基于OpenTCS的多品牌AMR调度系统研究与应用

郭志明，常汝智，李 爽，李 杰

（1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

0 引言

近年来，随着工业自动化和信息化的快速发展，AMR（Autonomous Mobile Robot）作为现代制造系统的物流工具，应用越来越广泛。AMR可根据工艺流程、生产需要和仓储需要，通过调度系统的实时调整，大大地降低了人力的需求。AMR的应用给制造业带来巨大的便利，实现AMR系统之间物流联通的信息化，提高了整个生产系统的运行效率。

AMR采用了特殊传感技术（例如激光或视觉等传感器），实现了根据预设程序自主运送物料。但在实际生产制造领域存在问题：同一品牌的AMR调度系统往往只能兼容本品牌的AMR，随着AMR品牌制造商的不断涌现，给应用带来了更新和应用方面的难题。另外，同一AMR调度系统不能实现对多个品牌的AMR调控和监督。

鉴于在实际制造业环境中存在对多种不同种类AMR实时监控管理的功能需求，本文在分析现状的基础上，针对现有解决方案的不足，重点研究基于OpenTCS的监控与管理系统。本文在开源OpenTCS的基础上通过修改API实现了一套调度系统控制多台AMR小车的功能。

1 AMR调度控制系统

1.1 OpenTCS简介

OpenTCS是一款开源独立、可灵活使用的AMR交通控制系统平台。它最初是一个公共资金资助的项目，当前代码由德国多特蒙德的弗劳恩霍夫物料流和物流研究所（IML）维护和开发。

OpenTCS作为AMR任务调度和路径规划的开源系统，包括：内核（Kernel）、内核控制中心（Kernel Control Center）和终端（plant overview）3个模块，其中内核负责路径规划与任务调度，终端与内核控制中心主要负责提供可视化界面，方便人员监控管理AMR。基于该平台进行二次开发，可以快速实现AMR的任务分配、路径规划和交通管制等功能。同时，OpenTCS还具备AMR的仿真功能，是一款功能全面、接口丰富的软件。

1.2 需求分析

AMR调度系统作为AMR的上位机控制系统，应实现对AMR的实时控制和监督，同时，要与企业的信息化企业资源计划系统（ERP）或制造执行系统（MES）系统实现无缝融合，打造全柔性和自动化的现代化物流。AMR调度系统应包括：调度任务分发、配送路径规划、车辆管理和交通管制等功能，同时，要实现多种品牌AMR调度系统实现实时通讯。其系统功能需求见表1。

表1 调度系统功能需求

在整个生产制造系统中，各信息系统的作用如图1所示。ERP和MES系统是整个制造工厂的“大脑”，它负责派发生产工单。当工单分派到物流管理系统（WMS）后，WMS系统通过任务下架、PDA拣选和AMR出库配送，将具体的配送任务发送到AMR调度和监控系统。AMR调度和监控系统是AMR任务派发的“小组长”。经过计算，选取合适的AMR进行任务派发，并计算和规划最合理的运输路径；AMR进行配送作业，包括调度AMR、料箱的交接、路径配送和行程中安全避让。当AMR运输到指定位置后，AMR完成物料的交接和空箱回仓工作。同时，产线物料的配送和消耗实时反馈到WMS系统。

图1 生产制造系统AMR调度系统

1.3 系统架构

本文所重点研究和设计的AMR调度系统结构如图2所示，主要包括3个部分：AMR小车终端设计、中央调度系统设计（接口）和搭建无线网络部分，上层信息化系统（包括ERP、MES和WMS）应用的是已有的系统。其中，中央调度系统在OpenTCS系统的基础上进行二次开发，通过修改API接口和内部算法，实现与WMS、各调度子系统进行通讯、调度和监控；利用无线AP、防火墙、交换机和服务器组网，完成网络环境的搭建，建立了设备之间信息交互的平台；AMR终端重点围绕控制器及内部硬件的组态设计，实现AMR具体运动命令的控制。

图2 AMR调度系统架构

2 AMR调度系统开发

AMR调度系统部分包括AMR小车终端设计、中央调度系统设计和通讯网络设计。

2.1 AMR小车终端设计

2.1.1 AMR终端硬件设计。AMR终端系统结构如图3所示，采用西门子1200PLC作为AMR终端的控制器。AMR终端主要包括4个部分：控制模块、检测导航模块、通讯模块和驱动模块。其中控制模块是AMR终端的“大脑”，负责接收上位调度系统的任务，并将任务分解为具体的动作指令；检测导航模块是AMR终端的“眼睛”，起到感测外界环境和安全的作用；通讯模块是连接AMR终端和上位系统的媒介；驱动模块是AMR终端的执行系统，负责具体动作指令的执行。

图3 AMR终端系统结构

2.1.2 AMR小车终端软件。AMR小车终端设计主要是对控制器编程和调试。对AMR小车进行建模，并对其基本数据类型和动作状态进行了数值化显示，见表2和表3。并将各小车的基本数据存储在PLC的数据块（DB）结构中。

表2 基本数据类型

表3 硬件与小车动作状态

2.2 无线网络

无线网络是实现调度系统命令与AMR小车通讯的媒介。客户端和服务器（C/S）是最常用的网络架构，如图4所示。即将中央调度系统和子调度系统安装在服务器端。这是通过驱动程序将车辆集成到系统中来实现的，类似于操作系统中的设备驱动程序。

图4 C/S网络架构

如图4所示，无线网络的结构采用防火墙、交换机和布设无线AP的方式。无线AP的信号覆盖到整个AMR小车的工作区域。辐射范围方面：整个机器人区域需要无线AP全覆盖，不能有明显的信号盲区/弱区，对存在信号弱的区域设置补盲AP点位。对于机器人排队区域，需要加强AP信号的强度，强度要求0～65dbm。整体方案需要部署5个华为AP，每个AP点位采用挂壁式安装，高度为6m，采用PoE供电，见表4。

表4 无线网络配置

2.3 中央调度系统结构

中央调度系统在开源系统OpenTCS的基础上进行二次开发，如图5所示。其主要部分包括接口协议、呼叫系统的搭建、IT系统交互、数据库和异常处理机制。由于在文章的其他部分有所阐述，这里不再赘述。

图5 AMR中央调度系统结构

3 遗传算法应用

路径规划是AMR调度系统关键的部分，而算法则是路径规划的核心。机器人路径规划最常用的算法就是遗传算法（Genetic Algorithm，GA）。遗传算法，是一类模仿生物进化规律而演化而来的随机化搜索方法。遗传算法全局搜索能力强，容易实现并行化，并且非常容易实现与其他算法相结合。常用的遗传算法如图6所示。

图6 遗传算法分类

遗传算法的核心流程，如图7所示，包括编码、初始群体的生成、适应度评估、选择、交叉和变异等。

图7 遗传算法基本流程

（1）编码。编码是应用遗传算法时要解决的首要问题，也是设计遗传算法时的一个关键步骤。其影响遗传算法的交叉、选择、变异操作，很大程度上影响着遗传算法的效率。现有的编码方式主要有二进制编码、实数编码等。

（2）初始群体的生成。随机产生N个初始编码串，每个编码串称为一个个体，N个个体构成了一个群体。GA以这N个编码串作为初始点开始进化。

（3）适应度评估。适应度表明个体或解的优劣性。不同的问题，相应的适应度函数的设计也不同。

（4）选择。选择的目的是为了从当前群体中选出优良的个体，使它们有机会作为父代为下一代繁殖子孙。遗传算法通过选择过程体现这一思想，进行选择的原则是适应性强的个体为下一代贡献一个或多个后代的概率大。选择体现了达尔文的适者生存原则。

（5）交叉。交叉操作是遗传算法中最主要的遗传操作。通过交叉操作可以得到新一代个体，新个体组合了其父辈个体的特性。交叉体现了信息交换的思想。

（6）变异。变异首先在群体中随机选择一个个体，对于选中的个体以一定的概率随机地改变编码串中某个串的值。同生物界一样，GA中变异发生的概率很低，通常取值很小。

4 试验测试

试验设备主要包括一套上位机系统、两种品牌AMR、无线网络平台等。利用OpenTCS仿真平台，上线测试AMR，系统加载完成，如图8所示。

图8 OpenTCS加载设置界面

利用OpenTCS系统模拟任务派发，如图9所示。

图9 AMR调度系统订单任务指派

利用OpenTCS调度系统仿真运行如图10所示。经试验验证，中央调度控制系统与子调度系统1和子调度系统2能实现正常有效通讯，AMR系统能够完成订单作业。

图10 OpenTCS系统仿真界面

测试试验数据表明，基于OpenTCS开发的AMR中央调度系统能实现与多品牌的AMR信息交互。随着AMR终端功能和性能的不断提升，调度系统面临众多问题等待解决。本系统不断更新和优化，未来可在生产制造领域广泛应用。