一種應(yīng)用于生產(chǎn)型物流的分揀方法

徐漢均，王 蕾，張靖瑄，夏忠耀

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著工業(yè)4.0概念的日趨完善，社交電商的快速發(fā)展，廣義物流配套的逐步跟進(jìn)，近年來(lái)，企業(yè)對(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)力和發(fā)貨需求有爆發(fā)性增長(zhǎng)，促使國(guó)內(nèi)外大型自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、配送系統(tǒng)迅速發(fā)展。然而傳統(tǒng)的人工分揀模式顯然已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的貨物流量，因此基于智能識(shí)別和自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的解決方案被提出，并大量的應(yīng)用于貨到人系統(tǒng)及配送發(fā)貨系統(tǒng)中。目前應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)發(fā)貨的分揀系統(tǒng)已經(jīng)日益成熟，但是在入庫(kù)方面，很多生產(chǎn)型工廠由于產(chǎn)線數(shù)量多、排布分散、物流倉(cāng)庫(kù)與生產(chǎn)車間距離相對(duì)較遠(yuǎn)等問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線與物流線的一一對(duì)接。針對(duì)這種情況，為達(dá)到生產(chǎn)工藝和物流系統(tǒng)的自動(dòng)化對(duì)接，先匯流再分流的物流輸送模式應(yīng)運(yùn)而生，將分揀系統(tǒng)更加靈活的應(yīng)用于不同方向。本文以某電器行業(yè)工廠的生產(chǎn)型物流系統(tǒng)為背景，討論一種在入庫(kù)流程中的分揀方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 應(yīng)用環(huán)境

某電器生產(chǎn)工廠新建物流配送中心，為匹配舊工廠產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)分散生產(chǎn)和集中入庫(kù)的物流管理模式，系統(tǒng)采用跨工廠長(zhǎng)距離輸送方案。方案中每條主線對(duì)應(yīng)多種產(chǎn)品的生產(chǎn)線，多批次多品種的貨物在產(chǎn)線和主線接口處進(jìn)行合流，主線承擔(dān)多種貨物混合輸送的壓力。由于立庫(kù)WMS管理系統(tǒng)要求托盤上貨物品種必須唯一，大量產(chǎn)品從通過(guò)主線運(yùn)輸至庫(kù)區(qū)后，在碼垛上托盤之前必須完成產(chǎn)品和批次的分類，本系統(tǒng)則應(yīng)用于此生產(chǎn)型物流的入庫(kù)環(huán)節(jié)中，解決產(chǎn)品的分類輸送問(wèn)題。

圖1 整體流程結(jié)構(gòu)

1.2 貨物單元

系統(tǒng)輸送的貨物單元為四方體紙箱，紙箱尺寸最小為500 m m×360 m m×200 m m，最大為1280mm×780mm×680mm，重量在10kg～50kg不等。貨物種類達(dá)300種以上，單個(gè)分揀系統(tǒng)日分揀需求1萬(wàn)件以上，平均分揀效率大于1200件/小時(shí)。從數(shù)據(jù)可以看出貨物的尺寸和重量差異大，貨物種類多，系統(tǒng)分揀量大。這種客觀條件對(duì)系統(tǒng)的兼容性要求更高，需要系統(tǒng)擁有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和處理能力，同時(shí)對(duì)信息精準(zhǔn)性要求更高。

1.3 分揀控制流程

受人工分揀模型啟發(fā)，以工業(yè)相機(jī)代替人眼，以輸送設(shè)備和分揀設(shè)備取代人工搬運(yùn)能力，充分發(fā)揮機(jī)器可高速連續(xù)工作的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)系統(tǒng)控制可以實(shí)現(xiàn)大量貨物的分揀任務(wù)。

圖2 分揀系統(tǒng)控制流程

2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 靠邊機(jī)構(gòu)

分揀系統(tǒng)的第一個(gè)功能模組，由8～10根傾角約30°的滾筒構(gòu)成，是本系統(tǒng)物流方向的入口，承接箱式線的主線。大小不一訂單不同的紙箱在主線以一定間距運(yùn)行，通過(guò)靠邊機(jī)構(gòu)統(tǒng)一完成規(guī)右側(cè)貼邊前進(jìn)。目的是在信息識(shí)別環(huán)節(jié)使紙箱貼碼側(cè)與掃碼器相對(duì)位置一致，從而保證識(shí)別率。

2.2 識(shí)別模塊

識(shí)別模塊銜接靠邊機(jī)構(gòu)，由一個(gè)工業(yè)級(jí)高端線性相機(jī)和其皮帶輸送裝置組成，在紙箱穩(wěn)定的行進(jìn)過(guò)程中截取紙箱迎面貼標(biāo)上的二維碼圖像并解析，將信息寫(xiě)入PLC事先建好的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.3 數(shù)據(jù)交互模塊

信息采集成功以后，數(shù)據(jù)庫(kù)中的有效信息將一直處于等待被采集的狀態(tài)，上位機(jī)取得數(shù)據(jù)以后將對(duì)其進(jìn)行邏輯判斷和訂單匹配等操作，同時(shí)完成分道去向或剔除去向的下發(fā)，該模塊由長(zhǎng)4米以上的輸送系統(tǒng)構(gòu)成，需要預(yù)留一定交互時(shí)間，以保證物流通暢性。

2.4 斜輪分揀機(jī)

分揀機(jī)為分揀系統(tǒng)的核心設(shè)備，其包含1條主線和10條支線，主線由多組皮帶機(jī)和10組氣動(dòng)斜輪構(gòu)成，每條支線包含7個(gè)緩存位，支線銜接自動(dòng)碼垛平臺(tái)，將分類好的貨物由支線運(yùn)送至碼垛系統(tǒng)中，完成碼垛入庫(kù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 物流信息提取

系統(tǒng)承載的貨物單元為紙箱，從肉眼角度無(wú)法通過(guò)外觀識(shí)別紙箱的貨物信息，所有貨物有效信息存儲(chǔ)在產(chǎn)品貼標(biāo)上尺寸4cm×4cm的二維碼中。由于生產(chǎn)線工藝限制，貼標(biāo)位置位于紙箱輸送方向的正面，不同紙箱的正面截面積相差較大，貼標(biāo)位置不固定，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中拍照形式的圖像采集系統(tǒng)無(wú)法很好的捕獲圖像。而且區(qū)別于出庫(kù)揀選系統(tǒng)終端有人工操作的模式，本系統(tǒng)是嵌入在入庫(kù)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，無(wú)法對(duì)異常紙箱進(jìn)行及時(shí)的跟蹤處理，因此對(duì)識(shí)別率的要求較高。根據(jù)日產(chǎn)量和剔除位存放能力評(píng)估，識(shí)別率最好高達(dá)99.95%以上。針對(duì)這種實(shí)際問(wèn)題，本系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)高端線性相機(jī)對(duì)紙箱正面圖像進(jìn)行掃描。

線性相機(jī)不同于傳統(tǒng)相機(jī)，傳統(tǒng)相機(jī)每次拍照時(shí)都需要捕獲整個(gè)截面的圖像，并對(duì)其中的條形碼或二維碼進(jìn)行解析。線性相機(jī)在識(shí)別對(duì)象經(jīng)過(guò)時(shí)，將對(duì)象的每一個(gè)像素線條建立圖像，最終合成整張圖片。這種相機(jī)必須結(jié)合編碼器計(jì)算對(duì)象經(jīng)過(guò)時(shí)的實(shí)時(shí)速度，且曝光次數(shù)極少，可以生成更高分辨率的圖像，對(duì)提高識(shí)別率起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)工業(yè)相機(jī)在圖像采集過(guò)程中易受光照等因素影響，在動(dòng)態(tài)識(shí)別過(guò)程中往往配合中值濾波器一同使用。線性相機(jī)在理論上由于曝光特性應(yīng)受光照的影響很小，但是由于其分次采集線性圖像的特性，目標(biāo)對(duì)象在運(yùn)行過(guò)程中如果上下顛簸就會(huì)對(duì)其識(shí)別率影響較大。且編碼器的速度匹配要求較高，如果輥道表面過(guò)于光滑發(fā)生打滑現(xiàn)象，相機(jī)將無(wú)法準(zhǔn)確變焦。圖3、圖4為輥道輸送和皮帶輸送模式下的效果圖。

圖3 輥道輸送邊緣呈波浪線，變焦線未對(duì)準(zhǔn)

圖4 皮帶輸送邊緣整齊，識(shí)別成功

我們?cè)诓煌庠戳炼拳h(huán)境下對(duì)皮帶輸送和輥道輸送分別進(jìn)行了約10萬(wàn)箱通過(guò)次數(shù)的識(shí)別率統(tǒng)計(jì)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同條件的識(shí)別率

實(shí)測(cè)結(jié)果：在明亮的環(huán)境下，用皮帶輸送機(jī)輸送，識(shí)別率99.95%，用輥道輸送機(jī)輸送，識(shí)別率98.4%；

圖6 識(shí)別過(guò)程

在灰暗的環(huán)境下，用皮帶輸送機(jī)輸送，識(shí)別率99.94%，輥道輸送機(jī)輸送，識(shí)別率98.04%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與猜測(cè)的影響因子基本一致，因此在識(shí)別模塊我們采用皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸貨物來(lái)保證貨物運(yùn)行的穩(wěn)定性。

線性相機(jī)結(jié)構(gòu)包括4組元件，邊距檢測(cè)模塊，光源觸發(fā)模塊，成像鏡，增量型編碼器。識(shí)別對(duì)象經(jīng)過(guò)邊距檢測(cè)激光時(shí)喚醒相機(jī)，觸發(fā)光源亮起，同時(shí)測(cè)量紙箱高度與截面寬度。當(dāng)紙箱經(jīng)過(guò)觸發(fā)光源時(shí)，根據(jù)算法將成像鏡中的圖像與運(yùn)行速度匹配以確定變焦線位置，在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中完成圖像采集，并進(jìn)行二維碼捕獲和識(shí)別。識(shí)別結(jié)束將信息存儲(chǔ)至緩存區(qū)，待紙箱運(yùn)行到設(shè)定位置時(shí)將緩存信息發(fā)送至PLC，若長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有紙箱經(jīng)過(guò)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。根據(jù)下降沿識(shí)別完畢的邏輯，紙箱尺寸L*W*H，觸發(fā)光源角度，邊緣檢測(cè)安裝距觸發(fā)源且，可得安全識(shí)別距離表達(dá)式：

帶入最大紙箱尺寸和安裝角度，可得識(shí)別距離最小約2400mm，因此選用長(zhǎng)度約4m的一體式皮帶輸送機(jī)。并且由于皮帶機(jī)的啟停會(huì)影響編碼速度反饋效果，影響讀取率，系統(tǒng)通過(guò)控制邏輯在進(jìn)入識(shí)別模塊之前會(huì)對(duì)前方擁堵可能性進(jìn)行預(yù)判，最大程度規(guī)避在識(shí)別過(guò)程中的啟停動(dòng)作，讓紙箱連續(xù)不間斷的通過(guò)，以達(dá)到高讀取率的使用效果。

3.2 分揀排序邏輯

斜輪分揀機(jī)從運(yùn)行模式角度看，符合排隊(duì)式的順序邏輯。這種邏輯是國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的控制邏輯，類似于過(guò)程控制，數(shù)據(jù)次序與貨物次序一一對(duì)應(yīng)，以堆棧形式分段存儲(chǔ)，通過(guò)傳感器信號(hào)進(jìn)行壓棧和出棧操作，同時(shí)觸發(fā)分揀機(jī)構(gòu)動(dòng)作。這種模式的邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，但是有其特定的問(wèn)題，比如它的系統(tǒng)容錯(cuò)性較低，傳感器的誤觸發(fā)會(huì)使隊(duì)列錯(cuò)亂，數(shù)據(jù)與貨物無(wú)法對(duì)應(yīng)，最終導(dǎo)致分揀結(jié)果錯(cuò)誤。這種算法應(yīng)用于發(fā)貨分揀系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響相對(duì)較小，如偶爾出現(xiàn)混道現(xiàn)象，人工在揀選時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤貨品可及時(shí)停止并更正系統(tǒng)。但是在本文介紹的生產(chǎn)入庫(kù)流程中，由于工單種類多，流量密度大，誤信號(hào)更容易產(chǎn)生。全自動(dòng)運(yùn)行模式下一旦出現(xiàn)混道現(xiàn)象將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成難以處理的后果，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)工廠的生產(chǎn)源頭。針對(duì)這一難題，我們參考鐵路公交“買票入座到站下車”的模式，開(kāi)發(fā)了一種離散式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法，并借助循環(huán)中斷建立虛擬脈沖，用脈沖標(biāo)定所有紙箱位置并綁定其信息，以脈沖記錄和格口開(kāi)關(guān)相互校驗(yàn)的模式，進(jìn)行分揀動(dòng)作。這種基于脈沖的分揀模式，對(duì)數(shù)據(jù)沒(méi)有排序要求，就像買票一樣不需要依次落座，只要是空位就可以坐，因此極大的降低了各傳感器的重要性，解決了由傳感器引發(fā)的混道問(wèn)題，最終達(dá)到了提高系統(tǒng)冗余性的效果。

數(shù)據(jù)表作為存儲(chǔ)基礎(chǔ)，以數(shù)組格式呈現(xiàn)，方便訪問(wèn)。元素結(jié)構(gòu)包含三個(gè)要素：1）SIGNAL代表標(biāo)識(shí)位；2）DES表示元素綁定的紙箱對(duì)應(yīng)的格口信息；3）MC表示紙箱個(gè)體的行進(jìn)脈沖值。每個(gè)格口有固定的“脈沖區(qū)間”。所有的有效數(shù)據(jù)中的脈沖變量“PLS”都隨著主線的運(yùn)行和全局脈沖進(jìn)行累加。直到PLS進(jìn)入對(duì)應(yīng)去向的格口號(hào)脈沖區(qū)間，并發(fā)起分揀請(qǐng)求，完成格口傳感器的校驗(yàn)后，擺輪進(jìn)行分揀動(dòng)作。對(duì)未成功分揀的紙箱，PLS會(huì)一直累加直到達(dá)到剔除脈沖，清空元素信息。

脈沖的概念對(duì)于這種分揀模式十分重要，本系統(tǒng)采用虛擬脈沖作位置記錄，定位的精準(zhǔn)度會(huì)受到打滑或空轉(zhuǎn)等設(shè)備因素影響。因此設(shè)備的啟停會(huì)使脈沖失準(zhǔn)，當(dāng)失準(zhǔn)距離與后箱發(fā)起請(qǐng)求的覆蓋區(qū)域重疊則會(huì)造成分揀異常。針對(duì)該問(wèn)題，我們以某一分揀道為測(cè)試對(duì)象，在系統(tǒng)不暫停的情況下對(duì)脈沖波動(dòng)情況進(jìn)行多次測(cè)試和記錄，和隨著啟停次數(shù)的增加對(duì)脈沖數(shù)值的影響進(jìn)行記錄，如圖7、圖8所示。

圖7 多種重量不一的紙箱在連續(xù)運(yùn)行中的脈沖值

圖8 不同啟停次數(shù)的脈沖值

通過(guò)圖7可以看到不同的紙箱在不暫停的條件下運(yùn)行至該分揀道所需脈沖值最大538最小534，上下浮動(dòng)誤差為2個(gè)脈沖周期2T，圖8中所示隨著暫停次數(shù)的增加脈沖值有類似線性的上升趨勢(shì)，證明啟停過(guò)程是存在打滑現(xiàn)象的，會(huì)導(dǎo)致脈沖誤差。針對(duì)這種情況，我們做了一種補(bǔ)償算法，對(duì)于某一紙箱經(jīng)歷的啟停次數(shù)N，如果N＞Nmax那么將對(duì)其進(jìn)行剔除的操作。Nmax為安全暫停次數(shù)，根據(jù)分揀請(qǐng)求發(fā)起的預(yù)留脈沖和紙箱最短間距的設(shè)定進(jìn)行計(jì)算。每次暫停的影響取圖8中最大值3T，可得到表達(dá)式：

x為浮動(dòng)值，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。正常運(yùn)行過(guò)程中主線少有帶貨暫停的情況，因此Nmax可以獲得一個(gè)較小的值，以縮短紙箱間距，提高系統(tǒng)效率。

基于脈沖的分揀模式在入庫(kù)的應(yīng)用中具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)：1）有效提高系統(tǒng)冗余性，由于采用脈沖校驗(yàn)的模式，可以對(duì)傳感器的誤信號(hào)過(guò)濾，未通過(guò)校驗(yàn)的異常信號(hào)不會(huì)影響到任何一組分揀，例如運(yùn)行中插放一個(gè)紙箱或者拿走一個(gè)紙箱，均對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響。2）增強(qiáng)了混道故障的可追溯性，根據(jù)脈沖式分揀的原理，可以分析已經(jīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)是不會(huì)出現(xiàn)大批串道情況的，對(duì)于個(gè)別串道的情況可以直接檢查錯(cuò)誤道口的校驗(yàn)開(kāi)關(guān)或分揀機(jī)械機(jī)構(gòu)。3）節(jié)能降噪模式非常靈活，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)表中去向和脈沖等屬性的查詢，針對(duì)不同去向不同位置的箱子做出判斷，靈活啟停對(duì)應(yīng)皮帶驅(qū)動(dòng)。

3.3 與WCS信息交互

線性相機(jī)與PLC通訊模式采用open-IE開(kāi)放式通信協(xié)議。相機(jī)將信息傳遞給PLC后，PLC截取有效信息寫(xiě)入“二維碼數(shù)據(jù)表”，同時(shí)數(shù)據(jù)被標(biāo)識(shí)為“待處理”，基于信息識(shí)別過(guò)程是排隊(duì)依次順序通過(guò)，待處理數(shù)據(jù)以堆棧形式存儲(chǔ)于表內(nèi)。

上位WCS系統(tǒng)與PLC通訊采用SIMATIC NET OPC Serve通信協(xié)議。經(jīng)過(guò)2000次通信時(shí)間的捕獲分析，發(fā)現(xiàn)通信時(shí)間波動(dòng)沒(méi)有線性規(guī)律，影響因子不固定，因此需要預(yù)留足夠的交互距離。假設(shè)最大正常交互時(shí)間為Tmax，根據(jù)皮帶速度Vt計(jì)算，安全的交互距離S＞VtTmax。在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)WCS系統(tǒng)完成待處理數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)工單匹配，格口去向下發(fā)等操作，然后貨物經(jīng)過(guò)“數(shù)據(jù)采集”傳感器，將帶有去向的有效信息從堆棧壓出并寫(xiě)入分揀序列。預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)未完成處理的數(shù)據(jù)被標(biāo)識(shí)為超時(shí)數(shù)據(jù)，并送至異?？诘却斯ぬ幚?。在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到多批次多工單的現(xiàn)象，即貨物種類超出最大分揀道數(shù)量的情況，為解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)釋放分揀道的算法?；诠紊暇€的預(yù)判與實(shí)際支線的占用情況對(duì)各個(gè)支線進(jìn)行評(píng)估。PLC實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)支線動(dòng)態(tài)，將閑置時(shí)間實(shí)時(shí)匯報(bào)給WCS，若有閑置支線則優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行“釋放”，若沒(méi)有閑置支線系統(tǒng)將對(duì)支線的忙碌時(shí)間和工單的完成率進(jìn)行比對(duì)，算出短時(shí)間內(nèi)最可能閑置的支線。完成分析后，WCS對(duì)PLC下發(fā)“釋放”信號(hào)，PLC將對(duì)該支線解鎖，從而達(dá)到新工單可以再次分配到該支線的條件。WCS捕捉到解鎖信號(hào)以后完成工單替換。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出的智能分揀系統(tǒng)可在生產(chǎn)型物流入庫(kù)流程中成功應(yīng)用，其邏輯結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行高效穩(wěn)定，完整銜接了從生產(chǎn)下線到物流上線的流程，解決了叉車搬運(yùn)和人工分揀效率和準(zhǔn)確率方面的不足。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中完成了對(duì)300種以上不同種類貨物的分揀，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)日均超1萬(wàn)件的分揀任務(wù)。系統(tǒng)基于線性相機(jī)的識(shí)別與基于PLC虛擬脈沖的分揀模式具有很強(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)展性，在智能分揀系統(tǒng)的多元化市場(chǎng)應(yīng)用需求中具有一定的參考意義。