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物料搬运中的自动引导车辆系统建模

摘要:本研究的目标是:1)提供有关自动导向车辆(AGV)系统在制造环境中的使用和效益的信息;2)回顾有关AGV系统设计、建模和仿真的相关文献。我们将用于AGV系统设计问题的工具作为用于分析和基于仿真的工具。接着，从相关文献中给出两个类别的例子。

关键词:自动导向车辆系统设计、建模和仿真。

1. 导言

随着自动化机器技术的提升，制造系统中的处理物料变得越来越容易。当今快速发展的技术为制造企业提供了许多替代厂内运输的方案。自动引导车辆（AGV）系统就是一种先进的物料处理系统，它包括了一组无人驾驶车辆（AGV），这些车辆遵循引导路径并由计算机控制（Hammond，1986）。本研究的目的是（1）提供有关AGV系统在制造环境中使用的信息。（2）回顾关于AGV系统设计、建模和仿真的文献。

1. 自动引导车（AGV）系统

典型的AGV包括车架、电池、电气系统、驱动装置、转向装置、精密停车装置、车载控制器、通信装置、安全系统和工作平台。AGV系统主要用于仓库环境中的物料配送，以及在生产设施中物料进出生产区和储存区的运输。自动引导车（AGV）的首次应用是在仓库中运输食品（Hammond，1986）。根据1989年的数据统计（Gould，1990），AGV系统安装的应用类型如下：JIT交付系统（56%）、FMS/FAS传输系统（13%）、存储负载传输、非自动存取系统（12%）、自动存取系统接口（8%）、流程组装（7%）、小负载自动存取系统接口（1%）和其他（3%）。AGV系统在非制造环境中的其他一些应用包括在办公室传递邮件、信息和包裹，以及在医院传递餐食和衣物，但AGV系统并不限于在此。

AGV有两种不同的使用方法（Hammond，1986）。第一种方法是将工件连接到AGV上，将所有制造过程完成，同时AGV将工件从一个工位运送到另一个工位。在这种方法中，只有在工件的所有过程完成后，AGV才能释放。第二种方法是使用车辆仅仅将工件从一个工位移动到另一个工位。车辆仅分配给工件一次行程。在上一个方法中，所需的车辆数量明显超过普通AGV系统中的车辆数量。通用汽车公司是这种组装系统的先驱，该系统在美国制造，共有185台装载机。

AGV引导技术包括有线引导路径、光引导路径和离线引导路径。在导线引导路径技术中，具有不同频率的导线埋在地板中。根据指定的频率，AGV在控制点选择路径。在光引导路径技术中，AGV将一束光聚焦在反射带或彩条上，并通过测量反射光的振幅来跟踪路径。导线引导路径和光引导路径的缺点已导致了线外引导技术的发展，如激光三角测量、地面网格参考和陀螺引导。这些技术的优点是，不需要地板切割或喷漆，导轨也很容易修改。

• 1. AGV的基本车辆类型

AGV的类型可分为牵引车、托盘车和单位载货车。牵引车牵引连接在车辆上的一系列拖车。在车站中，拖车被手动与车辆连接和分离。车辆既没有起重能力，也没有转移机构。它可以用于任何类型的负载。托盘卡车用于托盘装载并且具有很高的起重能力。他们可以在底层装载和存放货物。单元式载货车可在其甲板上装载一个或多个货物。有些能够横向移动。运载器的传送机构不仅可以是主动或被动输送机，如辊子、传送带或链式输送机，而且可以是升降台或下甲板。

• 1. AGV系统的好处

根据材料处理研究所提供的AGV应用案例研究（1993年），建造和使用AGV系统的好处包括节省劳动力成本、更好的制品计划、灵活的物料处理、有效的库存控制、更好的质量保证和安全性、产量增加、提高空间利用率、，以及灵活的路线。

1. AGV系统设计问题

AGV系统设计的典型目标包括（1）AGV系统可行性的评估，（2）调度规则的评估，（3）交通问题的消除，（4）最大化吞吐量，（5）最大化车辆利用率，（6）最小化库存水平，（6）最小化运输成本，（7）最大限度地利用空间。AGV系统设计中使用的工具类型可分为两主要分类：分析工具和基于仿真的工具。分析工具是数学技术，如排队论、整数规划、启发式算法和马尔可夫链。文献中提出了许多AGV系统设计的分析方法。

• 1. 分析工具

Tanchoco等人（1987年）比较了CAN-Q的有效性。CAN-Q是一种基于排队论的分析模型，用于分析制造系统中的工作流，并具有在AGVSim（Egbelu和Tanchoco，1982年）中建立的基于仿真的模型。CAN-Q低估了实际需要的车辆数量。他们的分析表明，通过CAN-Q获取的结果为模拟研究提供了很好的起点。

Bozer和Srinivasan（1991）在AGV系统的设计中引入了“串联配置”的概念。串联配置是基于将所有工作中心划分为不重叠的单车闭环。它提供了较不复杂的控制系统，但对车辆故障的容忍度较低，需要额外的占地空间。作者还开发了一个分析模型来估计闭环中单个车辆的通行能力。Mahadevan和Narendran（1993）开发了一个用于估计AGV的数量分析模型。他们建议从粗略的分析方法开始，然后使用复杂的数学模型。接着，如果AGV系统具有很高的复杂程度，再使用模拟。随着系统中零件数量的增加，问题变得困难，需要通过仿真方法进行分析。

Johnson and Brandeau（1993）将AGV系统建模为排队系统，并将设计模型表示为具有非线性等待时间限制的二进制整数规划。接着，他们开发了两种不同的枚举算法来解决分析模型。分析模型通常基于稳态流动系统（Tanchoco，1994）。因此，当分析技术应用于实际工业案例时，可能会失败。在随机环境下，这些技术可能会给出不准确的估计。总之，分析技术可能最适合在AGV系统设计中获得初始估计（Egbelu，1987）。

• 1. AGV系统仿真

能够用于AGV系统仿真的仿真软件可分为三类（Tanchoco，1994:1）通用仿真语言（如SLAM II、SIMAN IV等），2）用于设计制造系统的通用仿真的模拟程序包（如SIMPLE 、Auto Mod II、Pro Model、SIMFACTORY II.5等），3）专门为分析AGV系统而开发的仿真软件，其使用C、FORTRAN、BASIC、LISP等通用编程语言。

• • 1. 通用目的的模拟语言

通过使用通用目的的仿真语言，如SLAM II（Pritsker，1995）、SIMAN（Pegden等人，1990）和GPSS/H（Henriksen和Crane，1989），多个AGV系统仿真模型被开发出来。Seifert等人（1995年）开发了一个用SLAM II编写的离散事件仿真模型，用于分析AGV系统在各种车辆路径策略下的运行。他们的模型解决了系统中的多种布局和行人。这是一个混合语言模型，其用SLAM II编写，具有用C编程语言编写的事件处理函数。他们的仿真模型采用了特定的性能指标。这是AGV的实际行程时间与AGV的相应理论行程时间之间，关于AGV的速度和行程长度的差异。

Ulgen和Kedia（1990）使用满贯系统建立了一个仿真模型，以分析设计和操作变量对采用AGV的蜂窝装配系统性能的影响。在他们的模型中考虑的因素和备选方案包括备用轨道布局设计、调度规则的影响和不同循环时间比的影响。系统性能的衡量标准是每班生产的平均吞吐量。他们表示，模拟很容易应用，特别是满贯系统中的调度规则。

Takakuwa（1993）在SIMAN创建了一个仿真模型，在要安装的AGV数量基础上，来衡量大规模AS/RS-AGV系统的成本效益。首先，他确定了系统的总体布局，然后定义了系统的规格，比如AGV的数量、输送机的数量、每个输送机上的缓冲区大小等。他们的主要系统测量是总流动时间。Lee(1996)在SIMAN开发了一种离散型事件仿真模型，以评估一些可在制造或装配系统中使用的复合AGV调度规则的性能。所需AGV的数量是根据初步模拟研究来确定的。性能指标是吞吐量、流动时间和制品水平。

尽管通用目的模拟语言，比如SLAM和SIMAN，加入了物料处理功能，但这些功能并不能提供模拟多种不同的物料处理系统的充足灵活性（King和Kim，1995）。从专门为制造系统开发的模拟程序包开始，AGV系统的仿真能够更为轻易地完成。

• • 1. 针对制造系统的模拟程序包

第二类仿真软件包括一些通用目的制造仿真系统，比如AutoMod II、ProModel、XCELL 、SIMFACTORY II.5、SIMPLE 等。

通过使用AutoMod作为主要工具，Prasad和Rangaswami（1988），开发了融合半导体分拣、组装和测试设施的图形仿真模型。AutoMod是一种基于GPSS模拟语言的“宏”语言。利用仿真模型分析了两种不同的AGV控制系统：全局控制系统和局部控制系统。他们表示，通过使用Auto Mod的动画功能，AGV瓶颈、混乱和锁死都可以轻松识别。

Quinn（1985）用AutoMod创建了一个基于仿真的系统，用于AGV控制软件的开发和测试。来自CAD系统的数据用于描述导向路径。模型的输出被连接到仿真器，该仿真器为测试软件，仿照网络协议连接到控制器。一种通用的阻塞方案被应用到该模型中。Quinn（1985）强调AGV供应商有自己独特的阻塞设计。

Jayaraman（1993）使用ProMODLE为一家制造防抱死制动系统的公司研发了一种AGV系统设计。他比较了人工运输和AGV运输。系统的输入数据包括一个文件，其中包含每个装配单元的AUTOCAD图形中的平面布局、预测要求、加工时间、材料处理信息和材料清单。系统吞吐量和AGV利用率被用作衡量系统性能的指标。Dewsnup和Bollenbach（1995）讨论了Windows ProMODLE在AGV系统建模中的应用。他们研究了两个独立但重叠的系统。该模型需要特殊的交叉逻辑来避免碰撞。目的是确定AGV的数量，并识别AGV系统的控制逻辑。

• • 1. 专门为AGV仿真创建的仿真软件

有一些仿真软件包是专门为分析AGV系统而开发的。在本节中，我们将简要回顾这些AGV仿真程序。本节的第一部分将描述由传统编程方法开发的代码，而本节的后一部分将确定基于物件导向方法的工作。

Sinriech和Tanchoco（1992）使用AGVSim评估了不同分配规则下单回路引导路径的性能。他们强调了空车流量对系统性能的影响。AGVSim包括两个独立的惯例。第一个惯例计算网络中成对点之间的最短路径。第二个惯例是执行模拟并报告结果的主模拟器。AGVSim提供输入和删除数据的支持程序。Anderson（1985）创建了一个AGV模拟软件包Satt Control，它被用作AGV路线布局规划和测试的工具。该软件包的输入参数包括AGV轨道布局、每小时托盘数量、AGV数量、装载/卸载时间、AGV速度（装载和卸载车辆分开）、代替路线等。一些输出统计数据包括特定点的等待时间、每个AGV执行的工作数量，以及AGV闲置的平均时间。

Araki等人（1987）开发了一个模拟器，可以处理68种AGV路径模式，包括车站、入口、出口、直线、曲线、T形交叉等。该模拟器由路径编辑器、数值数据输入编辑器、最短路径计算器、模拟执行器、动画部分和结果输出部分组成。最短路径计算器和模拟执行器用FORTRAN语言编程，其余用BASIC语言编程。仿真执行器具有初始设置、时间管理、AGV调度管理、机床管理和数据管理功能。

Schulze和Rosenbach（1987）为物流系统构建了MATSIM，这是一种带有模块库的特殊模拟软件工具。MATSIM的输入数据包括路线、车辆数据、优先策略和处理顺序。输出数据包括系统的总输出、满载和空载行程数、阻塞时间、电池充电时间、车辆等待时间以及工作站的临时使用。

Ozden（1988）利用LISP开发了一个离散事件仿真程序，以研究多个承载AGV的托盘数量、车辆数量和承载能力等关键因素对FMS整体性能的影响。，模拟程序会根据用户的要求，提供FMS操作的动画彩色视图。他还表示，LISP的预定义功能使用户能够设计模块化的仿真模型，类似于专用仿真语言。

Mosca等人（1991年）利用AGV在大型果蔬市场内建造并使用了运输网络模拟器。离散与随机模拟器是用FORTRAN 77语言编写的。其总体目标是规划选择，以最大限度地降低投资成本，缩短服务时间，和最大限度地提高系统中AGV的利用率。Gaskins和Tanchoco（1989）列举了AGVSim2--一种离散事件车辆系统模拟器，用于评估实时自由行程车辆控制器的控制策略。该模拟器直接与监控控制器软件相连，因此可用于测试智能AGV监控控制器。

AGVSim2允许双向流动、多种车型和车辆上的多种负载。图形动画模块也是软件包的一部分。对于自由行驶的车辆，虚拟控制点被使用。常规控制点和虚拟控制点之间的唯一区别在于，常规控制点具有存储在模拟器数据结构中的特性。否则，他们有相同的地位。Dutt（1991）开发了GVSim，这是一个通用的基于C的离散事件仿真软件包，用于对AGV系统配置进行建模。通用程序可以测试制导车辆系统设计中的各种控制概念。它还扩展了最短路径的概念，来开发减少瓶颈的最快路径概念。

Wilson（1992）开发了一个基于C的离散事件仿真框架，用于分析AGV系统。该框架中的功能以CBST的离散仿真部分为基础。CBST的功能构成了一个模块化工具包，包括执行控制、变量初始

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