倉儲立體庫紗錠智能配重打包方法研究

目前市場對紡織品的需求不斷增大，紡織企業為適應多變的市場需求，生產規模也在不斷擴大。傳統倉庫的紗錠分揀模式無法滿足現在多種類、多顏色、多數目的需求，過大的生產規模會產生很多庫存。人工或半自動打包配重耗費人力財力，增加企業成本，無法滿足多種類大批量的生產方式。本文提出的智能立體倉庫是將傳統倉庫與計算機結合，通過控制管理紗錠出入庫，使較多數量紗錠緩沖達到動態平衡[1]。紗錠受紡織車間溫度濕度環境影響，重量輕重不一。人工操控絡筒機流水線使得紗錠平均重量有差異，無法達到配重打包誤差要求[2]。

紗錠智能配重打包技術今日已十分廣泛，不少相關人員都對自動配重打包進行相關研究。德國Neuenhauser公司用托盤包裝紗錠[3]，設計出能使紗錠從絡筒機到紗錠打包的自動化流程，但是該流程打包機價格昂貴、占地面積大。秦嶺對紗錠輸送方式進行分析[4]，設計出多品種紗錠的分揀裝置，但沒有對整包紗錠實現重量控制。謝楠等[5]采用下料、輸送、打包、碼垛等工序對紗錠包裝控制，但是沒有控制對整包紗錠重量的分析。Kim等[6]采用排序算法和聚類算法結合的方式應用于智能倉庫貨物分揀和最短路徑優化。目前國內外缺少針對較多數量紗錠自動配重打包系統的方案，本文為解決紗錠自動配重打包分揀效率低下、分揀過程復雜的問題。設計一種立體庫智能配重系統，可有效解決人工配重費時費力問題，顯著提高分揀效率，并能根據紗錠工藝流程要求自動調節分揀時間，大大提高企業生產效率。

紡織市場對紗線打包質量要求越來越高，傳統配送系統較難滿足實際需求。本文設計了紗錠全自動配重打包系統，實現了紗錠從取料、運送、檢測分揀、稱重打包全自動過程。系統工作流程如圖1所示。由絡筒機、吹塵機構、檢測機構、分揀機構、配重系統、倉庫調度系統、碼垛打包系統組成[7]。

紗錠自動配重打包的工作流程為：當紡紗機完成纏繞紗錠后，紗錠經下紗機構排列放置在生產傳送線上。吹塵機構從四周排氣，降低粘黏在紗錠上的粉塵等雜質。通過檢測系統判斷單個紗錠顏色、瑕疵，由動態稱重系統對每個紗錠稱重記錄并套袋標簽。上位機識別紗錠種類，如果異常則分揀。碼垛機器人將檢測套袋后合格的紗錠依次入庫，實現立體倉庫緩存。配重系統匹配合適重量的紗錠出庫，使整包重量滿足要求。最后打包系統將薄膜覆蓋并熱熔塑封，紗錠套袋。

根據紡織企業要求，單個紗錠平均重量m=3.125kg，與平均重量相差5%以內都可算合格的紗錠，合格紗錠重量區間為（2.969kg,3.281kg）。按8個紗錠打包成整包，完成整包紗錠包裝后總重量為M=25kg，誤差為總重量的1%即δ=250g。整包紗錠在打包后總重量在誤差范圍內，應市場需求總重量合格范圍為[M-δ,M+δ]，δ為誤差精度。

紗錠配重算法的好壞直接影響配重的時間復雜度和打包組合效率，可以為紡織企業節省大量原材料，有十分重要的意義。根據企業需求設計出的立體倉庫可緩存3000的紗錠，即總量最大為Nmax=3000個，從N個紗錠重選擇組合8個紗錠有CN8個方案。若8個總質量在誤差范圍[M-δ,M+δ]內，可由碼垛機器人取出，若總質量不符合要求，則機器人不取紗錠并從N中重新組合。然后從剩下的（N-8x）紗錠中繼續組合（x為組合次數）依次循環。采取直接排列組合優點使簡單明了，但是缺點是組合隨機性太大，重量偏小或偏大的紗錠往往不能組合最優值。再者當紗錠剩下一定的余量時，重量始終無法組合[8]。運行流程圖如圖2所示：（流程圖中i表示循環次數；I表示最大循環值）

紗錠數組直接排列組合復雜度非常高，在實際操作中紗錠組合成功率低；組合時間長，故不采用此方法而是采用輕重紗錠配對的方法。首先將倉庫中的紗錠由小到大排序，由于數據規模較大，數組不斷變化且沒有確定值，所以采用速度最快的快速排序算法?？焖倥判蛩惴ǖ乃枷胧沁x擇一個基準，然后將所有比它小的數都放到它前面，所有比它大的數都放到它后面。通過一次快速排序將排列數據分割成獨立兩部分，其中一部分所有數據都比另外一部分所有數據都小。再按此方法對兩部分數據分別快速排序，以此達到整個數組都變成有序數組。后來的入庫紗錠數組則直接插入在有序數組中。然后將紗錠按給定區間分類，紗錠的合格重量區間為（p,q），重量比p小的統稱較輕紗錠，重量比q大的統稱較重紗錠。

將排序好的紗錠按重量分若干個區間（p-nr,p-(n-1)r),(p-(n-1)r,p-(n-2)r）…（p,q）…（q+(n-2)r,q+(n-1)r)(q+(n-1)r,q+nr）。其中r表示區間間隔，n表示分的區間數[9]。如果選出的第N個紗錠是合格區間的紗錠，則選擇第N+1個紗錠是也為合格區間的紗錠；如果選出的第N個紗錠是較重區間的紗錠，則第N+1個紗錠時要從較輕的對應區間選擇，保證輕重紗錠兩兩配對。將倉庫中的紗錠每2個配對一組，選擇每4組紗錠輕重中和，誤差較小的打包成一袋。采取重量配對法優點是算法復雜度低，配對速度快。缺點是無法保證輕重區間的紗錠能一一對應，會剩余較多或輕或重的紗錠無法配對[10]。

運行流程圖如圖3所示。

改進的回溯配對算法的基本思想是[11]，按照區間順序依次確定每個紗錠的重量，按要求把8個紗錠打包成一包，可假定成8個空位置。首先為第一個空位置選擇滿足約束條件的第1個紗錠數據，即N=1。然后再為下一個位置確定合適的紗錠數據，以此類推，直到確定了所有紗錠位置。在這一過程中，可能會出現這樣的情況:即無法為第N個位置找到滿足約束條件的紗錠數據。這說明其前面已放置紗錠數據需要進行調整，因此可以先考慮將第N-1個位置選擇一個滿足約束條件的紗錠數據，如果第N-1個位置無法尋找到一個滿足約束條件的紗錠數據，則可以進一步向前調整第N-2個紗錠的數據，以此類推，之后再為第N個空位置尋找滿足約束條件的紗錠數據。以這樣的方式進行下去，最終可以保證所有紗錠總重量在誤差范圍內。運行流程如圖4所示。

假設第一個空位置選擇的是輕紗錠，第二個空位置則選重紗錠，一直到給定的第N個位置。判斷前N個紗錠平均重量是否偏輕，如果前N個紗錠平均質量比標準紗錠重量輕，再為第N+1個空位置選擇較重區間的紗錠，按一輕一重的模式依次確定各位置的數值，直到所有位置都滿足約束條件要求。如果找不出第N+1個符合要求的紗錠，則說明第N個紗錠誤差過大不能進行配對，從相鄰區間重新選擇紗錠[12]。

使用回溯法解決紗錠配重問題的步驟如下所示:

(1）針對所給問題，定義問題的解空間：配重問題的解空間為所有能滿足誤差的紗錠數據組合。

(2）確定易于搜索的解空間結構：本文采用的空間樹是子集樹，有n2個葉結點。

(3）確定搜索方式：以深度優先方式遞歸地搜索解空間，并且在搜索過程中使用剪枝函數避免無效搜索，提高搜索效率[13]。

其中，我們需要橫向的遍歷（即第一個數據從1,2,3,4······k挨個尋找），還需要縱向的遍歷（添加第一個空位置，···，直至第n個空位置），每一層的縱向遍歷都需要經歷橫向搜索。k代表橫向長度，n代表縱向深度。

為驗證設計的配重方案的可行性，針對多個不同規模的倉庫庫存，由改進的配重算法給出最優組合方案。實驗數據如下：根據某企業隨機兩批生產的1000個紗錠重量為實驗對象，紗錠重量區間如圖5直方圖所示。

可以看出大部分紗錠重量集中在（2.8,3.4），為了簡化數據處理，得到不同的倉庫庫存量。紗錠重量近似看成正太分布，其均值μ為紗錠平均重量m=3.125kg，方差為σ2。紗錠重量覆蓋更廣的范圍，同時平均分布，按重量配對法劃分若干個區間。

為了直觀地體現算法的配重組合能力，本文提出配合組合比率的評價指標，其配重比率R的計算方法：

其中，n表示打包成功的紗錠數；N表示總的紗錠庫存數。把組合排列算法記為方法1，重量配對法記為方法2，改進的回溯配對法記為方法3。將數據輸入配重程序，經仿真實驗得到的配重比率表1所示：

根據表中結果可知，配重算法對紗錠配重效率影響較大，其中方法3的配重效率最高，達到80%。說明改進的回溯配重法針對倉庫出入庫的紗錠配重有很好的效果。當出現配重率低的情況，可以通過增大倉庫庫存量緩解。

本文在分析國內外紗錠配重環節現狀與問題的基礎上，結合現階段的市場需求，提出了一種自動配重運輸打包的智能倉庫系統，確定了配重方案和配重組合算法，使整包紗錠重量控制在較小誤差范圍內。通過理論分析和實驗仿真，結果表明配重比率趨于穩定且配對成功率達97%。相較于人工配對，算法配對大幅提高生產效率，降低成本。設計的紗錠立體倉庫流程能自動高效地完成出入庫配重套袋的工作，從根本上解決企業配重的技術難題，具有很好的應用前景。