楊洋，武志磊，李俊韜

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 管理學(xué)院，北京 100083；2.北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 101149）

0 引言

隨著人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，我國“互聯(lián)網(wǎng)+物流”、“機(jī)器換人”上升為國家戰(zhàn)略。2017年1月，商務(wù)部等五部門聯(lián)合發(fā)布的《商貿(mào)物流發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出要推廣應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)，提高供應(yīng)鏈精益化管理水平。國家發(fā)改委在《“互聯(lián)網(wǎng)+”高效物流實(shí)施意見》的通知中指出要提升倉儲配送智能化水平，鼓勵(lì)物流機(jī)器人技術(shù)開發(fā)，促進(jìn)機(jī)器人在物流領(lǐng)域應(yīng)用，開展倉內(nèi)機(jī)器人多模式應(yīng)用[1]。面對大量貨品的流動(dòng)，無人倉解決進(jìn)貨、存儲、揀貨、包裝、分揀等環(huán)節(jié)；無人倉的“智能化”進(jìn)行有條不紊的調(diào)配和操作，讓倉儲的運(yùn)營效率不斷逼近最優(yōu)值。無人倉在智能物流運(yùn)營效率、靈活性、吞吐量等方面跨上了一個(gè)新的臺階，將成為未來物流倉儲發(fā)展的趨勢。而由于無人倉系統(tǒng)組成要素的復(fù)雜性，合理地規(guī)劃與運(yùn)營顯得尤為重要。

物流業(yè)是現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)的“血脈”和新興增長點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)變革急需實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才[2]。大學(xué)生作為受教育程度較高的社會人群，將成為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)持續(xù)高速發(fā)展的主力軍，這對供應(yīng)鏈管理人才的培養(yǎng)提出新的需求與挑戰(zhàn)。2017年3月，教育部發(fā)布《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》,并從建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)規(guī)劃、建設(shè)方式和組織管理等方面作了具體要求[3]。2018年1月，教育部發(fā)布《關(guān)于印發(fā)教育部高等教育司2018年工作要點(diǎn)的通知》，要求全面推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合，創(chuàng)新教育形態(tài)、豐富教學(xué)資源、重塑教學(xué)流程，以教育技術(shù)現(xiàn)代化助推高等教育現(xiàn)代化[4]。

在人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展下，以及虛擬仿真技術(shù)的日趨成熟中，高等教育中特別是物流專業(yè)，已慢慢孕育出了新的教學(xué)模式。通過大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)強(qiáng)化師資力量，通過3D技術(shù)構(gòu)建的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程，能夠很好的解決目前物流教學(xué)與產(chǎn)業(yè)對接不足、課程滯后、實(shí)踐和創(chuàng)新性不足等問題[5]。因此開設(shè)相應(yīng)的智慧物流資源課程，建設(shè)符合物流行業(yè)發(fā)展趨勢、與企業(yè)物流先進(jìn)技術(shù)接軌的智慧物流和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)創(chuàng)新性強(qiáng)、專業(yè)技術(shù)硬的應(yīng)用型物流人才，是高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新，既符合院校物流及相關(guān)學(xué)科專業(yè)建設(shè)發(fā)展的需要，也是為智能物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)高質(zhì)量人才的大勢所趨。

本文從目前物流倉儲領(lǐng)域應(yīng)用速度較快的AGV系統(tǒng)出發(fā)，提出和設(shè)計(jì)了基于AGV的無人倉實(shí)操平臺和無人倉運(yùn)營規(guī)劃仿真平臺，為基于視覺識別技術(shù)的AGV無人倉物流教學(xué)和科研進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

1 無人倉智能物流虛擬仿真教學(xué)平臺構(gòu)建

無人倉智能物流虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺由AGV貨到人揀選實(shí)訓(xùn)平臺和無人倉虛擬仿真平臺組成，能夠完成基于AGV的無人倉設(shè)備認(rèn)知、運(yùn)營實(shí)操、規(guī)劃仿真和數(shù)據(jù)分析實(shí)訓(xùn)，如圖1所示。

圖1 AGV無人倉系統(tǒng)布局

1.1 AGV貨到人揀選實(shí)訓(xùn)平臺

AGV貨到人揀選系統(tǒng)主要包括業(yè)務(wù)交互系統(tǒng)（無人倉管理系統(tǒng)）、智能調(diào)度系統(tǒng)、自動(dòng)充電系統(tǒng)、AGV小車、工作站（上架/揀選/盤點(diǎn)）、移動(dòng)貨架等輔助設(shè)備。學(xué)生可通過該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)并完成“貨到人”模式倉儲系統(tǒng)的整個(gè)作業(yè)流程。首先，可通過業(yè)務(wù)交互系統(tǒng)完成下單、揀選出庫等下達(dá)指令操作，再通過智能機(jī)器人在調(diào)度系統(tǒng)的指引下完成最優(yōu)方案的揀選動(dòng)作，最后完成指定任務(wù)。此外，物流機(jī)器人揀選能夠真實(shí)模擬各實(shí)訓(xùn)場景中的倉儲管理的作業(yè)流程，可以很好地反映現(xiàn)實(shí)場景系統(tǒng)的效率，并且能夠模擬現(xiàn)實(shí)還沒有實(shí)現(xiàn)的更大規(guī)模場景，學(xué)生可進(jìn)行不同場景的組合優(yōu)化進(jìn)行研究，AGV無人倉作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 AGV無人倉作業(yè)流程

當(dāng)揀選任務(wù)發(fā)布后就可以啟動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)對AGV進(jìn)行調(diào)度，通過調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)劃分及算法模型進(jìn)行最優(yōu)匹配并按照耗能成本最小進(jìn)行作業(yè)任務(wù)，其運(yùn)作模式如下流程：

首先，當(dāng)有訂單下達(dá)，需要進(jìn)行揀貨作業(yè)時(shí)，無人倉管理系統(tǒng)對客戶訂單進(jìn)行分析，獲取客戶下單的物品品類、型號以及數(shù)量，然后考慮倉庫庫存水平，對所有需要揀選貨物的所在貨架進(jìn)行定位并確定各目標(biāo)貨架綜合最短距離對應(yīng)的揀選工作站，并分配訂單給不同的揀選工作站。

其次，系統(tǒng)會根據(jù)任務(wù)貨架的情況以及當(dāng)前系統(tǒng)中所有AGV的情況，選擇適當(dāng)?shù)腁GV去執(zhí)行任務(wù)貨架：AGV從當(dāng)前位置前往貨架位置，將貨架頂起并送至相應(yīng)的揀選工作站，由揀選工作站的操作人員完成貨物的揀選工作；當(dāng)單元搬運(yùn)貨架完成揀選任務(wù)后，系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算根據(jù)當(dāng)前倉庫狀態(tài)給當(dāng)前貨架分配回歸位置，調(diào)度系統(tǒng)收到指令調(diào)度AGV至相應(yīng)貨位。此貨位不一定是該貨架原始貨位，而是根據(jù)目前業(yè)務(wù)和倉庫存儲狀況，通過系統(tǒng)大數(shù)據(jù)算法優(yōu)化后重新分配的庫位。

最后，AGV被釋放，繼續(xù)接受新的任務(wù)貨架。

（1）無人倉管理系統(tǒng)?；跈C(jī)器人的無人倉管理系統(tǒng)與無人倉作業(yè)業(yè)務(wù)流程相匹配，實(shí)現(xiàn)倉庫管理、入庫單管理、入庫上架、在庫管理、出庫單管理、貨到人揀選、二次揀選、任務(wù)管理、分揀等功能。同時(shí)，系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對商品進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析、聚類分析等方法對貨物進(jìn)行分散存儲、ABC分類等提高AGV作業(yè)效率，對AGV的運(yùn)營狀態(tài)監(jiān)控和軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行全局/局部熱度分布和展示分析。

（2）無人倉調(diào)度系統(tǒng)。無人倉調(diào)度系統(tǒng)通過路徑規(guī)劃、全場定位導(dǎo)航、行走路徑控制等完成對智能機(jī)器人的任務(wù)調(diào)度、狀態(tài)管理。通過固定的協(xié)議與物流揀選AGV和揀選工作站通信，完成貨物上架以及貨物揀選作業(yè)。主要包括基礎(chǔ)設(shè)置、地圖設(shè)置、任務(wù)調(diào)度、AGV管理、在線設(shè)備、監(jiān)控預(yù)警等功能。大規(guī)模AGV作業(yè)時(shí)，AGV之間的路徑規(guī)劃、智能調(diào)度對倉庫作業(yè)效率至關(guān)重要，本系統(tǒng)中運(yùn)用關(guān)聯(lián)度分析、聚類算法、啟發(fā)式算法、大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)等方法實(shí)現(xiàn)對AGV的調(diào)度，大大提高了揀選分揀的作業(yè)效率，如圖3所示。

圖3 無人倉調(diào)度系統(tǒng)功能

（3）AGV小車。Automated Guided Vehicle，簡稱AGV，是一種自動(dòng)導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人，是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的可移動(dòng)的物流搬運(yùn)裝備[8]。物流機(jī)器人的核心技術(shù)是自主導(dǎo)航技術(shù)，它是以地面部署的二維條碼作為參考坐標(biāo)點(diǎn)，并與慣性導(dǎo)航模塊信息融合進(jìn)行組合定位導(dǎo)航，通過WiFi與總控系統(tǒng)通訊，動(dòng)態(tài)規(guī)劃行走路徑。該物流機(jī)器人集成了激光、視覺識別、慣性導(dǎo)航、WiFi等多種先進(jìn)技術(shù)的高度智能化的智能物流裝備，如圖4所示。

圖4 揀選AGV小車結(jié)構(gòu)

（4）上架/揀選/盤點(diǎn)工作站。工作站主要完成貨物的上架、揀選、盤點(diǎn)，工作人員在各類信息傳遞設(shè)備的幫助下，將目標(biāo)貨物從存儲貨架上揀選至訂單貨架的料箱中，由工作站系統(tǒng)、識別設(shè)備、電子標(biāo)簽輔助揀選設(shè)備、貨架和周轉(zhuǎn)箱等組成，如圖5所示。

圖5 工作站實(shí)景

（5）自動(dòng)充電系統(tǒng)。充電站和機(jī)器人的運(yùn)行統(tǒng)一接受服務(wù)器的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)充電。機(jī)器人上報(bào)電池實(shí)時(shí)狀態(tài)給服務(wù)器，根據(jù)預(yù)設(shè)的充電邏輯，服務(wù)器調(diào)度機(jī)器人到充電站進(jìn)行充電。機(jī)器人運(yùn)行至充電站，完成充電接口自動(dòng)對接并將檢測對接正常狀態(tài)上報(bào)給服務(wù)器，服務(wù)器收到機(jī)器人對接完畢狀態(tài)后，給充電站發(fā)送啟動(dòng)充電指令，開始對機(jī)器人充電。充電過程中，機(jī)器人將電池狀態(tài)上報(bào)服務(wù)器，當(dāng)機(jī)器人檢測到電池充好后，將充電完成狀態(tài)上報(bào)給服務(wù)器，服務(wù)器給充電站發(fā)送停止充電指令。

1.2 無人倉規(guī)劃運(yùn)營仿真平臺

為滿足大規(guī)模教學(xué)與電商物流的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，利用仿真平臺對電商物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真，支持大規(guī)模的教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)能夠?qū)Ξ呍O(shè)、科研等提供支撐。無人倉仿真平臺針對智能倉儲流程進(jìn)行了深度的強(qiáng)化和專業(yè)知識的分解，再現(xiàn)智能倉儲作業(yè)的真實(shí)業(yè)務(wù)場景及動(dòng)作，無人倉仿真平臺核心組成包括無人倉運(yùn)營仿真系統(tǒng)、無人倉規(guī)劃仿真系統(tǒng)和柔性生產(chǎn)物流系統(tǒng)。

（1）無人倉3D仿真系統(tǒng)。利用Unity3d技術(shù)構(gòu)建無人倉3D認(rèn)知學(xué)習(xí)平臺，實(shí)現(xiàn)AGV的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程、設(shè)備拆裝、設(shè)備維護(hù)、故障排除等認(rèn)知功能，如圖6所示。

圖6 無人倉3D仿真系統(tǒng)界面

（2）無人倉運(yùn)營仿真系統(tǒng)。無人倉運(yùn)營仿真系統(tǒng)模擬揀選、分揀等倉儲作業(yè)核心流程，呈現(xiàn)智能倉儲系統(tǒng)作業(yè)環(huán)節(jié)的各主要功能及場景，包括揀選工作站、分揀工作站、充電區(qū)、停車區(qū)、通道、格口、貨架等場景。呈現(xiàn)倉儲系統(tǒng)各作業(yè)環(huán)節(jié)的真實(shí)模擬，包括搬運(yùn)操作、揀選操作、分揀操作。該系統(tǒng)可靈活設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行多樣化倉儲布局。學(xué)生可在相同的要求下進(jìn)行不同布局的實(shí)驗(yàn)并記錄，加深對智能物流系統(tǒng)的理解。同時(shí)運(yùn)營仿真系統(tǒng)在無機(jī)器人的情況下，替代機(jī)器人與智能調(diào)度系統(tǒng)，與無人倉倉儲管理系統(tǒng)交互，解決學(xué)生較多、設(shè)備不足情況下教學(xué)實(shí)訓(xùn)問題，如圖7所示。

圖7 無人倉運(yùn)營仿真系統(tǒng)界面

（3）無人倉規(guī)劃仿真系統(tǒng)。無人倉規(guī)劃仿真系統(tǒng)在學(xué)生了解無人倉運(yùn)營流程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對AGV的倉儲進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的進(jìn)階學(xué)習(xí)。在無人倉的應(yīng)用過程中，如何解決大規(guī)模調(diào)度一直是行業(yè)內(nèi)的難題，同時(shí)大規(guī)模的無人倉系統(tǒng)涉及到布局、規(guī)劃、資源配置、任務(wù)分配多個(gè)難題，通過仿真系統(tǒng)，能夠更加直觀的將問題呈現(xiàn)，并且通過仿真得到有效的解決方案。主要包括用戶管理、儲位分配、揀選規(guī)劃仿真、分揀規(guī)劃仿真，如圖8所示。

圖8 無人倉規(guī)劃仿真系統(tǒng)界面

（4）柔性生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)包括生產(chǎn)機(jī)器人、路線、生產(chǎn)工作站、分揀工作站，充電區(qū)、停車區(qū)等規(guī)劃仿真，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)業(yè)務(wù)仿真，并能對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。包括用戶管理、車間管理、路網(wǎng)規(guī)劃、柔性生產(chǎn)線布置、車間數(shù)據(jù)管理、車間計(jì)劃管理、加工管理、生產(chǎn)業(yè)務(wù)交互系統(tǒng)等主要功能。讓學(xué)生了解基于AGV的柔性生產(chǎn)車間規(guī)劃運(yùn)營理念，如圖9所示。

圖9 柔性生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真界面

2 無人倉智能物流虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)組織與實(shí)施

2.1 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)法

利用虛擬仿真技術(shù)將無人倉作業(yè)流程在虛擬軟件中結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)無人倉AGV、充電樁、工作站等關(guān)鍵設(shè)備和上架、揀選、分揀等流程的3d展示，讓學(xué)生直觀認(rèn)知。通過無人倉運(yùn)營規(guī)劃仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人倉運(yùn)營仿真，模擬作業(yè)全流程，學(xué)生可以通過軟件實(shí)現(xiàn)新型無人倉的流程分析及動(dòng)線布置等規(guī)劃設(shè)計(jì)并進(jìn)行驗(yàn)證。物流大數(shù)據(jù)分析平臺則可將無人倉或整個(gè)物流環(huán)節(jié)的訂單、客戶、倉儲、設(shè)備、軌跡等多個(gè)維度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和利用分析，從而進(jìn)行商業(yè)價(jià)值挖掘和管理提升，最后學(xué)生能夠通過真實(shí)的無人倉平臺進(jìn)行無人倉搭建、數(shù)字化運(yùn)營的實(shí)操，切實(shí)掌握整個(gè)無人倉相關(guān)知識。無人倉實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 無人倉實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)過程中將先進(jìn)物流裝備、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融入到物流教學(xué)中，讓學(xué)生感知科學(xué)技術(shù)對物流發(fā)展的影響，同時(shí)通過3D和仿真等虛擬結(jié)合，教學(xué)過程直觀生動(dòng)、教學(xué)內(nèi)容全面，便于學(xué)生對無人倉作業(yè)模式的感性和理性認(rèn)識，顯著提高教學(xué)效果。

2.2 模塊化教學(xué)法

無人倉智能物流虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)了從訂單下達(dá)、揀選、分揀、配送整個(gè)物流流程，同時(shí)每部分流程或設(shè)備都有詳細(xì)的資源配置可進(jìn)行單獨(dú)教學(xué)。如針對物流管理專業(yè)，可以從無人倉業(yè)務(wù)流程、倉儲管理、倉庫規(guī)劃、物流大數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)重點(diǎn)教學(xué)，針對物流工程專業(yè)可從物流裝備的認(rèn)知和運(yùn)維、物流裝備作業(yè)原理及配置、大數(shù)據(jù)挖掘模型編程設(shè)計(jì)等方面入手，實(shí)現(xiàn)因材施教、靈活多用。

3 結(jié)語

AGV智能無人倉實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了目前電商物流倉儲中應(yīng)用日益廣泛的AGV貨到人揀選作業(yè)模式，滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)的同時(shí)，起到了很好的示范作用。無人倉運(yùn)營規(guī)劃仿真系統(tǒng)對區(qū)別于傳統(tǒng)倉庫布局的新型貨到人無人倉作業(yè)運(yùn)營規(guī)劃提供了仿真平臺，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性。通過虛擬仿真平臺的建設(shè)很好的解決了資金、場地條件有限的情況下，大規(guī)模學(xué)生上課組織的問題，讓課堂脫離硬件也能進(jìn)行。

平臺將最新行業(yè)發(fā)展趨勢和技術(shù)融入到教學(xué)過程中，通過課程資源和平臺的開發(fā)，人才培養(yǎng)方案的優(yōu)化，提供AGV貨到人無人倉相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室軟件、教學(xué)系統(tǒng)、課件等教學(xué)資源，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提升了教育理念、教學(xué)能力，促進(jìn)了專業(yè)化發(fā)展。平臺在滿足教學(xué)實(shí)訓(xùn)的同時(shí)，也可以基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境開展專業(yè)實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽等活動(dòng)，為多學(xué)科共享開放實(shí)驗(yàn)室提供了支撐和保障。平臺的建設(shè)將繼續(xù)促進(jìn)教學(xué)資源形成科研成果，探索人才培養(yǎng)的新模式，進(jìn)一步向著建成能夠滿足行業(yè)發(fā)展需要、可共享的課程、教材資源并能推廣應(yīng)用的方向努力。