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Automated guided vehicle dispatching and routing integration via digital twin with deep reinforcement learning

强化学习 拖延 计算机科学 马尔可夫决策过程 布线(电子设计自动化) 能源消耗 过程(计算) 分布式计算 工业工程 实时计算 工程类 人工智能 作业车间调度 马尔可夫过程 嵌入式系统 统计 操作系统 电气工程 数学
作者
Lixiang Zhang,Chen Yang,Yan Yan,Ze Cai,Yaoguang Hu
出处
期刊:Journal of Manufacturing Systems [Elsevier BV]
卷期号:72: 492-503 被引量:62
标识
DOI:10.1016/j.jmsy.2023.12.008
摘要

The manufacturing industry has witnessed a significant shift towards high flexibility and adaptability, driven by personalized demands. However, automated guided vehicle (AGV) dispatching optimization is still challenging when considering AGV routing with the spatial-temporal and kinematics constraints in intelligent production logistics systems, limiting the evolving industry applications. Against this backdrop, this paper presents a digital twin (DT)-enhanced deep reinforcement learning-based optimization framework to integrate AGV dispatching and routing at both horizontal and vertical levels. First, the proposed framework leverages a digital twin model of the shop floor to provide a simulation environment that closely mimics the actual manufacturing process, enabling the AGV dispatching agent to be trained in a realistic setting, thus reducing the risk of finding unrealistic solutions under specific shop-floor settings and preventing time-consuming trial-and-error processes. Then, the AGV dispatching with the routing problem is modeled as a Markov Decision Process to optimize tardiness and energy consumption. An improved dueling double deep Q network algorithm with count-based exploration is developed to learn a better-dispatching policy by interacting with the high-fidelity DT model that integrates a static path planning agent using A* and a dynamic collision avoidance agent using a deep deterministic policy gradient to prevent the congestion and deadlock. Experimental results show that our method outperforms four state-of-the-art methods with shorter tardiness, lower energy consumption, and better stability. The proposed method provides significant potential to utilize the digital twin and reinforcement learning in the decision-making and optimization of manufacturing processes.
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