虛擬容器算法在卷煙自動分揀系統中應用

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中訂單排列無規律，分揀效率低的現狀，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“虛擬區域”和“虛擬線框”，以時間為依據建立打煙時間矩陣，并在LabVIEW 2014平臺調取鄭州市煙草公司實際訂單進行仿真，仿真結果表明，虛擬容器算法可以有效地提高訂單分揀的效率和準確性，并實現卷煙分揀系統的智能化控制。

關鍵詞： 卷煙物流； 虛擬容器； 分揀控制算法； LabVIEW

中圖分類號： TN805?34； TP278 文獻標識碼： 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的快速發展，傳統的人工分揀模式已經無法滿足大量訂單的配送貨需求，各地煙草公司都在大力推進自動分揀系統的開發與應用，在自動分揀過程中如何有序排列訂單，準確進行裝箱打碼成為自動分揀系統優化的熱門研究方向。

目前國內主要研究成果有以分揀成本最小為目標函數的多約束模型，該方法能夠得到分揀機組合配置的最優方案；基于訂單分析、排隊理論、聚類分析、迭代優化的方法，平衡了人員成本和分揀效率。根據鄭州市煙草公司的生產情況，發現分揀系統存在訂單排列不均、效率偏低，分揀錯誤率高等缺點。為解決上述問題，本文基于“虛擬容器”的思想，設置了“虛擬區域”和“虛擬線框”，建立自動分揀控制算法模型[1?3]，結合鄭州市煙草公司實際訂單數據，在LabVIEW上進行仿真，對該算法進行驗證，結果表明，虛擬容器算法有效提高了訂單分揀效率，實現了卷煙分揀系統的智能化控制。

1 卷煙自動分揀系統

卷煙物流配送中心在接收商業訂單后，從分揀系統中將客戶的訂單分揀出來進行出庫，庫存向分揀系統緩存區域實時補貨，在庫存區卷煙數量少于特定數量時，通知廠商訂購商品并存儲進庫存中。自動分揀系統應該做到出貨準確，補貨及時，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，力求達到智能化作業。

1.1 自動分揀系統組成

本文研究的復合式分揀系統控制區包括計算機以及PLC組成的控制裝置，分揀區包括通道式分揀設備和臥式分揀設備、傳送帶裝置、存儲區和智能補貨區。它們通過互聯網相連接并結合適當的操作，組合成為完整的復合式分揀系統[4?6]。

1.2 自動分揀系統作業流程

每臺通道式分揀機單次作業分揀五條相同品牌卷煙，每臺臥式分揀機單次分揀一條相同品牌的卷煙。由于通道式分揀機分揀的作業量大并且不易出錯，訂單中需求量大的品牌由通道式分揀機分揀5的倍數條卷煙，余數由臥式分揀機分揀完成。當訂單中某些品牌的訂貨量較小，條煙數不足5條的倍數，則直接使用臥式分揀機進行作業。如圖1所示，通道式分揀機優先排列于分揀口處，每臺分揀機只對應一個品牌的香煙。分揀開始后，先通過通道式分揀機進行揀選，大量訂單揀選結束后，由臥式分揀機對小批量訂單進行揀選作業。當分揀機庫存少于一定數量后，由智能補貨區進行人工或機械補貨。

2 基于“虛擬容器”的分揀控制算法

由于多重因素的影響，復合式分揀系統工作機制比較復雜。為了研究復合式分揀系統工作原理，并對其進行建模仿真，引入“虛擬容器”的思想并結合實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。因此假設訂單在進入分揀入口前的順序是確定的，并且按照分揀機排列的次序，距離分揀口由近到遠排列，這種將訂單虛擬的規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，每個訂單所占的位置即為虛擬容器中的“虛擬區域”，訂單中對應一個分揀機的單位煙稱為“虛擬線框”。假設將“虛擬線框”放入訂單的“虛擬區域”中，并在開始分揀前根據分揀機的次序依次列隊，在開始分揀后，分揀出的卷煙將被裝入相應“虛擬線框”中直到其傳送出分揀區，進行配裝操作。

2.2 虛擬容器排列

由于每個通道式分揀設備和臥式分揀設備都分別對應一個特定品牌香煙，通道式和臥式分揀設備每次揀選的卷煙數量分別為5條和1條，分揀機從靠近分揀入口處開始放置，按照先通道式后臥式的規律依次排列，所以虛擬訂單區域在分揀入口前也應該按照此規律排列。endprint

大“虛擬線框”放置通道式分揀機打出的5條煙，小“虛擬線框”放置臥式分揀機打出的單條煙。從分揀開始時，每個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”到對應分揀機的距離是可以提前計算的，結合皮帶傳送速度，可以導出自動分揀系統的控制算法。

2.3 自動分揀控制算法

由上述算法可知，每個“虛擬線框”在“虛擬區域”排列到從分揀設備打出的時間是能夠確定的，因此可以以時間為依據，建立訂單分揀時間矩陣，將時間數據導入計算機控制裝置，分揀開始時計時，當到達“虛擬線框”相應時間[Tik]時，[k]號分揀機工作，將對應品牌的卷煙打入傳送裝置中。

3 實際案例分析

根據上述算法結合鄭州市煙草公司實際訂單進行分析，調用Access數據庫訂單如圖4所示，自動分揀系統由6臺通道式分揀機和10臺臥式分揀機組成，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，使用通道式分揀設備先進行揀選作業，其對應分揀機編號分別為1～6號，余數使用臥式分揀機進行揀選，分揀機編號分別為7～12號，后4種品牌香煙訂購需求量小，只使用臥式分揀設備分揀，分揀設備編號分別為13～16號。

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

定義通道式分揀機“虛擬線框”長度為30 cm，臥式分揀機“虛擬線框”長度為120 cm，由此可以確定每個分揀設備到達起始點的距離，設置訂單間距為150 cm，傳送皮帶速度為2 m/s，可以得到第一個客戶第10號單位煙到達其對應分揀機的時間為：

通過上述分析可將所有客戶訂單的分揀機打煙動作時間計算出來，并輸入PLC進行準確無誤的分揀。

4 仿真結果及分析

為了驗證上述自動分揀控制算法的可行性，實際研究中，結合實際訂單，在LabVIEW 2014平臺上對自動分揀系統進行仿真[7?8]，系統仿真界面如圖6所示。

調試仿真程序時，首先調用Access訂單數據庫向系統下達訂單，并將其讀取至主界面中并設置分揀系統運行參數，分別為訂單間距、單位條煙寬度、皮帶運行速度等，設置不同的參數會對條煙分揀效率產生影響。

通過分揀控制算法計算出每個分揀機動作的時間、分揀開始時、到達特定時刻，對應分揀機就會向輸送皮帶打煙，形成有序的訂單隊列，并由皮帶傳送訂單向右運行直至運出分揀出口。通過LabVIEW系統仿真結果得出，模擬分揀設備按照本文控制算法進行打煙操作，訂單能夠整齊有序的進行分揀，并統計相應時間內分揀條煙數量，沒有出現隊列交錯的錯誤，繼而驗證該算法的準確性。

5 結 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“虛擬區域”和“虛擬線框”，計算出分揀機打煙時間數據，并準確輸入計算機控制系統，將其應用于鄭州市煙草公司實際訂單分揀中，實現了卷煙物流智能化揀選，減少了人工控制環節。

參考文獻

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