數(shù)組矩陣虛擬窗體算法在自動分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

安裕強(qiáng)，陳 斌

（紅云紅河集團(tuán) 物流中心，云南 昆明 650000）

1 引言

隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會需求開始呈現(xiàn)小批量、多批次的發(fā)展趨勢[1]。如何高效的完成產(chǎn)品的分揀配貨，在很大程度上決定了順應(yīng)這種趨勢的能力。自動分揀系統(tǒng)作為物流系統(tǒng)的核心技術(shù)設(shè)備之一，是實(shí)現(xiàn)分揀配貨環(huán)節(jié)高效作業(yè)的重要技術(shù)手段。集成自動識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的自動分揀系統(tǒng)，可以有效的配合高度自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)，無縫連接產(chǎn)、存、銷子系統(tǒng)。高度自動化分揀系統(tǒng)，極大地減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了分揀效率和準(zhǔn)確性[2]。為此，本文介紹了一種基于數(shù)組矩陣虛擬窗體算法的自動分揀系統(tǒng)，通過控制核心在分揀設(shè)備上產(chǎn)生、移動若干虛擬窗體，并對其分配邏輯進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對待分揀物料單元定位、跟蹤，完成精確、高效、高速的分揀作業(yè)。

2 自動分揀系統(tǒng)的組成

典型自動分揀系統(tǒng)主要包括控制核心單元、合流設(shè)備、分流設(shè)備、分揀格口四個部分。

控制核心單元是整個系統(tǒng)的中樞，通常使用可編程控制器（PLC）或工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）作為控制核心，核心通過工業(yè)以太網(wǎng)與倉庫管理系統(tǒng)（WMS）等其他需要數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)進(jìn)行通信。通過運(yùn)行存儲在控制核心中的時序程序?qū)υO(shè)備運(yùn)行、機(jī)構(gòu)動作執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)信息通訊等具體功能模塊進(jìn)行監(jiān)視和控制；合流設(shè)備將各上游通道送入的物料單元進(jìn)行匯流，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的物料流。物料單元在合流進(jìn)入物料流的過程中，完成按分揀控制特征進(jìn)行的必要的姿態(tài)調(diào)整；分流設(shè)備接收來自合流設(shè)備的物料流，通過自動識別分揀控制特征，驅(qū)動位于分揀格口的分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，完成向分揀格口的分揀；分揀后的物料單元通過分揀格口進(jìn)入下游處理環(huán)節(jié)。典型的自動分揀系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 基于數(shù)組矩陣的虛擬窗體分揀控制策略

分揀設(shè)備是高速連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，其本身不宜通過物理方式（如設(shè)置框、欄等），來控制合流和分流物料單元的具體位置，因此，本文提出一種基于數(shù)組矩陣的虛擬窗體的分揀控制策略，以實(shí)現(xiàn)自動分揀系統(tǒng)精準(zhǔn)控制。

虛擬窗體是根據(jù)已知的設(shè)備物理?xiàng)l件，通過程序模擬產(chǎn)生的一系列用來控制被分揀物料在設(shè)備上位置的虛擬控制域。窗體的產(chǎn)生、移動、分配和定位控制策略，是分合流設(shè)備實(shí)現(xiàn)成功分揀的關(guān)鍵。

圖1 自動卷煙分揀系統(tǒng)組成圖

3.1 窗體的產(chǎn)生、移動控制策略

為了能夠充分利用分揀設(shè)備的物理尺寸，使分揀作業(yè)高效進(jìn)行，同時又保證物料流流量處于合理范圍，使物料單元間的間距足以讓分合流機(jī)構(gòu)完成動作，就必須合理控制虛擬窗體尺寸，在有限的設(shè)備空間內(nèi)，盡可能連續(xù)的安排虛擬窗體。

設(shè)分合流設(shè)備總輸送長度為L，物料單元體積（高×長×寬）為v=h×l×w，分揀姿態(tài)為長邊指向輸送前進(jìn)方向，在設(shè)備上可以容納窗體最大個數(shù)為N=個，考慮到設(shè)備機(jī)構(gòu)動作間隙和物料間安全距離，需要對物料單元長邊變長和有效窗體長度進(jìn)行修正，修正系數(shù)為a（1.5 ≤a≤2），即前后兩個物料單元的間隔為四分一的邊長。修正后的窗體長度為P=a×l，最大窗體數(shù)虛擬窗體、物料單元、設(shè)備尺寸間關(guān)系如圖2所示。

圖2 虛擬窗體、物料單元、設(shè)備尺寸關(guān)系

窗體的移動使用脈沖進(jìn)行控制，設(shè)脈沖輪輪幅為n，直徑為D，故單脈沖經(jīng)過的圓周距離為：

為了減少脈沖輪誤差累計(jì)的乘數(shù)效應(yīng)造成的窗體移動位置走偏，采用設(shè)置多個脈沖輪同時采集脈沖，并對脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)無偏處理。

3.2 窗體分配的策略

上游輸入通道等間隔部署在分合流設(shè)備的一側(cè)，考慮到效率均衡，必須對多虛擬窗體進(jìn)行分組。因?yàn)槿绻环纸M，沿輸送前進(jìn)方向的遠(yuǎn)端通道優(yōu)先級始終低于近端通道，使得近端通道始終處于合流狀態(tài)，而遠(yuǎn)端處于等待合流狀態(tài)。

為了保證在不同的作業(yè)模式下，設(shè)備都能順利運(yùn)行，將最大窗體數(shù)平均分配到各出庫通道是較為有效的辦法。設(shè)出庫設(shè)備共有M個通道，每一個通道對應(yīng)一個虛擬窗體組，并賦予每一組權(quán)重，當(dāng)β1=β2=…=βM時，各通道合流作業(yè)獲得相同的優(yōu)先級，每組中的虛擬窗體數(shù)相同，窗體個數(shù)為

3.3 虛擬窗體的數(shù)組矩陣

數(shù)組是一個單一數(shù)據(jù)類型對象的集合，集合中的每一個對象可以通過建立索引規(guī)則進(jìn)行單獨(dú)訪問。通過將二維數(shù)組轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)的矩陣，就可以利用矩陣運(yùn)算規(guī)則實(shí)現(xiàn)對數(shù)組的計(jì)算。每個通道有x個虛擬窗體，窗體按照輸送前進(jìn)方向等距離分布在分揀設(shè)備上，通過通道號和單個窗體在各通道組中的序號，可以確定唯一的虛擬窗體，如：i通道對應(yīng)有j個窗體，xij就是一個唯一確定的虛擬窗體。以通道為行、各通道中虛擬窗體序號為列，就形成另一個i×j的數(shù)組，數(shù)組中的每一個元素對應(yīng)于一個虛擬窗體，這樣就建立了代表虛擬窗體的二維數(shù)組矩陣。通過矩陣加法進(jìn)行脈沖累加計(jì)算，就能精確定位和跟蹤每一個窗體在分揀設(shè)備上的位置。

4 基于數(shù)組矩陣的虛擬窗體分揀控制程序?qū)崿F(xiàn)

4.1 系統(tǒng)初始化流程

當(dāng)自動分揀系統(tǒng)控制核心接到上層網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的作業(yè)任務(wù)后，將控制變頻器產(chǎn)生斜坡信號，啟動輸送設(shè)備的驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)中所有電機(jī)完成啟動，并檢測轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)獲取目標(biāo)分揀物料單元的外形尺寸進(jìn)行虛擬窗體初始化，確定窗體尺寸、數(shù)量和激活范圍（因?yàn)椴皇撬型ǖ劳瑫r投入使用），初始虛擬窗體數(shù)組矩陣為，其 中，矩陣中各元素的初始值即為虛擬窗體在設(shè)備上的原點(diǎn)位置。矩陣初值隨脈沖信號的不斷觸發(fā)，進(jìn)行矩陣加法更新。當(dāng)矩陣加法進(jìn)行到設(shè)定的最大值時，虛擬窗體已完成從起始點(diǎn)到起始點(diǎn)的一次循環(huán)，各脈沖輪統(tǒng)計(jì)修正偏差，開始下一個循環(huán)。

4.2 物流單元合流進(jìn)入窗體的控制流程

當(dāng)接到任務(wù)的i通道中有合流物料單元到達(dá)合流口時，會觸發(fā)一個合流請求信號，系統(tǒng)會在信號時點(diǎn)的虛擬窗體數(shù)組矩陣中i行（i的數(shù)值由通道編號決定）中進(jìn)行順序搜索，以獲取該行中距離合流口最近的一個空閑虛擬窗體j。確定合流窗體xij的下標(biāo)后，會生產(chǎn)一個基于xij位置的列向量(0,0,…,xij,…,0,0)T，通過和窗體數(shù)組對應(yīng)i行進(jìn)行矩陣乘法，確定當(dāng)前窗體位置到合流口的距離。當(dāng)窗體移動到合流口后，觸發(fā)合流允許信號，啟動合流設(shè)備動作，將物料送入虛擬窗體中，完成合流，并更新虛擬窗體狀態(tài)。

4.3 輸送機(jī)上的狀態(tài)校驗(yàn)流程

完成合流的物料還需要輸送一段距離才能到達(dá)分揀格口，在這個過程中可能會出現(xiàn)物料因外力離開虛擬窗體和輸送設(shè)備的情況，因此需要對實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行校驗(yàn)，以確定窗體實(shí)時狀態(tài)，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。虛擬窗體中的實(shí)物校驗(yàn)通過安裝在合流設(shè)備上的光電傳感器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)虛擬窗體連續(xù)通過兩個校驗(yàn)位置而沒有觸發(fā)信號時，則認(rèn)為物料丟失，系統(tǒng)將更新當(dāng)前窗體的狀態(tài)，并允許其接受下一次合流申請。當(dāng)卷煙觸發(fā)部署在合流口和分揀格口間所有的光電傳感器，則認(rèn)為虛擬窗體狀態(tài)正常。

4.4 分流格口的確定流程

載有物料單元的虛擬窗體經(jīng)過狀態(tài)校驗(yàn)后，通過分揀特征識別，最終確定分揀格口。經(jīng)過安裝在分揀設(shè)備上的自動識別設(shè)備后，設(shè)備識別RFID、條形碼等特征，匹配已設(shè)定的接受該類物料的分揀格口。確定目標(biāo)分揀格口后，計(jì)算確定當(dāng)前位置到分揀格口的脈沖個數(shù)，并通過虛擬窗體數(shù)組矩陣乘法和脈沖加法，完成脈沖累計(jì)。

4.5 物料分揀離開窗體的控制流程

當(dāng)接到載有合流物料的窗體按照計(jì)算的數(shù)組矩陣結(jié)果到達(dá)分揀格口時，系統(tǒng)會產(chǎn)生分揀信號，啟動分流設(shè)備動作，將物料送離虛擬窗體，完成分揀。分揀完成后，虛擬窗體狀態(tài)會自動更新，并允許接受下一次合流申請。

5 結(jié)語

基于數(shù)組矩陣的虛擬窗體算法控制的自動分揀系統(tǒng)，可以靈活的根據(jù)物料單元的不同外形、尺寸，合、分流設(shè)備的不同設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，擴(kuò)大或縮小虛擬窗體的尺寸，使得分揀系統(tǒng)具有較高的柔性，還可以在設(shè)備機(jī)構(gòu)合理的作業(yè)能力內(nèi)，通過提高脈沖頻率加快分揀作業(yè)速度。此外，由于所有虛擬窗體均由系統(tǒng)自動生成，因此通過整合數(shù)據(jù)庫，虛擬窗體賦予唯一ID號，就能實(shí)現(xiàn)任務(wù)日志、物流單元、分揀信息等多重?cái)?shù)據(jù)綁定整合，使得系統(tǒng)具備良好的通用性，還可以采用開放系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫接口的辦法，對系統(tǒng)分揀的物料信息進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。這些都為將來現(xiàn)代物流物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)做出了有益的幫助和探索。

[1]賈錦珠.物流邁入自動分揀和輸送系統(tǒng)時代[J].中國儲運(yùn), 2008,(6):95-96.

[2]范啟印,馬駿騎,冉文學(xué),干敏耀,劉海昌.虛擬視窗算法在成品煙自動分揀控制中的應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版), 2004,(2):65-68.