徐漢均，王 蕾，張靖瑄，夏忠耀

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著工業(yè)4.0概念的日趨完善，社交電商的快速發(fā)展，廣義物流配套的逐步跟進，近年來，企業(yè)對于產(chǎn)品的生產(chǎn)力和發(fā)貨需求有爆發(fā)性增長，促使國內(nèi)外大型自動化立體倉庫、配送系統(tǒng)迅速發(fā)展。然而傳統(tǒng)的人工分揀模式顯然已經(jīng)無法滿足當前的貨物流量，因此基于智能識別和自動化分揀系統(tǒng)的解決方案被提出，并大量的應(yīng)用于貨到人系統(tǒng)及配送發(fā)貨系統(tǒng)中。目前應(yīng)用于倉庫發(fā)貨的分揀系統(tǒng)已經(jīng)日益成熟，但是在入庫方面，很多生產(chǎn)型工廠由于產(chǎn)線數(shù)量多、排布分散、物流倉庫與生產(chǎn)車間距離相對較遠等問題，導(dǎo)致無法實現(xiàn)產(chǎn)線與物流線的一一對接。針對這種情況，為達到生產(chǎn)工藝和物流系統(tǒng)的自動化對接，先匯流再分流的物流輸送模式應(yīng)運而生，將分揀系統(tǒng)更加靈活的應(yīng)用于不同方向。本文以某電器行業(yè)工廠的生產(chǎn)型物流系統(tǒng)為背景，討論一種在入庫流程中的分揀方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 應(yīng)用環(huán)境

某電器生產(chǎn)工廠新建物流配送中心，為匹配舊工廠產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)分散生產(chǎn)和集中入庫的物流管理模式，系統(tǒng)采用跨工廠長距離輸送方案。方案中每條主線對應(yīng)多種產(chǎn)品的生產(chǎn)線，多批次多品種的貨物在產(chǎn)線和主線接口處進行合流，主線承擔多種貨物混合輸送的壓力。由于立庫WMS管理系統(tǒng)要求托盤上貨物品種必須唯一，大量產(chǎn)品從通過主線運輸至庫區(qū)后，在碼垛上托盤之前必須完成產(chǎn)品和批次的分類，本系統(tǒng)則應(yīng)用于此生產(chǎn)型物流的入庫環(huán)節(jié)中，解決產(chǎn)品的分類輸送問題。

圖1 整體流程結(jié)構(gòu)

1.2 貨物單元

系統(tǒng)輸送的貨物單元為四方體紙箱，紙箱尺寸最小為500 m m×360 m m×200 m m，最大為1280mm×780mm×680mm，重量在10kg～50kg不等。貨物種類達300種以上，單個分揀系統(tǒng)日分揀需求1萬件以上，平均分揀效率大于1200件/小時。從數(shù)據(jù)可以看出貨物的尺寸和重量差異大，貨物種類多，系統(tǒng)分揀量大。這種客觀條件對系統(tǒng)的兼容性要求更高，需要系統(tǒng)擁有更強大的數(shù)據(jù)存儲能力和處理能力，同時對信息精準性要求更高。

1.3 分揀控制流程

受人工分揀模型啟發(fā)，以工業(yè)相機代替人眼，以輸送設(shè)備和分揀設(shè)備取代人工搬運能力，充分發(fā)揮機器可高速連續(xù)工作的優(yōu)勢，通過系統(tǒng)控制可以實現(xiàn)大量貨物的分揀任務(wù)。

圖2 分揀系統(tǒng)控制流程

2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 靠邊機構(gòu)

分揀系統(tǒng)的第一個功能模組，由8～10根傾角約30°的滾筒構(gòu)成，是本系統(tǒng)物流方向的入口，承接箱式線的主線。大小不一訂單不同的紙箱在主線以一定間距運行，通過靠邊機構(gòu)統(tǒng)一完成規(guī)右側(cè)貼邊前進。目的是在信息識別環(huán)節(jié)使紙箱貼碼側(cè)與掃碼器相對位置一致，從而保證識別率。

2.2 識別模塊

識別模塊銜接靠邊機構(gòu)，由一個工業(yè)級高端線性相機和其皮帶輸送裝置組成，在紙箱穩(wěn)定的行進過程中截取紙箱迎面貼標上的二維碼圖像并解析，將信息寫入PLC事先建好的數(shù)據(jù)庫中。

2.3 數(shù)據(jù)交互模塊

信息采集成功以后，數(shù)據(jù)庫中的有效信息將一直處于等待被采集的狀態(tài)，上位機取得數(shù)據(jù)以后將對其進行邏輯判斷和訂單匹配等操作，同時完成分道去向或剔除去向的下發(fā)，該模塊由長4米以上的輸送系統(tǒng)構(gòu)成，需要預(yù)留一定交互時間，以保證物流通暢性。

2.4 斜輪分揀機

分揀機為分揀系統(tǒng)的核心設(shè)備，其包含1條主線和10條支線，主線由多組皮帶機和10組氣動斜輪構(gòu)成，每條支線包含7個緩存位，支線銜接自動碼垛平臺，將分類好的貨物由支線運送至碼垛系統(tǒng)中，完成碼垛入庫。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 物流信息提取

系統(tǒng)承載的貨物單元為紙箱，從肉眼角度無法通過外觀識別紙箱的貨物信息，所有貨物有效信息存儲在產(chǎn)品貼標上尺寸4cm×4cm的二維碼中。由于生產(chǎn)線工藝限制，貼標位置位于紙箱輸送方向的正面，不同紙箱的正面截面積相差較大，貼標位置不固定，在運動過程中拍照形式的圖像采集系統(tǒng)無法很好的捕獲圖像。而且區(qū)別于出庫揀選系統(tǒng)終端有人工操作的模式，本系統(tǒng)是嵌入在入庫系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，無法對異常紙箱進行及時的跟蹤處理，因此對識別率的要求較高。根據(jù)日產(chǎn)量和剔除位存放能力評估，識別率最好高達99.95%以上。針對這種實際問題，本系統(tǒng)采用工業(yè)級高端線性相機對紙箱正面圖像進行掃描。

線性相機不同于傳統(tǒng)相機，傳統(tǒng)相機每次拍照時都需要捕獲整個截面的圖像，并對其中的條形碼或二維碼進行解析。線性相機在識別對象經(jīng)過時，將對象的每一個像素線條建立圖像，最終合成整張圖片。這種相機必須結(jié)合編碼器計算對象經(jīng)過時的實時速度，且曝光次數(shù)極少，可以生成更高分辨率的圖像，對提高識別率起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)工業(yè)相機在圖像采集過程中易受光照等因素影響，在動態(tài)識別過程中往往配合中值濾波器一同使用。線性相機在理論上由于曝光特性應(yīng)受光照的影響很小，但是由于其分次采集線性圖像的特性，目標對象在運行過程中如果上下顛簸就會對其識別率影響較大。且編碼器的速度匹配要求較高，如果輥道表面過于光滑發(fā)生打滑現(xiàn)象，相機將無法準確變焦。圖3、圖4為輥道輸送和皮帶輸送模式下的效果圖。

圖3 輥道輸送邊緣呈波浪線，變焦線未對準

圖4 皮帶輸送邊緣整齊，識別成功

我們在不同光源亮度環(huán)境下對皮帶輸送和輥道輸送分別進行了約10萬箱通過次數(shù)的識別率統(tǒng)計，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同條件的識別率

實測結(jié)果：在明亮的環(huán)境下，用皮帶輸送機輸送，識別率99.95%，用輥道輸送機輸送，識別率98.4%；

圖6 識別過程

在灰暗的環(huán)境下，用皮帶輸送機輸送，識別率99.94%，輥道輸送機輸送，識別率98.04%。實驗結(jié)果與猜測的影響因子基本一致，因此在識別模塊我們采用皮帶輸送機運輸貨物來保證貨物運行的穩(wěn)定性。

線性相機結(jié)構(gòu)包括4組元件，邊距檢測模塊，光源觸發(fā)模塊，成像鏡，增量型編碼器。識別對象經(jīng)過邊距檢測激光時喚醒相機，觸發(fā)光源亮起，同時測量紙箱高度與截面寬度。當紙箱經(jīng)過觸發(fā)光源時，根據(jù)算法將成像鏡中的圖像與運行速度匹配以確定變焦線位置，在連續(xù)運行過程中完成圖像采集，并進行二維碼捕獲和識別。識別結(jié)束將信息存儲至緩存區(qū)，待紙箱運行到設(shè)定位置時將緩存信息發(fā)送至PLC，若長時間沒有紙箱經(jīng)過，系統(tǒng)自動進入休眠狀態(tài)。根據(jù)下降沿識別完畢的邏輯，紙箱尺寸L*W*H，觸發(fā)光源角度，邊緣檢測安裝距觸發(fā)源且，可得安全識別距離表達式：

帶入最大紙箱尺寸和安裝角度，可得識別距離最小約2400mm，因此選用長度約4m的一體式皮帶輸送機。并且由于皮帶機的啟停會影響編碼速度反饋效果，影響讀取率，系統(tǒng)通過控制邏輯在進入識別模塊之前會對前方擁堵可能性進行預(yù)判，最大程度規(guī)避在識別過程中的啟停動作，讓紙箱連續(xù)不間斷的通過，以達到高讀取率的使用效果。

3.2 分揀排序邏輯

斜輪分揀機從運行模式角度看，符合排隊式的順序邏輯。這種邏輯是國內(nèi)普遍應(yīng)用的控制邏輯，類似于過程控制，數(shù)據(jù)次序與貨物次序一一對應(yīng)，以堆棧形式分段存儲，通過傳感器信號進行壓棧和出棧操作，同時觸發(fā)分揀機構(gòu)動作。這種模式的邏輯相對簡單，但是有其特定的問題，比如它的系統(tǒng)容錯性較低，傳感器的誤觸發(fā)會使隊列錯亂，數(shù)據(jù)與貨物無法對應(yīng)，最終導(dǎo)致分揀結(jié)果錯誤。這種算法應(yīng)用于發(fā)貨分揀系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響相對較小，如偶爾出現(xiàn)混道現(xiàn)象，人工在揀選時發(fā)現(xiàn)錯誤貨品可及時停止并更正系統(tǒng)。但是在本文介紹的生產(chǎn)入庫流程中，由于工單種類多，流量密度大，誤信號更容易產(chǎn)生。全自動運行模式下一旦出現(xiàn)混道現(xiàn)象將對整個系統(tǒng)造成難以處理的后果，甚至?xí)绊懙秸麄€工廠的生產(chǎn)源頭。針對這一難題，我們參考鐵路公交“買票入座到站下車”的模式，開發(fā)了一種離散式的數(shù)據(jù)存儲方法，并借助循環(huán)中斷建立虛擬脈沖，用脈沖標定所有紙箱位置并綁定其信息，以脈沖記錄和格口開關(guān)相互校驗的模式，進行分揀動作。這種基于脈沖的分揀模式，對數(shù)據(jù)沒有排序要求，就像買票一樣不需要依次落座，只要是空位就可以坐，因此極大的降低了各傳感器的重要性，解決了由傳感器引發(fā)的混道問題，最終達到了提高系統(tǒng)冗余性的效果。

數(shù)據(jù)表作為存儲基礎(chǔ)，以數(shù)組格式呈現(xiàn)，方便訪問。元素結(jié)構(gòu)包含三個要素：1）SIGNAL代表標識位；2）DES表示元素綁定的紙箱對應(yīng)的格口信息；3）MC表示紙箱個體的行進脈沖值。每個格口有固定的“脈沖區(qū)間”。所有的有效數(shù)據(jù)中的脈沖變量“PLS”都隨著主線的運行和全局脈沖進行累加。直到PLS進入對應(yīng)去向的格口號脈沖區(qū)間，并發(fā)起分揀請求，完成格口傳感器的校驗后，擺輪進行分揀動作。對未成功分揀的紙箱，PLS會一直累加直到達到剔除脈沖，清空元素信息。

脈沖的概念對于這種分揀模式十分重要，本系統(tǒng)采用虛擬脈沖作位置記錄，定位的精準度會受到打滑或空轉(zhuǎn)等設(shè)備因素影響。因此設(shè)備的啟停會使脈沖失準，當失準距離與后箱發(fā)起請求的覆蓋區(qū)域重疊則會造成分揀異常。針對該問題，我們以某一分揀道為測試對象，在系統(tǒng)不暫停的情況下對脈沖波動情況進行多次測試和記錄，和隨著啟停次數(shù)的增加對脈沖數(shù)值的影響進行記錄，如圖7、圖8所示。

圖7 多種重量不一的紙箱在連續(xù)運行中的脈沖值

圖8 不同啟停次數(shù)的脈沖值

通過圖7可以看到不同的紙箱在不暫停的條件下運行至該分揀道所需脈沖值最大538最小534，上下浮動誤差為2個脈沖周期2T，圖8中所示隨著暫停次數(shù)的增加脈沖值有類似線性的上升趨勢，證明啟停過程是存在打滑現(xiàn)象的，會導(dǎo)致脈沖誤差。針對這種情況，我們做了一種補償算法，對于某一紙箱經(jīng)歷的啟停次數(shù)N，如果N＞Nmax那么將對其進行剔除的操作。Nmax為安全暫停次數(shù)，根據(jù)分揀請求發(fā)起的預(yù)留脈沖和紙箱最短間距的設(shè)定進行計算。每次暫停的影響取圖8中最大值3T，可得到表達式：

x為浮動值，可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。正常運行過程中主線少有帶貨暫停的情況，因此Nmax可以獲得一個較小的值，以縮短紙箱間距，提高系統(tǒng)效率。

基于脈沖的分揀模式在入庫的應(yīng)用中具有比較明顯的優(yōu)勢：1）有效提高系統(tǒng)冗余性，由于采用脈沖校驗的模式，可以對傳感器的誤信號過濾，未通過校驗的異常信號不會影響到任何一組分揀，例如運行中插放一個紙箱或者拿走一個紙箱，均對系統(tǒng)沒有影響。2）增強了混道故障的可追溯性，根據(jù)脈沖式分揀的原理，可以分析已經(jīng)進入數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)是不會出現(xiàn)大批串道情況的，對于個別串道的情況可以直接檢查錯誤道口的校驗開關(guān)或分揀機械機構(gòu)。3）節(jié)能降噪模式非常靈活，通過對數(shù)據(jù)表中去向和脈沖等屬性的查詢，針對不同去向不同位置的箱子做出判斷，靈活啟停對應(yīng)皮帶驅(qū)動。

3.3 與WCS信息交互

線性相機與PLC通訊模式采用open-IE開放式通信協(xié)議。相機將信息傳遞給PLC后，PLC截取有效信息寫入“二維碼數(shù)據(jù)表”，同時數(shù)據(jù)被標識為“待處理”，基于信息識別過程是排隊依次順序通過，待處理數(shù)據(jù)以堆棧形式存儲于表內(nèi)。

上位WCS系統(tǒng)與PLC通訊采用SIMATIC NET OPC Serve通信協(xié)議。經(jīng)過2000次通信時間的捕獲分析，發(fā)現(xiàn)通信時間波動沒有線性規(guī)律，影響因子不固定，因此需要預(yù)留足夠的交互距離。假設(shè)最大正常交互時間為Tmax，根據(jù)皮帶速度Vt計算，安全的交互距離S＞VtTmax。在預(yù)設(shè)時間內(nèi)WCS系統(tǒng)完成待處理數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)工單匹配，格口去向下發(fā)等操作，然后貨物經(jīng)過“數(shù)據(jù)采集”傳感器，將帶有去向的有效信息從堆棧壓出并寫入分揀序列。預(yù)設(shè)時間內(nèi)未完成處理的數(shù)據(jù)被標識為超時數(shù)據(jù)，并送至異?？诘却斯ぬ幚怼Ｔ趯嶋H生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到多批次多工單的現(xiàn)象，即貨物種類超出最大分揀道數(shù)量的情況，為解決這一問題，系統(tǒng)開發(fā)了自動釋放分揀道的算法?；诠紊暇€的預(yù)判與實際支線的占用情況對各個支線進行評估。PLC實時統(tǒng)計支線動態(tài)，將閑置時間實時匯報給WCS，若有閑置支線則優(yōu)先對其進行“釋放”，若沒有閑置支線系統(tǒng)將對支線的忙碌時間和工單的完成率進行比對，算出短時間內(nèi)最可能閑置的支線。完成分析后，WCS對PLC下發(fā)“釋放”信號，PLC將對該支線解鎖，從而達到新工單可以再次分配到該支線的條件。WCS捕捉到解鎖信號以后完成工單替換。

4 結(jié)語

綜上所述，本文提出的智能分揀系統(tǒng)可在生產(chǎn)型物流入庫流程中成功應(yīng)用，其邏輯結(jié)構(gòu)合理，運行高效穩(wěn)定，完整銜接了從生產(chǎn)下線到物流上線的流程，解決了叉車搬運和人工分揀效率和準確率方面的不足。系統(tǒng)在實際應(yīng)用中完成了對300種以上不同種類貨物的分揀，幫助企業(yè)實現(xiàn)日均超1萬件的分揀任務(wù)。系統(tǒng)基于線性相機的識別與基于PLC虛擬脈沖的分揀模式具有很強的可移植性和可擴展性，在智能分揀系統(tǒng)的多元化市場應(yīng)用需求中具有一定的參考意義。