虚拟容器算法在卷烟自动分拣系统中应用
范文兵+李肇蕊+李文凤+陈秀华+马良
摘 要： 针对卷烟自动分拣系统中订单排列无规律，分拣效率低的现状，提出基于“虚拟容器”思想的自动分拣控制算法，通过建立有序排列的“虚拟区域”和“虚拟线框”，以时间为依据建立打烟时间矩阵，并在LabVIEW 2014平台调取郑州市烟草公司实际订单进行仿真，仿真结果表明，虚拟容器算法可以有效地提高订单分拣的效率和准确性，并实现卷烟分拣系统的智能化控制。
关键词： 卷烟物流； 虚拟容器； 分拣控制算法； LabVIEW
中图分类号： TN805?34； TP278 文献标识码： A 文章编号： 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
随着我国烟草物流行业的快速发展，传统的人工分拣模式已经无法满足大量订单的配送货需求，各地烟草公司都在大力推进自动分拣系统的开发与应用，在自动分拣过程中如何有序排列订单，准确进行装箱打码成为自动分拣系统优化的热门研究方向。
目前国内主要研究成果有以分拣成本最小为目标函数的多约束模型，该方法能够得到分拣机组合配置的最优方案；基于订单分析、排队理论、聚类分析、迭代优化的方法，平衡了人员成本和分拣效率。根据郑州市烟草公司的生产情况，发现分拣系统存在订单排列不均、效率偏低，分拣错误率高等缺点。为解决上述问题，本文基于“虚拟容器”的思想，设置了“虚拟区域”和“虚拟线框”，建立自动分拣控制算法模型[1?3]，结合郑州市烟草公司实际订单数据，在LabVIEW上进行仿真，对该算法进行验证，结果表明，虚拟容器算法有效提高了订单分拣效率，实现了卷烟分拣系统的智能化控制。
1 卷烟自动分拣系统
卷烟物流配送中心在接收商业订单后，从分拣系统中将客户的订单分拣出来进行出库，库存向分拣系统缓存区域实时补货，在库存区卷烟数量少于特定数量时，通知厂商订购商品并存储进库存中。自动分拣系统应该做到出货准确，补货及时，能够大量不间断分拣货物，分拣误差率尽可能低，尽可能的减少人工作业，力求达到智能化作业。
1.1 自动分拣系统组成
本文研究的复合式分拣系统控制区包括计算机以及PLC组成的控制装置，分拣区包括通道式分拣设备和卧式分拣设备、传送带装置、存储区和智能补货区。它们通过互联网相连接并结合适当的操作，组合成为完整的复合式分拣系统[4?6]。
1.2 自动分拣系统作业流程
每台通道式分拣机单次作业分拣五条相同品牌卷烟，每台卧式分拣机单次分拣一条相同品牌的卷烟。由于通道式分拣机分拣的作业量大并且不易出错，订单中需求量大的品牌由通道式分拣机分拣5的倍数条卷烟，余数由卧式分拣机分拣完成。当订单中某些品牌的订货量较小，条烟数不足5条的倍数，则直接使用卧式分拣机进行作业。如图1所示，通道式分拣机优先排列于分拣口处，每台分拣机只对应一个品牌的香烟。分拣开始后，先通过通道式分拣机进行拣选，大量订单拣选结束后，由卧式分拣机对小批量订单进行拣选作业。当分拣机库存少于一定数量后，由智能补货区进行人工或机械补货。
2 基于“虚拟容器”的分拣控制算法
由于多重因素的影响，复合式分拣系统工作机制比较复杂。为了研究复合式分拣系统工作原理，并对其进行建模仿真，引入“虚拟容器”的思想并结合实际情况建立自动分拣控制算法模型。
2.1 “虚拟容器”思想
由于分拣完成的订单在分拣出口的传输皮带上是整齐有序排列的，分拣后排列的每条单位烟之间的距离是基本恒定的。因此假设订单在进入分拣入口前的顺序是确定的，并且按照分拣机排列的次序，距离分拣口由近到远排列，这种将订单虚拟的规则排列于分拣入口前的方法即为“虚拟容器”算法。
如图2所示，每个订单所占的位置即为虚拟容器中的“虚拟区域”，订单中对应一个分拣机的单位烟称为“虚拟线框”。假设将“虚拟线框”放入订单的“虚拟区域”中，并在开始分拣前根据分拣机的次序依次列队，在开始分拣后，分拣出的卷烟将被装入相应“虚拟线框”中直到其传送出分拣区，进行配裝操作。
2.2 虚拟容器排列
由于每个通道式分拣设备和卧式分拣设备都分别对应一个特定品牌香烟，通道式和卧式分拣设备每次拣选的卷烟数量分别为5条和1条，分拣机从靠近分拣入口处开始放置，按照先通道式后卧式的规律依次排列，所以虚拟订单区域在分拣入口前也应该按照此规律排列。
大“虚拟线框”放置通道式分拣机打出的5条烟，小“虚拟线框”放置卧式分拣机打出的单条烟。从分拣开始时，每个订单及订单中的条烟排列次序都是确定的，条烟所在“虚拟线框”到对应分拣机的距离是可以提前计算的，结合皮带传送速度，可以导出自动分拣系统的控制算法。
2.3 自动分拣控制算法
由上述算法可知，每个“虚拟线框”在“虚拟区域”排列到从分拣设备打出的时间是能够确定的，因此可以以时间为依据，建立订单分拣时间矩阵，将时间数据导入计算机控制装置，分拣开始时计时，当到达“虚拟线框”相应时间[Tik]时，[k]号分拣机工作，将对应品牌的卷烟打入传送装置中。
3 实际案例分析
根据上述算法结合郑州市烟草公司实际订单进行分析，调用Access数据库订单如图4所示，自动分拣系统由6台通道式分拣机和10台卧式分拣机组成，香烟品牌分为10种，分别为红旗渠、中华、苏烟、芙蓉王、玉溪、红双喜、红河、利群、娇子、香格里拉。前6种品牌香烟订购需求量大，使用通道式分拣设备先进行拣选作业，其对应分拣机编号分别为1～6号，余数使用卧式分拣机进行拣选，分拣机编号分别为7～12号，后4种品牌香烟订购需求量小，只使用卧式分拣设备分拣，分拣设备编号分别为13～16号。
根据上述分揀控制算法，首先需要将虚拟容器连续整齐排列，以第一个客户为例，生成的排列方式见图5。
定义通道式分拣机“虚拟线框”长度为30 cm，卧式分拣机“虚拟线框”长度为120 cm，由此可以确定每个分拣设备到达起始点的距离，设置订单间距为150 cm，传送皮带速度为2 m/s，可以得到第一个客户第10号单位烟到达其对应分拣机的时间为：
通过上述分析可将所有客户订单的分拣机打烟动作时间计算出来，并输入PLC进行准确无误的分拣。
4 仿真结果及分析
为了验证上述自动分拣控制算法的可行性，实际研究中，结合实际订单，在LabVIEW 2014平台上对自动分拣系统进行仿真[7?8]，系统仿真界面如图6所示。
调试仿真程序时，首先调用Access订单数据库向系统下达订单，并将其读取至主界面中并设置分拣系统运行参数，分别为订单间距、单位条烟宽度、皮带运行速度等，设置不同的参数会对条烟分拣效率产生影响。
通过分拣控制算法计算出每个分拣机动作的时间、分拣开始时、到达特定时刻，对应分拣机就会向输送皮带打烟，形成有序的订单队列，并由皮带传送订单向右运行直至运出分拣出口。通过LabVIEW系统仿真结果得出，模拟分拣设备按照本文控制算法进行打烟操作，订单能够整齐有序的进行分拣，并统计相应时间内分拣条烟数量，没有出现队列交错的错误，继而验证该算法的准确性。
5 结 论
本文提出的基于“虚拟容器”思想的分拣控制算法，通过建立“虚拟区域”和“虚拟线框”，计算出分拣机打烟时间数据，并准确输入计算机控制系统，将其应用于郑州市烟草公司实际订单分拣中，实现了卷烟物流智能化拣选，减少了人工控制环节。
参考文献
[1] 汪恺，张功萱，周秀敏.基于容器虚拟化技术研究[J].计算机技术与发展，2015（8）：138?141.
[2] 赵凯，熊红云，戴建民，等.基于虚拟容器队列的条烟自动分拣控制算法研究[J].计算机工程与科学，2008（2）：67?69.
[3] 肖际伟，吴耀华，娄山佐，等.复合式卷烟分拣系统分拣机组合优化[J].系统工程理论与实践，2010（2）：251?256.
[4] 李学勇，徐智.物流中心设备SCADA系统研究[J].现代电子技术，2015，38（20）：92?94.
[5] 王艳艳，吴耀华，刘鹏.自动分拣系统分拣作业任务优化[J].机械工程学报，2011，47（20）：11?17.
[6] 吴颖颖，孟祥旭，王艳艳，等.“货到人”拣选系统订单排序优化[J].机械工程学报，2016（4）：206?212.
[7] 袁玉龙，杜天成，张兴，等.PDCA循环在卷烟物流定额标准编制中的应用[J].重庆交通大学学报（社会科学版），2015（2）：70?73.
[8] 万剑锋，黎洪松.基于图像识别的生产线零件分拣系统[J].现代电子技术，2016，39（12）：62?65.
摘 要： 针对卷烟自动分拣系统中订单排列无规律，分拣效率低的现状，提出基于“虚拟容器”思想的自动分拣控制算法，通过建立有序排列的“虚拟区域”和“虚拟线框”，以时间为依据建立打烟时间矩阵，并在LabVIEW 2014平台调取郑州市烟草公司实际订单进行仿真，仿真结果表明，虚拟容器算法可以有效地提高订单分拣的效率和准确性，并实现卷烟分拣系统的智能化控制。
关键词： 卷烟物流； 虚拟容器； 分拣控制算法； LabVIEW
中图分类号： TN805?34； TP278 文献标识码： A 文章编号： 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
随着我国烟草物流行业的快速发展，传统的人工分拣模式已经无法满足大量订单的配送货需求，各地烟草公司都在大力推进自动分拣系统的开发与应用，在自动分拣过程中如何有序排列订单，准确进行装箱打码成为自动分拣系统优化的热门研究方向。
目前国内主要研究成果有以分拣成本最小为目标函数的多约束模型，该方法能够得到分拣机组合配置的最优方案；基于订单分析、排队理论、聚类分析、迭代优化的方法，平衡了人员成本和分拣效率。根据郑州市烟草公司的生产情况，发现分拣系统存在订单排列不均、效率偏低，分拣错误率高等缺点。为解决上述问题，本文基于“虚拟容器”的思想，设置了“虚拟区域”和“虚拟线框”，建立自动分拣控制算法模型[1?3]，结合郑州市烟草公司实际订单数据，在LabVIEW上进行仿真，对该算法进行验证，结果表明，虚拟容器算法有效提高了订单分拣效率，实现了卷烟分拣系统的智能化控制。
1 卷烟自动分拣系统
卷烟物流配送中心在接收商业订单后，从分拣系统中将客户的订单分拣出来进行出库，库存向分拣系统缓存区域实时补货，在库存区卷烟数量少于特定数量时，通知厂商订购商品并存储进库存中。自动分拣系统应该做到出货准确，补货及时，能够大量不间断分拣货物，分拣误差率尽可能低，尽可能的减少人工作业，力求达到智能化作业。
1.1 自动分拣系统组成
本文研究的复合式分拣系统控制区包括计算机以及PLC组成的控制装置，分拣区包括通道式分拣设备和卧式分拣设备、传送带装置、存储区和智能补货区。它们通过互联网相连接并结合适当的操作，组合成为完整的复合式分拣系统[4?6]。
1.2 自动分拣系统作业流程
每台通道式分拣机单次作业分拣五条相同品牌卷烟，每台卧式分拣机单次分拣一条相同品牌的卷烟。由于通道式分拣机分拣的作业量大并且不易出错，订单中需求量大的品牌由通道式分拣机分拣5的倍数条卷烟，余数由卧式分拣机分拣完成。当订单中某些品牌的订货量较小，条烟数不足5条的倍数，则直接使用卧式分拣机进行作业。如图1所示，通道式分拣机优先排列于分拣口处，每台分拣机只对应一个品牌的香烟。分拣开始后，先通过通道式分拣机进行拣选，大量订单拣选结束后，由卧式分拣机对小批量订单进行拣选作业。当分拣机库存少于一定数量后，由智能补货区进行人工或机械补货。
2 基于“虚拟容器”的分拣控制算法
由于多重因素的影响，复合式分拣系统工作机制比较复杂。为了研究复合式分拣系统工作原理，并对其进行建模仿真，引入“虚拟容器”的思想并结合实际情况建立自动分拣控制算法模型。
2.1 “虚拟容器”思想
由于分拣完成的订单在分拣出口的传输皮带上是整齐有序排列的，分拣后排列的每条单位烟之间的距离是基本恒定的。因此假设订单在进入分拣入口前的顺序是确定的，并且按照分拣机排列的次序，距离分拣口由近到远排列，这种将订单虚拟的规则排列于分拣入口前的方法即为“虚拟容器”算法。
如图2所示，每个订单所占的位置即为虚拟容器中的“虚拟区域”，订单中对应一个分拣机的单位烟称为“虚拟线框”。假设将“虚拟线框”放入订单的“虚拟区域”中，并在开始分拣前根据分拣机的次序依次列队，在开始分拣后，分拣出的卷烟将被装入相应“虚拟线框”中直到其传送出分拣区，进行配裝操作。
2.2 虚拟容器排列
由于每个通道式分拣设备和卧式分拣设备都分别对应一个特定品牌香烟，通道式和卧式分拣设备每次拣选的卷烟数量分别为5条和1条，分拣机从靠近分拣入口处开始放置，按照先通道式后卧式的规律依次排列，所以虚拟订单区域在分拣入口前也应该按照此规律排列。
大“虚拟线框”放置通道式分拣机打出的5条烟，小“虚拟线框”放置卧式分拣机打出的单条烟。从分拣开始时，每个订单及订单中的条烟排列次序都是确定的，条烟所在“虚拟线框”到对应分拣机的距离是可以提前计算的，结合皮带传送速度，可以导出自动分拣系统的控制算法。
2.3 自动分拣控制算法
由上述算法可知，每个“虚拟线框”在“虚拟区域”排列到从分拣设备打出的时间是能够确定的，因此可以以时间为依据，建立订单分拣时间矩阵，将时间数据导入计算机控制装置，分拣开始时计时，当到达“虚拟线框”相应时间[Tik]时，[k]号分拣机工作，将对应品牌的卷烟打入传送装置中。
3 实际案例分析
根据上述算法结合郑州市烟草公司实际订单进行分析，调用Access数据库订单如图4所示，自动分拣系统由6台通道式分拣机和10台卧式分拣机组成，香烟品牌分为10种，分别为红旗渠、中华、苏烟、芙蓉王、玉溪、红双喜、红河、利群、娇子、香格里拉。前6种品牌香烟订购需求量大，使用通道式分拣设备先进行拣选作业，其对应分拣机编号分别为1～6号，余数使用卧式分拣机进行拣选，分拣机编号分别为7～12号，后4种品牌香烟订购需求量小，只使用卧式分拣设备分拣，分拣设备编号分别为13～16号。
根据上述分揀控制算法，首先需要将虚拟容器连续整齐排列，以第一个客户为例，生成的排列方式见图5。
定义通道式分拣机“虚拟线框”长度为30 cm，卧式分拣机“虚拟线框”长度为120 cm，由此可以确定每个分拣设备到达起始点的距离，设置订单间距为150 cm，传送皮带速度为2 m/s，可以得到第一个客户第10号单位烟到达其对应分拣机的时间为：
通过上述分析可将所有客户订单的分拣机打烟动作时间计算出来，并输入PLC进行准确无误的分拣。
4 仿真结果及分析
为了验证上述自动分拣控制算法的可行性，实际研究中，结合实际订单，在LabVIEW 2014平台上对自动分拣系统进行仿真[7?8]，系统仿真界面如图6所示。
调试仿真程序时，首先调用Access订单数据库向系统下达订单，并将其读取至主界面中并设置分拣系统运行参数，分别为订单间距、单位条烟宽度、皮带运行速度等，设置不同的参数会对条烟分拣效率产生影响。
通过分拣控制算法计算出每个分拣机动作的时间、分拣开始时、到达特定时刻，对应分拣机就会向输送皮带打烟，形成有序的订单队列，并由皮带传送订单向右运行直至运出分拣出口。通过LabVIEW系统仿真结果得出，模拟分拣设备按照本文控制算法进行打烟操作，订单能够整齐有序的进行分拣，并统计相应时间内分拣条烟数量，没有出现队列交错的错误，继而验证该算法的准确性。
5 结 论
本文提出的基于“虚拟容器”思想的分拣控制算法，通过建立“虚拟区域”和“虚拟线框”，计算出分拣机打烟时间数据，并准确输入计算机控制系统，将其应用于郑州市烟草公司实际订单分拣中，实现了卷烟物流智能化拣选，减少了人工控制环节。
参考文献
[1] 汪恺，张功萱，周秀敏.基于容器虚拟化技术研究[J].计算机技术与发展，2015（8）：138?141.
[2] 赵凯，熊红云，戴建民，等.基于虚拟容器队列的条烟自动分拣控制算法研究[J].计算机工程与科学，2008（2）：67?69.
[3] 肖际伟，吴耀华，娄山佐，等.复合式卷烟分拣系统分拣机组合优化[J].系统工程理论与实践，2010（2）：251?256.
[4] 李学勇，徐智.物流中心设备SCADA系统研究[J].现代电子技术，2015，38（20）：92?94.
[5] 王艳艳，吴耀华，刘鹏.自动分拣系统分拣作业任务优化[J].机械工程学报，2011，47（20）：11?17.
[6] 吴颖颖，孟祥旭，王艳艳，等.“货到人”拣选系统订单排序优化[J].机械工程学报，2016（4）：206?212.
[7] 袁玉龙，杜天成，张兴，等.PDCA循环在卷烟物流定额标准编制中的应用[J].重庆交通大学学报（社会科学版），2015（2）：70?73.
[8] 万剑锋，黎洪松.基于图像识别的生产线零件分拣系统[J].现代电子技术，2016，39（12）：62?65.
