摘要：為提升件煙庫的出庫速度，減少分揀線缺煙停機(jī)次數(shù)，本文以某煙草物流中心全自動(dòng)分揀補(bǔ)貨系統(tǒng)為背景，根據(jù)多層存儲(chǔ)、分層入庫、分線出庫的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用數(shù)學(xué)建模、模擬仿真、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，研究了件煙庫的入庫、存儲(chǔ)、出庫作業(yè)流程，提出了一種件煙庫作業(yè)策略，并檢驗(yàn)實(shí)際運(yùn)行效果。測(cè)試結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)的件煙庫作業(yè)策略，各分揀線出庫相互獨(dú)立，單線出庫速度可達(dá)557件/小時(shí)。

關(guān)鍵詞：煙草物流、件煙庫、分揀線、作業(yè)策略

作者：陳霄1 林晨驍2 鄢烈虎3 朱妍彥3

1中國煙草總公司北京市公司物流中心配送運(yùn)營部

2中國煙草總公司北京市公司物流中心倉儲(chǔ)分揀部

3中國煙草總公司北京市公司物流中心工程技術(shù)部

近年來煙草行業(yè)裝備水平不斷提升，各地市煙草公司通過技術(shù)升級(jí)改造，全自動(dòng)分揀效率得到提升[1]。全自動(dòng)分揀整個(gè)流程涉及卷煙的各種形態(tài)（托盤、件、條），立庫與分揀線之間必須建立件煙庫用于件煙緩存，保障分揀需求[2]。大部分地市的物流中心采用多條分揀線并行、件煙庫統(tǒng)一出庫的方式。在作業(yè)過程中，分揀系統(tǒng)會(huì)生成多個(gè)要貨任務(wù)，從任務(wù)發(fā)起到件煙庫完成補(bǔ)貨需要一定的時(shí)間。若在這段時(shí)間內(nèi)，件煙庫現(xiàn)有庫存無法滿足分揀需求，就會(huì)造成分揀線缺貨，只有當(dāng)對(duì)應(yīng)任務(wù)完成后才能繼續(xù)開始分揀[3]。然而，隨著整體效率提升，件煙庫出庫效率與分揀線的分揀效率不匹配，導(dǎo)致分揀缺煙頻繁，影響分揀效率進(jìn)一步提升。因此，優(yōu)化件煙庫作業(yè)策略，是提高綜合作業(yè)效率的關(guān)鍵[4]。

本論文以某煙草物流中心為背景，研究件煙庫入庫、存儲(chǔ)、出庫策略，以提升件煙庫出庫速度為目標(biāo)，分析現(xiàn)有分揀設(shè)備運(yùn)行情況[5]。根據(jù)機(jī)械手抓煙，多層存儲(chǔ)、分線分層補(bǔ)貨的作業(yè)流程，提出了一種件煙庫策略，以期提高件煙庫的出庫速度，減少分揀線缺煙時(shí)間[6]。通過試驗(yàn)檢驗(yàn)最終效果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

一、背景分析?

1.件煙庫流程

該煙草物流中心廠房主要分為立庫、件煙庫、全自動(dòng)分揀線三個(gè)部分，整體布局如圖1所示。件煙庫由多個(gè)煙道組成，每個(gè)煙道只能容納一種規(guī)格的卷煙。煙道一端以件煙的形式入庫，再進(jìn)行存儲(chǔ)，另一端件煙出庫用于分揀線補(bǔ)貨[7]。

圖1某煙草物流中心廠房布局

件煙庫入庫時(shí)，向立庫系統(tǒng)發(fā)要貨指令。立庫系統(tǒng)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)卷煙的托盤取出，托盤由穿梭車輸送至托盤拆垛口，經(jīng)過直角坐標(biāo)機(jī)器人或人工拆垛，將件煙放到件煙輸送線上，輸送到件煙備貨區(qū)進(jìn)行備貨暫存；拆垛產(chǎn)生的空托盤由托盤輸送線輸送到空托盤碼垛機(jī)，自動(dòng)收集碼垛，碼垛后的空托盤由堆垛機(jī)運(yùn)送至立庫系統(tǒng)[8]。

件煙庫出庫時(shí)，對(duì)于需要出庫到分揀區(qū)的卷煙，根據(jù)各條分揀線的要貨指令。件煙緩存系統(tǒng)自動(dòng)將相應(yīng)的件煙送往件煙緩存輸送線，分揀補(bǔ)貨輸送系統(tǒng)為4條分揀線設(shè)計(jì)了獨(dú)立的補(bǔ)貨線，互不牽連。單條分揀線分揀理論效率設(shè)計(jì)值為30000條/小時(shí)。

2.件煙庫補(bǔ)貨速度

該煙草物流中心有5個(gè)件煙拆垛口，4個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人拆垛口，1個(gè)人工拆垛口。每臺(tái)機(jī)器人的拆垛效率為420件/小時(shí)，人工口的拆垛效率為180件/小時(shí)，因此實(shí)際件煙庫區(qū)入庫效率為1860件/小時(shí)。由于機(jī)械手拆垛站臺(tái)貨物的限制，件煙庫補(bǔ)貨緩存區(qū)最多容納20個(gè)托盤，即件煙庫向立庫發(fā)起的要貨任務(wù)數(shù)量不得超過20個(gè)。

3.分揀線期初庫存

該煙草物流中心的分揀線配置184個(gè)臥式煙倉，分為4組。3組為標(biāo)準(zhǔn)煙倉，共計(jì)144個(gè)煙倉，1組為細(xì)支煙倉，共計(jì)40個(gè)煙倉。一個(gè)煙倉放置一種規(guī)格的卷煙，部分品規(guī)卷煙采用多倉分揀模式。根據(jù)煙倉設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，每個(gè)煙倉預(yù)留一件卷煙的補(bǔ)貨空間，標(biāo)準(zhǔn)煙安全庫存為30條，滿倉庫存80條。細(xì)支煙安全庫存為60條，滿倉庫存160條。煙倉期初庫存通常為件煙庫安全庫存與煙倉滿倉庫存的平均值，故分揀線整體期初庫存為12320條。

4.提前出庫時(shí)間

由于件煙庫和分揀線之間存在緩存區(qū)域，分揀線補(bǔ)貨線件煙掃描器與補(bǔ)貨小車之間存在緩存區(qū)域。為了避免出現(xiàn)分揀線開機(jī)缺煙的問題，故件煙庫需要在分揀線開機(jī)前提前出庫，補(bǔ)滿緩存區(qū)域。經(jīng)實(shí)際測(cè)算，件煙庫在分揀線開機(jī)前30分鐘出庫，件煙可補(bǔ)滿緩存區(qū)域。

二、件煙庫策略設(shè)計(jì)

1.約束條件與目標(biāo)值設(shè)計(jì)

（1）滾柱傳輸速度大小限制

為了增加件煙傳輸速度，應(yīng)盡量增加滾柱的轉(zhuǎn)速。但是滾柱轉(zhuǎn)速過快會(huì)導(dǎo)致滾柱停下時(shí)，件煙由于慣性前沖到下一個(gè)滾柱，造成卷煙信息錯(cuò)誤。同時(shí)滾柱轉(zhuǎn)速過快也會(huì)導(dǎo)致光電開關(guān)的件煙識(shí)別率下降，造成信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。因此，滾柱轉(zhuǎn)速不應(yīng)過大，經(jīng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，滾柱傳輸最大速度為0.5m/s時(shí)，件煙識(shí)別率最佳。

（2）件煙庫煙道安全庫存

基于件煙庫硬件構(gòu)成，煙道滿倉可存儲(chǔ)件煙50件。一個(gè)托盤通常放置件煙30件。為保證及時(shí)補(bǔ)貨，同時(shí)避免出現(xiàn)煙道堵塞的情況，煙道初始安全庫存可設(shè)為20件。該安全庫存閥值應(yīng)根據(jù)實(shí)際卷煙銷量調(diào)節(jié)，如果該煙道卷煙品牌銷量較大，如可以適當(dāng)提高安全庫存閾值，使件煙庫提前發(fā)起補(bǔ)貨請(qǐng)求。如果該煙道卷煙品牌銷量較小，可以適當(dāng)降低安全庫存閾值，給其他品牌留出要貨緩沖空間。

（3）件煙庫出庫速度目標(biāo)值

若從件煙庫提前出庫開始到分揀線結(jié)束分揀為止，件煙庫出庫量等于分揀線的期初庫存與當(dāng)日分揀總量之和，則分揀結(jié)束時(shí)分揀線期初庫存正好消耗完，且分揀線不會(huì)缺煙。此時(shí)件煙庫出庫速度正好滿足分揀線的補(bǔ)貨需求。設(shè)V補(bǔ)為件煙庫出庫速度，v分為分揀線運(yùn)行效率，t分為分揀線運(yùn)行總時(shí)間，t提為件煙庫提前出庫時(shí)間，當(dāng)天分揀總量為Q分，分揀線期初庫存為Q初。則可得到如下公式：

由上文內(nèi)容可知，Q初為12320條，Q分為201585條，t提為0.5小時(shí)，單條分揀線分揀效率設(shè)計(jì)值為30000條/小時(shí)，故v分為30000條/時(shí)，將其代入公式（1）可得到V補(bǔ)為26215條/時(shí)，一件煙為50條煙，即V補(bǔ)為524.3件/時(shí)。即當(dāng)件煙庫出庫速度大于等于524.3件/時(shí)，分揀線不會(huì)缺煙停機(jī)。

2.件煙庫入庫策略

（1）傳統(tǒng)入庫策略

在傳統(tǒng)入庫策略下，當(dāng)煙道的實(shí)際庫存為Q實(shí)小于安全庫存時(shí)，件煙庫滿足入庫條件，即向立庫發(fā)出入庫請(qǐng)求。傳統(tǒng)入庫策略優(yōu)點(diǎn)是邏輯簡單，計(jì)算過程較少；缺點(diǎn)是盲目要貨，沒有優(yōu)先級(jí)設(shè)定。緊急的品牌沒有優(yōu)先要貨，缺煙品牌入庫不及時(shí)，進(jìn)而造成分揀線缺煙停機(jī)。

（2）優(yōu)先級(jí)入庫策略

在傳統(tǒng)入庫策略的基礎(chǔ)上，增加入庫序列。算法過程如下所述：

①生成初始入庫集，當(dāng)件煙庫某一煙道的實(shí)際庫存Q實(shí)小于該煙道的安全庫存時(shí)，則產(chǎn)生新入庫任務(wù)，形成件煙庫初始入庫序列A初；

②生成分揀線補(bǔ)貨序列，根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況，測(cè)量單件卷煙走過一個(gè)滾柱位置的平均時(shí)間，設(shè)為M。為保證各分揀線速度均衡，分別獲取M秒內(nèi)各分揀線的入庫需求序列。按照分揀線編號(hào)順序循環(huán)排列，形成分揀線補(bǔ)貨序列X。若各分揀線要煙數(shù)量不同，為保證各條分揀線均衡出庫，應(yīng)將多出部分放置序列X末尾；

③統(tǒng)計(jì)件煙數(shù)量，檢查入庫任務(wù)序列A初與實(shí)時(shí)補(bǔ)貨序列X中，統(tǒng)計(jì)兩個(gè)序列中共有品規(guī)卷煙的件煙庫實(shí)際庫存為Q實(shí)，正在執(zhí)行立庫出庫任務(wù)的該煙數(shù)量Q出，正在執(zhí)行立庫入庫任務(wù)的該品規(guī)卷煙數(shù)量Q入，實(shí)時(shí)補(bǔ)貨序列X中該品規(guī)卷煙的需求量Q主，該品規(guī)卷煙的剩余需求總量為Q剩；

④入庫優(yōu)先級(jí)一次排序，根據(jù)③中統(tǒng)計(jì)的數(shù)量計(jì)算入庫任務(wù)優(yōu)先級(jí)，有如下五種情況：

a.如果Q主≥Q入+Q實(shí)+Q出，且Q剩>Q入+ Q實(shí)+ Q出，那么該煙入庫任務(wù)為優(yōu)先級(jí)Ⅰ；

b.如果Q實(shí)+ Q出＜Q主＜Q入+Q實(shí)+Q出，且Q剩>Q入+ Q實(shí)+ Q出那么該煙入庫任務(wù)為優(yōu)先級(jí)Ⅱ；

c.如果Q主≤Q實(shí)+ Q出，且Q剩>Q入+ Q實(shí)+ Q出那么該煙入庫任務(wù)為優(yōu)先級(jí)Ⅲ；

d.如果Q?！躋入+ Q實(shí)+ Q出，那么該煙入庫任務(wù)為優(yōu)先級(jí)Ⅳ；

e.如果只存在序列A初中，而不存在序列X中，那么該煙入庫任務(wù)優(yōu)先級(jí)為Ⅴ；按照Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ的順序?qū)θ霂煨蛄蠥初中的任務(wù)進(jìn)行排序，形成新入庫序列A新；

⑤入庫優(yōu)先級(jí)二次排序，根據(jù)④中的優(yōu)先級(jí)順序，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)內(nèi)部進(jìn)行排序。并遵循如下規(guī)則重新排列，更新入庫序列A新。

同級(jí)內(nèi)部按照生成入庫任務(wù)的時(shí)間先后順序排列；

相同卷煙不同煙道的入庫任務(wù)，統(tǒng)計(jì)該煙道所在件煙庫樓層的入庫總量，所在樓層入庫總量少的煙道優(yōu)先入庫；

Ⅰ級(jí)中，如果Q實(shí)=0，優(yōu)先級(jí)等最高；

⑥循環(huán)判斷產(chǎn)生新任務(wù)，每間隔M秒循環(huán)執(zhí)行步驟②至步驟⑤，持續(xù)更新入庫序列A新。

⑦發(fā)起入庫任務(wù)，根據(jù)場(chǎng)地條件確定最大入庫任務(wù)數(shù)量P，統(tǒng)計(jì)已經(jīng)發(fā)起要貨和正在執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量P1。按照入庫序列A新的前后順序，產(chǎn)生P-P1個(gè)入庫任務(wù)，并發(fā)送給立庫系統(tǒng)。當(dāng)P1≥P時(shí)，不產(chǎn)生入庫任務(wù)。

入庫任務(wù)池每次向高架立庫發(fā)起入庫需求時(shí)，均通過上述優(yōu)先級(jí)算法對(duì)入庫任務(wù)進(jìn)行重新排序。既能保證入庫需求信號(hào)在整個(gè)補(bǔ)貨作業(yè)中穩(wěn)定均勻，又可對(duì)急需的入庫任務(wù)快速反應(yīng)。件煙庫整體補(bǔ)貨模型流程，如圖2所示。

圖2 備貨系統(tǒng)補(bǔ)貨模型流程框圖

3.件煙庫存儲(chǔ)策略

（1）煙道數(shù)量

確定各品規(guī)煙道數(shù)量，為銷量較多的卷煙提供緩沖庫存，是合理煙道存儲(chǔ)的關(guān)鍵。具體算法如下：

假設(shè)件煙庫的現(xiàn)存煙道總量為m，分揀線的卷煙品種數(shù)為n，若件煙庫為每個(gè)品規(guī)卷煙分配一個(gè)煙道，則件煙庫應(yīng)有m-n個(gè)煙道為空道。設(shè)各品規(guī)卷煙的銷量為In，件煙庫各品規(guī)卷煙煙道數(shù)量為Sn。其中銷量最大的卷煙銷量為Imax。在設(shè)計(jì)煙道時(shí)，先假設(shè)件煙庫為每個(gè)品規(guī)卷煙分配一個(gè)煙道，然后根據(jù)實(shí)際缺煙情況，逐步增加該卷煙的件煙庫煙道數(shù)量，直到該卷煙在實(shí)際分揀過程中不再缺煙，此時(shí)該煙道數(shù)量為Smax。設(shè)每個(gè)煙道的平均出庫量設(shè)為T，則：

各卷煙的理論煙道數(shù)量為：

將Sn由大到小依次排序，并將小數(shù)向上取整，得到由Sn組成的煙道數(shù)量序列S初，即{S1,S2?...Sn }。

從S1起逐項(xiàng)累加直至Sa，使得?

∑a( n? =1)Sn=m- n+a。對(duì)數(shù)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，其中S(n≤a)項(xiàng)保持不變，S(n>a)替換成1，得到新煙道數(shù)量S新，即{S1,S2?...Sa,1,1,1...?}，該序列為各品規(guī)卷煙的實(shí)際煙道數(shù)量。

（2）煙道位置

各品規(guī)卷煙煙道數(shù)量確定后，需確定各煙道的具體位置布局。為保證件煙庫出庫速度，煙道分配應(yīng)遵循以下原則：

①銷量大的卷煙煙道位置應(yīng)靠近件煙庫出口；

②各層煙道的卷煙銷量總和應(yīng)大致均衡。

因此，在煙道空間布局時(shí)，需要對(duì)應(yīng)上文中形成的煙道數(shù)量序列S_新，以件煙庫出庫口為原點(diǎn)由近及遠(yuǎn)，將其按照由小到大，再由大到小的層數(shù)順序由上到下依次排列。

（3）件煙庫出庫策略

①緩存區(qū)補(bǔ)貨

基于上節(jié)內(nèi)容所述，在分揀線開始運(yùn)轉(zhuǎn)前，按照實(shí)時(shí)補(bǔ)貨序列X，順序出庫堆滿緩存區(qū)。

②更新出庫序列

“冒泡法”判斷序列X是否存在缺煙煙道。

a.判斷X中第一順位卷煙是否缺煙。有如下兩種情況：

一是若M秒內(nèi)，件煙庫實(shí)際庫存Q實(shí)≠0，或正在執(zhí)行入庫任務(wù)的該煙數(shù)量Q入≠0，則正常出庫，跳出該循環(huán)。

二是若M秒內(nèi)，Q實(shí)=0且Q入=0，則判斷第下一順位卷煙，繼續(xù)步驟b。

b.若下一順位的卷煙Q實(shí)≠0或Q入≠0，則判斷分揀線煙倉剩余空間是否可容納1件卷煙。有如下兩種情況：

一是若分揀線煙倉剩余空間可容納1件卷煙，則將出庫序列X中該順位的卷煙放置于第一順位，后續(xù)順延。

二是若分揀線煙倉剩余空間不足以容納1件卷煙，則繼續(xù)判斷再下一順位卷煙，直至找到某卷煙Q實(shí)≠0或Q入≠0，且分揀線煙倉剩余空間可容納1件卷煙，則將出庫序列X中該順位的卷煙放置于與第一順位，后續(xù)順延。

以此類推，更新出庫序列X，流程如圖3所示。

圖3 出庫序列更新流程

③出庫煙道判斷

若該卷煙在件煙庫有多個(gè)煙道，則統(tǒng)計(jì)每一層的所有煙道正在出庫的總量，出庫最少的樓層，對(duì)應(yīng)的煙道優(yōu)先出庫。

④拉動(dòng)式補(bǔ)貨

根據(jù)補(bǔ)貨序列X，對(duì)分揀線進(jìn)行拉動(dòng)式補(bǔ)貨。分揀線要貨一件，件煙庫出庫一件，避免分揀線之間因效率發(fā)揮不均衡及故障等原因相互等待。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證

選取某煙草物流中心2023年6月的訂單，對(duì)件煙庫出入庫策略進(jìn)行驗(yàn)證，去除由于分揀線故障導(dǎo)致件煙庫停止出庫所造成的速度損失，分揀線出庫速度如圖4。由圖4可見，采用本文中設(shè)計(jì)的件煙庫出入庫策略，件煙庫單條分揀線平均出庫速度可達(dá)557件/小時(shí)。平均值、高峰值和低谷值均超過上文所述的目標(biāo)值524.3件/小時(shí)，能夠滿足分揀線所需出庫要求。同時(shí)，每條分揀線補(bǔ)貨線相互獨(dú)立互不牽連，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

圖4 2023年6月分揀線出庫速度

四、結(jié)論

本文研究了件煙庫的補(bǔ)貨、存儲(chǔ)、出庫策略，并對(duì)三種流程逐一拆解，解決了件煙庫出庫速度與分揀速度不匹配的問題，提升了件煙庫出庫速度。某煙草物流中心全自動(dòng)分揀線使用本策略后，2023年6月件煙庫單條分揀線出庫速度為557件/小時(shí)，達(dá)到分揀線正常運(yùn)行所需的件煙出庫速度524.3件/小時(shí)。并且，能夠適應(yīng)多品規(guī)、分揀量大的復(fù)雜情況，有效支撐業(yè)務(wù)運(yùn)行。由此可見，本算法在全國其他地區(qū)的煙草商業(yè)物流企業(yè)具有較好的借鑒意義和推廣價(jià)值。

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