物流移动机器人调度系统的不断迭代与创新|物流机器人核心配套件专题(六)

物流移动机器人调度系统通过调度集群化的机器人设备,可实现仓储制造场景下物流作业的自动化高效作业。通过对昆船、旷视、国自的具体实践探索,可以让我们更好地认识物流移动机器人调度系统的特点、技术路径、挑战及未来发展趋势。

调度系统是物流移动机器人系统的“神经中枢”,通过对整个系统中资源的配置管理与动态分配,对各类物流移动机器人的任务指派、调度协同和交通管制,实现多台机器人协同作业。随着机器人软硬件技术不断发展,目前通过软件系统对大量移动机器人进行集中调度,可以替代传统的人工作业方式,最终实现物流作业自动化、智能化。

在本次专题中,我们邀请到昆船智能装备有限公司副总工程师董海英、北京旷视科技有限公司物流业务事业部机器人产品研发总监陶涛和浙江国自机器人技术股份有限公司销售总监孙开顺三位专家,全面解读物流移动机器人调度系统的特点、技术路径、挑战及未来发展趋势。

调度系统的功能特点

物流移动机器人调度系统(Robot Control System,RCS),通过调度集群化的机器人设备,实现仓储制造场景下物流作业的自动化高效作业,RCS的主要功能特点包括:

  • 集群调度:在同一作业场地调度几十台甚至上百台机器人设备进行作业,系统主要关注交通高效调度,通过计算最短路径、拥塞避免、解环等算法策略,达到货物高效搬运的目的。
  • 并发调度:多个机器人并发执行作业任务,相互之间独立,互不影响,单体故障不影响整体作业。
  • 柔性动态:单个机器人故障并不影响其它机器人作业;机器人在调度的过程中,可以根据现场交通拥堵情况动态改变路径,也可以根据作业站点排队情况,动态前往流量小的站点执行作业。
  • 高效运维运营:通过在线实时机器人状态数据采集,实现设备运行状态可视化。通过故障告警实时提示、终端通知、丰富的数据报表呈现,实现设备的高效运维。

在系统运行时,调度系统在接收到上层管理系统发出的任务指令后,将根据系统所采集的机器人实时位置、状态信息及交通路况,以最优方案将任务指派给合适机器人去执行,物流移动机器人在执行任务过程中,随时向系统报告自己的位置及状态信息,交通管理根据机器人的实时状态动态规划每台物流移动机器人的行驶路径,并提供机器人相互自动避让的措施,从而实现对系统内所有物流移动机器人的统筹调度。

调度系统的技术发展路径

董海英指出,结合国内物流移动机器人的发展历程,调度系统的技术发展主要经历了以下几个重要阶段:

第一阶段:探索起步时期(1978年~1996年),以国外引进技术为主,期间国内的高校和研究机构开始尝试着探索物流移动机器人的相关技术,并开始产品样机的研发,对调度系统技术的认识还停留在较为肤浅的层面上。这些探索性的工作也为后续AGV发展奠定了一定的技术基础。

第二阶段:稳步发展时期(1996年~2012年),1996年昆船开始与NDC合作,为烟草行业提供了完整的解决方案,在国内应用了首套国外引进技术的物流移动机器人调度系统。同时昆船也于2000年开始致力于自主知识产权移动机器人技术平台(ATIS)的探索和研究,在2004年完成ATIS技术平台V1.0版本的研发,并成功实施了云南某企业第一个电磁导引应用项目,成为国内最早拥有自主产权调度系统的企业之一,且在后续的几年里完成个ATIS两个版本的迭代更新。后来随着北京机科发展、沈阳新松等行业领先企业陆续成为NDC的全球合作伙伴,物流移动机器人在传统制造业、食品行业、轻工行业等行业得到逐步推广,调度系统技术也得到了快速稳步发展。

第三阶段:飞跃发展时期(2012年至今),随着智能制造发展,国内移动机器人行业迅猛增长,从事该行业的公司很快达到了上百家,催生了一系列新兴产品和应用模式,将原本不太被关注的移动机器人行业推到了时代的风口浪尖,甚至成为资本追逐的焦点。在这样的背景下,促使物流移动机器人调度系统从面向业务型系统向面向服务型系统演进。同时,随着当前智能制造、工业互联网及人工智能的大力推广,将为调度系统技术的发展赋能,促进调度系统技术的持续快速发展。

调度系统的关键技术指标

陶涛指出,物流场景作业纷繁复杂,从仓库或工厂选址设计、施工,到自动化设备的部署实施和上线运营,这是一个长周期的系统化工程,物流移动机器人调度系统在其中扮演了核心的重要角色,对整个项目的顺利实施起着关键作用。在规划设计阶段,需要通过调度系统对物流移动机器人的作业过程进行模拟仿真,减少后期项目实施的风险,而调度系统本身的集群调度能力、业务流程处理、故障处理能力,是评估一个调度系统好坏的关键指标,直接影响到现场的作业效率。此外,由于作业对象不同,项目也可能会引入多个厂家的多种类型设备,因此调度系统还需要有混合调度能力,协调多种类型设备,实现整体作业效率最高。

基于昆船多年积累的行业经验,董海英将评判物流移动机器人调度系统优劣的关键技术指标总结为以下几项:

第一,系统可靠性和安全性。近年来各行业对物流移动机器人可靠性和安全性的要求也越来越严格,系统可靠性和安全性已经成为评判调度系统优劣最重要的一项指标。

第二,系统调度能力和运行效率。一个调度系统能够调度多少台物流移动机器人,以及系统的运行效率是评价系统优劣比较直观的一项技术指标,好的调度系统能够在有限的资源条件下,实现对物流移动机器人高效、迅捷的调度。

第三,系统易用性和易维护性。优秀的物流移动机器人调度系统必须是易理解、易学习、易操作和易维护的,只有当系统的部署、使用、调整和维护变得更加人性化和简单化,物流移动机器人的应用范围才能实现持续快速扩展,从而促进物流移动机器人产业的发展。

第四,系统开放性和可扩展性。在当今物流移动机器人应用行业迅猛增长,应用需求多样化的背景下,无论是调度系统接口开放度和标准化程度,还是调度系统功能的可扩展性,均已成为评判一个调度系统优劣的重要指标。

调度系统的最新成果展示

基于调度系统的重要性,目前市场上主流的移动机器人企业会选择自主研发调度系统,以实现更好的成本控制和产品技术的升级与迭代。昆船、旷视和国自也是其中比较有代表性的企业。

1.昆船

昆船是国内最早进入移动机器人领域的企业之一,自2000年就开始专注于物流移动机器人调度系统技术平台(ATIS)的自主研发,历经几代产品迭代升级,于2016年完成了面向服务的ATIS 4.0版本技术平台的研发,并形成了以适用于简易型移动机器人系统的ATIS Mini、适用于传统型移动机器人系统的ATIS Pro、适用于大规模移动机器人系统的ATIS Giga为主的三大产品体系,目前正在进行ATIS 5.0版本的研发,预计两年内进入推广应用阶段。

昆船的ATIS 4.0技术平台源于先进的面向服务和平台化的设计理念,以易使用、易维护、易输出为主题思想,采用正向设计方法研发的一套支持移动机器人从系统规划、流程定义、系统运行、系统仿真及系统运维全过程的整体解决方案,可实现对不同项目应用需求进行定制化的系统总体规划,如运行路径、工作流程、系统参数等,调度系统能够容纳上千台不同类型的移动机器人同时调度运行,对上支持与各类WCS、WMS、MES等上层管理系统的无缝对接,对下不仅支持昆船自主研发的移动机器人单机系统对接,还提供丰富的开放接口支持第三方移动机器人单机系统的接入,具备多层次多模式任务调度、大规模多元策略智能化交通管理、全运行流程的数据统计分析及预防性维护等功能。

近年来,面对市场竞争压力的加剧,昆船开始尝试从设备提供商向设备技术提供商的角色转换,推动技术市场化,从而实现昆船物流移动机器人的自主创新再进化,实现了由技术引进到技术输出的飞跃。

2.旷视

旷视作为移动机器人企业“新秀”,定位主打开放式平台。2019年,旷视科技推出河图 (HETU)物流机器人操作系统,该系统作为一个开放式的机器人调度平台,具备如下技术特点和应用优势:

  • 生态连接:河图实现上游软件业务系统与下游硬件执行设备的有机连接,具备强大的开放性和可扩展性。
  • 协同智能:多种不同类型的设备在河图控制下协同作业,共同完成任务。河图在路径规划、库位优化、作业调度、负载均衡层提供了大量优化算法,以适配不同的业务场景。
  • 数字孪生:所画即所得,实现一站式规划、仿真、实施、部署的全流程解决方案。河图可以通过接入真实数据,进行全流程仿真模拟,从而实现线上的规划逼近真实的效率仿真。

此外,为应对物流行业作业需求多样化和效率要求带来的挑战,河图从规划仿真,到现场通过多设备联通,实现集群的设备和作业调度,通过统一的高效运维运营,为客户创造最大价值。随着不断增多的应用项目落地,旷视河图还在不断更新迭代,向着更加开放、智能化程度更高的方向迭代。

3.国自

国自在起步之初就以工业自动化国家工程研究中心、工业控制技术国家重点实验室和浙江大学智能系统与控制研究所为依托,在控制系统研发方面具有先天优势。国自的调度系统经过了5年的发展历程,形成了三方面的鲜明特点:

一是调度算法的先进性,主要体现在调度大量的AGV在同一场景运行时提升运行效率,同时,在路径规划、交通均衡、防止死锁等层面,国自也有着大量的算法和工程积累。

二是调度算法对通用业务细节的完整支撑,包括通用的库存管理模型、设备交互模型、过电梯场景、任务逻辑编排等。国自通过大量项目积累,对其中有通用价值的业务逻辑进行抽象并固化到调度系统中,在现场通过一些简单的配置即可实现绝大多数场景运行逻辑。

三是开放性,AGV的调度系统从层次划分可分为Lv1(设备)、Lv2(调度)、Lv3(通用业务)、Lv4(场景定制业务)等层次。国自的系统在任意层次都支持完全开放的服务接口,方便合作伙伴在任意层次集成。同时,国自的调度系统协议支持欧标,也正参与国标的起草,具有相当的开放度和通用性。

2017年以来,国自推出了GRACE核心战略,采用全自主开发的控制系统和组态软件,提供快速构建各类移动机器人产品和应用的能力,赋能合作伙伴,其核心在于用通用技术构建产品的快速性。2021年,国自推出GRACE+战略,将重磅推出GRACE xPress系统,其将作为国自当前绝大部分核心技术进行价值输出的系统载体,全面地从系统评估、系统构建、系统集成、系统运维的角度为客户赋能。

GRACE+体现了国自从AGV向更加智能化AMR的过渡,实现柔性、适应性、可靠性、易用性和低成本方面的技术突破,也是国自今年提出的RAAT(Robot as a Tool)的核心特征。

调度系统的挑战及未来走向

董海英指出,伴随着物流移动机器人行业的迅猛发展,近几年进入该领域的企业呈爆发式增长,从目前国内物流移动人机器行业市场格局来看,可划分为传统物流移动机器人厂商、仓储物流移动机器人厂商和专业AMR厂商三类。同时,市场专业化和细分度提高,各企业在不同的细分领域内都有着各自的优势。

在此背景下,调度系统的开放度和系统接口的标准化等挑战不容忽视。陶涛提到,目前市面上,机器人厂商的系统主打接入自家的设备,无法很好地兼容其他厂商的设备。在仓储物流方向,目前市面上缺乏的是通用的适配各家柔性设备的操作系统。孙开顺也表达了类似的观点。同时,移动机器人应用市场专业化和细分化的不断提升也对调度系统的柔性、易用性、方便扩展性,及其运行效率也提出了更高的要求。

对于调度系统的技术发展趋势,董海英认为,未来调度系统技术的需求一定是多元化的,可以归结为以下几个方面:

1.调度系统架构将从单体式向分布式转变。目前,物流移动机器人的应用规模不断扩大,随之而来的是在同一系统中调度机器人数量的急剧增加,运行环境越来越复杂,调度系统对相关资源的信赖性也越来越强。单体式调度系统是以中心化的方式实现资源管理和调度,当系统需要大规模集群调度大量物流移动机器人的时候,系统进行任务调度、车辆动态路径规划时会产生巨大的计算量,车辆状态的实时采集也将会大幅增加网络I/O的通信负担,从而出现调度的瓶颈。而分布式调度系统以去中心化的方式实现多个服务器资源的统一管理,原来由一台服务器完成的工作可交由多台服务器共同完成,能够有效减轻服务器和网络的压力,更加从容处理复杂的应用场景。

2.调度系统对物流移动机器人的调度将更加灵活、柔性、高效。调度系统功能将不仅仅是传统意义上的任务管理、车辆管理与交通管理等,而是被赋予了更多的内容,也对调度系统在智能化方面提出了更高的要求。智能化就是不但能够根据当前所感知到的数据,分析预测出未来将会发生什么,而且能够提出主动或被动应对的措施。对于物流移动机器人调度系统来说,其实就是要求系统能够感知采集机器人的运行状态和数据,并对数据进行统计分析和自诊断,从而做出预防性的提示和应对措施。因此如何充分利用互联网、人工智能、大数据等新一代信息技术为物流移动机器人提供更加智能化的调度支持,将成为提升企业竞争力的关键问题。

3.调度系统的设计将更加轻量化和模块化。各个行业的客户需求和应用场景存在较大的差异性,这就要求调度系统能够根据多样化的需求自由扩展和自由定制。将模块化的微服务思想与调度系统结合,能够使调度系统更加轻量化,无论是调度系统功能、调度策略、接口支持,还是UI定制等个性化服务,均能通过模块组态的方式轻松完成,从而满足市场的多样化需求,有效缩短项目的实施周期,提升客户满意度。

4.调度系统的部署将从本地化向“云化”转变。在互联网+的时代,多样化的行业应用服务需求,要求物流移动机器人调度系统能够支持灵活的服务化能力开放,必将促进调度系统向虚拟化、“云化”演进。未来调度系统必将加速与5G、云计算、人工智能、大数据等技术的融合,未来企业的盈利模式也势必要从现在的“硬件”盈利模式向“硬件+内容+服务”的盈利模式转变,可通过云端平台为客户提供更多的内容和服务支持,产生持续服务的盈利能力。

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文章来源:物流技术与应用

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