Cómo construir un sistema de almacén inteligente basado en AGV

Sistema de Logística de Almacén Inteligente Basado en AGV

Con el rápido desarrollo de la industria logística, la creciente escasez de tierras y el aumento de los costos laborales, los almacenes, que actúan como centros logísticos clave, se enfrentan a desafíos significativos. A medida que los almacenes se vuelven más grandes, las frecuencias operativas aumentan, la complejidad de la información crece y las tareas de selección de pedidos se vuelven más exigentes, lograr tasas de error bajas y reducir los costos laborales mientras se mejora la eficiencia general del almacenamiento se ha convertido en un objetivo principal para el sector de almacenamiento, impulsando a las empresas hacia la automatización inteligente.

Este documento se centra en un sistema de logística de almacén inteligente basado en AGV. El sistema utiliza Vehículos Guiados Automáticos (AGVs) como transportadores, se interconecta con sistemas de información externos para recibir órdenes y emplea algoritmos de planificación inteligente para optimizar la ruta de los AGVs. Esto permite que los AGVs realicen tareas de manera autónoma, como recibir, transportar, almacenar y despachar mercancías, mejorando así la eficiencia y precisión del sistema logístico, al tiempo que reduce los costos operativos.

1. Análisis del Sistema

El núcleo de un sistema de almacén inteligente radica en la gestión y programación. El sistema descrito aquí adopta una arquitectura en capas, con los datos fluyendo progresivamente desde la entrada hasta los contenedores de almacenamiento y luego a los AGVs. Basándose en los requisitos funcionales y el análisis de las operaciones de almacenamiento, el sistema se divide en módulos clave: gestión de almacén, gestión de estaciones, gestión de vehículos, gestión de órdenes y gestión de usuarios.

• Gestión de Almacén: Este módulo maneja la modelización del mapa del almacén y la gestión de la información. El almacén se divide en 20 filas y 12 columnas a lo largo de tres niveles (superior, medio e inferior). Cada contenedor tiene un ID único. El mapa incluye paredes, puertas, dos plataformas temporales y una estación de carga. La información de los artículos se almacena según la ubicación del contenedor, con los datos vinculados a una base de datos a través del ID del contenedor.

• Gestión de Estaciones: Las ubicaciones clave, como las entradas del almacén, las entradas de pasillos, las posiciones de columnas, las estaciones de carga, los puntos de carga/descarga y los espacios de estacionamiento, se definen previamente como puntos de inicio o destino de los AGVs.

• Gestión de Rutas: Las rutas conectan las estaciones. Los AGVs siguen rutas preplanificadas, que pueden ser unidireccionales o bidireccionales, y lineales o curvas.

• Gestión de Estantes: Los estantes se colocan solo en ubicaciones designadas. La gestión de estantes apoya las operaciones de los AGVs para mover estantes entre puntos de carga, puntos de descarga y ubicaciones de estantes. Los estantes tienen cuatro estados: inicial, esperando retiro, en tránsito y devuelto.

• Gestión de Vehículos: Dado el simple diseño del almacén, se utiliza solo un AGV, manejando un contenedor por tarea. Los estados del AGV incluyen: en espera (inactivo en la entrada con suficiente carga), cargando (moviéndose al cargador cuando la batería está baja) y ejecución de tareas (transportando activamente un contenedor).

• Gestión de Carga: Cuando los niveles de batería son bajos, el AGV solicita automáticamente una carga. El sistema asigna una ruta de carga, bloquea la estación de carga y coloca al AGV en modo de carga, durante el cual no se le asignan nuevas tareas hasta que la batería alcanza un nivel predefinido.

• Gestión de Excepciones: Las anomalías potenciales de los AGVs incluyen desviarse de las rutas planificadas, no solicitar carga cuando la batería está baja o perder el control. Todas las excepciones se registran, y si el número de anomalías supera un umbral preestablecido, se activa una alerta, indicando la necesidad de mantenimiento.

• Gestión de Tareas: Se asignan nuevas tareas utilizando algoritmos de planificación de rutas predefinidos. Al iniciarse una tarea, el sistema asigna un AGV y transmite la ruta completa. Las tareas pueden ser vistas, canceladas, pausadas o modificadas. Las tareas se categorizan en tres tipos: salida, entrada y reubicación.

• Gestión de Usuarios: Este módulo gestiona las cuentas de usuario y permisos. Los usuarios se clasifican en cuatro niveles: invitado, operador, administrador y superadministrador, cada uno con diferentes derechos de acceso.

2. Resumen del Diseño del Sistema

2.1 Principios de Diseño

• Visibilidad: Interfaz amigable para el usuario diseñada para el acceso y gestión intuitiva de datos.

• Rendimiento en Tiempo Real: El mapa del almacén debe reflejar las posiciones, estados y la información de los estantes de los AGVs con un retraso mínimo, asegurando una comunicación confiable.

• Estabilidad: El sistema debe mantenerse estable bajo altas cargas de datos y durante operaciones prolongadas.

• Escalabilidad: Diseño modular que permite futuras expansiones e integración de nuevas funciones.

2.2 Arquitectura del Sistema
El sistema consta de tres capas:

• Capa de Ejecución (Transporte AGV): Operaciones físicas de los AGVs.

• Capa de Servicios: Actúa como puente entre las capas de aplicación y ejecución, incluyendo un sistema de gestión central y un sistema de acceso. Comunica con los AGVs, recopila datos de estado y proporciona APIs para la asignación y control de tareas.

• Capa de Aplicación: La capa superior, interactúa directamente con los usuarios a través de una interfaz basada en Unity3D. Los usuarios envían solicitudes, y los resultados se muestran después del procesamiento en el backend.

2.3 Diseño de la Base de Datos
Los datos clave incluyen:

• Datos de usuario: Información básica y permisos de acceso.

• Datos de vehículo: Estado de los AGVs, registros de carga/descarga y registros de anomalías.

• Datos de tareas: Detalles de las tareas y estado de ejecución.

• Datos de almacén: Diseño, estantes, estaciones, puntos de carga, etc., formando el mapa del almacén.

Relaciones clave: los usuarios crean tareas, los AGVs ejecutan tareas, los AGVs operan dentro del almacén, y los usuarios gestionan el almacén.

2.4 Diseño e Implementación Detallada del Sistema

2.4.1 Implementación del Marco Básico
Se crea un nuevo proyecto de Unity3D, importando modelos 3D para simular el entorno del almacén. La lógica se implementa utilizando C#.

Inicio de Sesión del Usuario:
Los usuarios deben autenticarse y obtener permisos basados en roles antes de acceder al sistema.

Implementación de la Gestión de Almacén:
La funcionalidad central incluye la modelización del almacén, permitiendo a los usuarios ver y editar diseños de contenedores, ubicaciones de vehículos y distribuciones de estantes. El sistema incluye listas de rutas y estaciones, con la gestión de vehículos que abarca la carga y el manejo de anomalías.

2.4.2 Metodología de Diseño de Mapas
Los métodos comunes de mapeo robótico incluyen:

• Mapas Métricos: Reconstrucciones 2D/3D del espacio real.

• Representación Directa: Utiliza datos brutos de sensores sin discretización.

• Mapas de Cuadrícula: Divide el espacio en celdas uniformes, fácilmente convertibles en gráficos topológicos.

• Mapas Topológicos: Representa ubicaciones clave como nodos, conectados por aristas.

Sistemas de Coordenadas:

• Coordenadas de Diseño: Posiciones de interfaz virtual en Unity.

• Coordenadas de Modelo: Posiciones del mundo real (x, y, z). Dado que las coordenadas de diseño se generan automáticamente, las coordenadas de modelo deben definirse explícitamente para una simulación realista.

Tipos de Puntos y Operaciones:
Los puntos representan las posiciones de los AGVs (predeterminado: 0,0,0). Los tipos incluyen: normal, carga/descarga, entrada/salida, estante y puntos de carga. Los puntos normales no pueden contener estantes ni permitir detenciones de AGVs a largo plazo.

3. Conclusión

Con el rápido avance de las tecnologías de logística inteligente e IoT, los almacenes están transitando de la "mecanización manual" a las operaciones automatizadas "artículo-a-persona". Los operadores ahora pueden monitorear el inventario en tiempo real, mejorando la precisión del escaneo, el almacenamiento dinámico y la eficiencia operativa, al tiempo que reducen el desperdicio y los costos laborales.

Sin embargo, a medida que los sistemas inteligentes se escalan y las flotas de AGVs crecen, persisten los desafíos en la asignación de tareas y el control de flotas. Este documento presenta un sistema práctico de programación de almacén inteligente basado en AGVs, desplazando la gestión de almacenes de un seguimiento de inventario tradicional al control operativo en tiempo real. Al aprovechar tecnologías totalmente automatizadas, el sistema habilita operaciones de entrada y salida autónomas, impulsando la transformación de la automatización a la logística inteligente.