📚 课程目录第3章站点拓扑与地图表达

3. 站点拓扑与地图表达

AGV 调度系统里，“地图”并不是一张给人看的平面图，而是一套可计算的图模型。调度器要回答的问题——从 A 到 B 怎么走、哪台车能进这个区域、哪个工位正在被占用、电量低时去哪台充电桩——全部依赖地图中站点、路径、区域、工位、充电桩这五类对象的定义方式与它们之间的连接关系。本节先建立统一的图模型，再落到可直接编码的数据结构。

一、五类核心对象与统一图模型

把 AGV 运行环境抽象为一张带属性的有向图 G = (V, E)：站点是顶点 V，路径是边 E，区域是顶点的集合划分，工位与充电桩则是带有特殊语义的站点。这样做的价值在于：路径规划算法（A*、Dijkstra）只需处理 V 和 E，而业务约束（区域限行、工位占用、充电排队）通过顶点与边的属性附加进来，算法层与业务层解耦。

五类对象的职责边界需要先明确：

站点（Node）：AGV 可以停稳并执行动作的最小位置单元，具有唯一 ID 与二维坐标，是路径的端点。
路径（Edge）：两个站点之间的可行驶连接，有方向、长度、限速、通行方向约束，是图模型的边。
区域（Zone）：一组站点的逻辑集合，用于表达限行、互斥、优先级等管理规则，本身不是物理位置。
工位（Station）：一种特殊站点，绑定作业类型（上料、下料、对接），具有占用状态与朝向。
充电桩（Charger）：一种特殊站点，绑定充电功率、桩位状态与排队策略。

下图给出这五类对象在同一张图上的关系：站点构成骨架，路径连接站点，区域圈定站点子集，工位与充电桩作为带语义的站点挂在骨架上。

二、站点与路径的数据结构

站点是图的最小单元，建议字段如下（以 JSON 表达，实际可用结构体或数据库表）：

{
  "id": "N3",
  "x": 12.40, "y": 8.75,        // 单位：米，地图原点在左下角
  "zoneId": "Z1",
  "type": "normal",              // normal | station | charger | buffer
  "heading": 90,                 // 停靠朝向，单位：度，逆时针为正
  "capacity": 1                  // 可同时停靠的 AGV 数
}

路径描述两个站点之间的可行驶关系，关键字段是方向与代价：

{
  "id": "E7",
  "from": "N3", "to": "N4",
  "length": 6.20,                // 米，用于代价计算
  "speedLimit": 0.8,             // m/s，取两端区域限速的较小值
  "dir": "single",               // single | both
  "needAuth": true               // 跨区路径需调度授权
}

这里有一个容易出错的约定：方向定义。本文统一约定 from → to 表示允许的行驶方向，dir="both" 时反向也允许。若地图编辑器里画的是无向线段，导入时必须显式展开为两条有向边，否则 A* 会出现“有路走不通”的问题。坐标系同样需要先声明：x 向右为正、y 向上为正、朝向以 x 轴正方向为 0°、逆时针为正，全文与图示保持一致。

三、区域、工位与充电桩的语义扩展

区域不是物理对象，而是站点集合加规则集合。它的典型用途有三类：限速与限行（如装配区限速 0.8 m/s）、互斥占用（同一区域同时只允许 N 台车）、优先级调度（充电区任务优先于普通搬运）。数据结构上只需保存站点 ID 列表与规则列表，规则由调度器在路径代价计算和准入判断时读取。

{
  "zoneId": "Z1",
  "name": "装配区",
  "nodeIds": ["N1", "N2", "N3"],
  "rules": [
    {"type": "speedLimit", "value": 0.8},
    {"type": "maxAgv", "value": 2}
  ]
}

工位与充电桩本质是 type 特殊的站点，但需要额外状态字段。工位的 occupied 由调度器在任务分配时置位，作业完成后释放；充电桩的 slots 表示桩位数，queuePolicy 可取 fifo 或 nearest。把状态放在站点对象上而不是单独维护一张表，好处是路径规划时可以直接把“被占用工位”作为不可达顶点过滤掉，无需额外查询。

工程建议：站点 ID 使用“区域前缀 + 序号”（如 Z1-N03），路径 ID 使用“起点-终点”（如 N3-N4）。这样在日志和排障时，仅凭 ID 就能判断对象属于哪个区域、连接了哪两个点，大幅降低定位成本。

四、从图模型到可执行地图

把上述对象组装成一张可被调度器直接加载的地图，通常包含三个文件或三张表：nodes、edges、zones，工位与充电桩作为 nodes 中 type 非 normal 的记录，附带各自的扩展字段。加载后调度器构建邻接表：

adj[N3] = [ {to: N4, cost: 6.20/0.8, edge: E7, needAuth: true},
            {to: N2, cost: 3.10/0.8, edge: E3, needAuth: false} ]

其中 cost = length / speedLimit，即行驶时间，作为 A* 的边权。若路径 needAuth=true，在扩展该边前先向调度授权模块查询当前是否放行；若目标站点是工位且 occupied=true，则该顶点不可达。这样，路径规划、区域规则、工位占用、充电桩排队四类逻辑就统一收敛到“顶点可达性 + 边权 + 边准入”三个判断点上，实现清晰且易于测试。

验证地图是否正确，可以用一组最小检查：任取两个站点做一次路径搜索，确认返回路径的每一段都存在于 edges 中且方向一致；检查每个工位与充电桩的 nodeId 都能在 nodes 中找到；检查每个 zone 的 nodeIds 非空且不包含不存在的站点。这三项通过后，地图即可进入调度联调阶段。