工业卷烟发货分拣调度策略研究

冯仁宇，张 翼，夏 凯，张 霖

（1.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082；2.东实自动化科技（上海）有限公司，上海 200333）

0 引 言

随着仿真系统的深入应用，很多企业已将流程仿真应用到模拟生产分析及模拟调试领域。葛新锋等提出基于LABVIEW自带的图像处理模块对条烟进行快速准确识别的机器人——条烟分拣系统[1]。纪昌峰通过对系统策略的研究实现了对WMS系统精准的货位和货品的有效管理[2]。孙壮志等提出的攻陷分拣优化策略能够解决细标一体化分拣线的产能发挥不充分的问题[3]。王文才等通过研究堆垛机、AGV穿梭车等主要设备的选型和布局，论述了WMS/WCS的设计方案[4]。周政伟提出了基于MES、WMS、WCS、件烟条码信息等的智能分拣[5]。周敏提出了利用立式分拣机实现自动分拣，提高异型卷烟的分拣效率，提出整线运用预分拣、双层输送等技术，减少订单的等待排队时间[6]。蔡俊凯提出了结合EIQ-ABC分析法与离散差分进化算法优化自动化条烟分拣系统的仓位分配问题[7]。雷国星等通过对条烟姿势调整滑道和第二水平输送皮带轮进行改进，提高了卷烟分拣的工作效率[8]。丁成杰通过实际分拣调试和规模化分析检验了异型烟分拣线设计的合理性，有利于卷烟智能分拣的优化[9]。王楷设计了基于PLC的异型卷烟分拣控制与管理系统，实现了异型卷烟的高速分拣，证明了使用PLC进行卷烟分拣的可靠性[10]。

本文采用通过搭建仿真模型，利用模拟数据或历史订单数据，将WMS/WCS以及PLC控制程序融入仿真模型进行模拟生产，发现物流瓶颈，验证及优化调度和控制逻辑，使PLC控制程序在脱离现场、脱离物理控制器的情况下也能组织调试。使用离线运行方式，能快速对优化策略进行模拟验证，最终达到缩短调试时间、提升调试效率、降低调试风险的目的。

1 卷烟分拣系统仿真需求

结合工业卷烟分拣的实际生产过程，搭建一套基于仿真模型、仓储管理系统 WMS (Warehouse Management System) 、仓库控制系统WCS (Warehouse Control System)、 模拟PLC控制程序[11]以及数据库系统的模拟调试环境，在测试环境中进行模拟生产。通过模拟生产运行状态或者利用历史订单数据，对方案和策略进行评价、发现程序的逻辑漏洞，对程序的逻辑漏洞进行修复，以达到验证和优化调度、控制逻辑的目的，最终实现高效、稳定、有序的模拟生产过程。其中，WMS能够准确、高效地管理客户订单、采购订单以及对仓库进行综合管理，而WCS则通过与WMS系统进行信息交互，驱动立体仓库及输送设备产生相应的机械动作，并将PLC系统的状态及数据实时反映在界面上，最终实现高效的仓库数字化管理[12]。

本仿真系统通过四个约束条件[13]实现了仿真系统的功能，如图1所示。

图1 仿真系统的约束条件与功能

为了实现高度自动化，解决分拣调度策略更优化问题，本文在出入库不同、先入先出、按序出货不交叉和月台不变四个约束条件下，实现了仿真系统的订单调度分配、发货订单规划流程、物流仿真及模拟收发货、策略效果评估等功能。

2 卷烟分拣仿真系统方案设计

2.1 调度策略

如图2所示，该仿真系统采用了智能分配调度策略与发货分拣调度策略。

图2 调度策略

根据智能分配策略，系统可根据当日的出库订单得出每个拆垛工位应该对应的品规。除此以外，系统还能够优化装车顺序，实时对车俩所使用的月台进行分配，减少车辆的等待时间，以此提高卷烟的发货效率。发货分拣调度策略中，根据仿真开始时间读取库存数据库里的最近一条库存记录，按照每个品规平分到南北两个仓库中。仿真程序通过计算每类品规在南北库中的库存决定入库或出库订单从哪个库执行；然后，通过查询相关出入库订单任务的完成情况决定站台的占用及释放；接着，策略仿真程序统计出库订单各品规全部的散件数量，调用WMS移库接口完成拆垛工位的品规分配，其中，每天的仿真任务完成后需重置拆垛或缓存道；最后进行出入库订单仿真。该分拣调度策略合理运用了南北两个仓库[14]，使得当前时间段以前的库存产品优先出库，月台的使用率达到最高。

2.2 策略仿真系统

2.2.1 系统架构

策略仿真系统采用了B/S架构开发[15]，主要包含出入库订单模拟数据管理模块、策略仿真管理模块、WMS库位模拟模块、WCS和设备仿真模块，如图3所示。

图3 系统功能架构图

出入库订单模拟数据管理模块是选用历史实际订单数据作为输入。策略仿真管理模块是根据出入库订单及出入库库位分配策略生成出入库和倒库任务作业指令，通过接口发给WMS仿真模块，完成出入口及倒库作业任务，并且通过接口发给WCS仿真系统，完成指定的出入库和倒库作业任务。 WCS和设备仿真模块（由WCS模拟系统提供）、模拟WCS和相关设备的功能。WMS库位模拟模块包含的功能如图4所示。

图4 调度策略和WMS仿真模块功能层次结构

数字化对象管理平台中的底层数据库采用不同类型的数据库引擎完成不同业务场景的数据存储访问需求。数据库引擎包括实时分析搜索引擎Elasticsearch、关系数据库引擎MySQL、时序数据库引擎InfluxDB、内存数据库引擎Redis。其中，Elasticsearch数据库用于仿真计算结果的数据分析；MySQL数据库用于模拟WMS库位及作用流程的建模数据；InfluxDB数据库用于仿真计算过程的实时数据；Redis用于仿真计算模型的参数管理；WMS库存管理模拟主要模拟了WMS系统库存管理的一些主要功能，比如基础信息管理、出入库管理、库存管理、任务管理；作业及调度策略仿真管理模块主要选定需要执行的策略应用在模拟数据上，完成出入库、倒库等；入库、出库订单模拟主要选择需要仿真的模拟数据执行仿真任务；数据接口管理主要是WMS仿真模块通过接口传送任务至WCS仿真模块执行，并通过接口返回任务的执行结果。

2.2.2 系统实现

WCS虚拟仿真模块接收数字化对象管理平台WMS系统下达的卷烟厂出入库任务和单据，将这些任务信息分解后下达给各虚拟设备对象（如堆垛机、机器人、穿梭车、分拣输送设备等），实现对虚拟设备的调度控制，进行物流流程仿真，从而验证物流的运行效率和方案设计的合理性。其中，WCS数据仿真模块与数字化对象管理平台采用标准的Web API作为数据接口，系统内部采用自定义基于TCP/IP的Socket传输协议，保证数据传输的实时性和准确性。系统实现过程如图5所示。

图5 系统实现过程图

2.3 策略仿真系统的交互设计

系统可实现策略仿真结果的数据统计与出入库及库存模拟数据管理。通过策略仿真的主界面选择开始时间与终止时间，开始仿真即可实时观察到策略仿真的运行状态及结果信息，随时可终止并清空当前仿真的运行动态交互信息；根据模拟出入库订单数据记录每笔订单策略运行后的数据，便于后续策略效果的分析、评估；全部入库订单、出库订单、初始化库存数据管理可以增加查询条件，快速定位符合的仿真模拟数据。其设备仿真模块的人机交互界面采用最新的数字孪生3D建模技术（使用UNITY平台搭建）直观地将仿真结果呈现出来。

3 总 结

本项目拟通过搭建仿真模型，将WMS/WCS以及PLC控制程序融入仿真模型进行模拟生产，发现物流瓶颈，验证及优化调度和控制逻辑，使PLC控制程序在脱离现场、脱离物理控制器的情况下也能组织调试。通过半年的实际应用，不断迭代更新，订单分拣结果显示，在月台和订单合理分配的情况下，系统分拣能力均大于5 500件/小时的件烟出库要求；进一步分析发现，订单结构对分拣能力存在一定影响，订单中的较大数量的合同品规越多，越有利于分拣。相较于人工分拣，整个过程用时更短、效率更高、准确率更高，人工参与度更低。WMS/WCS以及PLC控制程序的融入，提升了物流分拣的自动化水平与分拣效率，同时也为WMS/WCS在工业生产过程中的其他应用提供了参考。