及其優(yōu)化方法，屬于AGV運(yùn)行調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、生產(chǎn)車間中AGV(自動(dòng)導(dǎo)航小車）的應(yīng)用日漸顯示其優(yōu)越性，主 要是其適應(yīng)性好、可靠性高、柔性好、能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化與自動(dòng)化，在國(guó)內(nèi)很 多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)隨著人工成本的不斷提升，越來(lái)越多的企業(yè)需要更多的 AGV來(lái)替代高昂的人力成本，從而不僅可以節(jié)約大量的成本，更重要的是實(shí)現(xiàn)了部分自動(dòng)化 或者全部自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率。大部分的工廠車間由于同時(shí)運(yùn)行多個(gè)AGV，以同時(shí)執(zhí)行 多個(gè)任務(wù)，因此多個(gè)AGV協(xié)同工作的管理是自動(dòng)化柔性生產(chǎn)中重要的問(wèn)題之一。在柔性制 造系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程僅有5%的時(shí)間用于生產(chǎn)，而95%左右的時(shí)間都是在進(jìn)行原料、半成品的 搬運(yùn)裝卸等環(huán)節(jié)，那么實(shí)現(xiàn)多AGV的有效調(diào)度成為該領(lǐng)域的難題。本發(fā)明主要解決的是生 產(chǎn)制造系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多個(gè)AGV協(xié)同工作，以執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的調(diào)度管理及優(yōu)化的問(wèn)題，從而實(shí) 現(xiàn)多個(gè)AGV無(wú)碰撞、高效率執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
[0003] 現(xiàn)有的AGV運(yùn)行調(diào)度有以下幾種方法： 1、交叉路徑AGV交通管制的方法。該方法類似于公路上十字路口的紅綠燈的作用。這 些方法主要用于有軌導(dǎo)航的AGV，確定每個(gè)AGV運(yùn)行的固定路徑，然后在交叉路徑處，設(shè)定 每條路徑的等待延時(shí)及通行延時(shí)，每次只能有一條路徑的AGV可通行，另一條路徑的AGV則 等待延時(shí)。該方法可以避免多AGV運(yùn)行中的碰撞。
[0004] 2、基于混合粒子群算法的AGV優(yōu)化調(diào)度方法。出自于已申請(qǐng)的發(fā)明專利，專利公 開(kāi)號(hào)：CN104408589。
[0005] 3、Petri網(wǎng)分解建模，并采用拉格朗日松弛法進(jìn)行路徑的優(yōu)化。該方法出自參考文 南犬Nishi T, Shimatani K, Inuiguchi M. Decomposition of Petri nets and Lagrangian relaxation for solving routing problems for AGVs[J]. International Journal of Production Research, 2009, 47(14): 3957-3977〇
[0006] 4、Petri網(wǎng)分解建模，采用基于權(quán)重的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。該方法出自參考文獻(xiàn)Tanaka Y, Nishi T, Inuiguchi M. Dynamic optimization of simultaneous dispatching and conflict-free routing for automated guided vehicles-Petri net decomposition approach[J]. Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, 2010，4(3) : 701-715。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)的不足之處在于： 整體AGV調(diào)度管理系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞運(yùn)行，但是整體運(yùn)行效率低下，尤其在AGV 數(shù)量比較多的情況下，沒(méi)有對(duì)協(xié)調(diào)運(yùn)行進(jìn)行更好的優(yōu)化； 目前的調(diào)度管理系統(tǒng)沒(méi)有形成一套系統(tǒng)實(shí)用的方案，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員進(jìn)行反復(fù)地調(diào) 試，大量重復(fù)性的低級(jí)勞動(dòng)，不僅延長(zhǎng)了生產(chǎn)調(diào)試周期、浪費(fèi)了人力，而且增加了生產(chǎn)成本。
[0008] 當(dāng)前的調(diào)度管理系統(tǒng)對(duì)于AGV的動(dòng)態(tài)出入的協(xié)調(diào)運(yùn)行魯棒性比較差； 目前調(diào)度管理系統(tǒng)主要針對(duì)有軌運(yùn)行的AGV，對(duì)于無(wú)軌運(yùn)行的AGV(比如激光導(dǎo)航 AGV)，運(yùn)用比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，就是提供AGV調(diào)度管理的建模及其優(yōu)化方法，不僅 可以實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞運(yùn)行，而且通過(guò)獲取最優(yōu)路徑，從而提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案： AGV調(diào)度管理的建模及其優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 步驟1 AGV運(yùn)行路徑網(wǎng)絡(luò)建模 采用離散化的有向圖進(jìn)行路徑網(wǎng)絡(luò)的建模，基本的有向圖模型表示為AGV路徑中所有 點(diǎn)與帶權(quán)重邊所組成的集合； 步驟2路徑網(wǎng)絡(luò)地圖的存儲(chǔ) 根據(jù)離散化的有向圖路徑網(wǎng)絡(luò)建模法，對(duì)整個(gè)有向圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)； 步驟3多AGV系統(tǒng)二值法建模 采用二值法建立多AGV系統(tǒng)模型，以（0, 1)二值對(duì)多AGV系統(tǒng)中的不同空間資源、路徑 及時(shí)間進(jìn)行量化，確立以時(shí)間為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)； 步驟4局部搜索的動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化 以靜態(tài)最優(yōu)路徑為基礎(chǔ)，采用局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的優(yōu)化方法，確定每個(gè)AGV在停留節(jié) 點(diǎn)的等待延遲時(shí)間，通過(guò)比較AGV行走動(dòng)態(tài)搜索路徑所需時(shí)間與原來(lái)需要等待延時(shí)的路徑 消耗時(shí)間，確定選擇所需時(shí)間較少的路徑節(jié)點(diǎn)組合，實(shí)現(xiàn)AGV調(diào)度系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)間與路徑 的優(yōu)化。
[0011] 進(jìn)一步的，所述方法具體包括以下步驟： 步驟1 AGV運(yùn)行路徑網(wǎng)絡(luò)建模 建立AGV運(yùn)行環(huán)境的地圖模型，多AGV的運(yùn)行環(huán)境的布局采用離散化的有向圖進(jìn)行 路徑網(wǎng)絡(luò)的建t吳，基本的有向圖t吳型表不為
表 示路徑網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的集合，其中
表示路徑中所有相鄰節(jié)點(diǎn)組成 的帶權(quán)重邊的集合，其中邊表示為兩節(jié)點(diǎn)的有序元素對(duì)，每條邊都有一個(gè)表示權(quán)重的函數(shù) 權(quán)重表示時(shí)間，假設(shè)：任何時(shí)刻，在路徑網(wǎng)絡(luò)中，一條邊或者一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多只有一 個(gè)AGV占用；系統(tǒng)中AGV的數(shù)目少于路徑中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)未被占用，另外有 向圖中邊的長(zhǎng)度大于AGV的長(zhǎng)度與安全距離的和；AGV在路徑地圖中的位置，以其參考點(diǎn)在 路徑地圖中的位置和姿態(tài)表示，通常表示為(X, Κ Θ); 步驟2路徑網(wǎng)絡(luò)地圖的存儲(chǔ) 根據(jù)離散化的有向圖路徑網(wǎng)絡(luò)建模法，以_表示所有的節(jié)點(diǎn)集，以￡表示所有的邊的 集合，整個(gè)有向圖的數(shù)據(jù)采用二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)可以表示為 步驟3多AGV系統(tǒng)二值法建模
用（〇，1)表示路徑中節(jié)點(diǎn)或者邊的空間資源的使用情況，在節(jié)點(diǎn)未被占用的情 況下，有一個(gè)可利用的空間資源，將其置1，否則置0,建立從節(jié)點(diǎn)到空間資源的映射 把以-0U)，以巧（巧)表示第i時(shí)刻第J個(gè)節(jié)點(diǎn)的空間資源的數(shù)量，以驗(yàn)表示整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)路徑中所有節(jié)點(diǎn)在第時(shí)刻的空間資源的狀態(tài)及分布， 以AGV參考點(diǎn)的位置，表示整個(gè)AGV所在路徑網(wǎng)絡(luò)中的位置，設(shè)g表示編號(hào)為?的AGV， 設(shè)AGV的運(yùn)行用：爾表示，以略表示第T個(gè)單位時(shí)刻，系統(tǒng)中AGV在整個(gè)路徑網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的 運(yùn)動(dòng)激活狀態(tài)，在允許占用某些節(jié)點(diǎn)的情況下，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)被占用，則稱AGV在該節(jié)點(diǎn)的運(yùn) 動(dòng)被激活，此時(shí)AGV在該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)置為1，在其它未被占用的節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)置為0， 它表示贏翁倉(cāng)的列向量，描述AGV正運(yùn)行在某條邊上，或者描述AGV停留在某個(gè)節(jié)點(diǎn)上或者 以某相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)的邊上，表達(dá)式定義如下： 參表不編號(hào)為的AGV停留在麵節(jié)點(diǎn)上；
:表示編號(hào)為丨|的AGV停留在由節(jié)點(diǎn),?與組成的邊的某 點(diǎn)上；
，表示編號(hào)為I的AGV運(yùn)行在由節(jié)點(diǎn)與&^組成的邊上， 此時(shí)麵_激攝.1:，而下個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn); = :表示編號(hào)為I的AGV正在運(yùn)行，并且執(zhí)行任務(wù)％ ; 錄驗(yàn)，1_勒分別表示在節(jié)點(diǎn)務(wù)存在或不存在等待延時(shí)的編號(hào)為|的AGV ; .表示第f條邊，％勝_表示以節(jié)點(diǎn)％.為頂點(diǎn)的邊，且％v 分別稱 為邊Mu的上位節(jié)點(diǎn)、下位節(jié)點(diǎn)，這些變量滿足下式，設(shè)共有I臺(tái)AGV，
空間資源羚(_%)是防止不同AGV間沖突與碰撞的重要資源集合，設(shè)
表示整個(gè)路徑網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的空間資源，在某時(shí)刻狀態(tài)的標(biāo) 識(shí)，模型中路徑網(wǎng)絡(luò)的空間資源的占用與釋放可以表示如下：
表示AGV從節(jié)點(diǎn)有到邊f(xié)釋放的路徑網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空間資源的數(shù)目，等于1表示由節(jié)點(diǎn) 在不經(jīng)過(guò)其它節(jié)點(diǎn)或者邊的情況下直接到達(dá)邊f(xié)，等于0則說(shuō)明不能直接到達(dá)邊f(xié) ;
表示AGV從邊:?到節(jié)點(diǎn):所要占的路徑網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空間資源的數(shù)目，等于0表示經(jīng)過(guò)邊 ,不能到達(dá)節(jié)點(diǎn)，等于1說(shuō)明經(jīng)過(guò)邊,可以到達(dá)節(jié)點(diǎn); 設(shè)路徑網(wǎng)絡(luò)中共有義個(gè)節(jié)點(diǎn)，嘛條邊，那么可以定義如下節(jié)點(diǎn)與邊交互的狀態(tài)矩陣，
f表示.M _的，且其每個(gè)元素取值均為的二值矩陣， 定義整體路徑網(wǎng)絡(luò)中AGV可以運(yùn)行的條件如下，
表示將要被占用的節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的空間資源要大于或等于需要占用的資源數(shù)， 設(shè)/^、五分別表示編號(hào)為|的AGV，在第:；Τ時(shí)刻執(zhí)行任務(wù)時(shí)，運(yùn)行路徑節(jié) 點(diǎn)的組合、運(yùn)行路徑邊的組合、運(yùn)行路徑節(jié)點(diǎn)的空間資源狀態(tài)的標(biāo)識(shí)、運(yùn)行路徑節(jié)點(diǎn)上運(yùn)動(dòng) 激活的狀態(tài)，對(duì)于編號(hào)為I的AGV，在其獨(dú)立的運(yùn)行路徑上，滿足其運(yùn)行的必要條件可表示如 下式：
每個(gè)AGV運(yùn)行路徑的節(jié)點(diǎn)，都是整體網(wǎng)絡(luò)路徑節(jié)點(diǎn)的子集，可表示如下，
每個(gè)AGV的賄著時(shí)間€的增加，得到下一時(shí)刻的表達(dá)式如下，
設(shè)給定犮個(gè)單位時(shí)間，定義變量？V 1)，當(dāng)AGV到達(dá)指定的任務(wù)節(jié)點(diǎn)，將笮置1， 否則置〇,的限制約束條件如下式所示：
每臺(tái)AGV的運(yùn)行時(shí)間主要包括在節(jié)點(diǎn)組合中等待延時(shí)的時(shí)間、在邊組合￡/〗中的 運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可表示為下式：
式中分別表示在節(jié)點(diǎn)巍:、邊贊占用的單位時(shí)間的數(shù)目，它們需滿足如 下條件，
在滿足每個(gè)AGV運(yùn)行條件的情況下，確定運(yùn)行路徑節(jié)點(diǎn)，然后給定AGV節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)激活的 序列，使得總的運(yùn)行時(shí)間最小，如下式所示：
步驟4局部搜索的動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化