基于二維碼卷煙智慧供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)可靠性研究

黃飛杰，尹健康，宋紅文，肖 駿，賀紅梅

（1. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 互聯(lián)網(wǎng)研究中心，廣西 南寧530000；2. 四川省煙草公司 成都市公司，四川 成都610014；3. 西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽621010）

0 引 言

二維碼實(shí)現(xiàn)了人與物、物與物之間的對話，可實(shí)現(xiàn)行業(yè)生態(tài)環(huán)境中各個元素的快速連接，二維碼連接開始，信息開始產(chǎn)生。煙草行業(yè)數(shù)據(jù)沒有形成一個完整的封閉鏈，煙草行業(yè)擬借助二維碼完成全域數(shù)據(jù)采集，煙草商業(yè)端二維碼數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)在卷煙物流分揀環(huán)節(jié)完成。

卷煙分揀系統(tǒng)是自動化程度較高的分揀系統(tǒng)，在分揀系統(tǒng)上最小的分揀對象是條煙，對于訂單核對和防偽，在分揀過程中多采用圖形圖像識別、RFID 等技術(shù)輔助完成。關(guān)宏等人描述了條煙分揀系統(tǒng)依照上位管理計算機(jī)下達(dá)的任務(wù)指令進(jìn)行自動分揀工作，它是由很多臺自動分揀機(jī)組成的機(jī)組系統(tǒng)；自動分揀機(jī)是以一個訂單的分揀為一個工作周期的模式進(jìn)行工作的[1]。馮春等人通過搭建視覺系統(tǒng)平臺，對獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理，提出了一種“兩步法”的輪廓提取算法，完成每一個訂單內(nèi)各條煙品牌和數(shù)量的核對，可以滿足日均配送量約5萬條的能力[2]。劉靖等人分析了條煙在分揀過程中，因光電響應(yīng)時間、件煙緩沖區(qū)距離、檢測器參數(shù)設(shè)置不合理等原因，經(jīng)常會出現(xiàn)件煙堵塞和檢測誤報等現(xiàn)象，造成成品卷煙出庫時件煙損壞的現(xiàn)象，并給出解決原理[3]。冉文學(xué)等人根據(jù)模糊層次分析法評選各個因素的重要程度，使企業(yè)在采納RFID 技術(shù)時，增加分揀系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率[4]。李存兵介紹了利用差速皮帶輸送線，針對煙草異型包裝卷煙打碼整體解決方案，為實(shí)現(xiàn)卷煙物流全程跟蹤提供了技術(shù)保障[5]。

國內(nèi)對于條煙整形主要是在工業(yè)公司煙廠生產(chǎn)階段，周奎田為解決超高速包裝機(jī)組條煙透明紙存在松弛、皺褶等問題，設(shè)計了氣流加熱式整形裝置，能夠?qū)l煙透明紙6 個面同步熨燙，均勻加熱收縮，將產(chǎn)品外觀市場抽檢合格率由95.6%提高到98.5%[6]。植軍平對于ZB45 硬盒包裝機(jī)組的條玻美容器排煙不暢、竄煙等故障，改進(jìn)滑套的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)及條煙定位方式，減少卡煙、排煙不暢和竄煙[7]。用于商業(yè)公司分揀階段的資料較少，用于二維碼貼碼和讀碼的煙姿整形未見資料。李虎針對就分揀系統(tǒng)上一號工程打碼時存在碼段傾斜、缺失和漏碼的現(xiàn)狀，研發(fā)條煙姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)，利用步進(jìn)電機(jī)—滾珠絲杠系統(tǒng)控制打碼機(jī)橫向位移，實(shí)現(xiàn)打碼位置的準(zhǔn)確控制和任意可調(diào)[8]。姜懷業(yè)設(shè)計了雙通道超高速條煙提升機(jī)，減少了條煙在滾輪和鏈板上表面的滑動摩擦，條煙折角、表面薄膜劃痕等缺陷降到0.5%以下[9]。

1 二維碼貼碼掃碼存在的問題

三碼分別指一號工程碼，是國家局為準(zhǔn)確及時采集商業(yè)企業(yè)系統(tǒng)外銷售數(shù)據(jù)，在分揀環(huán)節(jié)對條煙進(jìn)行激光打碼，用以作為該條煙的唯一身份標(biāo)識，條煙激光打碼主要采用數(shù)字碼，共32 位；條煙品牌碼是在工業(yè)生產(chǎn)時條煙包裝自帶的一維條碼，用于標(biāo)識卷煙所屬品牌和規(guī)格，針對無條碼或條碼不規(guī)則的品牌規(guī)格，通過建立虛擬條碼方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；條煙二維碼是每條卷煙設(shè)計唯一的二維碼（一條一碼），并制作為實(shí)體二維碼標(biāo)簽，通過條煙精準(zhǔn)賦碼將二維碼標(biāo)簽貼粘到每條卷煙上，包括正常包裝卷煙和異型包裝卷煙。增加到分揀環(huán)節(jié)的貼碼工序，實(shí)現(xiàn)了條煙二維碼、品牌碼和一號工程碼三個碼的信息關(guān)聯(lián)（簡稱“三碼合一”），這是實(shí)現(xiàn)條煙質(zhì)量追溯的主要依據(jù)和核心所在。

在現(xiàn)有工序基礎(chǔ)上，通過在物流分揀線打碼段皮帶上增加二維碼貼標(biāo)及采集設(shè)備、條煙品牌條型碼識別設(shè)備，通過后臺數(shù)據(jù)融合清洗，實(shí)現(xiàn)“三碼合一”工作。以標(biāo)準(zhǔn)煙分揀線為例，精準(zhǔn)打碼數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)流程如圖1 所示：（1）“一號工程碼”的32 位激光打碼機(jī)從后臺數(shù)據(jù)庫讀取分揀打碼訂單及一號工程條碼信息，完成打碼工序；（2）通過二維碼貼碼機(jī)，為每條卷煙進(jìn)行賦碼，完成貼二維碼；（3）利用二維碼掃碼設(shè)備采集條煙二維碼信息；（4）利用一維條碼采集條煙品牌信息；（5）根據(jù)采集的二維碼、條煙品牌碼與一號工程32 位碼建立一一對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)融合后并寫入后臺數(shù)據(jù)庫，完成“三碼合一”工序。

圖1 “三碼合一”數(shù)據(jù)采集原理圖

步驟（2）、（3）、（5）是新增加的工序，為了滿足技術(shù)指標(biāo)中“三碼合一”的合格率高于99%，首先在設(shè)備選型上，所選設(shè)備的貼碼和讀碼成功率都高于99.9%；其次，需要將設(shè)備安裝在分揀系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)選擇現(xiàn)有實(shí)際的分揀系統(tǒng)上，在32 位激光打碼機(jī)后，加裝二維碼貼碼和二維碼采集設(shè)備；分揀系統(tǒng)完成每日的分揀任務(wù)后，會有幾個小時的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)時間，聯(lián)調(diào)時間選擇在設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的時間段開展。每次聯(lián)調(diào)采用4000 條/組，計算合格率，合格率指三碼數(shù)據(jù)正確關(guān)聯(lián)條數(shù)與總測試數(shù)量比值。如表1 所示，經(jīng)過多次聯(lián)調(diào)，合格率平均92.07%。在表2 中，顯示在導(dǎo)致不合格的故障中，二維碼的貼標(biāo)工序故障占比98.71%。

如圖2 所示，條煙與分揀夾角大于30 度，或者條煙間距小于2 厘米，定義為條煙姿態(tài)故障。為了降低二維碼貼標(biāo)工序故障率，夾角最好小于15 度。表3 統(tǒng)計了二維碼貼標(biāo)工序故障率，顯示條煙姿態(tài)故障是導(dǎo)致貼標(biāo)故障的最主要的原因。

綜上所述，造成“三碼合一”合格率不高的最主要的原因就是條煙姿態(tài)故障。

2 條煙整形裝置設(shè)計

在調(diào)試階段，每組總數(shù)NN 為4000 條煙，未整形情況下，測試二十組，不合格均值N 為318 條；由表2、表3 測試數(shù)據(jù)可知，二維碼貼碼工序故障率為ρ 為98.71%，條煙煙姿故障率為σ 為85.31%，由式（1）計算得知，條煙煙姿故障造成的“三碼合一”不合格數(shù)M 為267.7 條；為了滿足“三碼合一”合格率設(shè)計指標(biāo)δ 大于99%的要求，公式（2）得，整形后的不合格條煙數(shù)量M1需小于57.1 條，式中η 是通過軟件邏輯的糾錯處理率，對于設(shè)備、環(huán)境等造成的“多煙”（條煙數(shù)量比訂單數(shù)多）、“少煙”（條煙數(shù)量比訂單數(shù)少）、“錯煙”（條煙品牌數(shù)量與訂單信息不一致），理論上能實(shí)現(xiàn)30%～60%的糾錯，在此η 取值30%。由公式（3）得到，當(dāng)整形合格率Ω 大于98.57%，即可保證最終的“三碼合一”合格率滿足設(shè)計指標(biāo)99%的要求。

表1 “三碼合一”合格率

表2 工序故障率

圖2 二維碼貼碼和掃碼工序?qū)l煙姿態(tài)的要求

表3 二維碼貼標(biāo)工序故障統(tǒng)計表

整形原理如圖3 所示：（1）在分揀前段，邊沿有毛刷，毛長5 毫米，對條煙初步整形，使條煙與邊沿不接觸，避免整形后由于接觸導(dǎo)致斜煙；（2）當(dāng)光電開關(guān)檢測到條煙隊列時，讀取訂單數(shù)據(jù)，計算隊列通過時間，啟動計時器；同時啟動電磁閥，電磁閥驅(qū)動氣缸動作，檔板下降擋住條煙，隊列中條煙依次靠攏，條煙長邊與前進(jìn)方向垂直；如果擋板正好壓在斜煙之上，隊列中的條煙靠攏后，是無法達(dá)到整形的目的，在后期的測試中證明，正好壓在斜煙上的概率非常低，總體的整形成功率能夠滿足要求；（3）當(dāng)計時器時間到，啟動電磁閥，電磁閥驅(qū)動氣缸動作，檔板上升放行條煙；分揀線MN 段與XY 段的速度差，能夠滿足整形后條煙間距大于2 厘米。

2.1 分揀線XY 段的速度計算

擋煙調(diào)整條煙姿態(tài)后，條煙是并在一起的，采用分揀線分段差速調(diào)節(jié)條煙之間的間距。圖3 中，已知MN 段的線速度v1是1.35 米/秒，條煙寬度W 是8.8 厘米，調(diào)節(jié)后的條煙間距D 需大于2 厘米，所以XY 段的線速度v2應(yīng)符合公式（4）。

2.2 零部件設(shè)計與選型

零部件的設(shè)計和選項原則上采用技術(shù)成熟的，技術(shù)人員能夠熟練掌握的零部件，同時為了確保不影響已有的分揀系統(tǒng)運(yùn)行，在結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)行速度上滿足功能需求的基礎(chǔ)上，也需要兼顧已有系統(tǒng)。在此原則下，選擇的控制系統(tǒng)是PLC 編程控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇了已經(jīng)在分揀系統(tǒng)中應(yīng)用的單向電磁閥，選型參數(shù)是響應(yīng)時間，并做了單獨(dú)實(shí)驗測試。開關(guān)選型從檢測距離及響應(yīng)時間參數(shù)，選擇了鏡面反射光電開關(guān)，滿足要求[10]。

2.3 整形裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 條煙姿態(tài)整形原理

由圖4 可知整形裝置的結(jié)構(gòu)分為兩個部分，（1）支架部件，可以使整個裝置固定在分揀線上，同時安裝傳感器、光電開關(guān)、電磁閥以及氣缸。（2）執(zhí)行部件，由氣缸、軸，鉸鏈、擋板構(gòu)成，完成下放檔煙，上升放行的功能[11]。

圖4 條煙整形裝置結(jié)構(gòu)圖

擋板形狀的設(shè)計和選擇，需滿足美觀、不會損煙，壓條煙過程中，可能壓到條煙邊上，條煙不至于翻轉(zhuǎn)跳動；初選了長方形、橢圓形、方形加上翹弧形結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場各8 小時測試，方形加上翹弧形結(jié)構(gòu)能夠滿足上述要求。

防疊煙機(jī)構(gòu)設(shè)計，從結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系，由軸完成，初選了多契帶材料阻尼、輥筒阻尼、軸承組阻尼三種結(jié)構(gòu)，各自通過8小時現(xiàn)場測試，軸承組阻尼結(jié)構(gòu)能夠連續(xù)工作，在防疊煙的基礎(chǔ)上，沒有產(chǎn)生卡煙、疊煙的現(xiàn)象，故選用。

3 調(diào)試與整形效果

條煙整形裝置經(jīng)過調(diào)試后，安裝在分揀III 段處。經(jīng)過一個月的實(shí)際運(yùn)行，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4 所示，條煙整形裝置整形的合格率是99.96%；“三碼合一”合格率提升到99.4%，完全達(dá)到了設(shè)計要求。

表4 整形合格率與“三碼合一”合格率統(tǒng)計單位：%

4 結(jié) 論

分揀系統(tǒng)上設(shè)備眾多，當(dāng)出現(xiàn)故障時，可能是多個因素造成的。本文通過統(tǒng)計分析“三碼合一”合格率不高的原因，找出條煙姿態(tài)故障率是最關(guān)鍵的因素。通過計算發(fā)現(xiàn)，條煙整形合格率大于98.57%時，能夠滿足“三碼合一”合格率的技術(shù)指標(biāo)。利用分揀系統(tǒng)的維護(hù)時間，在實(shí)際分揀系統(tǒng)上進(jìn)行聯(lián)調(diào)，單獨(dú)實(shí)驗、利用成熟技術(shù)設(shè)計選型等方法，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了條煙整形裝置，通過分揀系統(tǒng)一個月的實(shí)際運(yùn)行，使“三碼合一”的合格率提升到了99.37%，滿足了二維碼系統(tǒng)設(shè)計的要求。