機器人車隊營運 即時模型

你負責管理一座倉庫的現場:約 24 台自主移動機器人(AMR)把周轉箱從儲存走道運到四個協作機器人包裝工作站。每筆訂單是一趟 240 m 的行程——200 m 走機器人專用走道,40 m 穿過人員工作的共用區——再加上在工作站的一次揀取。本模型依據已公開的標準與教科書公式,逐分鐘計算排隊、壅塞、死結、停止距離、電池能量與充電器功率,以及軟體版本對停止次數的影響。這是運作原理的模型:它不執行機器人軟體,數值皆為通用值,並非任何產品的數值。僅供教育用途的模擬——實際場域須依其自身的風險評估執行。

你將學到什麼

模擬器

時間 0 min
服務中的機器人 24 · 已包裝周轉箱 360/h · 訂單前置時間 0.0 min · 可用機器人 100% · A 區(僅限機器人) 1.5 m/s · 共用區 1.0 m/s (Δ 0.27 m) · 自由(局部避讓), 卡在死結中的機器人 0 · 協作機器人工作站 0%, 協作機器人工作站內有人 0 · 充電器 0/6 (充電器停用 0), 等待充電器的機器人 0 · 平均電池電量 67% · v1 24, v2.0 0, v2.1 0 · 每機器人小時停止次數(最新版本) 0.0/h, 每機器人小時停止次數(其餘車隊) 0.0/h⁨24⁩ · ⁨360/h⁩ · ⁨機器人⁩························⁨✓ 1.5 m/s⁩⁨A 區(僅限機器人)⁩⁨無人⁩⁨⚠ 1.0 m/s⁩ · ⁨Δ 0.27 m⁩⁨共用區⁩⁨⛔ 0⁩ · ⁨自由(局部避讓)⁩⁨0%⁩ · ⁨協作機器人工作站⁩⚙⚙⚙⚙⁨⚡ 0/6⁩ · ⁨⌛ 0⁩ · ⁨充電器⁩······⁨軟體:v1 · v2.0 · v2.1⁩⁨v1 24⁩ · ⁨v2.0 0⁩ · ⁨v2.1 0⁩⁨0.0/h 最新⁩ · ⁨0.0/h 其餘⁩
  • 執行任務行駛中
  • 在協作機器人工作站
  • 等待工作站
  • 閒置
  • 充電中
  • 等待充電器
  • 軟體更新中
  • 已停止(連線或定位)
  • 卡在死結中
  • 沒電,遭拖回
  • 區域內無人
  • 區域內有人,速度在偵測區範圍內
  • 有人處速度超出偵測區範圍
  • 協作機器人工作站內有人
  • 充電器停用

控制項

備用機器人從待命區喚醒;停放的機器人不耗電。每台服務中的機器人每小時就花費一個機器人小時。

A 區禁止人員進入,因此機器人可以開快。若有人進入,速度必須重新符合人員偵測區的限制。

這裡隨時有人工作。此速度下的停止距離必須落在 1.3 m 的人員偵測區範圍內。

自由:機器人只在局部互相避讓——速度快,但兩台以上可能永久互相卡住。區域預約:只有在前方的區域都已為它預約後,機器人才會進入路口——不會形成死結,每次通過路口都要短暫等待。

立即放行所有陷入死結的機器人。每放行一台需花 2 作業員分鐘;無法防止新的死結形成。

機器人完成任務時電量若等於或低於此值,就會加入充電器排隊。設得越低越能用盡電池,但等太久的機器人可能會完全沒電。

充電器在約 70 % 以前以全功率充電;超過後電流逐漸遞減。較早停止可讓充電器更快空出來。

沒有任務的機器人會前往任何空閒的充電器,而不是閒置等待;一旦有訂單在等、且電量比送充門檻高出 20 %,就立刻回去工作。

工作站內無人時的工具速度。以 1 m/s 處理一箱 10 件商品需 25 s。

功率與力量限制:手被夾在周轉箱上時,所受的力不得超過 140 N(準靜態限值,採保守用法),因此這裡最多只允許 0.67 m/s。

移動滑桿會把最新發布的版本推送到車隊中該比例的機器人(依序從最前面的機器人開始);其餘機器人執行 v1。之後才發布的版本,只有在你再次移動滑桿時才會安裝。每台更換版本的機器人會停止服務 4 分鐘。

指標

已包裝周轉箱
360/h
正常
訂單前置時間
0.0min
正常
可用機器人
100%
正常
有人區域的停止餘裕
0.27m
正常
等待中的訂單0
協作機器人速度餘裕(功率與力量限制)0.17 m/s
平均電池電量67 %
最低電池電量42 %
等待充電器的機器人0
充電中的機器人0
沒電的機器人(遭拖回)0
卡在死結中的機器人0
已形成的死結0
導航停止(連線或定位)0
每機器人小時停止次數(最新版本)0.0 /h
每機器人小時停止次數(其餘車隊)0.0 /h
使用最新版本的車隊比例0 %
使用 v2.0 的車隊比例0 %
更新中的機器人0
A 區速度設定1.5 m/s
作業員處理機器人的時間0 min
已用機器人小時0 h
服務中的機器人24
行駛中的機器人0
A 區實際速度1.50 m/s
每次通過路口的等待時間0.0 s
車隊耗電功率0.00 kW
充電器供電功率0.00 kW
協作機器人工作站使用率0 %

趨勢

已包裝周轉箱: — /h6000

危機情境

第 1 級 · 訂單高峰前一半充電器故障

早班,24 台機器人服務中,每分鐘約 3.7 筆訂單。經過忙碌的夜班後,車隊開班時平均電量只有 60 %。第 15 分鐘,一次電氣故障讓六台充電器中的四台在本班剩餘時間內停用。第 90 分鐘訂單高峰開始(兩小時內 +25 %)。請維持訂單流動、讓車隊帶著充足電量進入高峰、不要讓任何機器人電量耗盡,並守住本班的機器人預算。

  • 高峰期間及之後的平均前置時間 ≤ 3.5 min
  • 高峰開始時車隊平均電量至少 49 %
  • 沒有任何機器人沒電
  • 本班最多 97 機器人小時
  • 在有人的地方,停止距離始終在偵測區內
  • 有人在內時,協作機器人絕不超過功率與力量限制

第 2 級 · 走道封閉、機器人大塞車,維修小組走進 A 區

每分鐘約 4.2 筆訂單,24 台機器人,交通管制設為自由行駛。第 10 分鐘有一條走道因重新上架而封閉:路口變少、迎面相遇變多,而且沒有繞行路線。第 60 分鐘,維修小組進入機器人專用的 A 區 40 分鐘。請以少量作業員時間維持訂單流動,在有人的地方讓每個停止距離都落在安全偵測區內,並在 A 區淨空後恢復全速。

  • 平均前置時間 ≤ 6 min
  • 小組離開後,A 區平均速度回到 ≥ 1.4 m/s
  • 最多形成 1 個死結
  • 作業員處理機器人最多 20 分鐘
  • 在有人的地方,停止距離始終在偵測區內
  • 有人在內時,協作機器人絕不超過功率與力量限制

第 3 級 · 新導航軟體的金絲雀部署

走道昨晚重新上架,使用目前軟體(v1)的機器人在那裡更常失去定位;每次失去定位都需要作業員處理。v2.0 版本修正了這個問題,且已作為金絲雀在 10 % 的車隊上執行。請給金絲雀足夠的時間來評估,將它與車隊其餘機器人比較,決定要擴大還是回滾,並讓車隊換到良好的版本——分階段進行,不要一次讓太多機器人停止服務。

  • 前 12 分鐘維持金絲雀運行(≥ 5 % 的車隊使用 v2.0)
  • 第 30 至 49 分鐘撤下有問題的 v2.0(平均 ≤ 1 % 的車隊使用它)
  • 熱修補在最初 10 分鐘內最多只上到 20 % 的車隊
  • 緊急修補迅速推出:發布後平均 ≥ 55 % 的車隊已採用
  • 結束時至少 90 % 的車隊使用最新版本
  • 隨時至少 60 % 的機器人可用
  • 在有人的地方,停止距離始終在偵測區內
  • 有人在內時,協作機器人絕不超過功率與力量限制

依據:數字背後的模型

模擬器使用的每一個關係式及其來源。標示為假設的常數是示意校準值。

利特爾定律(Little’s law):所有尚未包裝的訂單——無論在等待或已在機器人上——除以周轉箱實際被包裝的速率,就得到前置時間。
lead time W = L / X, L = orders waiting + orders on a robot, X = totes packed per minute (smoothed, τ = 10 min)[5]
共用走道的機器人越多,速度越低(Greenshields 的速度–密度線性關係)。
v_eff = v · max(0.1, 1 − n_moving / N_jam), N_jam = 120 robots (80 with an aisle closed)[7][9]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
沒有預約時,兩台機器人可能各自等待對方占住的空間——形成循環等待。相遇次數隨行駛中機器人數量的平方增加。
free traffic: P(new deadlock in a minute) = 1 − e^(−κ·n_moving²/n_I), κ = 0.00001 (× 300 with an aisle closed, n_I = 6 → 4); a robot behind joins with p = 0.5 (≤ 8); the fleet manager re-plans with p = 0.2/min (0.03/min with no detour)[8][10]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
區域預約:只有在前方的區域都已為它預約時(一次全部預約,且依固定順序),機器人才會進入,這樣就消除了循環等待;此時每個路口就像一個通過時間固定的單一服務台佇列。
zone reservation: a robot enters only when the zones ahead are granted to it → no circular wait; each crossing W = ρτ / (2(1 − ρ)), ρ = λ_I·τ, τ = 2 s, 6 crossings per task[8][6][9]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
在可能有人的地方,停止距離(反應期間行駛距離加上煞車距離)必須落在人員偵測區範圍內。
d_stop = v·t_r + v²/(2a) + C ≤ F (t_r = 0.3 s, a = 0.8 m/s², C = 0.1 m, F = 1.3 m ⇒ v ≤ 1.17 m/s where people can be)[1][2]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
功率與力量限制:由手與機器人的折算質量以及手的剛性,算出與手接觸時仍低於容許力的最高速度。即使是短暫接觸也採用準靜態限值,這是保守的做法。
v ≤ F / √(μ·k), μ = (1/m_H + 1/m_R)⁻¹, m_R = M/2 + m_L; hand: F = 140 N (quasi-static limit, used conservatively), k = 75 N/mm, m_H = 0.6 kg; M = 24 kg, m_L = 3 kg ⇒ v ≤ 0.67 m/s[3][4]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
一箱物品需要夾取時間,加上每件物品兩次手臂伸取;工作站內有人時,協作機器人以協作速度運作。機器人依抵達工作站的先後順序接受服務,在每分鐘內逐秒處理。
tote time = 10 items × (1.5 s + 2 × 0.5 m / v_cobot); v_cobot = collaborative speed while a person is in the cell; 4 cells, served in order of arrival within the minute[3]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
行駛功率:固定的電子設備負載、滾動阻力,以及每次走走停停損失的煞車能量。
P = 60 W + C_rr·m·g·v/η + 0.03/m · v · ½mv²·(1 − r)/η (C_rr = 0.012, m = 500 kg, η = 0.75, r = 0.5)[12]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
充電器在電量約 70 % 以前以全功率充電,之後電流逐漸遞減(先定電流,再定電壓)。
P_charge = 0.8 kW up to 70 % SoC, then × (1 − 0.9·(SoC − 70)/30); battery 0.8 kWh; stranded at 1 %[11][10]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
與車隊管理系統的連線靜默時間超過看門狗(watchdog)設定時,機器人就會停下;看門狗越短,會捕捉到越多短暫的 Wi-Fi 中斷。
P(link silent > W in a robot-minute) = 0.224·e^(−W/0.1 s); watchdog W: v1 0.5 s, v2.0 0.15 s, v2.1 0.5 s; stop 2 min[13]數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。
金絲雀比較:使用最新版本的機器人每機器人小時的停止次數,與車隊其餘機器人相比。
stops per robot-hour, canary vs control: 60·stops / robots (smoothed τ = 10 min); update or rollback = 4 min out of service[13]
本模型的其他常數
task 200 m in zone A + 40 m in the shared area · 6 intersections · 4 cobot cells, a person inside 25 % of minutes · 6 chargers · shift-start charge stratified over mean ± 27.5 % · v1 mislocalises 0.6 % per driving minute in re-racked aisles (others 0.04 %), 6-min stop + 3 operator-min · clearing a deadlock 2 operator-min per robot · tow 15 operator-min數值僅供說明,並非任何實際場域或產品的數值。實際場域依據自身的風險評估與製造商資料設定偵測區、速度與限值。

隨機性:帶種子的 mulberry32 產生器;使用的分布包括均勻分布、指數分布(反 CDF)、常態分布(Box–Muller)與卜瓦松分布(Knuth)。種子會顯示出來,並且可以分享。

來源

  1. ISO 3691-4:2023 Industrial trucks — Safety requirements and verification — Part 4: Driverless industrial trucks and their systems (personnel detection, zones, speed) — ISO/TC 110/SC 2, 2023
  2. ISO 13855:2024 Safety of machinery — Positioning of safeguards with respect to the approach of the human body (minimum distance S = K·T + C; replaces the 2010 edition) — ISO/TC 199, 2024
  3. ISO/TS 15066:2016 Robots and robotic devices — Collaborative robots (Annex A: body-region limits; transient contact speed v = F/√(μk), μ = (1/m_H + 1/m_R)⁻¹, m_R = M/2 + m_L) — ISO/TC 299, 2016
  4. ISO 10218-2:2025 Robotics — Safety requirements — Part 2: Industrial robot applications and robot cells (collaborative applications; takes over the ISO/TS 15066 body-region data) — ISO/TC 299, 2025
  5. J. D. C. Little — A Proof for the Queuing Formula: L = λW — Operations Research 9(3):383–387, 1961
  6. M. Harchol-Balter — Performance Modeling and Design of Computer Systems (M/G/1 Pollaczek–Khinchine mean wait; M/D/1) — Cambridge University Press, 2013
  7. B. D. Greenshields — A Study of Traffic Capacity (linear speed–density relation) — Highway Research Board Proceedings 14:448–477, 1935
  8. E. G. Coffman, M. Elphick, A. Shoshani — System Deadlocks (the four necessary conditions; prevention by ordered resource allocation) — ACM Computing Surveys 3(2):67–78, 1971
  9. I. F. A. Vis — Survey of research in the design and control of automated guided vehicle systems (fleet sizing, zone control, deadlocks, battery management) — European Journal of Operational Research 170(3):677–709, 2006
  10. M. De Ryck, M. Versteyhe, F. Debrouwere — Automated guided vehicle systems, state-of-the-art control algorithms and techniques (traffic, deadlock avoidance, battery charging strategies) — Journal of Manufacturing Systems 54:152–173, 2020
  11. BU-409: Charging Lithium-ion (constant current to about 70 % state of charge, then constant voltage while the current tapers) — Battery University
  12. T. D. Gillespie — Fundamentals of Vehicle Dynamics (rolling resistance F = C_rr·m·g; kinetic energy lost in braking) — SAE International, 1992
  13. The Site Reliability Workbook — Ch. 16 Canarying Releases (canary vs control, multi-stage rollout, rollback) — Beyer, Murphy, Rensin, Kawahara, Thorne (eds.), O'Reilly, 2018

誰在從事這份工作

教育模型,不可用於實際營運決策。真實場域會依自己的設備與資料校準每一個常數。