89b6d7a6
Поиск:  
  
Проекты
Клуб конструкторов
Форумы
Магазин
Книжная полка
Видеотека
Доска объявлений
Контакты

  






  ***

16.09.2004 - Склад, где ничего не теряется. Команда интеллектуальных роботов оптимизирует работу склада


РобоКлуб/Панорама/Пресса/16.09.2004 - Склад, где ничего не теряется. Команда интеллектуальных роботов оптимизирует работу склада




Склад, где ничего не теряется. Команда интеллектуальных роботов оптимизирует работу склада


Cоздание интеллектуальных систем управления целенаправленным поведением групп автономных роботов сегодня является одним из самых интересных направлений развития робототехники. В НИИ многопроцессорных вычислительных систем Таганрогского государственного радиотехнического университета эта задача решалась на примере распределенной системы управления группой складских роботов. Была предложена и реализована модель, базирующаяся на принципах децентрализованного принятия решений и управления с использованием технологий мультиагентных систем.

Коллективом роботов называется группа роботов, решающая единую целевую задачу. Проблема управления коллективным взаимодействием групп роботов возникает во многих случаях. При создании автоматизированных производств решение этой проблемы призвано освободить людей от рутинной, монотонной, тяжелой работы. В зонах химического и радиоактивного заражения, возникших в результате техногенных катастроф, использование роботизированных комплексов значительно уменьшает риски для здоровья людей. В настоящее время в мире уделяется большое внимание проблеме управления скоординированными коллективными действиями роботов.
В большинстве случаев традиционно используются принципы централизованного принятия решения для хорошо организованных сред, когда действия роботов группы можно заранее спланировать. Но такой подход имеет два существенных недостатка. Задача управления большой группой роботов в реальном времени очень сложна. Одновременно с этим вся система имеет низкую живучесть: выход из строя центрального узла управления автоматически приводит к выходу из строя всей группы роботов в целом.

Ученые НИИ многопроцессорных вычислительных систем Таганрогского государственного радиотехнического университета создают распределенные системы управления, реализующие подход, основанный на принципах мультиагентного управления. Децентрализованное принятие решения о действиях каждого робота-агента коллектива позволяет повысить надежность всего комплекса.

Группа роботов рассматривается как мультиагентная система, состоящая из роботов-агентов, каждый из которых представляет собой функционально законченный комплекс программно-аппаратных средств. Они функционируют в некоторой среде и могут взаимодействовать друг с другом путем обмена информацией, а также самостоятельно принимать компромиссные решения об очередных действиях, выгодные для всей группы.
Если в процессе взаимодействия роботов-агентов группы выбранное каким-то роботом-агентом действие оказывается неэффективным с точки зрения коллективной выгоды, то робот может отказаться от его выполнения и выбрать другое, более выгодное действие. Роботы в этом случае используют итерационный процесс принятия решений в группе.

Этим способом взаимодействия часто пользуются люди, проводя регулярные рабочие совещания. Оптимизация коллективных действий, с точки зрения робота, – найти экстремальное приращение целевого функционала.

Группа роботов, обслуживающих автоматизированный склад, выполняет хорошо формализуемые действия.
Пусть автоматизированный склад содержит М ячеек, в которых размещается тара с теми или иными грузами. Склад разбивается на участки, состоящие из стеллажей с известным количеством ячеек и обслуживается n роботами-штабелерами. Каждый такой робот обслуживает складскую линию, имеющую два стеллажа – справа и слева. Имеется также приемо-выдающее устройство, специально оборудованное и предназначенное для загрузки/выгрузки тары при выполнении складских операций приема/выдачи грузов. Также имеется L автоматических транспортных тележек, оборудованных механизмом погрузки/выгрузки, т.е. являющихся транспортно-погрузочными роботами, и предназначенных для перевозки тары с грузами. За каждым грузом закрепляется одна или несколько ячеек, в которых он хранится. Распределение грузов по складским ячейкам в обслуживаемом каждым роботом-штабелером участке склада хранится в памяти его бортовой системы управления в базе данных.

Каждый робот способен выполнять задания: "Принести указанный груз", "Отнести указанный груз", "Переместить указанный груз". Задания на складские операции формируются человеком-оператором в соответствии с запросами потребителей.

Задания могут формироваться в виде очереди. При этом порядок выполнения заданий может быть разным. В одних случаях роботы должны выполнять задания в порядке поступления, в других – только после формирования всей очереди заданий и в строгой последовательности, определяемой этой очередью, и, наконец, – после формирования всей очереди в произвольном порядке. В последнем случае задания могут быть отсортированы таким образом, чтобы минимизировать суммарное время выполнения всей очереди заданий.

Выполнение заданий группой складских роботов заключается в следующем. Сначала бортовой системой управления каждого робота анализируется очередь заданий, и из нее выбираются те задания, в выполнении которых данный робот может принять участие. Таким образом формируются списки заданий для каждого робота. Если, в простейшем случае, зоны обслуживания не перекрываются, то список заданий для каждого робота уникален. Если же зоны обслуживания пересекаются, то должна еще решаться задача распределения заданий между роботами, имеющими общую зону обслуживания, подход к решению которой описывается ниже.

В любом случае задача системы управления состоит в том, чтобы оптимально распределить задания из очереди между роботами, обслуживающими склад, минимизируя при этом общее время обработки грузов, которая заключается в доставке тары с грузом из ячейки стеллажа и обратно.

Сложность задачи распределения заданий между складскими роботами в большой степени зависит от схемы организации автоматизированного склада. Кроме того, определенную роль играют и конструктивные особенности роботов, входящих в состав группы, обслуживающей склад.

В целом задача управления группой роботов, обслуживающих автоматизированный склад разбивается на две задачи: задачу организации и управления взаимодействием роботов в группе (верхний уровень управления) и задачу планирования управления действиями отдельных роботов группы (нижний уровень управления).

Автоматизированный склад представляет собой хорошо организованную среду и поэтому, казалось бы, достаточно с помощью централизованной системы управления, используя широко известные приемы, заранее спланировать последовательность действий всех роботов группы, обслуживающей склад, а затем выполнять этот план. Однако, как показывает опыт эксплуатации таких складов, по разным причинам довольно часто возникают ситуации, приводящие к задержкам и к срыву сформированного плана. Поэтому приходится осуществлять перепланирование действий группы с учетом текущей ситуации. А если учесть, что на систему управления возлагаются еще и дополнительные функции, связанные с формированием и ведением информационной модели склада, ведение документации, формирование справок и отчетов и т.д., то выполнение заданий группой роботов-штабелеров в отведенных для этого временных рамках становится проблематичным. В этом случае приходится использовать или дорогостоящие высокопроизводительные вычислительные средства для реализации систем управления автоматизированными складами, или искать другие подходы для устранения подобных недостатков. Кроме того, как отмечалось выше, централизованные системы управления обладают низкой живучестью.

Разработанный в НИИ Многопроцессорных вычислительных систем Таганрогского государственного радиотехнического университета метод коллективного планирования действий позволяет в значительной степени устранить указанные недостатки.

Основная идея метода решения задачи распределения заданий в группе состоит в том, что в процессе функционирования каждый из роботов-штабелеров выбирает себе из очереди такие задания, выполнение которых данным роботом вносит на текущий момент времени максимально возможный вклад в достижение общей (коллективной) цели, т.е. выполнение всех заданий, стоящих перед группой за минимальное суммарное время.
Следует отметить, что при решении задачи распределения заданий между роботами-штабелерами необходимо учитывать следующие ограничения. Во-первых, одно и то же задание может выполняться только одним роботом-штабелером. Во-вторых, не все задания из очереди могут быть выполнены данным роботом, так как доступ к одной и той же ячейке склада имеет ограниченное число роботов, которое зависит от способа организации автоматизированного склада. В третьих, в распределении очередного задания могут участвовать либо свободные, т.е. не выполняющие в данный момент времени никакого задания, роботы, либо выполняющие завершающие этапы текущего задания.

В состав системы управления входят: автоматизированное рабочее место оператора, реализующее функции формирования и передачи роботам-штабелерам очереди заданий, формирования и ведения информационной модели склада, складского учета, а также отображения информации о текущих процессах, состоянии и положении роботов; бортовые системы управления роботов, обменивающиеся информацией между собой и АРМ – оператора через каналы связи и предназначенные для решения задач планирования действий роботов и управления отработкой этих действий; датчики положения роботов; датчики состояния роботов; управляемые приводы, обеспечивающие перемещение роботов и их механизмов и обработку действий по разгрузке/загрузке складских ячеек. Предложенная распределенная организация системы управления является универсальной, легко конфигурируемой, модульно наращиваемой и инвариантной к схемам организации автоматизированных складов.

Результаты разработки легли в основу создания распределенной системы управления оборудованием автоматизированного склада в рамках ОКР, проведенной совместно НИИ МВС ТРТУ и ОАО СКБ "Точрадиомаш" (г. Майкоп, Республика Адыгея) по заказу ОАО "Пермский моторный завод". Система представляет собой комплекс программно-аппаратных средств, реализованных с использованием современных технологий на базе высокопроизводительного промышленного компьютера и промышленных программируемых контроллеров, составляющих основу бортовых систем управления роботов-штабелеров, а также унифицированных модулей различного назначения, обеспечивающих сбор, преобразование и обработку информации от большого количества датчиков и обмен информации между составными частями РСУО АС.

Пользовательский интерфейс АРМ оператора обеспечивает формирование заданий для роботов на языке, близком к естественному, что не требует специальной подготовки операторов. Кроме того, обеспечивается оперативное отображение текущей информации о процессе выполнения заданий, состоянии и положении роботов, а также оперативное вмешательство человека при возникновении аварийных ситуаций.
В состав контроллеров входят унифицированные модули, обеспечивающие подключение (с гальванической развязкой) к нему датчиков и исполнительных устройств. Созданное программное обеспечение контроллеров позволяет легко адаптировать его к решению задач управления функционированием роботов различных типов и при различной организации автоматизированных складов. Аппаратное и программное дублирование средств распознавания предаварийных ситуаций обеспечивает высокую надежность безаварийного функционирования складского оборудования.

Обмен информацией между контроллерами БСУ роботов и АРМ оператора может осуществляться по каналам проводной и беспроводной связи через стандартный интерфейс, который определяется или предприятием-заказчиком, или разработчиками в зависимости от варианта организации склада, количества роботов в группе, обслуживающей склад, длины каналов связи, условий эксплуатации и т.п. Могут быть использованы интерфейсы: RS-232, RS-485, CAN, "Manchester-II" (MIL-STD-1553), ARINC и т.п.

Основу автоматизированного склада составляют роботы-штабелеры стеллажные, разработанные и изготавливаемые ОАО СКБ "Точрадиомаш". Роботы-штабелеры могут иметь различную грузоподъемность (50, 100, 250, 500, 1000 кгс) и, соответственно, перемещать тару с различными габаритными размерами (от 300х400 до 800х1200 мм в плане).

Разработанная в НИИ МВС ТРТУ система обеспечивает управление оборудованием, ведение информационной модели и автоматизированный учет на складе, содержащем грузы, номенклатура которых насчитывает свыше 250000 наименований, а также управление оборудованием 4-х складских линий. Каждый робот группы способен обслуживать линию, содержащую до 3000 ячеек и выполнять за рабочую смену до 300 операций по перемещению грузов.

Сергей Капустян, Таганрог Опубликовано в газете «Промышленный еженедельник» 2004 г.