Критерій оцінки вартості експлуатації мобільного транспортного робота



У даному науковому дослідження здійснений огляд проблеми пошуку оптимальних шляхів транспортними мобільними роботами. Розглянуто розроблену підсистему формування маршрутів для промислових приміщень з визначеними технологічними позиціями для виконання типових операцій, яка базується на алгоритмі пошуку найкоротшого шляху А*. Представлено критерій для оцінювання вартості експлуатації робота на базі одного з критеріїв оптимальності маршрутів, а саме довжини пройденого шляху. Виконано порівняння значень запропонованого критерію для А* з різними модифікаціями.

Ключові слова--ТСО, критерій оцінки, мобільний робот, пошук шляху, вартість експлуатації.

Вступ

Незважаючи на сучасну роботизацію промислових підприємств за допомогою мобільних транспортних роботів, проблема оптимізації їх використання залишається актуальною дотепер [1]. Рішення, які існують зараз, вимагають повного переобладнання приміщення спеціальними коліями та кріпленнями, що вимагає великих коштів, та не завжди підходить під невеликі склади або теплиці. При виконанні завдання досягнення деякої поставленої цілі, транспортні мобільні роботи опираються на свою поточну позицію, позицію цілі та показники з різних датчиків, та слідують у напрямку до заданої точки по спеціальним коліям [1]. Такі роботи не можуть реагувати на несподівані перешкоди, шукати оптимальний шлях або бути адаптивними до змін приміщення. На жаль, такий підхід є не оптимальним, у разі появи на шляху робота перешкоди, яку неможливо об'їхати, що в свою чергу може спричинити повну зупинку технологічного процесу. Тому розробка ефективного алгоритму планування шляхів для приміщення з технологічними позиціями для завантаження та розвантаження вантажу є важливим питанням навігації мобільних транспортних роботів, оскільки оптимальність шляху впливає на ефективність виконання завдань. Побудований шлях повинен задовольняти хоча б одному з критеріїв оптимальності, наприклад, загальній пройденій відстані роботом, яка в свою чергу може впливати на використані їм ресурси, такі як електроенергія, пальне або загальний час виконання технологічної задачі. Тож у даній роботі розроблено підсистему пошуку оптимального маршруту для мобільного транспортного робота на базі алгоритму А*, на основі якого розраховується критерій оцінки вартості експлуатації залежно від критерію оптимальності маршруту, а саме довжини шляху.

Підсистема пошуку оптимального маршруту

При виконанні черги послідовних типових операцій (завантаження, розвантаження, очікування) на визначених технологічних позиціях по наперед відомій карті, постає проблема створення карти, визначення усіх ключових позицій, подальше їх запам'ятовування системою керування роботом, а також побудова оптимального шляху залежно від поточної задачі. В сучасних умовах для побудови карти можна використати малогабаритного робота для побудови первинної карти, потім завантажити її в систему управління вантажними роботами та скласти граф доріг, з урахуванням технологічних позицій, розмірів вантажних роботів та інших параметрів середовища. Таким чином, отримати шляхи до кожної технологічної ділянки, та оптимальні маршрути руху, без небезпеки для обладнання, вантажу та персоналу. Важливим критерієм розв'язання даної завдання складає час виконання циклу задач. Висока швидкість роботи для зменшення часу може перешкоджати точності та повторюваності руху та бути небезпечною для вантажу, який перевозить робот, оскільки від виконавчих механізмів та системи управління потрібні надзвичайні характеристики. Тому приділено особливу увагу створенню траєкторії руху, яка могла б бути виконана за відносно малий час, але водночас безпечна для робота, з точки зору уникнення надмірних прискорень приводів та вібрацій механічної конструкції. Для розбиття карти приміщення на опорні точки та побудову графу шляхів розраховується кількість метрів, що припадає на одну клітинку карти (піксель), тобто роздільна здатність карти. На основі цих даних розраховується мінімальний розмір ділянки мапи, в яку може поміститися робот, уникаючи перешкоди, за (1). \begin{eqnarray} cellSize=[robotSize/mapResolution], \end{eqnarray} де $cellSize$ – розмір комірки, $robotSize$ – розмір робота, $mapResolution$ – роздільна здатність карти. Далі визначаються опорні точки рівновіддалені одна від одної на розмір ділянки та розташовані в прохідних зонах мапи. Використовуючи метод сітки можна перевірити досяжність кожної точки графу шляхів, виконавши перевірки на наявність непрохідних ділянок в кожній з клітинок та з'єднавши всі сусідні точки в один граф. Отримаємо карту (граф) шляхів, показаний на рис 1.

Рис.1 Граф шляхів

Далі проводиться формування маршруту. Суть розробленого алгоритму складається з того, щоб замість пошуку повного найкоротшого шляху від початкової точки до кінцевої, з врахуванням черги технологічних позицій, проводити поступове розбиття усього шляху на найкоротші відрізки від одної технологічної позиції до іншої (рис. 2).

Рис. 2 Повний шлях від початкової до кінцевої точки

Критерій оцінки вартості експлуатації мобільного транспортного робота

Транспортні мобільні роботи довели, що здатні підвищувати продуктивність і знижувати витрати на автоматизацію складських та промислових приміщень. Хоча прямі витрати продовжують знижуватися, часто виникають приховані витрати, пов’язані з їх розгортанням, підтримкою, обслуговуванням та модернізацією. Впроваджуючи таких роботів на підприємстві, важливо враховувати як початкові, так і поточні зусилля з налаштування, розгортання та реконфігурації, які можуть мати велику вартість, якщо роботизованою системою складно користуватися під час їх експлуатації. Для оцінки економічної ефективності розробленого алгоритму пошуку найкоротшого шляху та переваг його використання застосований метод ТСО. TCO, або Сукупна вартість володіння, – це сучасний метод оцінки ефективності придбання, володіння та експлуатації обладнання та комплектуючих [2]. TCO представляє суму всіх очевидних і всіх прихованих витрат, пов’язаних з активом за загальний період володіння, за загальний термін корисного використання та протягом терміну експлуатації активу. На сьогоднішній день ТСО майже не використовувався для розрахунку вартості експлуатації на базі критеріїв оптимальності. Основні розрахунки TCO проводяться за (2) [3]: \begin{eqnarray} TCO={{C}_{ownership}}+{{C}_{service}}+{{C}_{idleTime}}, \end{eqnarray} де ${C}_{ownership}$ – це витрати на закупівлю, ${C}_{service}$ – витрати на обслуговування, ${C}_{idleTime}$ – витрати на простій. Для детального розрахунку ТСО необхідно врахувати прямі та непрямі витрати [4], які можуть виникнути при впровадженні та використанні розроблюваної підсистеми формування руху робота (табл. 1).

Одним з головних показників ефективності роботи даної підсистеми пошуку шляху є довжина шляху [5]. Вона безпосередньо впливає на швидкість виконання операцій роботом, витрати на електроенергію, знос деталей, бо чим менше проїде робот, тим повільніше зносятся його комплектуючі, і т.д. Тому для підсистеми пошуку шляху критерій оптимальності за місяць розрахований як відношення довжини шляху до вартості експлуатації за (3) \begin{eqnarray} {{TCO}_{month}}=\frac{avgPath*pathPerMonth}{\sum\limits_{{}}^{{}}{{{C}_{initialCost}}+\sum\limits_{{}}^{{}}{{{C}_{hiddenCost}}}}}, \end{eqnarray} де $avgPath$ – середня довжина шляху відвідування технологічних позицій, обчислена за формулою (5), $pathPerMonth$ – довжина шляху, яку пройшов робот за місяць, розраховане за формулою (4), $СinitialCosts$ – це прямі витрати, $СhiddenCosts$ – непрямі витрати, \begin{eqnarray} pathPerMonth=avgPath*repeatCount*28, \end{eqnarray} де $repeatCount$ – кількість повних об’їздів роботом 4 технологічних позицій за день, \begin{eqnarray} avgPath=\frac{\sum\limits_{i=0}^{n}{pathLength}}{n}, \end{eqnarray} де $pathLength$ – середня довжина шляху, виміряна на основі $n$ вимірів.

Порівняння ТСО для різних алгоритмів пошуку шляху

Для аналізу ефективності роботи системи на основі алгоритму А* необхідно порівняти ТСО зі значеннями роботи різних модифікацій. Для даних алгоритму проведено заміри довжини шляху та кількості поворотів, розраховані для прикладу з відвідуванням 4 технологічних позицій в приміщенні розміром 2500$m^2$ (рис. 3).

Рис. 3 Діаграма результатів ТСО для різних модифікацій алгоритму А*

Висновки

Запропоновано підсистему пошуку оптимального маршруту для мобільного транспортного робота на основі алгоритму А* для виконання типових задач в технологічних позиціях у промислових приміщеннях. Сформульовано критерій для оцінювання вартості експлуатації мобільного транспортного робота, який базується на критеріях оптимальності маршруту – довжині шляху та кількості поворотів. Проведено порівняльний аналіз різних модифікацій для алгоритму А* та розраховано значення критерію для кожного з них.

Література

{1} Chen, Xiaoqi\&Chen, Y.Q.\&Chase, James. (2009). Mobiles Robots - Past Present and Future. 10.5772/6986.

{2} Total Cost of Ownership [Електронний ресурс] // Режим доступу: https://www.wallstreetmojo.com/total\-cost\-of\-ownership/.

{3} Barbusova, Miroslava\&Medvecká, Iveta\&Gašo, Martin. (2019). Use of TCO Analysis in Industry 4.0. 10.24132/PI.2019.08948.010-017.

{4} The Hidden Costs of Autonomous Mobile Robots – And How to Avoid Them [Електронний ресурс] // Режим доступу: https://www.roboticsbusinessreview.com/opinion/the\-hidden\-costs\-of\-autonomous\-mobile\-robots\-and\-how\-to\-avoid\-them/.

{5} Лавренов Р.О., Афанасьев И.М., Магид Е.А. Планирование маршрута для беспилотного наземного робота с учетом множества критериев оптимизации // Третий Всероссийский научно-практический семинар «Беспилотные транспортные средства с элементами искусственного интеллекта. 2016. С. 10–20.

Dec 2, 2021