基于虛擬空間的煙草自動分揀算法的分析

李　豐　熊紅云

摘要：對件煙行走時間進行了建模并提出了一種煙草自動分揀算法，當訂單在上位機生成后，所需煙品種及數量隨之確定，因此訂單中所要分揀的煙分揀的次序及分揀的時刻也就可以確定，所以在訂單分揀之前，訂單的長度是可以計算出來的，而在未真正分揀之前，訂單的長度是一個“虛擬存在的空間”，應用逆向推理的過程可假設一個裝成品煙和訂單的“虛擬空間”，當“虛擬空間”到達對應的分揀機位置時，通過PLC對訂單中件煙時間參數的控制，分揀機自動分揀件煙至“虛擬空間”完成訂單分揀，該算法實現方便并能節約大量的硬件成本，對其他一些物流分揀行業也具有一定的推廣價值。

關鍵詞：煙草物流；自動分揀；虛擬域；虛擬筐

中圖分類號：F224文獻標識碼：A文章編號：1002-3100(2009)01-0021-03

Abstract: The time mathematical model of the finished cigarette automatic sorting has been constructed and advanced a cigarette automatic sorting algorithm. When an order is form in position machine, the needed breeds and quantity of cigarette will be established and thesequence and time of cigarette sorting in an order will be also established, so before sorting an order, the order'length can be compute, but before sorting an order, the order's space is existenced as a virtual space, thus supposed a virtual space which loaded finished cigarette and order when virtual space arrive the corresponding sorter, plc control the time parameter and activated the sorting, and the sorter sorting cigarette to virtual space, an order accomplished. It is a kind of open-loop control algorithm which is easy achieved, operated and could save a large amount of hardware cost. It also could be spread to other sorting industry.

Key words: tobacco logistics; automatic sorting; virtual field; virtual chest

0引言

目前，我國的成品煙自動分揀仍處在起步階段，多數的成品煙分揀系統是根據國外郵政、藥品、航空、煙草等分揀系統改造而來，存在著設備與控制策略不協調的問題[1]。而一個好的自動分揀系統又是由良好的設備和良好的控制策略共同組成，兩者缺一不可。好的成品煙自動分揀系統能夠大大的提高分揀效率、降低人工成本、減輕人員工作強度、并為網點配送提供高效快速的服務[2]，因此對分揀時間提出了更高的要求。基于此，本文提

出了一種基于虛擬空間的成品煙自動分揀控制算法，并對其進行研究與分析。

1自動分揀系統

本文所指的系統采用的是由100臺臥式分揀機和16臺通道式分揀機組成的復合式分揀系統，其中16臺通道分揀機分揀的是某個地區統計出來需求量最大的煙種，其余的100臺臥式分揀機分揀某個地區需求量較少的煙種。如圖1所示，臥式分揀機每個格口對應一種品牌的煙，每次打出一條煙，也可以幾個格口裝中度需求量的同品牌煙，通道式分揀機每個格口對應一種品牌的煙，但每次分揀五條煙，通道式分揀機靠近分揀入口點，分揀開始后，通道式分揀機先打煙，完成之后才是臥式分揀機分揀。分揀開始后，由于分揀機動作時間不同，會造成分揀的煙在傳輸皮帶上重疊、太密或者太疏，給人工打碼裝箱帶來很大的壓力，同時也大大地制約了分揀效率[3]。

2“虛擬域”及“虛擬筐”理論

2.1“虛擬域”

在一般的分揀過程中，由于分揀機分揀時刻的不同，被分揀的煙會在傳輸皮帶上出現重疊或姿態不整的狀況，本文則假設分揀完成的卷煙是單層整齊規律的排列在輸送系統上，在一個訂單完成了全部的分揀機打煙之后準備出分揀區打碼裝箱時，打出的煙在傳輸皮帶上連續整齊的排列，在皮帶上占據一定的長度區域，我們將此區域稱之為一個“訂單域”。而在訂單未分揀之前，“訂單域”實際上是不存在的，但卻存在一個“虛擬域”與此“訂單域”相對應，當此虛擬域經過分揀機分揀完畢過后它才在傳輸皮帶上形成了一個真正的“訂單域”。我們因此假設一個還未分揀的訂單“虛擬域”，它虛擬存在于分揀入口點之前的傳輸皮帶上，當訂單在上位機上一旦生成，所需煙的品種和數量也就已經確定了，因此我們可以通過計算來確定這個訂單“虛擬域”的長度。

2.2“虛擬筐”

同樣，在一個訂單經由分揀機分揀完成過后，分揀機打出的一件件單位煙在分揀區的傳輸皮帶上占有了相應的位置，而正是由于這些單位煙所占據的位置構成了一個實際的“訂單域”，因此，在這些單位煙未分揀之前，也同樣在皮帶上對應著一個虛擬空間，我們稱此虛擬空間為“虛擬筐”，這些“虛擬筐”也組成了未分揀之前的“虛擬域”，當這些“虛擬筐”在隨著這個訂單的“虛擬域”進入分揀區后，就像一個個整齊排列的“筐”[4]，將分揀機打出的煙裝走直至出分揀區打碼裝箱。如圖2所示。

2.3“虛擬”的隊列

根據以上思想，這些由訂單“虛擬域”構成的“虛擬”隊列，實際上是訂單在“上位機”的排列，每一個訂單的分揀次序決定了“虛擬域”在分揀區分揀的次序，假設訂單的“虛擬筐”裝煙隊列如圖3，本文的“虛擬筐”有大小兩種之分，大的“虛擬筐”裝通道式的單位煙，小的“虛擬筐”裝臥式的單位煙。圖中K號訂單中“3#、4#、6#、17#、19#、21#、26#、29#”是一個訂單需要分揀的分揀機對應的編號，實際上就是每個編號對應著某種品牌的煙，假設3#對應著“白沙”煙、4#對應“黃鶴樓”煙，19#對應“中華”煙等，而與某品牌相對應的是此品牌煙的需求量，“白沙”煙需求量為1個單位，“黃鶴樓”煙需求量為1個單位，“中華”煙需求量為3個單位。分揀開始后，第K個訂單“虛擬筐”隊列隨傳輸皮帶進入分揀區，通過計算它所走過的路程我們可以將其轉換成一個精確的時間量，當“虛擬筐”到達這個時間時，也就到達了它所對應的分揀機，分揀機將煙打入“筐”內，直至訂單完成。

3分揀算法的實現

經過以上分析，下面按照訂單分揀作業時間對自動分揀算法進行研究分析，考慮到煙出了分揀區人工裝箱時，有預留給工作人員動作的時間，我們將兩個“虛擬筐”之間間隔一定的距離d，則d=vt，v為傳輸皮帶的運動速度，t是分揀機分揀卷煙的時間間隔。因此一個“虛擬筐”的長度為:

b=w+5w+d=w+5w+vt（1）

第i個“虛擬筐”打煙示意圖如圖4所示。

w——為一條煙的寬度，b——一個“虛擬筐” 的長度，=0或1。

設一個訂單k“虛擬域”的長度為M，則；M=n×b。

n——第k個訂單所需要的j個品種的香煙數量因為訂單之間以一個確定的距離f來區分，因此上式可調整為：

M=n×b+f（2）

第k個訂單前面還有k-1個訂單，因此訂單K的“虛擬域”到達入口點O的距離為：

L=M=n×b+f（3）

當訂單k“虛擬域”到達分揀入口時，其中第i個“虛擬筐”到達入口點O的距離L就可以確定：

L=i-1b=i-1w+5w+d （4）

第i個品種的煙對應的分揀機編號為i#，它與分揀入口點相距的位置f是固定不變的。因此一個“虛擬筐”到達其分揀機總共要走的總路程為T=L+L+f，皮帶速度為v，我們就可以將路程轉化為相應的時間量，即一個“虛擬筐”到達其分揀機總共需要的時間是：

L===（5）

因此，每一個“虛擬筐”到達其指定的分揀機所需要的時間都是可以計算出來的，我們可以在訂單生成的時候同時，生成一個訂單的時間列表，如表1所示。那么“虛擬筐”就按照這個表在傳輸皮帶上整齊排列，同時我們將每一個即將要分揀卷煙的分揀機動作的時刻參數導入PLC，完成控制條件聯鎖[5]，當皮帶走過相應的時間時，分揀機即動作，打出煙到皮帶上，訂單持續規律的完成分揀，達到自動分揀的目的，達到了前面假設的要求。

4影響“虛擬域”長度的因素

4.1訂單包含卷煙的品牌種類和數量

訂單需要分揀的卷煙種類越多，數量越多，則分揀完成后在傳輸皮帶上排列的長度就越長，也就是“虛擬域”的長度M就越大。

4.2分揀機的布局

一般分揀機是沿著傳輸皮帶方向布局，分揀機分布的疏密會給“虛擬域”的長度M造成一定的影響。

4.3傳輸皮帶速度

由于訂單分揀不是一次性完成的，前面落下的卷煙和后面落下的卷煙由于皮帶速度的不同，拉開的距離會不同，因此皮帶速度的快慢，也會給“虛擬域”的長度M帶來變化。

5結束語

本文作者創新點：通過“虛擬空間”的理論對訂單行走的時間建立數學模型，給出了煙草分揀自動分揀算法，本算法控制穩定，提高了分揀效率，能夠達到預期目標；算法實現簡單，易于控制，節約了大量的光電探測開關，因此能大大降低分揀系統的投入成本。該算法如能配備一定的光電探測器將能更加有效地降低故障出錯率及故障的自檢能力[6]，同時，該算法能很好地推廣至圖書、郵政、藥品等分揀行業，在一個煙草自動分揀項目中能節約項目開支10~15萬元。

參考文獻：

[1] 朱巖. 卷煙分揀系統協同工作策略研究與仿真分析[D]. 濟南：山東大學（碩士學位論文），2007.

[2] 魯五一，袁慶國. 卷煙分揀系統的時間建模分析[J]. 物流技術，2007,26(11):191-193.

[3] 李凱. 自動卷煙分揀機的控制策略優化與仿真[D]. 濟南：山東大學（碩士學位論文），2006.

[4] 范啟印，馬駿騎,等. 虛擬視窗算法在成品煙自動分揀控制中的應用[J]. 昆明理工大學學報：理工版，2004,29(1):65-67.

[5] 遲君平，王斌,等. 模塊化編程方法在PLC程序開發中的應用[J]. 微計算機信息，2005(6):30-31.

[6] 謝麗霞，楊宏宇. 行李自動分揀統計分析系統設計與實現[J]. 計算機工程，2005(31):3-6.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。