基于前瞻性拥堵预判的AMR集群动态无线补能及避撞协同调度方法、设备及存储介质

本技术涉及智能物流与机器人调度，具体而言涉及一种基于前瞻性拥堵预判的amr集群动态无线补能及避撞协同调度方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、随着智能制造和智能物流技术的发展，自主移动机器人（autonomous mobilerobot，amr）已广泛应用于生产车间的物料搬运、工序间配送与仓储转运等场景，通过替代人工完成高频、重复性运输任务，显著提升生产效率与自动化水平。在智能工厂环境中，amr需在车库、原料库、工作站、成品库及固定充电站等区域间频繁往返，其作业过程涉及任务分配、路径规划、时间衔接与能量管理等多个环节。现有技术中，amr调度方法多将任务调度、路径优化与能源补给视为独立问题分别处理：一类方法聚焦于多amr的任务分配与路径最小化，以缩短最大完工时间或总行驶距离；另一类方法则专注于低电量时的集中回站充电策略，通过设定电量阈值触发固定充电站补能，确保设备持续运行。部分研究虽引入无线充电技术，在固定充电站部署快速无线补能装置，但仍未突破”任务调度—充电决策—执行避撞”三者割裂的框架，通常仅在任务规划完成后被动处理充电需求，或仅在路径规划阶段忽略充电约束，导致补能时机与任务序列脱节。

2、进一步地，传统amr系统普遍依赖单一固定充电站进行集中补能，amr需在电量耗尽前中断当前作业，绕行至专用充电点完成补能后再返回原任务路径。该模式不仅增加大量空驶距离与停机等待时间，加剧固定充电站资源拥堵，还因任务中断导致工艺链节拍紊乱，显著降低集群整体作业效率。尽管近年来无线充电技术逐步延伸至工作站装卸货点，支持在amr装载或卸载驻停期间进行短时低速补能，但现有调度方法尚未建立固定充电站快速补能与作业点短时补能的协同决策机制，无法根据任务顺序、电量余量、驻停时长与后续任务能耗动态权衡补能方式，导致作业点补能潜力未被充分挖掘，固定充电站依赖度居高不下。

3、更关键的是，现有调度方案普遍仅生成名义上的任务序列与路径计划，未充分考虑多amr在共享通道、交叉路口、工作站与充电站区域中的实际运行冲突。多数方法仅检测节点或边的静态冲突，忽略跟车冲突、目标点长期阻塞、局部热点重复拥堵等动态执行层问题。在任务规模扩大或amr数量增多时，名义调度方案虽在数学模型层面”可行”，但因未预判执行层的时空竞争，导致大量amr在实际运行中因争夺同一节点或路径而被迫长时间原地等待，甚至形成连锁阻塞，使调度方案难以直接部署于现场。部分系统虽在执行阶段引入固定优先级避让机制，但缺乏对冲突影响代价的动态评估，易出现单台amr反复让行、任务积压、局部区域持续拥堵等现象，最终造成实际完工时间远超理论优化值、系统利用率下降等问题。

4、综上所述，当前amr调度技术普遍存在任务调度、无线补能规划与无碰撞执行三者协同性差、模型与执行脱节、现场可执行性低的缺陷，难以在复杂动态的智能工厂网格化环境中实现高效、安全、稳定的多amr集群协同作业。

5、本技术人此前公开的专利申请cn120601566a、cn122247043a主要解决电池容量和任务顺序约束下的任务分配、作业排序与无线补能决策一体化建模问题，其输出属于名义调度层面的任务与补能方案。本技术并非在上述名义调度结果之后简单附加避撞处理，而是将执行层可能发生的时空竞争转化为候选调度方案的评价因素，使预估冲突结果直接参与任务分配和任务执行顺序的筛选；随后，再以筛选得到的名义调度方案为输入，通过执行层时空占用检测和动态让行修正生成无碰撞执行时间线。因此，本技术解决的是名义调度结果与多车共享空间实际执行结果不一致的问题，并形成由执行风险反向影响调度决策的闭环关系。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于前瞻性拥堵预判的amr集群动态无线补能及避撞协同调度方法，包括：

2、s1、获取amr集群的候选调度基础方案，所述基础方案包含各amr的任务分配结果与任务执行顺序，且满足任务唯一分配、工艺前驱、电量安全以及固定充电站无线补能与作业点无线短时补能约束；

3、s2、根据所述候选解中的任务分配结果和任务执行顺序生成简化离散时间线，在网格节点、路径边和离散时间步的时空占用关系下，分别预估五类时空冲突：节点冲突、边冲突、跟车冲突、目标点阻塞冲突和重复热点冲突的数量；按照五类时空冲突对应的预设权重形成拥堵惩罚项，并将所述拥堵惩罚项与名义最大完工时间共同纳入候选解综合评分，依据所述综合评分筛选形成名义调度方案；

4、s3、基于所述名义调度方案构建各amr的离散时空执行时间线并进行时空冲突检测；检测到时空冲突时，根据冲突类型、amr当前任务执行状态与已累计避让等待代价选择需要让行的amr，在冲突发生前的锚点位置插入避让等待事件，或将所述amr临时迁移至预设安全等待点；每次修正后重新计算受影响amr的节点占用、路径边占用、驻停占用及后续事件时刻，并再次进行时空冲突检测，直至形成满足无节点冲突、无边冲突及安全间隔要求的最终执行时间线；所插入的避让事件及其引起的时间顺延保留在最终执行时间线中；

5、s4、输出最终协同调度方案，所述方案包括各amr的任务分配结果、任务执行顺序、固定充电站无线补能方案、作业点无线短时补能方案以及无碰撞执行时间线。

6、可选地，在本发明技术方案的一种可能的实现方式中，步骤s2中，所述五类时空冲突的预估方式包括：若同一时刻同一网格节点被两台以上amr占用，计入节点冲突；若同一时刻同一路径边被两台以上amr占用、或两台amr沿同一路径边相向通过，计入边冲突；若后车amr与前车amr在相邻时间步内进入同一节点或同一路段且未满足预设安全时间间隔，计入跟车冲突；若amr的目标节点在其到达时刻仍被其他amr驻停占用，计入目标点阻塞冲突；若同一区域在预设时间窗内重复出现上述冲突，计入重复热点冲突；所述拥堵惩罚项由所述多种时空冲突数量加权求和得到。

7、可选地，步骤s2中，所述候选解综合评分同时考虑以下因素中的多种：名义最大完工时间、amr总行驶距离、各amr承担任务数量的均衡度、各amr路线耗时均衡度、任务执行后电量低于预警阈值的总缺口量、作业点无线短时补能总收益，以及由预估的节点冲突数、边冲突数、跟车冲突数、目标点阻塞冲突数、重复热点区域冲突数和最大单点热点冲突数量共同确定的拥堵惩罚项。

8、可选地，步骤s3中，所述选择需要让行的amr包括：当任务规模或冲突数量低于预设阈值时，采用固定优先级规则选择让行amr；当任务规模或冲突数量达到预设阈值时，切换为动态优先级规则，综合比较冲突类型、amr当前任务执行状态、amr已累计的避让等待时间、amr剩余待执行任务数量，以及不同amr让行后对全局最终完工时间的预估影响，选择让行代价较小的amr。

9、可选地，步骤s3中，所述安全等待点包括amr车库停车点、预设的备用停靠点、固定充电站排队候车点以及不影响主通道通行的空闲网格节点中的至少一种；安全等待点的选择依据包括：amr当前位置与安全等待点的距离、从安全等待点往返冲突位置的预估时间、安全等待点在所需等待时间窗内的占用情况、以及将amr迁移至该安全等待点对其他amr路径通行的影响。

10、可选地，步骤s1中，所述候选调度基础方案由外层元启发式搜索与内层数学规划修复相结合的分层方法生成：所述外层元启发式搜索采用自适应大邻域搜索，其破坏算子包括移除单个任务、移除由同一amr执行的连续任务片段、移除属于同一产品工艺链的全部任务中的至少一种；其修复算子包括以贪心策略插入至对目标函数增量最小的执行位置、插入至前后任务衔接距离之和最小的执行位置中的至少一种；所述内层数学规划修复构建固定任务顺序下的混合整数线性规划修复模型，对任务起止时间、任务前后电量、固定充电站选择、固定充电站补能量与补能时间、停靠点选择进行修复。

11、可选地，步骤s2中，所述前瞻性拥堵预判与候选解综合评分在所述外层元启发式搜索的每次迭代中执行，所述外层元启发式搜索还包括以下加速策略中的至少一种：维护精英解档案并通过路径重连生成新的中间候选解；采用滚动时域前缀冻结策略，将多轮迭代中保持稳定的任务前缀予以冻结，仅对剩余任务段进行破坏与修复。

12、可选地，步骤s3中，所述时空冲突检测还包括：对窄通道、交叉口、固定充电站附近或作业点附近反复出现的高频占用位置统计局部热点占用情况；所述迭代检测与修正中，避让等待事件与安全等待点迁移事件及其引起的时间顺延作为独立执行事件保留在最终执行时间线中，并计入amr最终执行时间。

13、此外，本技术中还提供了一种

14、可选地，步骤s2中，所述外层元启发式搜索进一步包括以下至少一种加速策略：维护精英解档案，保存搜索历史中质量较高且结构差异适当的多个候选任务链解，并通过路径重连方式在精英解与当前候选解之间生成新的中间候选解；采用滚动时域前缀冻结策略，将在多轮迭代搜索中保持稳定且位于调度前端的任务前缀予以冻结，后续搜索仅对未被冻结的剩余任务段或受影响较大的amr后缀任务段进行破坏与修复操作。

15、与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

16、现有技术将任务调度、充电决策与执行层避撞视为三个独立问题分别处理。本发明通过s1～s4的协同机制，将任务分配、无线补能规划与无碰撞执行时间线生成统一纳入闭环框架：任务分配结果同时约束充电决策与执行时间线，补能决策反向影响任务执行顺序与路径安排，避免了现有方法中被动处理充电需求或路径规划忽略充电约束所导致的效率损耗，提升调度方案的整体协调性与可执行质量。

17、本发明在s1中明确支持固定充电站快速无线补能与作业点短时无线补能两类约束的协同满足，并在s4最终方案中同时输出两种补能方案。相较于现有技术依赖单一固定充电站集中补能的模式，本发明能够根据任务顺序、电量余量、驻停时长与后续任务能耗动态权衡补能方式，充分挖掘amr装卸货驻停期间的短时补能潜力，减少绕行专用充电点产生的空驶距离与停机等待时间，缓解固定充电站资源拥堵。

18、本发明s2步骤在名义调度阶段即对候选解进行前瞻性拥堵预判，通过生成简化离散时间线预估节点冲突、边冲突、跟车冲突、目标点阻塞冲突和重复热点冲突五类时空冲突数量，并将其作为拥堵惩罚项纳入候选解综合评分。该机制使调度系统在执行前即可评估候选解的时空竞争代价，筛选出拥堵惩罚较低的名义调度方案。相较于现有技术仅生成名义任务序列与路径计划而不考虑多amr实际运行冲突的方案，本发明有效降低了大量amr在实际运行中因争夺同一节点或路径而被迫长时间原地等待、甚至形成连锁阻塞的风险，提升调度方案的可现场部署性。

19、本发明s3步骤构建离散时空执行时间线并进行冲突检测，当检测到时空冲突时，根据冲突类型、amr当前任务执行状态与已累计的避让等待代价动态选择需要让行的amr，在冲突发生前的锚点位置插入避让等待事件或临时迁移至安全等待点。相较于现有系统采用固定优先级避让机制，本发明综合评估每次避让决策的影响代价，避免出现单台amr反复让行、任务积压、局部区域持续拥堵等现象，通过迭代检测与修正生成无碰撞最终执行时间线，有利于减小名义最大完工时间与无碰撞最终执行时间之间的偏差，提升系统利用率。

20、本发明在s2预判与s3检测中覆盖节点冲突、边冲突、跟车冲突、目标点阻塞冲突和重复热点冲突五种冲突类型。其中跟车冲突、目标点长期阻塞、局部热点重复拥堵均属于现有方法普遍忽略的动态执行层问题。通过将冲突检测从静态节点/边层面扩展至动态时空竞争层面，本发明能够更全面地识别共享通道、交叉路口、工作站与充电站区域中的潜在碰撞风险，保障多amr集群在复杂动态智能工厂网格化环境中的安全稳定协同作业。

21、相较于在先申请仅在名义调度层联合确定任务分配、执行顺序与补能决策，本技术将候选方案在共享空间中的预估时空冲突转化为拥堵惩罚，并反馈至候选方案筛选，使任务分配和执行顺序在进入执行层前已经受到预估拥堵风险约束；执行层再对筛选后的名义调度方案进行严格冲突检测，通过动态让行和安全等待点迁移完成最终修正。前瞻性预判用于降低输入执行层的冲突密度和长时间等待风险，动态修正用于保证最终时间线无碰撞，二者分别承担风险前移和可执行性兜底功能，并通过名义调度方案及其时空占用信息连续传递，构成不可割裂的协同闭环。

22、本发明的核心贡献在于，通过前瞻性拥堵预判与动态冲突修正机制，实现了从任务分配到补能决策再到无碰撞执行的全链条协同优化，克服了现有技术中任务调度、无线补能规划与无碰撞执行三者协同性差、模型与执行脱节、现场可执行性低的系统性缺陷。