虛擬容器算法在卷煙自動分揀系統(tǒng)中應(yīng)用

范文兵+李肇蕊+李文鳳+陳秀華+馬良

摘 要： 針對卷煙自動分揀系統(tǒng)中訂單排列無規(guī)律，分揀效率低的現(xiàn)狀，提出基于“虛擬容器”思想的自動分揀控制算法，通過建立有序排列的“虛擬區(qū)域”和“虛擬線框”，以時(shí)間為依據(jù)建立打煙時(shí)間矩陣，并在LabVIEW 2014平臺調(diào)取鄭州市煙草公司實(shí)際訂單進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，虛擬容器算法可以有效地提高訂單分揀的效率和準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)卷煙分揀系統(tǒng)的智能化控制。

關(guān)鍵詞： 卷煙物流； 虛擬容器； 分揀控制算法； LabVIEW

中圖分類號： TN805?34； TP278 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0134?03

Abstract： For the ruleless order arrangement and low sorting efficiency of the automatic cigarette sorting system， an automatic sorting control algorithm based on the thought of "virtual container" is proposed. The ordered "virtual area" and "virtual wireframe" are established to construct the smoke time matrix based on time. The actual orders of Zhengzhou Tobacco Company are acquired with LabVIEW 2014 platform for simulation. The simulation results show that the virtual container algorithm can improve the efficiency and accuracy of order sorting effectively， and realize the intelligent control of the cigarette sorting system.

Keywords： cigarette logistics； virtual container； sorting control algorithm； LabVIEW

0 引 言

隨著我國煙草物流行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工分揀模式已經(jīng)無法滿足大量訂單的配送貨需求，各地?zé)煵莨径荚诖罅ν七M(jìn)自動分揀系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，在自動分揀過程中如何有序排列訂單，準(zhǔn)確進(jìn)行裝箱打碼成為自動分揀系統(tǒng)優(yōu)化的熱門研究方向。

目前國內(nèi)主要研究成果有以分揀成本最小為目標(biāo)函數(shù)的多約束模型，該方法能夠得到分揀機(jī)組合配置的最優(yōu)方案；基于訂單分析、排隊(duì)理論、聚類分析、迭代優(yōu)化的方法，平衡了人員成本和分揀效率。根據(jù)鄭州市煙草公司的生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)分揀系統(tǒng)存在訂單排列不均、效率偏低，分揀錯誤率高等缺點(diǎn)。為解決上述問題，本文基于“虛擬容器”的思想，設(shè)置了“虛擬區(qū)域”和“虛擬線框”，建立自動分揀控制算法模型[1?3]，結(jié)合鄭州市煙草公司實(shí)際訂單數(shù)據(jù)，在LabVIEW上進(jìn)行仿真，對該算法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，虛擬容器算法有效提高了訂單分揀效率，實(shí)現(xiàn)了卷煙分揀系統(tǒng)的智能化控制。

1 卷煙自動分揀系統(tǒng)

卷煙物流配送中心在接收商業(yè)訂單后，從分揀系統(tǒng)中將客戶的訂單分揀出來進(jìn)行出庫，庫存向分揀系統(tǒng)緩存區(qū)域?qū)崟r(shí)補(bǔ)貨，在庫存區(qū)卷煙數(shù)量少于特定數(shù)量時(shí)，通知廠商訂購商品并存儲進(jìn)庫存中。自動分揀系統(tǒng)應(yīng)該做到出貨準(zhǔn)確，補(bǔ)貨及時(shí)，能夠大量不間斷分揀貨物，分揀誤差率盡可能低，盡可能的減少人工作業(yè)，力求達(dá)到智能化作業(yè)。

1.1 自動分揀系統(tǒng)組成

本文研究的復(fù)合式分揀系統(tǒng)控制區(qū)包括計(jì)算機(jī)以及PLC組成的控制裝置，分揀區(qū)包括通道式分揀設(shè)備和臥式分揀設(shè)備、傳送帶裝置、存儲區(qū)和智能補(bǔ)貨區(qū)。它們通過互聯(lián)網(wǎng)相連接并結(jié)合適當(dāng)?shù)牟僮?，組合成為完整的復(fù)合式分揀系統(tǒng)[4?6]。

1.2 自動分揀系統(tǒng)作業(yè)流程

每臺通道式分揀機(jī)單次作業(yè)分揀五條相同品牌卷煙，每臺臥式分揀機(jī)單次分揀一條相同品牌的卷煙。由于通道式分揀機(jī)分揀的作業(yè)量大并且不易出錯，訂單中需求量大的品牌由通道式分揀機(jī)分揀5的倍數(shù)條卷煙，余數(shù)由臥式分揀機(jī)分揀完成。當(dāng)訂單中某些品牌的訂貨量較小，條煙數(shù)不足5條的倍數(shù)，則直接使用臥式分揀機(jī)進(jìn)行作業(yè)。如圖1所示，通道式分揀機(jī)優(yōu)先排列于分揀口處，每臺分揀機(jī)只對應(yīng)一個(gè)品牌的香煙。分揀開始后，先通過通道式分揀機(jī)進(jìn)行揀選，大量訂單揀選結(jié)束后，由臥式分揀機(jī)對小批量訂單進(jìn)行揀選作業(yè)。當(dāng)分揀機(jī)庫存少于一定數(shù)量后，由智能補(bǔ)貨區(qū)進(jìn)行人工或機(jī)械補(bǔ)貨。

2 基于“虛擬容器”的分揀控制算法

由于多重因素的影響，復(fù)合式分揀系統(tǒng)工作機(jī)制比較復(fù)雜。為了研究復(fù)合式分揀系統(tǒng)工作原理，并對其進(jìn)行建模仿真，引入“虛擬容器”的思想并結(jié)合實(shí)際情況建立自動分揀控制算法模型。

2.1 “虛擬容器”思想

由于分揀完成的訂單在分揀出口的傳輸皮帶上是整齊有序排列的，分揀后排列的每條單位煙之間的距離是基本恒定的。因此假設(shè)訂單在進(jìn)入分揀入口前的順序是確定的，并且按照分揀機(jī)排列的次序，距離分揀口由近到遠(yuǎn)排列，這種將訂單虛擬的規(guī)則排列于分揀入口前的方法即為“虛擬容器”算法。

如圖2所示，每個(gè)訂單所占的位置即為虛擬容器中的“虛擬區(qū)域”，訂單中對應(yīng)一個(gè)分揀機(jī)的單位煙稱為“虛擬線框”。假設(shè)將“虛擬線框”放入訂單的“虛擬區(qū)域”中，并在開始分揀前根據(jù)分揀機(jī)的次序依次列隊(duì)，在開始分揀后，分揀出的卷煙將被裝入相應(yīng)“虛擬線框”中直到其傳送出分揀區(qū)，進(jìn)行配裝操作。

2.2 虛擬容器排列

由于每個(gè)通道式分揀設(shè)備和臥式分揀設(shè)備都分別對應(yīng)一個(gè)特定品牌香煙，通道式和臥式分揀設(shè)備每次揀選的卷煙數(shù)量分別為5條和1條，分揀機(jī)從靠近分揀入口處開始放置，按照先通道式后臥式的規(guī)律依次排列，所以虛擬訂單區(qū)域在分揀入口前也應(yīng)該按照此規(guī)律排列。endprint

大“虛擬線框”放置通道式分揀機(jī)打出的5條煙，小“虛擬線框”放置臥式分揀機(jī)打出的單條煙。從分揀開始時(shí)，每個(gè)訂單及訂單中的條煙排列次序都是確定的，條煙所在“虛擬線框”到對應(yīng)分揀機(jī)的距離是可以提前計(jì)算的，結(jié)合皮帶傳送速度，可以導(dǎo)出自動分揀系統(tǒng)的控制算法。

2.3 自動分揀控制算法

由上述算法可知，每個(gè)“虛擬線框”在“虛擬區(qū)域”排列到從分揀設(shè)備打出的時(shí)間是能夠確定的，因此可以以時(shí)間為依據(jù)，建立訂單分揀時(shí)間矩陣，將時(shí)間數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)控制裝置，分揀開始時(shí)計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)“虛擬線框”相應(yīng)時(shí)間[Tik]時(shí)，[k]號分揀機(jī)工作，將對應(yīng)品牌的卷煙打入傳送裝置中。

3 實(shí)際案例分析

根據(jù)上述算法結(jié)合鄭州市煙草公司實(shí)際訂單進(jìn)行分析，調(diào)用Access數(shù)據(jù)庫訂單如圖4所示，自動分揀系統(tǒng)由6臺通道式分揀機(jī)和10臺臥式分揀機(jī)組成，香煙品牌分為10種，分別為紅旗渠、中華、蘇煙、芙蓉王、玉溪、紅雙喜、紅河、利群、嬌子、香格里拉。前6種品牌香煙訂購需求量大，使用通道式分揀設(shè)備先進(jìn)行揀選作業(yè)，其對應(yīng)分揀機(jī)編號分別為1～6號，余數(shù)使用臥式分揀機(jī)進(jìn)行揀選，分揀機(jī)編號分別為7～12號，后4種品牌香煙訂購需求量小，只使用臥式分揀設(shè)備分揀，分揀設(shè)備編號分別為13～16號。

根據(jù)上述分揀控制算法，首先需要將虛擬容器連續(xù)整齊排列，以第一個(gè)客戶為例，生成的排列方式見圖5。

定義通道式分揀機(jī)“虛擬線框”長度為30 cm，臥式分揀機(jī)“虛擬線框”長度為120 cm，由此可以確定每個(gè)分揀設(shè)備到達(dá)起始點(diǎn)的距離，設(shè)置訂單間距為150 cm，傳送皮帶速度為2 m/s，可以得到第一個(gè)客戶第10號單位煙到達(dá)其對應(yīng)分揀機(jī)的時(shí)間為：

通過上述分析可將所有客戶訂單的分揀機(jī)打煙動作時(shí)間計(jì)算出來，并輸入PLC進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的分揀。

4 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證上述自動分揀控制算法的可行性，實(shí)際研究中，結(jié)合實(shí)際訂單，在LabVIEW 2014平臺上對自動分揀系統(tǒng)進(jìn)行仿真[7?8]，系統(tǒng)仿真界面如圖6所示。

調(diào)試仿真程序時(shí)，首先調(diào)用Access訂單數(shù)據(jù)庫向系統(tǒng)下達(dá)訂單，并將其讀取至主界面中并設(shè)置分揀系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，分別為訂單間距、單位條煙寬度、皮帶運(yùn)行速度等，設(shè)置不同的參數(shù)會對條煙分揀效率產(chǎn)生影響。

通過分揀控制算法計(jì)算出每個(gè)分揀機(jī)動作的時(shí)間、分揀開始時(shí)、到達(dá)特定時(shí)刻，對應(yīng)分揀機(jī)就會向輸送皮帶打煙，形成有序的訂單隊(duì)列，并由皮帶傳送訂單向右運(yùn)行直至運(yùn)出分揀出口。通過LabVIEW系統(tǒng)仿真結(jié)果得出，模擬分揀設(shè)備按照本文控制算法進(jìn)行打煙操作，訂單能夠整齊有序的進(jìn)行分揀，并統(tǒng)計(jì)相應(yīng)時(shí)間內(nèi)分揀條煙數(shù)量，沒有出現(xiàn)隊(duì)列交錯的錯誤，繼而驗(yàn)證該算法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

本文提出的基于“虛擬容器”思想的分揀控制算法，通過建立“虛擬區(qū)域”和“虛擬線框”，計(jì)算出分揀機(jī)打煙時(shí)間數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用于鄭州市煙草公司實(shí)際訂單分揀中，實(shí)現(xiàn)了卷煙物流智能化揀選，減少了人工控制環(huán)節(jié)。

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