摘 要

随着人工成本的不断提高和AGV技术的发展与应用，越来越多的汽车制造商在构建生产物流体系时考虑采用AGV进行物料的搬运，从而提高作业效率并降低企业的生产成本。近年来AGV在自动化集装箱码头中也得到了广泛的应用，作为自动化集装箱码头水平运输系统的运载工具，能够提高集装箱装卸效率从而提高码头的作业效率。本文在分析自动化集装箱码头布局、作业流程的基础上，对AGV调度问题进行研究，即AGV指派和任务作业顺序问题。在将小车视为匀速行驶的假设条件下，建立线性规划数学模型，通过遗传算法进行求解，结合算例实验探讨AGV数量和总的AGV运行时间之间的关系，通过对青岛港自动化集装箱码头卸船作业的模拟，验证了模型和算法的有效性。

关键词：AGV ; 自动化集装箱码头 ; 遗传算法 ; 指派问题

Abstract:

With the continuous increase in labor costs and the development and application of AGV technology, more and more automobile manufacturers are considering the use of AGV for material handling when constructing a production logistics system, thereby improving the operating efficiency and reducing the production cost of the company. In recent years, AGV has also been widely used in automated container terminals. As a delivery tool for automated container terminal level transportation systems, it can increase the efficiency of container handling and improve the operating efficiency of terminals. Based on the analysis of the layout and operation flow of automated container terminals, this paper studies the issue of AGV scheduling, namely AGV assignment and task scheduling. Under the assumption that the car is traveling at a constant speed, a linear programming mathematical model is established, a genetic algorithm is used to solve the problem, and the relationship between the AGV quantity and the total AGV running time is combined with an example experiment to unload the container terminal at Qingdao Port. Simulation of ship operations validated the effectiveness of the model and algorithm.

Keywords: AGV ; automated container terminal ; genetic algorithm ; assignment problem

第1章 绪论

1.1 研究背景

Automated Guided Vehicle小车又简称AGV小车，是装有自动引导装置，能够装载一定重量货物，具有安全防护，并且能够按照规定路线行驶的一种多功能的运输车，其自动行驶的原因主要是装备有电磁学自动引导装置或者是光学引导装置。全自动小车在工业的应用中有着广泛的用途，在人工劳动力越来越少的时代，全自动小车的重要性在社会上越来越高，比如车间的货物搬运，码头的货物搬运甚至是公交车小轿车等一些载客的运输工具，都在大力地研究全自动化小车。特别是在码头方面的应用，正是刚刚萌芽时期，以后会有广阔的发展空间。随着经济全球化速度的加快，生产经营活动在全球化，资源配置活动也在全球化，越来越多的经济活动范围在扩大，也就意味着码头的重要性越来越高。因为港口是一个国家或者城市的经济发展大门，而如今的货运和世界贸易百分之九十是通过海上运输实现的，掌握着这个国家或者经济发展的速度和力度，港口的吞吐量的大小不仅仅取决于港口的规模，更取决于港口的装卸效率，而使用全自动小车能大大地缩短装运时间从而加大生产效率。

全自动化小车属于一种自主移动的机器人，在没有接触控制的情况下能够实现隔空控制货物运输，并且能够提前设定运输轨迹从而完全实现无人化，大大地节省人力的使用，降低工人的劳动强度，能大幅降低人工费；全自动小车是全电动化，能够充电无限续航，大大节省燃料费。全自动化码头上码头前沿主要是靠门机装卸，然后是门机到堆场的这段距离就是AGV来运行，全自动化码头相对于传统码头的吞吐量大大地增加，这对于各地区各国家得到部门领导来说都足够引起重视了，因此越来越多的高科技设备都运用到了集装箱码头，全自动化码头正在慢慢崛起。

AGV系统框架图：

中心计算机

无线通讯设备

无线通讯设备

车载计算机

超声传感器

轨迹识别

检测传感器

驱动导航电动机

机械安保设备

电器安保设备

图1-1 AGV系统框架图

1.2 国内外研究发展现状

1.2.1 国外研究发展现状

国外的AGV小车研究起步较早，最早研究全自动化小车的公司是美国的巴雷特电器公司，在1953年的时候就开始研究AGV的运动，最早提出的是使用电磁感应的方式控制AGV的生产路线，并且跟踪全自动小车的运动路径。但是在1955年是英国最早投入生产线，把AGV运用于实用型生产。在1957年，美国首次将AGV运用于仓库内的搬运，实力相当于仍然是超过了英国。在2000年，比利时提出了激光导控技术，从而逐渐赶超电磁感应技术，激光导控技术比电磁感应技术能更快地使小车反应，更精准地控制，但是技术处于研究阶段所以还不能投入量产。在国外如此超前的研究水平下，如今已经不满足于将全自动化小车运用于物料搬运的阶段了，美国谷歌公司早已开始研制全自动化小轿车，但是这个技术还不成熟，不足以投入到市场中去。主将AGV技术运用到了铁路方面，比如城际铁路和地铁，实现无人化运行，使列车达到无人驾驶水平。在日本，AGV小车的使用也早就达到了一个高等水平，从1981年开始就使用AGV小车进行商业化用途，并且产值相当可观，在当年就有六十亿日元的产值，而在1985年AGV小车的产值就达到了两百亿日元，并且还呈现出每年百分之二十的增长趋势，日本的AGV小车在1986年又继续加大安装，并且生产AGV小车的公司也逐渐多了起来。并且在国外的研究现状中Michael G.H. Bell研究了在各种不确定的条件下集装箱码头自动引导作业分配的内容^[2]。

1.2.2 国内研究发展现状

我国的AGV小车起步较晚，发展历程也比较短，我国在AGV小车这一方面一直在加大投入，这一领域由于技术不成熟，只能不断地投入使得技术达到成熟的水平，争取改变我国一直处于进口外国的全自动小车的局面，如今坚持投入的努力也获得了回报，取得了一定的成绩。在1976年中国的北京起重机研究所才研制出第一台AGV小车，相比发达国家的速度是非常晚了，但是我国的AGV速度发展得非常快，在研制出第一台AGV小车之后就开发出几套简单的AGV应用系统。在1991年的时候中科院沈阳自动化研究所为沈阳的金杯汽车厂研制了六台全自动小车用于仓库内的搬运，可以说是非常成功的案例。在1992年天津理工学院研制了核电站使用的光学引导小车，主要在核电站里面运送物料。在1995年，我国的AGV小车首次向国外出售，这也标志着我国的全自动小车技术达到了一定的水准，慢慢地开始走向国际。

在我国，第一个全自动化集装箱码头是青岛港，2017年3月15日，振华重工承建的亚洲首个自动化码头开始了首次的作业，从某种意义上讲青岛港是亚洲真正意义的全自动化码头，是全球第四个全自动化集装箱码头，这个青岛港的建成给中国的港口带来了极大的鼓舞，是具有示范意义的一个标志性的港口。接着我国上海的舟山港建成，成为我国最大的全自动化集装箱码头，给我国的经济带来了极大的推动，加速了物流的运输给人们生活带了极大的幸福。我国现阶段已经逐渐步入人工智能时代，也意味着我国的AGV小车将会更一步地提升，AGV的运用将会越来越广，发展速度越来越快。

马越汇，胡志华研究不确定环境下自动化集装箱码头 AGV 调度与配置问题，建立了以最末任务结束时间最小化为目标的基本模型^[4]。黄一钧以上海通用汽车X工厂车身车间AGV自动化物料搬运项目中的AGV小车数量配置问题为研究对象，对AGV系统中的小车数量计算与规划方法进行了研究^[6]。杨璐，汪博涵，张雪洁基于经典 Ａ ＊ 算法的原理，提出一 种 能 充分运用 已 有 搜 索 信 息 实 现自动导引小车局部避开障碍物的改进Ａ＊方法，使AGV在环境信息未知的情况下能快速进行路径规划^[7]。张宏远运用Petri网的分层递阶控制功能完成AGV小车的信息共享防止小车运行中的碰撞^[8]。杨勇生，崔佳羽，梁承姬，许波桅，李军军研究只卸不装作业模式下的自动化集装箱码头AGV路径规划问题，建立了作业等待时间和 AGV行驶时间最小的多目标混合整数规划模型^[9]。梁承姬, 李晔, 汤鹏飞建立了带有时间窗约束的 AGV 调度混合整数规划模型，设计了启发式算法求解后小车时间窗，并采用遗传算法对模型进行求解^[10]。管贤平 　戴先中为了提高 AGV 系统的效率,提出一种能避免死锁 、权值可动态调整的多属性任务调度方法^[11]。霍凯歌,张亚琦,胡志华建立了多载 AGV 调度问题的混合整数规划模型 ．同时利用 GUROBI 和遗传算法求解多载 AGV 的作业总费用和空载率 ，并与相同条件下单载 AGV 的作业总费用和空载率对比 ，验证了多载 AGV 的优越性^[12]。张煜,王少梅提出了基于模糊控制的缓冲区策略,利用 eM - Plant 建立了孤立交叉口的仿真模型 ,并对基于模糊控制的缓冲区策略和先进先出策略分别进行仿真^[13]。添玉,王建彬，范会方深入研究新工艺带来的自动化码头设备集成调度问题，针对自动化码头的一种自带提升功能的自动导引小车和缓冲支架系统，提出新的设备集成调度框架^[14]。霍凯歌，胡志华通过建立多载AGV调度问题的整数规划模型应用遗传算法求解^[15]。

1.3 研究目的及意义

在人工劳动力成本不断增长的时代，人工智能显得越来越重要越来越普及，而AGV小车具有大大节省劳动力的特点。先进的全自动小车是计算机、光、电、机为一体的综合体，凝聚了当今时代的先进技术和先进的知识，具有导航能力强，可控能力强，能够精准定位和操控的特点，因此全自动小车的自动驾驶性能良好。能够很迅速地与各类出口、入口、配基载线路、装运输送线路等很好地对接。能够以不同的组合根据不同的需求，实现各种不同的功能。能大大地收缩物流的周转周期并且降低物流生产成本，降低物料的周转消耗，实现来物流与生产、成品与销售、料与加工等的软实力联结，最极大地提高生产系统的工作效率。AGV小车工作过程中，每一步都是各种数据的交换和信息的通讯过程，因为AGV小车的使用必须有强大的后台数据库，因此在有强大的数据库的支撑下消除了各种人为的不良因素，大大降低了小车工作的风险程度，加强了小车的工作可靠性，能够及时地完成任务，并且加大了数据处理的准确性，减少了很多人工易出错的细节。AGV小车还能够在没有其他系统的支持下能够作为独立的单元完成操作作业，并且还能够与其他的系统紧密结合形成联结，比如生产系统，调度系统，控制管理系统紧密结合，具有良好的兼容性和良好的适应能力。全自动小车在码头工作的时候作为无人驾驶车辆有着良好的安全性和可靠性，有着较完善的防护能力和多级示警作用，能够在许多不适合人类工作的场合都很适用。

在产品的生产运输过程中仅仅只是百分之五的时间用于加工物料和制造产品，而剩下的百分之九十五的时间都用来储存、搬运、装卸输送产品，在世界发达国家各工业大国都致力于降低物流成本，改造物流结构，从而加大在物流行业的竞争。现代化的进程中，AGV小车已经成为必然趋势，AGV小车的适应性好，柔韧度高，可靠性好，能够实现生产的自动化和搬运功能的集成化，在我国的 AGV小车使用情况来看都取得了较好的经济效益。