倉儲立體庫紗錠智能配重打包方法研究

陳家浩，龐愛民，李 浩，方應(yīng)梅

倉儲立體庫紗錠智能配重打包方法研究

陳家浩，龐愛民*，李 浩，方應(yīng)梅

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

傳統(tǒng)紗錠配重打包大多由人工完成或者由機(jī)器完成部分工序。人工重復(fù)工作易疲勞，打包效率低，并且紗錠重量誤差大。無法滿足紗錠交易市場要求的重量控制在較小誤差范圍。本文研究一種紗錠配重組合打包的立體庫方法，首先在傳統(tǒng)紗錠流水線基礎(chǔ)上優(yōu)化，設(shè)計(jì)出立體倉儲提高庫存與利用率。對紗錠流水線動態(tài)稱重后跟蹤出入庫，利用配重相關(guān)理論和智能算法，將紗錠分揀配重打包，實(shí)現(xiàn)紗錠動態(tài)運(yùn)輸。針對人工配重精度不高的問題，通過比較現(xiàn)有的重量組合法，給出改進(jìn)的回溯配對方法，橫向縱向動態(tài)遍歷倉儲中不同重量的紗錠。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)的智能配重方法能大大提高紗錠配重效率，可實(shí)際運(yùn)用于企業(yè)生產(chǎn)中。

紗錠；立體庫；智能配重；回溯算法

0 引言

目前市場對紡織品的需求不斷增大，紡織企業(yè)為適應(yīng)多變的市場需求，生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)倉庫的紗錠分揀模式無法滿足現(xiàn)在多種類、多顏色、多數(shù)目的需求，過大的生產(chǎn)規(guī)模會產(chǎn)生很多庫存。人工或半自動打包配重耗費(fèi)人力財(cái)力，增加企業(yè)成本，無法滿足多種類大批量的生產(chǎn)方式。本文提出的智能立體倉庫是將傳統(tǒng)倉庫與計(jì)算機(jī)結(jié)合，通過控制管理紗錠出入庫，使較多數(shù)量紗錠緩沖達(dá)到動態(tài)平衡[1]。紗錠受紡織車間溫度濕度環(huán)境影響，重量輕重不一。人工操控絡(luò)筒機(jī)流水線使得紗錠平均重量有差異，無法達(dá)到配重打包誤差要求[2]。

紗錠智能配重打包技術(shù)今日已十分廣泛，不少相關(guān)人員都對自動配重打包進(jìn)行相關(guān)研究。德國Neuenhauser公司用托盤包裝紗錠[3]，設(shè)計(jì)出能使紗錠從絡(luò)筒機(jī)到紗錠打包的自動化流程，但是該流程打包機(jī)價格昂貴、占地面積大。秦嶺對紗錠輸送方式進(jìn)行分析[4]，設(shè)計(jì)出多品種紗錠的分揀裝置，但沒有對整包紗錠實(shí)現(xiàn)重量控制。謝楠等[5]采用下料、輸送、打包、碼垛等工序?qū)嗗V包裝控制，但是沒有控制對整包紗錠重量的分析。Kim等[6]采用排序算法和聚類算法結(jié)合的方式應(yīng)用于智能倉庫貨物分揀和最短路徑優(yōu)化。目前國內(nèi)外缺少針對較多數(shù)量紗錠自動配重打包系統(tǒng)的方案，本文為解決紗錠自動配重打包分揀效率低下、分揀過程復(fù)雜的問題。設(shè)計(jì)一種立體庫智能配重系統(tǒng)，可有效解決人工配重費(fèi)時費(fèi)力問題，顯著提高分揀效率，并能根據(jù)紗錠工藝流程要求自動調(diào)節(jié)分揀時間，大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 倉庫智能配重方案設(shè)計(jì)

紡織市場對紗線打包質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)配送系統(tǒng)較難滿足實(shí)際需求。本文設(shè)計(jì)了紗錠全自動配重打包系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了紗錠從取料、運(yùn)送、檢測分揀、稱重打包全自動過程。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。由絡(luò)筒機(jī)、吹塵機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)、分揀機(jī)構(gòu)、配重系統(tǒng)、倉庫調(diào)度系統(tǒng)、碼垛打包系統(tǒng)組成[7]。

圖1 紗錠自動配重打包流程圖

紗錠自動配重打包的工作流程為：當(dāng)紡紗機(jī)完成纏繞紗錠后，紗錠經(jīng)下紗機(jī)構(gòu)排列放置在生產(chǎn)傳送線上。吹塵機(jī)構(gòu)從四周排氣，降低粘黏在紗錠上的粉塵等雜質(zhì)。通過檢測系統(tǒng)判斷單個紗錠顏色、瑕疵，由動態(tài)稱重系統(tǒng)對每個紗錠稱重記錄并套袋標(biāo)簽。上位機(jī)識別紗錠種類，如果異常則分揀。碼垛機(jī)器人將檢測套袋后合格的紗錠依次入庫，實(shí)現(xiàn)立體倉庫緩存。配重系統(tǒng)匹配合適重量的紗錠出庫，使整包重量滿足要求。最后打包系統(tǒng)將薄膜覆蓋并熱熔塑封，紗錠套袋。

2 紗錠配重方法

2.1 配重原則

根據(jù)紡織企業(yè)要求，單個紗錠平均重量m= 3.125kg，與平均重量相差5%以內(nèi)都可算合格的紗錠，合格紗錠重量區(qū)間為（2.969kg，3.281kg）。按8個紗錠打包成整包，完成整包紗錠包裝后總重量為M=25kg，誤差為總重量的1%即δ=250g。整包紗錠在打包后總重量在誤差范圍內(nèi)，應(yīng)市場需求總重量合格范圍為[M-δ,M+δ]，δ為誤差精度。

2.2 紗錠排列組合算法

圖2 紗錠組合排列法流程圖

2.3 重量配對法

紗錠數(shù)組直接排列組合復(fù)雜度非常高，在實(shí)際操作中紗錠組合成功率低；組合時間長，故不采用此方法而是采用輕重紗錠配對的方法。首先將倉庫中的紗錠由小到大排序，由于數(shù)據(jù)規(guī)模較大，數(shù)組不斷變化且沒有確定值，所以采用速度最快的快速排序算法?？焖倥判蛩惴ǖ乃枷胧沁x擇一個基準(zhǔn)，然后將所有比它小的數(shù)都放到它前面，所有比它大的數(shù)都放到它后面。通過一次快速排序?qū)⑴帕袛?shù)據(jù)分割成獨(dú)立兩部分，其中一部分所有數(shù)據(jù)都比另外一部分所有數(shù)據(jù)都小。再按此方法對兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別快速排序，以此達(dá)到整個數(shù)組都變成有序數(shù)組。后來的入庫紗錠數(shù)組則直接插入在有序數(shù)組中。然后將紗錠按給定區(qū)間分類，紗錠的合格重量區(qū)間為（p，q），重量比p小的統(tǒng)稱較輕紗錠，重量比q大的統(tǒng)稱較重紗錠。

圖3 重量配對法流程圖

將排序好的紗錠按重量分若干個區(qū)間（p-nr，p-（n-1）r）,（p-(n-1)r，p-（n-2）r）…（p，q）…（q+（n-2）r，q+（n-1）r）（q+（n-1）r，q+nr）。其中r表示區(qū)間間隔，n表示分的區(qū)間數(shù)[9]。如果選出的第N個紗錠是合格區(qū)間的紗錠，則選擇第N+1個紗錠是也為合格區(qū)間的紗錠；如果選出的第N個紗錠是較重區(qū)間的紗錠，則第N+1個紗錠時要從較輕的對應(yīng)區(qū)間選擇，保證輕重紗錠兩兩配對。將倉庫中的紗錠每2個配對一組，選擇每4組紗錠輕重中和，誤差較小的打包成一袋。采取重量配對法優(yōu)點(diǎn)是算法復(fù)雜度低，配對速度快。缺點(diǎn)是無法保證輕重區(qū)間的紗錠能一一對應(yīng)，會剩余較多或輕或重的紗錠無法配對[10]。

運(yùn)行流程圖如圖3所示。

2.4 改進(jìn)的回溯配對算法

改進(jìn)的回溯配對算法的基本思想是[11]，按照區(qū)間順序依次確定每個紗錠的重量，按要求把8個紗錠打包成一包，可假定成8個空位置。首先為第一個空位置選擇滿足約束條件的第1個紗錠數(shù)據(jù)，即N=1。然后再為下一個位置確定合適的紗錠數(shù)據(jù)，以此類推，直到確定了所有紗錠位置。在這一過程中，可能會出現(xiàn)這樣的情況:即無法為第N個位置找到滿足約束條件的紗錠數(shù)據(jù)。這說明其前面已放置紗錠數(shù)據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，因此可以先考慮將第N-1個位置選擇一個滿足約束條件的紗錠數(shù)據(jù)，如果第N-1個位置無法尋找到一個滿足約束條件的紗錠數(shù)據(jù)，則可以進(jìn)一步向前調(diào)整第N-2個紗錠的數(shù)據(jù)，以此類推，之后再為第N個空位置尋找滿足約束條件的紗錠數(shù)據(jù)。以這樣的方式進(jìn)行下去，最終可以保證所有紗錠總重量在誤差范圍內(nèi)。運(yùn)行流程如圖4所示。

假設(shè)第一個空位置選擇的是輕紗錠，第二個空位置則選重紗錠，一直到給定的第N個位置。判斷前N個紗錠平均重量是否偏輕，如果前N個紗錠平均質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)紗錠重量輕，再為第N+1個空位置選擇較重區(qū)間的紗錠，按一輕一重的模式依次確定各位置的數(shù)值，直到所有位置都滿足約束條件要求。如果找不出第N+1個符合要求的紗錠，則說明第N個紗錠誤差過大不能進(jìn)行配對，從相鄰區(qū)間重新選擇紗錠[12]。

圖4 回溯配對法流程圖

使用回溯法解決紗錠配重問題的步驟如下所示:

（1）針對所給問題，定義問題的解空間：配重問題的解空間為所有能滿足誤差的紗錠數(shù)據(jù)組合。

（3）確定搜索方式：以深度優(yōu)先方式遞歸地搜索解空間，并且在搜索過程中使用剪枝函數(shù)避免無效搜索，提高搜索效率[13]。

其中，我們需要橫向的遍歷（即第一個數(shù)據(jù)從1，2，3，4······k挨個尋找），還需要縱向的遍歷（添加第一個空位置，···，直至第n個空位置），每一層的縱向遍歷都需要經(jīng)歷橫向搜索。k代表橫向長度，n代表縱向深度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的配重方案的可行性，針對多個不同規(guī)模的倉庫庫存，由改進(jìn)的配重算法給出最優(yōu)組合方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：根據(jù)某企業(yè)隨機(jī)兩批生產(chǎn)的1000個紗錠重量為實(shí)驗(yàn)對象，紗錠重量區(qū)間如圖5直方圖所示。

圖5 紗錠重量分布直方圖

為了直觀地體現(xiàn)算法的配重組合能力，本文提出配合組合比率的評價指標(biāo)，其配重比率R的計(jì)算方法：

其中，n表示打包成功的紗錠數(shù)；N表示總的紗錠庫存數(shù)。把組合排列算法記為方法1，重量配對法記為方法2，改進(jìn)的回溯配對法記為方法3。將數(shù)據(jù)輸入配重程序，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)得到的配重比率表1所示：

表1 不同方法配重比率

根據(jù)表中結(jié)果可知，配重算法對紗錠配重效率影響較大，其中方法3的配重效率最高，達(dá)到80%。說明改進(jìn)的回溯配重法針對倉庫出入庫的紗錠配重有很好的效果。當(dāng)出現(xiàn)配重率低的情況，可以通過增大倉庫庫存量緩解。

4 結(jié)語

本文在分析國內(nèi)外紗錠配重環(huán)節(jié)現(xiàn)狀與問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)階段的市場需求，提出了一種自動配重運(yùn)輸打包的智能倉庫系統(tǒng)，確定了配重方案和配重組合算法，使整包紗錠重量控制在較小誤差范圍內(nèi)。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果表明配重比率趨于穩(wěn)定且配對成功率達(dá)97%。相較于人工配對，算法配對大幅提高生產(chǎn)效率，降低成本。設(shè)計(jì)的紗錠立體倉庫流程能自動高效地完成出入庫配重套袋的工作，從根本上解決企業(yè)配重的技術(shù)難題，具有很好的應(yīng)用前景。

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Research on the Method of Intelligent Weighing and Packing for Three-Dimensional Warehouse

CHAN Jia-hao, PANG Ai-min, LI Hao, FANG Ying-mei

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

Most of the Baling of traditional spindles are done by hand or by machine. Manual repetitive work is easy to experience fatigue, low packing efficiency and large spindle weight error. The weight which can not meet the requirements of the spindle trading market is controlled in a small error range. In this paper, a method of three-dimensional storage for combined packing of spindles is studied. Firstly, on the basis of the traditional assembly line of spindles, the three-dimensional storage is designed to improve the stock and utilization ratio. According to the theory of balance weight and the improved algorithm, the dynamic transportation of spindle is realized by packing and sorting the balance weight. In order to solve the problem of low precision of manual counterweight, an improved backtracking matching method is given by analyzing and comparing the existing weight combination method. The simulation results show that the improved intelligent weighting method can greatly improve the efficiency of spindle weighting, and can be used in enterprise production.

spindle; storage three-dimensional library; intelligent counterweight; backtracking algorithm

龐愛民（1968-），女，教授，碩士，研究方向：智能制造，紡織機(jī)械.

TP242.2

A

2095－414X(2022)05－0046－05