Automated pick to pallet systems with congestion: impact of deadlock detection and layout design

This thesis brings forward the research on Autonomous Mobile Robots(AMRs)-Based Pick To Pallet Systems, trying to bridge the current gap present in the literature. First, an extensive literature review on congestion and charging management is brought forward, drawing also from systems that present analogies in behavior. Regarding congestion, the outputs of the literature review are several: congestion originates from blockings and deadlocks, which are explained and classified. Moreover, the literature review explores deadlock detection methods and possibilities for reducing the occurrence of both blockings and deadlocks. Literature review on battery management instead collected information on AMRs charging technologies and their declinations. Linked to the charging technology, and therefore treated in the thesis are policies for charging scheduling and for battery station location solutions. The work considers three research questions, regarding the impact of congestion in the system, the better deadlock detection method, and the best system layout to reduce congestion. The research questions are addressed by developing a simulation model of the considered system using Python and through simulation experiments. Results prove that congestion worsens the average distance covered by AMRs and the time to cover it, leading to lower system utilization and therefore decrease in the number of pallets fulfilled. Later, two typologies of deadlock detection and recovery methods are modeled: a time-threshold-based one and a Depth-First-Search method-based one capable of spotting cycles in vehicles'paths. The model proves that having a centralized controller taking inputs from AMRs, using the DFS method, has by far the best performance. Third, the simulation is also used to study the design of a warehouse, covering whether to choose more or less constrained movement policies. The simulation highlights that more constraints lead effectively to reduced congestion, however, not leading also always to improved performance due to less optimal paths. The ideal solution maintains unidirectionality within the same lane but allows for multidirectional corridors that offer two lanes.

Questa tesi porta avanti la ricerca sui sistemi Pick To Pallet basati su AMRs, cercando di colmare l'attuale lacuna presente in letteratura. In primo luogo, viene presentata un'ampia rassegna della letteratura sulla gestione delle congestioni e della batteria dei veicoli. Per quanto riguarda la congestione, i risultati della revisione della letteratura sono diversi: blocchi e deadlocks generanti congestione vengono spiegati e classificati in questa ricerca; inoltre, la rassegna della letteratura esplora diversi metodi di rilevamento delle deadlock e possibilità di riduzione di questi. La revisione della letteratura sulla gestione delle batterie sintetizza le varie tecnologie di ricarica presenti nel mercato di AMRs e sulle loro diverse declinazioni. Legate in modo critico alla tecnologia di ricarica, e quindi trattate nella tesi, sono anche le politiche di schedulazione della ricarica e metodi per l’identificazione della posizione di stazioni di ricarica. Il lavoro procede quindi implementando i risultati della ricerca sulla letteratura in un modello ad agenti realizzato in Python. I risultati dimostrano che la congestione ha un forte impatto sulla distanza e sul tempo medio percorso dagli AMR, aumentando fortemente: questo porta a un minore utilizzo del sistema e quindi a prestazioni peggiori nel numero di pallet misti completati. Successivamente, vengono modellizzate due tipologie di metodi di rilevamento e recupero delle deadlock: uno basato su soglia massima di attesa e uno basato su un metodo DFS. Il modello dimostra che un controllore centralizzato con visione sui percorsi degli AMR, e che quindi utilizza il metodo DFS, ha di gran lunga le migliori prestazioni. In terzo luogo, la simulazione viene utilizzata anche per studiare la progettazione di un magazzino, valutando se scegliere politiche di movimento più o meno vincolate. La simulazione evidenzia che un maggior numero di vincoli porta a una riduzione della congestione, ma non sempre anche a un miglioramento delle prestazioni a causa di percorsi più lunghi. La soluzione ideale mantiene l'unidirezionalità all'interno della stessa corsia, ma consente multidirezionalità in corridoi che offrono due corsie.