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【摘要】

    本文設計了AGV（AutomatedGuidedVehicle，自動導引運輸車）與電梯數據交互系統，分別研究了基于LoRa網絡和4G網絡的AGV與電梯交互系統實現的可行性和實現原理。通過設計精簡的交互流程、精簡的通訊協議、閉環交互機制等保證AGV與電梯交互的成功率。通過設計電梯平層精度控制算法保證AGV平穩進出轎廂；通過設計AGV被困檢測邏輯和被困通知邏輯，保證AGV乘梯的安全性。

關鍵詞：AGV電梯交互系統

1.引言

    電梯作為使用最頻繁的垂直交通工具，每天運輸數以億計的乘客，已成為城市垂直交通不可或缺的重要組成部分。隨著電梯智能化的發展、隨著物聯網技術的進步，與電梯交互的對象已不僅僅局限在人，還包括各式各樣的AGV，電梯除了輸送乘客之外，運送藥物、食品、文件等也逐漸開始普及，如圖1所示為電梯與某醫院送藥機之間的聯動交互，由傳送帶負責將藥物箱運輸到電梯口，由電梯負責將藥物箱送至目的樓層。圖2為服務AGV乘坐電梯為辦公大樓遞送文件。由于電梯屬于特種設備，與電梯交互的設備需符合特種設備安全法的相關要求，其交互系統的安全性、穩定性及可靠性需符合電梯安全使用的要求。因此設計一種安全可靠的交互機制至關重要。

圖1某醫院送藥機與電梯交互圖2辦公樓服務AGV與電梯交互

2.系統設計

    AGV與電梯交互系統需首先建立AGV與電梯之間的數據通訊鏈路，由于AGV的移動性特點，有線通訊方式不適合本應用場景。AGV與電梯之間的無線通訊可采用局域網無線通訊，如LoRa、ZigBee、Wi-Fi等，也可采用廣域無線通訊，如2G、4G、NB-IOT及LoRaWAN等。考慮到實際應用工況，AGV與電梯之間的數據通訊需穿透轎廂廳門的金屬層，需具有較好的繞射能力確保能順利通過廳外和井道內之間的各個障礙，且通訊距離需滿足高樓層電梯數據傳輸需求，ZigBee和Wi-Fi等2.4G或更高頻段的無線技術由于繞射能力一般，實際測試發現，當廳外AGV與電梯轎廂位置相差5個樓層以上時（樓間距3米左右），Wi-Fi等2.4G技術通訊延時和通訊質量受到明顯影響。而基于運營商網絡建立的通訊，只要在運營商基站范圍之內，基本能實現數據交互的可靠性。本文選擇基于LoRa網絡（如圖3所示）和基于4G網絡（如圖4所示）建立AGV與電梯之間的通訊鏈路。

2.1硬件組成

圖3基于LoRa方案的AGV與電梯交互系統結構示意圖

圖4基于4G網絡的AGV與電梯交互系統結構示意圖

    通過在AGV端和電梯數據傳輸單元端各加一個LoRa通訊模塊，建立AGV與電梯之間的通訊鏈路，如圖3所示。LoRa技術遵循IEEE802.15.4g標準，ISM頻段為433MHz，傳輸速率為幾十到幾百Kbps，該技術采用擴頻技術，具有前向糾錯能力，采用AES128位加密，安全性較高。由于AGV與電梯之間的交互數據量為每秒不到50字節，因此LoRa能滿足速率要求。基于4G網絡的交互系統，如圖4所示，AGV與電梯數據傳輸單元之間通過服務器建立通訊，由遠程服務器負責數據轉發，此方案主要解決LoRa網絡在高樓層電梯、井道環境惡劣、現場干擾嚴重等情況下網絡質量嚴重下降問題，實際應用時需在服務器端做唯一識別碼的綁定，AGV與電梯數據傳輸單元通訊數據包內容中帶唯一識別碼，服務器接收到數據包后提取原地址，根據綁定關系確定目標地址，將數據包轉發到目的地址對應的網絡連接。LoRa與4G方案能相互補充，滿足不同工況下AGV與電梯之間數據交互的需求。

    本系統通過精簡通訊協議、精簡交互流程等方法，盡量較少無效數據包，從而降低LoRa網絡和4G網絡的通訊數據量。精簡之后的AGV使用電梯的流程為：AGV申請電梯->得到反饋->指令登記->得到反饋->電梯到達消息->開門保持->開門保持釋放->AGV登記指令->得到反饋->電梯到達消息->開門保持->開門保持釋放->釋放電梯->電梯釋放成功。在申請電梯后，如果得到反饋，不管電梯狀態是否可用，則必須釋放電梯才可以結束申請，該交互流程中每個環節都是不可或缺且環環相扣；通訊協議數據段中，通過設計轉義機制，將數據段內容中與數據幀頭尾相同的字符進行轉義，避免解析錯誤，與ASCII碼編碼方式相比，數據量最多能降低一半。

2.2軟件實現

（1）AGV與電梯數據交互軟件邏輯

①AGV已登記指令異常丟失處理

    AGV進入電梯轎廂且登記目的樓層指令后，在電梯運行過程中或者電梯未到達AGV目的樓層之前，AGV已登記的轎廂指令可能會由于反向銷號邏輯、雙擊銷號邏輯等原因被消除。本系統中的協議轉換裝置軟件上需增加AGV登記指令異常丟失判斷，并在檢測到指令丟失情況自動補登指令，同時定期更新電梯狀態（包括是否已經成功登記狀態）下發至AGV。

②閉環數據交互

    AGV與電梯交互的任何命令都需確認，即數據收發為閉環，防止雙方實時狀態的不一致，導致邏輯控制的異常，如AGV到達目的樓層提醒功能，當協議轉換裝置判斷AGV到達目的樓層后，需自動下發通知命令至AGV，在AGV回復確認信息之前，協議轉換裝置以設定的頻率通知AGV，直至AGV回復收到確認后停止。

③發送頻率自適應

    AGV或協議轉換裝置超時重發時間默認值記為T1，重發次數記為C，重發次數閥值記為S；當AGV或協議轉換裝置每發一個數據包，超時計數器執行累加，接收到返回數據則超時計數器清零，當超時計數器累加值達到T1，則自動重發；若重發階段，仍滿足第一條的條件，則C加1，若不滿足第一條的條件，則C清零；若C>=S，則判斷為堵塞發生，需調整超時重發時間為C*T1，實現發送頻率的自動調整，減輕數據堵塞。

（2）環形緩沖區實現

    AGV與電梯交互系統中，AGV和協議轉換裝置需獲取電梯的運行狀態、獲取已登記信號狀態及獲取對電梯的控制權等。實際使用過程中發現，由于LoRa或4G等無線傳輸存在自身容易受干擾的特點，AGV與電梯之間的通信數據包容易出現丟包、錯包、數據不均勻等情況，特別是出現數據堵塞情況，若仍一直按堵塞之前的數據發送頻率發送的話，只會進一步嚴重加劇數據異常的發生。

    軟件上通過在收發兩端建立數據隊列，將收到的數據統一存儲在接收隊列中，防止因斷包導致校驗失敗而丟棄，防止因堵塞造成數據同時到達時處理不當導致數據丟失等問題，實際接收處理時，通過在接收隊列中提取合法數據包進行處理；在發送時，將數據統一放置發送隊列，由發送單元周期性從發送隊列中提取合法數據包執行發送，協議轉換裝置軟件處理環形緩沖區流程圖如圖5所示，另外，通過上一節提到的自動調整發送單元合法數據包發送頻率，能避免堵塞時環形緩沖區數據內容過快填滿問題。

圖5AGV與電梯數據交互環形緩沖區軟件處理流程圖

關鍵技術實現

3.1平層精度控制技術

    電梯平層精度影響AGV進出轎廂平穩性，平層誤差嚴重的容易將AGV絆倒，然而實際情況下，打滑或編碼器干擾導致電梯停靠位置不準確經常能發生，本系統設計一種準確停靠方式，解決電梯平層精度不準問題，防止AGV進出電梯時被絆倒。通過設計位置校準算法、末端爬行算法，保證電梯能停靠到平層位置，大大降低AGV進出轎廂時傾斜或被絆倒的風險。算法實現過程如下（以電梯高速上行為例，高速下行位置修正原理算法類似）：

（1）電梯高速運行中經過中間樓層時，出中間樓層平層插板時，首先判斷當前編碼器位置數據與井道自學習時學到的位置差，若在設定的范圍之內，則將當前位置校準成當前樓層井道自學習位置加上平層開關距離與平層插板距離之和的一半，再加上平層開關延時導致的誤差距離；

（2）電梯高速運行進目的樓層插板時，計算當前位置偏差，若當前位置與電梯井道自學習學到的位置偏差在設定的范圍之內時，則將當前位置校準成當前樓層井道自學習位置減去當前樓層插板距離加平層開關距離之和的一半，再加上平層開關延時導致的位置偏差距離;

（3）電梯進目的樓層插板時，當當前速度小于計算值時，轉為爬行模式，在此階段，電梯以指定速度V2運行；

（4）在爬行模式過程中，記UIS為上平層開關，DIS為下平層開關，上行時當DIS動作或下行時UIS動作時退出爬行模式；

（5）爬行模式結束后進入零速模式，檢測到編碼器反饋零速時，延時設定時間T切斷控制器運行信號。

（6）當由于異常原因，如鋼絲繩在電梯爬行階段出現伸長，電梯沖出目的樓層，此時位置校準算法會控制電梯不停車，但改變運行方向，通過倒拉方式將電梯拉回開鎖區。

3.2AGV被困轎廂檢測和通知技術

    AGV乘梯時，若電梯出現無法自恢復故障或電梯在非門區檢測到限制電梯運行的條件，電梯異常停梯導致AGV被困在電梯中，容易產生二次事故或產生其他不可控風險，因此需要準確檢測AGV被困事件，并將被困事件通知相關人員以實施營救。通過協議轉換裝置采集電梯中信號、電梯故障信號、電梯門鎖信號、電梯故障信號、電梯門區信號、電梯運行信號等有限電梯狀態信號組合AGV被困邏輯，輸出AGV是否被困信號；借助數據傳輸通道，將AGV被困信號穩定可靠地通知到相關人員。協議轉換裝置判斷AGV被困邏輯功能如圖6所示。

圖6協議轉換裝置判斷AGV被困邏輯功能模塊組成示意圖

AGV被困判斷模塊具體邏輯如下：

電梯處于開鎖區

    當符合：AGV在電梯中信號有效且電梯故障信號有效且電梯門鎖信號有效，持續時間超過電梯非門區停梯持續時間（一般取5秒）時，AGV被困信號置位；

電梯處于非開鎖區

    當符合：AGV在電梯中信號有效且電梯門區信號無效且電梯運行信號無效，持續時間大于等于電梯非門區停梯持續時間，則AGV被困信號置位；或者AGV在電梯中信號有效且電梯門區信號無效且電梯故障信號有效，AGV被困信號置位；

（3）AGV被困信號置位持續時間大于等于AGV被困事件濾波時間（一般取10秒），則確定為AGV被困事件，AGV困人通知信號置位。

AGV被困通知模塊邏輯：

（1）若AGV被困信號通知與AGV被困信號通知前一周期狀態不一致，則執行AGV困人通知，AGV被困通知計數器t清零；

（2）若AGV困人通知有效且AGV被困通知計數器t等于0，則執行AGV被困通知事件，若AGV被困信號有效，則通知AGV被困事件，若AGV被困信號無效，則通知AGV被困解除事件，同時AGV被困通知計數器t被置位為AGV被困事件通知周期T；

（3）在未收到服務器被困信號通知確認之前，AGV被困通知計數器t計數器自減，當符合（2）條件時，繼續執行通知AGV被困與否事件，當AGV收到服務器被困通知確認信號后，AGV被困通知信號置為無效，表示AGV被困通知信號已經成功通知到相關人員，則結束本次AGV被困通知事件。

4.結束語

    AGV與電梯的交互應用場景將會越來越多，大到商場，小到住宅，凡是有電梯的場合就可能有AGV的應用。如何設計穩定可靠的交互機制至關重要。本文結合實際工程案例，提出基于LoRa網絡和4G網絡的交互系統，通過設計閉環的交互機制確保交互的成功率。本文充分考慮到AGV乘梯過程中可能存在的絆倒、被困等風險，通過設計平層精度控制算法、被困檢測算法及被困通知算法，最大程度上保證AGV與電梯交互的安全性和可靠性。該系統已經在多個現場應用，效果良好，具有一定的推廣應用價值。