Роботизация склада без разочарования

Однако в последние годы общая экономическая ситуация быстро изменилась. Дефицит и рост стоимости рабочего складского персонала, остро проявившиеся в последнее время, являются главной причиной роста интереса к автоматизации складской обработки в целом и роботизации в частности. Удешевление ряда информационных технологий, связанное с их бурным развитием, снизили стоимость многих ИТ-решений, что облегчает переход на новые технологии. По мере роста количества внедрений роботов на складах нарабатывается практический опыт эксплуатации, проявляются скрытые проблемы, открываются дополнительные возможности, возникают новые вопросы и задачи, связанные с применением новых технологий. А у тех, кто впервые задумался над автоматизацией и роботизацией, возникает множество вопросов:

• Где, когда и как применять роботов, чтобы склад работал эффективнее?
• Что лучше: робот или автомат?
• Какую концепцию технологической модернизации склада выбрать?
• Будут ли инвестиции в новые технологии действительно эффективны?

Ответы на эти вопросы не так просты и однозначны, как хотелось бы. Перечислим наиболее важные аспекты роботизации склада, которые нужно принимать во внимание, приступая к проекту внедрения.

Выбор между автоматом и роботом

Перечень существующих типов роботов и автоматического складского оборудования очень широк, что объясняется отсутствием универсального решения – каждое техническое решение показывает наибольшую эффективность для своего круга задач. Данная техника отличается не только по типу выполняемых операций (транспортировка, работа со стеллажами, комплектация заказов, формирование палет, погрузка и разгрузка и т.д.), но и конструкцией устройства (табл. 1).

При выборе решения нужно учитывать множество факторов: температурный режим эксплуатации, характеристики груза, свойства упаковки, структуру заказов, производительность и другие параметры складской обработки, а также стоимость оборудования. Для начала нужно понять, чем же робот отличается от автомата, и какие преимущества и ограничения имеет каждый из них. Рассмотрим это на примере автоматически управляемых транспортных средств (AGV — Automated Guided Vehicles) и автономных мобильных роботов (AMR — Autonomous Mobile Robots).

Для перемещения в автономном режиме AGV требуется инфраструктура системы навигации, которая может включать индуктивные кабели, RFID-метки, маяки, лазеры или магнитные ленты. Вид предпочтительной системы навигации зависит от условий работы: температуры, влажности, наличия людей. С одной стороны, такое решение не отличается гибкостью, так как на большой площади склада развертывание такой системы и любое изменение или добавление маршрутов движения проходит медленно и сложно. С другой стороны, движение AGV по ограниченному и четко заданному маршруту более надежно и безопасно, чем движение AMR. А главное, в сравнении с AMR системы с AGV обычно имеют заметно меньшую стоимость, поэтому там,
где не требуется высокая гибкость решения, например на складах при производстве, системы на базе AGV могут оказаться предпочтительнее.

AMR для ориентации в пространстве используют различные датчики и карту, загруженную в память устройства, им не нужна дополнительная инфраструктура для навигации. Это делает всю систему на базе AMR очень гибкой. Благодаря машинному обучению систему с AMR легче адаптировать к изменениям, проще масштабировать и повторно разворачивать на новых объектах. AMR быстро изучает новые маршруты, благодаря обмену данными с другими AMR возможна оптимизация работы всего парка техники (чего AGV не делают). Например, в зависимости от занятости проездов AMR могут выбирать оптимальные маршруты и траектории движения, что исключит простои. В сравнении с AGV, ввиду отсутствия сложной инфраструктуры навигации, развертывание системы на базе AMR проходит намного быстрее и проще. Однако из-за того, что AMR постоянно в режиме реального времени реагируют на окружающие условия, варианты маршрутов и траекторий возможных перемещений также обновляются. Во-первых, это сильно увеличивает нагрузку на информационную систему управления складом. Во-вторых, при определенных условиях неожиданное для других участников складской обработки изменение маршрутов AMR может затруднить или даже нарушить их работу, не говоря уже о дополнительных рисках для безопасности. Также следует учитывать, что AMR пока уступают AGV по грузоподъемности. Наконец, стоимость системы
AMR в сравнении с AGV ощутимо выше.

Применение интеллекта роя

Обмен данными и взаимодействие с другими AMR открывают новые возможности для оптимизации работ
на складе. Система, состоящая из множества роботов и чаще называемая роем по аналогии с пчелами, обладает целым рядом преимуществ, среди которых выделяют: гибкость, масштабируемость, стабильность, автономность, самоорганизацию, децентрализацию и параллелизм:

• Роботы автономны и могут справляться с изменениями окружающей среды, при этом не требуется изменение их программы и конструкции.
• Роботы могут самостоятельно координировать свои действия, объединять свои силы и способности, а также перераспределять роли и задачи между собой, что дает дополнительные возможности.
• Системы роботов являются гибкими, их можно применять для решения новых задач.
• Рой роботов является отказоустойчивой и масштабируемой системой, так как нет единственного лидера,
  выполняющего роль центра управления, и рой достигает своей цели независимо от изменения своей
  численности.
• Рой роботов может работать быстрее, чем отдельные роботы, за счет разделения задач на подзадачи и распределения подзадач между разными роботами. Это свойство называют параллелизмом.

Примером того, как самоорганизация исполнителей повышает эффективность работ, может служить известный алгоритм «bucket-бригад» (bucket brigades), легко реализуемый как для людей, так и для роя AMR. Данный алгоритм реализует самостоятельную балансировку нагрузки между всеми членами бригады (или группой роботов).

Суть алгоритма «bucket-бригад» заключается в том, что, в отличие от случая, когда зона отбора жестко закрепляется за отдельным сборщиком заказов, фронт отбора делится между исполнителями динамически с учетом их производительности и без какого-либо внешнего управления. Двигаясь вдоль
фронта отбора, сборщик складывает товары в тележку, а когда встречает следующего сборщика, передает тележку ему, а сам двигается в обратном направлении, пока не вернется в начало линии отбора, где получит новое задание, или пока не встретит предыдущего сборщика, у которого забирает тележку с собранной частью заказа. Затем он, двигаясь в прямом направлении, продолжает сборку до встречи со следующим сборщиком. Таким образом, не только равномерно загружаются все члены бригады, но и исключаются лишние сборщики, которые оказываются в начале цепочки. Данный алгоритм позволяет на практике увеличить общую производительность на 15- 25%. Причина роста производительности кроется в сокращении пробегов сборщиков и увеличении плотности отбора – их количество на погонный метр пути сборщика.

Описанный выше алгоритм работы «bucket-бригад» позволяет понять, что эффективное применение AMR требует использования алгоритмов, которые сокращают время перемещения AMR в пользу времени собственно отбора товаров с мест хранения. Это означает, что автономные мобильные роботы лучше подходят для сборки заказов с большим количеством SKU и малоэффективны для заказов с их малым
количеством.

Реализация всех указанных преимуществ на практике требует разработки и тестирования достаточно сложных программных алгоритмов. Впечатляет многообразие существующих стратегий и алгоритмов управления роем роботов (которые, кстати, используются не только на складах) и большой объем научных исследований на эту тему, которые также подтверждают отсутствие одного универсального решения (1-5).

Это объясняется тем, что рой роботов, как и любая другая система, имеет свои недостатки. Например, несмотря на начальную установку коллективной работы, децентрализованная стратегия управления приводит к тому, что из-за своей автономности роботы реагируют на изменения в окружающей среде индивидуально и самопроизвольно, поэтому отдельные роботы могут действовать иначе, чем остальные члены группы. Необходимость достижения целей системы со стопроцентной гарантией в реальных условиях требует от разработчиков усложнения конструкции роботов и алгоритмов их работы, что в итоге увеличивает общую стоимость решения.

Кроме того, для эффективной работы склада в зависимости от задачи группы AMR должны использовать разные стратегии взаимодействия. Например, в случае возрастания приоритета заказа и ограничения времени на его выполнение переходить к параллельной сборке (несколько AMR — один заказ), а для экономии ресурсов склада возвращаться к схеме волнового отбора, предусматривающего общий отбор одного SKU для разных заказов с последующей сортировкой (один AMR — одно SKU для нескольких заказов).
Отдельный важный вопрос касается оптимальной численности роя.
Практический опыт внедрения, подкрепляемый научными изысканиями, показывает, что получить все описанные выше преимущества можно в группах роботов с количеством, приближающимся к сотне или более, поэтому пилотные проекты с внедрением всего нескольких единиц или даже двух-трех десятков роботов не могут показать высокую эффективность.

Апгрейд информационной системы управления складом

Управление роботами и автоматами требует от информационной системы управления складом высокой оперативности и повышенного быстродействия, которые не могут быть обеспечены традиционной WMS, мало годящейся для этого. WMS является системой верхнего уровня управления, она производит планирование работ и ресурсов, постановку задач исполнителям и контроль исполнения, при этом она не предназначена для управления самим оборудованием. Управление большим количеством роботов и автоматов с помощью обычной WMS становится крайне неэффективным и приводит к снижению производительности и простою дорогого оборудования. Именно это привело к появлению нового вида ПО, дополняющего WMS, Warehouse Controls System (WCS), Warehouse Execution System (WES) и Robot Management System (RMS). Эти
системы не только управляют роботами и автоматами, но и начинают брать на себя часть функционала, ранее реализуемого на стороне WMS (например: управление волнами сборки заказов, управление запасами на уровне ячеек, управления комплектацией, управление трудовыми ресурсами и многое другое), поэтому серьезное внедрение роботов потребует существенного обновления или даже замены складского ПО.

Стандартизация и повышение качества тары и упаковки

Внедрение высокотехнологичных решений на складе потребует от входящих поставок повышения качества тары, упаковки и маркировки, в противном случае роботы и автоматы не смогут производить складскую обработку.

Например, беспомощность нового оборудования может вызвать повышение влажности или пористости гофрокартона, используемого для упаковки, или нестандартные размер и/или прочность деревянного поддона – они приводят к отказу автоматических захватов. А переход на тару и упаковку повышенного качества приведет к увеличению операционных затрат компании, что иногда забывают учесть.

Варианты внедрения

Существуют два основных подхода к роботизации и автоматизации складов. В первом варианте (назовем
его «осторожным»), роботы и автоматы применяются для частичной замены людей на отдельных операциях, при этом люди в том же рабочем пространстве продолжают выполнять те же самые операции вместе с роботами и автоматами, поэтому технология самих операций принципиально не меняется.
Предполагается, что такой подход более безопасный, так как в случае ошибок или отказа нового оборудования люди смогут выполнить нужные операции самостоятельно, как и раньше.

Во втором варианте (назовем его «решительным») люди полностью заменяются роботами и автоматами
на отдельных участках или в целых зонах склада, а присутствие людей в зоне работы роботов объясняется только необходимостью обслуживания и устранения технических сбоев оборудования. При этом технология складской обработки учитывает, что операции выполняются исключительно машинами – автоматами и/или роботами. В этом варианте любой технический или технологический сбой приводит к остановке работы на участке склада, поэтому возможность любых ошибок должна быть устранена еще на этапе разработки процессов, выбора и наладки оборудования.

Возможность или невозможность выполнения человеком операций, исполняемых роботом или автоматом, приводит к принципиальному отличию технологий работы для «осторожного» и «решительного» вариантов, при этом отличается практически все: функционально-технологическое зонирование и объемно-планировочное решение склада, система навигации, требования к весу и габаритам палет и коробов, требования к таре и упаковке, принцип идентификации товара, требования к маркировке, требования к точности размещения палет и коробов, требования к скорости информационного обмена с WMS и многое другое. Различия в технологиях приводят к тому, что реализовать универсальный «осторожный» вариант на практике становится технически сложнее, чем «решительный», так как приходится дополнительно учитывать особенность исполнения операций и человеком тоже. И в конечном итоге эффективность роботизации и/
или автоматизации оказывается намного ниже ожидаемой, поэтому подготовку к внедрению новых технологий необходимо начинать с детального логистического (технологического) проектирования
всего склада, что называется, «от входа до выхода».

Человек на складе является более универсальным и гибким исполнителем, но участие человека в складской обработке создает машинам дополнительные проблемы: присутствие человека в зоне работ замедляет движение машин; палеты ставятся человеком со смещением и/или под углом, что затрудняет их обработку; нестандартное нанесение маркировки человеком или повреждение упаковки на предыдущем этапе обработки затрудняет идентификацию товара и т.д. Все эти проблемы имеют технические решения, но они усложняют и удорожают проект внедрения. А в «решительном» варианте эти проблемы не возникают из-за удаления человека из зоны работ. Но главное то, что производительность автоматов и роботов в «осторожном» варианте заметно снижается.

Основные выводы

Итак, роботы являются не панацеей, а всего лишь сложным и дорогим инструментом, который требует уместного и умелого применения. Внедрение роботов на складе – сложное, долгое и дорогостоящее мероприятие. Чтобы этот проект не превратился в неудачный эксперимент, воспоминания о котором вызывали бы только разочарования и сожаления за неэффективно потраченные инвестиции, необходимо
придерживаться следующих правил:

1. В основе любого проекта роботизации или автоматизации должно лежать вариантное технологическое
   проектирование, то есть разработка и сравнение разных технологических концепций модернизации
   или оснащения склада, обеспечивающих достижение целевых показателей. Для каждого технологического варианта логистический проект должен включать расчет количества необходимых ресурсов
   (площади и емкости складских зон, количество необходимых техники и оборудования, численность персонала), а также варианты функционально-технологического зонирования и объемно-планировочного решения (рис. 1). Это позволит не только сбалансировать производительность и пропускную способность участков и зон склада, но и корректно оценить CAPEX, OPEX и срок окупаемости инвестиций (6).

2. Необходимо помнить, что кроме роботов существуют и другие технологические решения, которые для рассматриваемых задач могут быть не только эффективнее, но и дешевле.

3. Безотказное функционирование роботов и другого автоматического оборудования требует использования тары и упаковки стабильно высокого качества, что не только увеличивает операционные расходы, но и требует подготовки со стороны поставщиков и клиентов склада.

4. Взвешенный выбор технологического варианта требует учитывать в экономической модели не только инвестиции в оборудование и ПО, затраты на их эксплуатацию, оплату труда персонала, но и другие расходы,
которые могут оказаться существенны, например страховые выплаты и другие расходы по случаям травматизма и болезни сотрудников.

5. Рациональный выбор технологического варианта требует учета не только экономических показателей, но и других критериев: производственную гибкость, надежность эксплуатации, способность к расширению, уровень логистического сервиса, доступность трудовых и иных ресурсов необходимой квалификации и другие (табл. 2).

6. Внедрение роботов и автоматов потребует обновления WMS в части ее дополнения новыми функциональными модулями, необходимыми для эффективного управления высокотехнологичным оборудованием: Warehouse Controls System (WCS), Warehouse Execution System (WES) или Robot
Management System (RMS). Попытки наращивания нового функционала на базе обычной WMS не приводят
к нужному результату.

7. С учетом сложности и большого объема подготовительных мероприятий, а также высокой стоимости проекта роботизация становится актуальной на больших складах при условии применения даже не десятков, а сотен и тысяч роботов. Именно в этом случае удается использовать все преимущества новых технологических решений на базе роя роботов.

8. Новый склад должен строиться с учетом выбранной технологии, что позволит реализовать оптимальное объемно-планировочное решение, дающее возможность раскрыть весь потенциал современных технологий.

9. В конечном итоге роботизация и автоматизация склада могут потребовать изменения многих бизнес-процессов компании, связанных со складом, поэтому необходимо предварительно оценить готовность всей компании к внедрению высокотехнологичных решений на складе.

10. Проект роботизации склада требует решения множества сложных задач, для чего требуется кооперация опытных и квалифицированных специалистов из разных областей: логисты-технологи, ИТ-разработчики, поставщики технологического оборудования и другие. Как правило, сотрудники компаний-заказчиков, планирующих внедрение, слишком заняты оперативными задачами и не имеют ни достаточного времени, ни нужной квалификации, ни опыта подобных проектов, поэтому внедрение собственными силами проходит долго, без должной предварительной проработки возможных решений, что называется, методом проб и ошибок. И в конечном итоге дорогое во всех смыслах этого слова внедрение не отвечает ни поставленным целям, ни начальным ожиданиям, а робот-пылесос становится чуть ли не главным достижением проекта. Для разработки и сравнения множества различных логистических технологий, последующего выбора подходящих технических и ИТ-решений, а также детального технологического проектирования склада целесообразно привлечение квалифицированных экспертов, имеющих опыт в решении такого рода задач.

Литература

1.Cheraghi A.R., Shahzad S., Graffi K. Past, Present, and Future of Swarm Robotics // Электронный архив научных статей ArXiv. URL: https://arxiv.org/pdf/2101.00671.pdf

2. Chakraborty A. and Kar A. Swarm Intelligence: A Review of Algorithms, 03 2017, pp. 475494. URL https://www.researchgate.net/publication/314287260

3. Barca J.C. and Sekercioglu Y.A. Swarm robotics reviewed, Robotica, vol. 31, no. 3, pp. 345359, 2013. URL: http://journals.cambridge.org/abstract_S026357471200032X

4. Kar A.K. Bio-inspired computing – a review of algorithms and scope of applications. Expert Syst Appl 59: pp.
20-32. URL: https://doi.org/10.1016/j.eswa.2016.04.018

5. Fragapane G., R. de Koster, Sgarbossa F., Ola J. Strandhagen Planning and control of autonomous mobile robots for intralogistics: Literature review and research agenda // European Journal of Operational Research 294 (2021) pp.
405-426. URL^ https://doi.org/10.1016/j.ejor.2021.01.019

6. Волочков А., Толмачев К. Эффективность складских роботов и других «бесчеловечных» технологий // Логистика. — 2021, №8.