熊先青，袁瑩瑩，潘雨婷，吳智慧

(1.南京林業(yè)大學(xué)林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037)

受工業(yè)4.0時代背景的影響，家居行業(yè)不斷出現(xiàn)新的制造模式，如大規(guī)模定制、全屋定制、整木定制、柔性制造等[1]，這些新模式都與個性化產(chǎn)品需求密切相關(guān)。由于受到個性化產(chǎn)品需求的影響，造成定制家居產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多樣化，從而給家居企業(yè)的定制生產(chǎn)帶來新的挑戰(zhàn)[2]。

從當前的定制家居企業(yè)來看，在實施智能制造過程中，幾大核心工序如開料、封邊、鉆孔、包裝等，數(shù)字化制造技術(shù)逐漸趨于成熟。但從材料利用率和生產(chǎn)效率來看，影響最大的是開料和分揀工序。開料工序是定制家居智能加工的開端，在生產(chǎn)過程中，數(shù)字化開料技術(shù)已經(jīng)基本形成，但多數(shù)采用的是按訂單生產(chǎn)，即按訂單開料，因此造成板材利用率降低、生產(chǎn)成本提高、生產(chǎn)周期延長的局面[3]。為解決此問題，多數(shù)定制家居企業(yè)采用將多個訂單綜合考慮并進行綜合下料的方法，即將不同訂單混合生產(chǎn)，這種綜合多個訂單統(tǒng)一開料的方法，不僅可以提高原材料利用率，還可有效地控制生產(chǎn)周期，該模式稱之為“揉單生產(chǎn)”[4]。

揉單生產(chǎn)雖然能提高材料的利用率，但也為后續(xù)工序帶來麻煩，其中最為關(guān)鍵的是分揀工序[5]。所謂分揀，是指揉單開料后，再經(jīng)過封邊和鉆孔，需要將各個原始訂單進行復(fù)原歸類，才能進行包裝出庫。目前，國內(nèi)定制家居企業(yè)大多采用人工分揀的方式，即依據(jù)開料時零部件上張貼的條碼或者二維碼信息，采用自動識別設(shè)備(掃描槍)逐一掃描歸類進行分揀。人工分揀由于工作量大、勞動強度高，加上板件種類繁多、尺寸和形狀也各有不同，勢必造成分揀效率低下、分揀錯誤率高等問題，即揉單生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸工序技術(shù)問題，未能使定制家居揉單生產(chǎn)的優(yōu)勢發(fā)揮最大，更與定制家居數(shù)字化智能制造相差甚遠。因此，如何通過先進的分揀設(shè)備和信息化的管理手段，對現(xiàn)有的人工分揀模式進行改變，從而達到智能分揀的目的，是定制家居企業(yè)智能制造面臨的首要問題[6]。

基于此，本研究在總結(jié)傳統(tǒng)定制家居人工分揀關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上，通過定制家居自動分揀智能系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、揉單生產(chǎn)自動分揀系統(tǒng)訂單排序優(yōu)化技術(shù)、自動分揀可視化動態(tài)管理平臺的搭建等數(shù)字化和智能轉(zhuǎn)型的方式實現(xiàn)柔性制造模式下的智能分揀，闡述面向智能制造模式的自動分揀關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合實際應(yīng)用情況進行分析，旨在為我國家居企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級提供參考。

1 智能分揀的基本原理

1.1 智能分揀系統(tǒng)構(gòu)成

一般智能分揀系統(tǒng)[7]主要由信息識別系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、上下料輸送設(shè)備、分揀倉儲設(shè)備等構(gòu)成，其運行過程的基本原理如圖1所示。

圖1 定制家居智能分揀原理與工藝過程Fig. 1 The principle and process of intelligent sorting in customized home furnishing

其中，信息識別系統(tǒng)主要是由置于零件上的自動信息識別介質(zhì)(如二維碼)和自動進行采集的采集器構(gòu)成；過程控制系統(tǒng)主要是指構(gòu)成倉庫管理系統(tǒng)(warehouse management system, WMS)的相關(guān)軟件，以倉庫控制系統(tǒng)(warehouse control system，WCS)和可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)為核心，同時也包含零件相關(guān)原始信息來源的企業(yè)制造資源計劃系統(tǒng)(enterprise resource planning，ERP)[8]和制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)[9-10]等；上下料輸送設(shè)備主要是進行零件分揀過程的抓取和輸送設(shè)備，如智能上料機、分揀機器人和自動輸送線等；分揀倉儲設(shè)備是指零件分揀后的暫存設(shè)備，一般由立體倉庫或者環(huán)形貨架島庫構(gòu)成。

1.2 智能分揀的基本工藝過程

由圖1可知，定制家居零部件智能分揀時，零件上的二維碼信息在分揀倉儲裝置前被識別，由WMS讀取零件二維碼上的信息數(shù)據(jù)，同時結(jié)合ERP和MES中的原始零件信息，包括：產(chǎn)品零部件組成、零件尺寸、交貨日期、客戶信息、門店等，并將該信息通過WMS轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)能接收的數(shù)據(jù)，由可編程邏輯控制器PLC執(zhí)行控制指令，從而確定零件的分揀設(shè)備和輸送設(shè)備；控制裝置PLC控制器接到分揀指令后，控制上料機輸送零件至WMS倉庫管理系統(tǒng)指定的輸送設(shè)備，再由WMS倉庫管理系統(tǒng)指定的分揀設(shè)備分揀至零件二維碼記錄的存儲貨架，進行入庫；每個批次訂單的零件逐步被分揀到指定存儲貨架，當存儲貨架中揉單批次所要分揀的零件全部到齊后，通過零件上的齊套分揀碼和零件批次編碼進行訂單零件齊套，由分揀設(shè)備，根據(jù)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)中的自動包裝數(shù)據(jù)，結(jié)合不同訂單之間及同一訂單內(nèi)零件的組合關(guān)系，按照入庫時相反的指令，將零件放到出庫線上進行出庫，進入到包裝工序。

2 定制家居智能分揀的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能分揀的基本技術(shù)構(gòu)成

定制家居零部件智能分揀系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的一般構(gòu)成如圖2所示。

圖2 定制家居智能分揀關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成Fig. 2 The key technologies of intelligent sorting in customized home furnishing

2.2 揉單生產(chǎn)訂單排序優(yōu)化技術(shù)

定制家居揉單生產(chǎn)訂單排序優(yōu)化的好壞將直接影響智能分揀的準確性和效率，該技術(shù)的核心是建立定制家居快速拆單機制與方法，包括快速揉單和高效排產(chǎn)兩方面?？焖偃鄦问窃诙ㄖ萍揖赢a(chǎn)品族規(guī)劃與標準模塊的基礎(chǔ)上，展開對定制家居揉單生產(chǎn)過程中多因子影響進行分析，并通過技術(shù)優(yōu)化，包括定制家居揉單過程多因子篩選機制、定制家居揉單過程多因子沖突消減體系與消減模型構(gòu)建，從而形成定制家居揉單生產(chǎn)多因子處理方法與體系[11]。高效排產(chǎn)首先需要對定制家居自動排產(chǎn)多因子特征進行評價，使得定制家居自動排產(chǎn)過程中多因子間問題的集成，然后采用某一具體的算法(如遺傳算法、蟻群算法)、結(jié)合成組技術(shù)等[12-14]對定制家居高效排產(chǎn)方法和體系建立。與傳統(tǒng)排單技術(shù)相比，由于定制家居揉單生產(chǎn)訂單排序優(yōu)化進行了科學(xué)算法，在使材料利用率提高的同時，也為后期自動分揀系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源，便于自動分揀。

2.3 智能分揀生產(chǎn)線設(shè)計技術(shù)

定制家居智能分揀生產(chǎn)線設(shè)計技術(shù)，是采用一定的技術(shù)評價方法，對定制家居揉單生產(chǎn)自動分揀設(shè)備的選取[15]，并依據(jù)柔性制造的基本特征，結(jié)合定制家居產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于自動識別技術(shù)的定制家居揉單生產(chǎn)自動分揀線，再結(jié)合自動分揀設(shè)備和軟件系統(tǒng)，形成定制家居自動分揀智能系統(tǒng)，實現(xiàn)定制家居零部件分揀工序的輸送過程、信息采集過程、物件抓取過程、堆放過程等全部智能和自動化[16]，是代替人工操作的基礎(chǔ)過程。在具體進行生產(chǎn)線設(shè)計時，設(shè)備選取原則應(yīng)考慮具體企業(yè)的一定時間內(nèi)的訂單總量、零部件的規(guī)格類型、現(xiàn)有工藝生產(chǎn)線的布置、企業(yè)的信息化建設(shè)情況等綜合考慮。評價的具體指標包括：分揀效率的提升、分揀出錯率的降低、經(jīng)濟成本等。

2.4 智能分揀過程的自動識別技術(shù)

自動識別是進行智能分揀過程的信息獲取、傳遞和處理的技術(shù)，是自動分揀的基礎(chǔ)和信息來源的重要依據(jù)，是通過非人工自動獲取自動分揀標識信息的過程[17]。該技術(shù)是集計算機技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、通信技術(shù)于一體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)實際應(yīng)用時，可將數(shù)據(jù)實時輸入計算機、程序邏輯控制器或其他管理軟件系統(tǒng)的技術(shù)，具有自動信息獲取和信息錄入功能。目前，針對定制家居自動分揀主要有條形碼識別技術(shù)、二維碼識別技術(shù)或射頻識別技術(shù)等。條形碼識別技術(shù)相較于射頻識別模塊，由于條形碼是人工粘貼，位置具有一定隨機性，讀取距離短，不便實現(xiàn)可重復(fù)使用等，無法保證手持式二維碼掃描器高效準確地掃描讀取等。但由于條形碼成本低、技術(shù)成熟，目前仍是定制家居智能分揀過程自動識別的主要技術(shù)手段。

2.5 智能分揀可視化動態(tài)管理平臺搭建技術(shù)

定制家居智能分揀可視化動態(tài)管理平臺搭建技術(shù)，是實現(xiàn)智能分揀過程中的信息處理和動態(tài)管控核心[17]，利用大數(shù)據(jù)分析建立數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)訂單排序優(yōu)化技術(shù)，并對所有分揀后的物料進行合理分類管理，在對ERP系統(tǒng)信息升級基礎(chǔ)上，構(gòu)建以Web技術(shù)為基礎(chǔ)的定制家居產(chǎn)品自動分揀信息集成與共享平臺，實現(xiàn)實時顯示定制家居零部件每個分揀過程的狀態(tài)、存取物件內(nèi)容，并及時進行在線信息反饋，實現(xiàn)定制家居零部件智能分揀可視化的動態(tài)管理。

3 定制家居智能分揀系統(tǒng)設(shè)計

由上述定制家居智能分揀技術(shù)分析，在調(diào)研當前家居企業(yè)實際情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合 “十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“木質(zhì)家居柔性制造技術(shù)”(2018YFD0600304)的研究，通過某家居企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)線的構(gòu)建，設(shè)計了適合當前定制家居智能分揀方案，包括：基于“2020+WCC”的定制家居零部件揉單生產(chǎn)訂單排序優(yōu)化技術(shù)、基于“輸送線+機器手+立體庫”的定制家居自動分揀智能系統(tǒng)設(shè)計、基于“二維碼自動識別技術(shù)”的定制家居自動信息采集與處理、基于“ERP+MES+WCS+WMS”的定制家居自動分揀可視化動態(tài)管理平臺的搭建。

3.1 基于“2020+WCC”的定制家居揉單生產(chǎn)訂單排序優(yōu)化技術(shù)

本研究的定制家居揉單生產(chǎn)訂單排序優(yōu)化技術(shù)，是通過均勻分布、遺傳算法和改進分支定界等方法，結(jié)合成組技術(shù)特征(定制家居產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、工藝相似)，依據(jù)訂單信息和依靠系統(tǒng)布局，在優(yōu)化分揀作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，采用一種可壓縮式的訂單排序方法，擬定定制揉單生產(chǎn)自動分揀系統(tǒng)工作流程與策略，并依據(jù)訂單流程和訂單排序及自動分揀線的設(shè)計方案，結(jié)合分揀過程的調(diào)度情況，開發(fā)了基于“2020+WCC”的拆單和揉單數(shù)據(jù)共享的定制家居自動分揀訂單排序優(yōu)化技術(shù)，其過程如圖3所示。其核心是通過分散的訂單(如A、B、C訂單)中不同的零部件，通過拆單技術(shù)將各個訂單的零件綜合考慮，當零部件加工完成后，再通過自動分揀系統(tǒng)對各個零部件進行歸位，實現(xiàn)“訂單生產(chǎn)”向“揉單生產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變。該技術(shù)不僅能解決快速揉單問題，同時能夠解決揉單生產(chǎn)的高效排產(chǎn)問題，并最終實現(xiàn)自動分揀過程中的總揀選時間最短。

圖3 定制家居揉單生產(chǎn)過程示意圖Fig. 3 The schematic diagram of the mixed production process in customized home furnishing

3.2 基于“輸送線+機器手+立體庫”的定制家居智能分揀線設(shè)計

1.環(huán)形庫入庫線；2.垂直庫入庫線；3.立體庫出庫線；4.分揀機器人；5.環(huán)形貨架；6.堆垛機；7.垂直型貨架；8.滾筒輸送機；9.直走橫送機構(gòu)。圖4 定制家居智能分揀線示意圖Fig. 4 The schematic diagram of intelligent sorting line in customized home furnishing

本研究的定制家居智能分揀線設(shè)計是在企業(yè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，考慮異形件與非異形件的工藝過程和標準化差異，不能同一條生產(chǎn)線上加工的情況，并結(jié)合零件不同尺寸規(guī)格、形狀和功能特性的基礎(chǔ)上，執(zhí)行大小板件分堆、異形件與非異形件分堆、功能件與非功能件分堆，對零件進行分流[18]，然后采用不同智能設(shè)備抓取和存放的分揀形式，進行零件分流分揀。通過綜合評價的方法，篩選并開發(fā)定制家居揉單生產(chǎn)的分揀設(shè)備、輸送設(shè)備和存儲貨架構(gòu)成自動分揀倉儲單元，如圖4所示。其中，分揀設(shè)備包括分揀機器人、堆垛機，輸送設(shè)備包括由滾筒輸送機、直走橫送機構(gòu)、自動上料機設(shè)備等組成的環(huán)形庫入庫線、垂直庫入庫線和出庫線，存儲貨架包括環(huán)形貨架和垂直貨架。

實際應(yīng)用過程中，環(huán)形貨架、垂直貨架均為利用分揀設(shè)備、輸送設(shè)備將定制家居分揀零件輸送至出入庫的存放倉庫，用于臨時存儲分揀來的零件，并按照訂單的不同，根據(jù)零件的規(guī)格尺寸和形狀特點分放在貨架不同的倉位。其中，環(huán)形貨架用于儲存長度大于300 mm且小于1 000 mm的板件，垂直貨架用于儲存長度大于1 000 mm的板件。

3.3 基于“二維碼技術(shù)”的定制家居智能分揀自動識別技術(shù)

本研究的定制家居智能分揀自動識別技術(shù)，是建立在“二維碼自動識別技術(shù)”的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)和WMS倉庫管理系統(tǒng)的信息交互。在生產(chǎn)過程中，每塊零件開料后都會貼上一個由零件編碼模塊自動生成的二維碼標簽，二維碼標簽就像車間每個零件的身份證，承載著零件的所有加工信息、零件所屬訂單信息(訂單編號、齊套號，是最終實現(xiàn)齊套的依據(jù))、工藝路線信息等。用于零件在生產(chǎn)線上的有序流轉(zhuǎn)和準確定位。當零件進入分揀工序，二維碼標簽信息將被激光掃描器掃描讀取，分揀信息便會輸入到MES制造執(zhí)行系統(tǒng)中，并結(jié)合WMS的相關(guān)軟件實現(xiàn)零部件的上下料輸送、分揀和出入庫等。

3.4 基于“ERP+MES+WCS+WMS”的定制家居智能分揀可視化動態(tài)管理平臺的搭建

本研究的定制家居智能分揀可視化動態(tài)管理平臺，以當前定制家居企業(yè)的核心管理軟件的信息集成為目標，并結(jié)合前端設(shè)計訂單排序優(yōu)化軟件2020、數(shù)控加工設(shè)備的自帶優(yōu)化軟件IMOS和CUTRITE、CNC加工設(shè)備和智能分揀設(shè)備，搭建以Web技術(shù)為基礎(chǔ)的定制家居智能分揀ERP+MES+WCS+WMS信息集成與共享可視化管理信息系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)智能分揀過程的實時動態(tài)監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)，如圖5所示。該平臺由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、現(xiàn)場信息反饋系統(tǒng)以及ERP對接系統(tǒng)等大模塊構(gòu)成。其中：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊，基于二維碼自動信息采集技術(shù)，用于智能分揀過程中各類信息的采集管理等；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊，以WMS管理軟件為核心，將現(xiàn)場的各類信息采集后通過計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理的過程管理；現(xiàn)場信息反饋系統(tǒng)模塊，對智能分揀后的信息處理通過LED顯示屏進行現(xiàn)場反饋；與ERP對接系統(tǒng)模塊，將智能分揀工序過程中的所有數(shù)字化信息與企業(yè)的資源管理系統(tǒng)(ERP)進行信息交互與實時管控。

圖5 定制家居智能分揀管控平臺示意圖Fig. 5 The schematic diagram of intelligent sorting management and control platform in customized home furnishing

實際應(yīng)用過程中，WMS可實現(xiàn)人工不直接參與的自動存取作業(yè)。按照出入庫業(yè)務(wù)規(guī)則和運算法則，對物料、貨位、任務(wù)等數(shù)據(jù)庫進行優(yōu)化管理，其最為核心的工作是有效管控進貨和出貨作業(yè)。WMS倉庫管理系統(tǒng)是最上層，主要分析和處理倉庫分揀業(yè)務(wù)的邏輯；WCS是中間層，主要負責連接最上層WMS倉庫管理系統(tǒng)和最下層各種機械設(shè)備(如分揀機器人、堆垛機等)，WMS倉庫管理系統(tǒng)與MES制造執(zhí)行系統(tǒng)通信，WCS倉庫控制系統(tǒng)根據(jù)WMS倉庫管理系統(tǒng)的分揀業(yè)務(wù)邏輯，發(fā)送給PLC控制器，實現(xiàn)對車間設(shè)備統(tǒng)一調(diào)度進行分揀工作，WCS倉庫控制系統(tǒng)同時收集車間設(shè)備反饋信號，與WMS倉庫管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯實時交互，有效跟蹤和管控分揀設(shè)備、輸送設(shè)備的工作狀態(tài)和分揀執(zhí)行情況；MES制造執(zhí)行系統(tǒng)連接ERP計劃系統(tǒng)，主要負責執(zhí)行生產(chǎn)計劃，提供了車間控制和生產(chǎn)調(diào)度的功能，將ERP計劃系統(tǒng)中的產(chǎn)品信息與生產(chǎn)計劃信息進行處理，形成生產(chǎn)控制指令，并將指令傳送給WMS倉庫管理系統(tǒng)的WCS倉庫控制系統(tǒng)，由WCS倉庫控制系統(tǒng)指導(dǎo)各輸送設(shè)備和分揀設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)指令進行生產(chǎn)，實時監(jiān)控著全部生產(chǎn)過程，收集并處理板件生產(chǎn)進度信息、庫存情況，檢查板件的分揀執(zhí)行工作。

4 結(jié) 語

相比于現(xiàn)有人工分揀技術(shù)，本研究設(shè)計的智能分揀技術(shù)通過企業(yè)的實際應(yīng)用，分揀準確率、分揀效率和材料利用率等方面效果明顯，達到了預(yù)期目的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)通過相互信息共享的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)和WMS倉庫管理系統(tǒng)，進行生產(chǎn)、智能分揀過程信息的輸送和反饋，同時借助基于“二維碼”的自動識別技術(shù)單元、基于“輸送線+機器手+立體庫”的智能分揀線構(gòu)建及管控平臺的搭建，能夠智能有序地執(zhí)行分揀作業(yè)并實現(xiàn)信息反饋，有助于防止貨架爆倉，且顯著提高了分揀效率，依據(jù)企業(yè)半年來實際運行統(tǒng)計分析，分揀準確率達到99%；

2)本設(shè)計的零件編碼模塊、零件分流模塊和零件齊套模塊構(gòu)成的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，全工序分揀工作通過零件二維碼、零件批次編碼和零件齊套分揀碼實時掃描采集信息，進行有序分揀；零件分流模塊，能在區(qū)分大小板的基礎(chǔ)上，在控制單元的指導(dǎo)下，利用分揀機器人和堆垛機快速而準確地分揀大小零件，并存放在相應(yīng)的貨架中，顯著提高了分揀效率；

3)該定制家居零部件智能分揀系統(tǒng)單個揉單批次訂單數(shù)量由當前的10單一揉提升到25～30單一揉，通過生產(chǎn)性試驗驗證和數(shù)據(jù)分析，材料利用率由人工分揀的78%提升至88%。