基于虚拟空间的烟草自动分拣算法的分析

李　丰　熊红云

摘要：对件烟行走时间进行了建模并提出了一种烟草自动分拣算法，当订单在上位机生成后，所需烟品种及数量随之确定，因此订单中所要分拣的烟分拣的次序及分拣的时刻也就可以确定，所以在订单分拣之前，订单的长度是可以计算出来的，而在未真正分拣之前，订单的长度是一个“虚拟存在的空间”，应用逆向推理的过程可假设一个装成品烟和订单的“虚拟空间”，当“虚拟空间”到达对应的分拣机位置时，通过PLC对订单中件烟时间参数的控制，分拣机自动分拣件烟至“虚拟空间”完成订单分拣，该算法实现方便并能节约大量的硬件成本，对其他一些物流分拣行业也具有一定的推广价值。

关键词：烟草物流；自动分拣；虚拟域；虚拟筐

中图分类号：F224文献标识码：A文章编号：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，我国的成品烟自动分拣仍处在起步阶段，多数的成品烟分拣系统是根据国外邮政、药品、航空、烟草等分拣系统改造而来，存在着设备与控制策略不协调的问题[1]。而一个好的自动分拣系统又是由良好的设备和良好的控制策略共同组成，两者缺一不可。好的成品烟自动分拣系统能够大大的提高分拣效率、降低人工成本、减轻人员工作强度、并为网点配送提供高效快速的服务[2]，因此对分拣时间提出了更高的要求。基于此，本文提

出了一种基于虚拟空间的成品烟自动分拣控制算法，并对其进行研究与分析。

1自动分拣系统

本文所指的系统采用的是由100台卧式分拣机和16台通道式分拣机组成的复合式分拣系统，其中16台通道分拣机分拣的是某个地区统计出来需求量最大的烟种，其余的100台卧式分拣机分拣某个地区需求量较少的烟种。如图1所示，卧式分拣机每个格口对应一种品牌的烟，每次打出一条烟，也可以几个格口装中度需求量的同品牌烟，通道式分拣机每个格口对应一种品牌的烟，但每次分拣五条烟，通道式分拣机靠近分拣入口点，分拣开始后，通道式分拣机先打烟，完成之后才是卧式分拣机分拣。分拣开始后，由于分拣机动作时间不同，会造成分拣的烟在传输皮带上重叠、太密或者太疏，给人工打码装箱带来很大的压力，同时也大大地制约了分拣效率[3]。

2“虚拟域”及“虚拟筐”理论

2.1“虚拟域”

在一般的分拣过程中，由于分拣机分拣时刻的不同，被分拣的烟会在传输皮带上出现重叠或姿态不整的状况，本文则假设分拣完成的卷烟是单层整齐规律的排列在输送系统上，在一个订单完成了全部的分拣机打烟之后准备出分拣区打码装箱时，打出的烟在传输皮带上连续整齐的排列，在皮带上占据一定的长度区域，我们将此区域称之为一个“订单域”。而在订单未分拣之前，“订单域”实际上是不存在的，但却存在一个“虚拟域”与此“订单域”相对应，当此虚拟域经过分拣机分拣完毕过后它才在传输皮带上形成了一个真正的“订单域”。我们因此假设一个还未分拣的订单“虚拟域”，它虚拟存在于分拣入口点之前的传输皮带上，当订单在上位机上一旦生成，所需烟的品种和数量也就已经确定了，因此我们可以通过计算来确定这个订单“虚拟域”的长度。

2.2“虚拟筐”

同样，在一个订单经由分拣机分拣完成过后，分拣机打出的一件件单位烟在分拣区的传输皮带上占有了相应的位置，而正是由于这些单位烟所占据的位置构成了一个实际的“订单域”，因此，在这些单位烟未分拣之前，也同样在皮带上对应着一个虚拟空间，我们称此虚拟空间为“虚拟筐”，这些“虚拟筐”也组成了未分拣之前的“虚拟域”，当这些“虚拟筐”在随着这个订单的“虚拟域”进入分拣区后，就像一个个整齐排列的“筐”[4]，将分拣机打出的烟装走直至出分拣区打码装箱。如图2所示。

2.3“虚拟”的队列

根据以上思想，这些由订单“虚拟域”构成的“虚拟”队列，实际上是订单在“上位机”的排列，每一个订单的分拣次序决定了“虚拟域”在分拣区分拣的次序，假设订单的“虚拟筐”装烟队列如图3，本文的“虚拟筐”有大小两种之分，大的“虚拟筐”装通道式的单位烟，小的“虚拟筐”装卧式的单位烟。图中K号订单中“3#、4#、6#、17#、19#、21#、26#、29#”是一个订单需要分拣的分拣机对应的编号，实际上就是每个编号对应着某种品牌的烟，假设3#对应着“白沙”烟、4#对应“黄鹤楼”烟，19#对应“中华”烟等，而与某品牌相对应的是此品牌烟的需求量，“白沙”烟需求量为1个单位，“黄鹤楼”烟需求量为1个单位，“中华”烟需求量为3个单位。分拣开始后，第K个订单“虚拟筐”队列随传输皮带进入分拣区，通过计算它所走过的路程我们可以将其转换成一个精确的时间量，当“虚拟筐”到达这个时间时，也就到达了它所对应的分拣机，分拣机将烟打入“筐”内，直至订单完成。

3分拣算法的实现

经过以上分析，下面按照订单分拣作业时间对自动分拣算法进行研究分析，考虑到烟出了分拣区人工装箱时，有预留给工作人员动作的时间，我们将两个“虚拟筐”之间间隔一定的距离d，则d=vt，v为传输皮带的运动速度，t是分拣机分拣卷烟的时间间隔。因此一个“虚拟筐”的长度为:

b=w+5w+d=w+5w+vt（1）

第i个“虚拟筐”打烟示意图如图4所示。

w——为一条烟的宽度，b——一个“虚拟筐” 的长度，=0或1。

设一个订单k“虚拟域”的长度为M，则；M=n×b。

n——第k个订单所需要的j个品种的香烟数量因为订单之间以一个确定的距离f来区分，因此上式可调整为：

M=n×b+f（2）

第k个订单前面还有k-1个订单，因此订单K的“虚拟域”到达入口点O的距离为：

L=M=n×b+f（3）

当订单k“虚拟域”到达分拣入口时，其中第i个“虚拟筐”到达入口点O的距离L就可以确定：

L=i-1b=i-1w+5w+d （4）

第i个品种的烟对应的分拣机编号为i#，它与分拣入口点相距的位置f是固定不变的。因此一个“虚拟筐”到达其分拣机总共要走的总路程为T=L+L+f，皮带速度为v，我们就可以将路程转化为相应的时间量，即一个“虚拟筐”到达其分拣机总共需要的时间是：

L===（5）

因此，每一个“虚拟筐”到达其指定的分拣机所需要的时间都是可以计算出来的，我们可以在订单生成的时候同时，生成一个订单的时间列表，如表1所示。那么“虚拟筐”就按照这个表在传输皮带上整齐排列，同时我们将每一个即将要分拣卷烟的分拣机动作的时刻参数导入PLC，完成控制条件联锁[5]，当皮带走过相应的时间时，分拣机即动作，打出烟到皮带上，订单持续规律的完成分拣，达到自动分拣的目的，达到了前面假设的要求。

4影响“虚拟域”长度的因素

4.1订单包含卷烟的品牌种类和数量

订单需要分拣的卷烟种类越多，数量越多，则分拣完成后在传输皮带上排列的长度就越长，也就是“虚拟域”的长度M就越大。

4.2分拣机的布局

一般分拣机是沿着传输皮带方向布局，分拣机分布的疏密会给“虚拟域”的长度M造成一定的影响。

4.3传输皮带速度

由于订单分拣不是一次性完成的，前面落下的卷烟和后面落下的卷烟由于皮带速度的不同，拉开的距离会不同，因此皮带速度的快慢，也会给“虚拟域”的长度M带来变化。

5结束语

本文作者创新点：通过“虚拟空间”的理论对订单行走的时间建立数学模型，给出了烟草分拣自动分拣算法，本算法控制稳定，提高了分拣效率，能够达到预期目标；算法实现简单，易于控制，节约了大量的光电探测开关，因此能大大降低分拣系统的投入成本。该算法如能配备一定的光电探测器将能更加有效地降低故障出错率及故障的自检能力[6]，同时，该算法能很好地推广至图书、邮政、药品等分拣行业，在一个烟草自动分拣项目中能节约项目开支10~15万元。

参考文献：

[1] 朱岩. 卷烟分拣系统协同工作策略研究与仿真分析[D]. 济南：山东大学（硕士学位论文），2007.

[2] 鲁五一，袁庆国. 卷烟分拣系统的时间建模分析[J]. 物流技术，2007,26(11):191-193.

[3] 李凯. 自动卷烟分拣机的控制策略优化与仿真[D]. 济南：山东大学（硕士学位论文），2006.

[4] 范启印，马骏骑,等. 虚拟视窗算法在成品烟自动分拣控制中的应用[J]. 昆明理工大学学报：理工版，2004,29(1):65-67.

[5] 迟君平，王斌,等. 模块化编程方法在PLC程序开发中的应用[J]. 微计算机信息，2005(6):30-31.

[6] 谢丽霞，杨宏宇. 行李自动分拣统计分析系统设计与实现[J]. 计算机工程，2005(31):3-6.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。