一种件烟库作业策略的设计与应用

摘要：为提升件烟库的出库速度，减少分拣线缺烟停机次数，本文以某烟草物流中心全自动分拣补货系统为背景，根据多层存储、分层入库、分线出库的作业标准，利用数学建模、模拟仿真、现场测试的方法，研究了件烟库的入库、存储、出库作业流程，提出了一种件烟库作业策略，并检验实际运行效果。测试结果表明，采用本文设计的件烟库作业策略，各分拣线出库相互独立，单线出库速度可达557件/小时。

关键词：烟草物流、件烟库、分拣线、作业策略

作者：陈霄1 林晨骁2 鄢烈虎3 朱妍彦3

1中国烟草总公司北京市公司物流中心配送运营部

2中国烟草总公司北京市公司物流中心仓储分拣部

3中国烟草总公司北京市公司物流中心工程技术部

近年来烟草行业装备水平不断提升，各地市烟草公司通过技术升级改造，全自动分拣效率得到提升[1]。全自动分拣整个流程涉及卷烟的各种形态（托盘、件、条），立库与分拣线之间必须建立件烟库用于件烟缓存，保障分拣需求[2]。大部分地市的物流中心采用多条分拣线并行、件烟库统一出库的方式。在作业过程中，分拣系统会生成多个要货任务，从任务发起到件烟库完成补货需要一定的时间。若在这段时间内，件烟库现有库存无法满足分拣需求，就会造成分拣线缺货，只有当对应任务完成后才能继续开始分拣[3]。然而，随着整体效率提升，件烟库出库效率与分拣线的分拣效率不匹配，导致分拣缺烟频繁，影响分拣效率进一步提升。因此，优化件烟库作业策略，是提高综合作业效率的关键[4]。

本论文以某烟草物流中心为背景，研究件烟库入库、存储、出库策略，以提升件烟库出库速度为目标，分析现有分拣设备运行情况[5]。根据机械手抓烟，多层存储、分线分层补货的作业流程，提出了一种件烟库策略，以期提高件烟库的出库速度，减少分拣线缺烟时间[6]。通过试验检验最终效果，并对结果进行分析。

一、背景分析 

1.件烟库流程

该烟草物流中心厂房主要分为立库、件烟库、全自动分拣线三个部分，整体布局如图1所示。件烟库由多个烟道组成，每个烟道只能容纳一种规格的卷烟。烟道一端以件烟的形式入库，再进行存储，另一端件烟出库用于分拣线补货[7]。

图1某烟草物流中心厂房布局

件烟库入库时，向立库系统发要货指令。立库系统自动将对应卷烟的托盘取出，托盘由穿梭车输送至托盘拆垛口，经过直角坐标机器人或人工拆垛，将件烟放到件烟输送线上，输送到件烟备货区进行备货暂存；拆垛产生的空托盘由托盘输送线输送到空托盘码垛机，自动收集码垛，码垛后的空托盘由堆垛机运送至立库系统[8]。

件烟库出库时，对于需要出库到分拣区的卷烟，根据各条分拣线的要货指令。件烟缓存系统自动将相应的件烟送往件烟缓存输送线，分拣补货输送系统为4条分拣线设计了独立的补货线，互不牵连。单条分拣线分拣理论效率设计值为30000条/小时。

2.件烟库补货速度

该烟草物流中心有5个件烟拆垛口，4个直角坐标机器人拆垛口，1个人工拆垛口。每台机器人的拆垛效率为420件/小时，人工口的拆垛效率为180件/小时，因此实际件烟库区入库效率为1860件/小时。由于机械手拆垛站台货物的限制，件烟库补货缓存区最多容纳20个托盘，即件烟库向立库发起的要货任务数量不得超过20个。

3.分拣线期初库存

该烟草物流中心的分拣线配置184个卧式烟仓，分为4组。3组为标准烟仓，共计144个烟仓，1组为细支烟仓，共计40个烟仓。一个烟仓放置一种规格的卷烟，部分品规卷烟采用多仓分拣模式。根据烟仓设备结构的限制，每个烟仓预留一件卷烟的补货空间，标准烟安全库存为30条，满仓库存80条。细支烟安全库存为60条，满仓库存160条。烟仓期初库存通常为件烟库安全库存与烟仓满仓库存的平均值，故分拣线整体期初库存为12320条。

4.提前出库时间

由于件烟库和分拣线之间存在缓存区域，分拣线补货线件烟扫描器与补货小车之间存在缓存区域。为了避免出现分拣线开机缺烟的问题，故件烟库需要在分拣线开机前提前出库，补满缓存区域。经实际测算，件烟库在分拣线开机前30分钟出库，件烟可补满缓存区域。

二、件烟库策略设计

1.约束条件与目标值设计

（1）滚柱传输速度大小限制

为了增加件烟传输速度，应尽量增加滚柱的转速。但是滚柱转速过快会导致滚柱停下时，件烟由于惯性前冲到下一个滚柱，造成卷烟信息错误。同时滚柱转速过快也会导致光电开关的件烟识别率下降，造成信号传输错误。因此，滚柱转速不应过大，经实际运转测试，滚柱传输最大速度为0.5m/s时，件烟识别率最佳。

（2）件烟库烟道安全库存

基于件烟库硬件构成，烟道满仓可存储件烟50件。一个托盘通常放置件烟30件。为保证及时补货，同时避免出现烟道堵塞的情况，烟道初始安全库存可设为20件。该安全库存阀值应根据实际卷烟销量调节，如果该烟道卷烟品牌销量较大，如可以适当提高安全库存阈值，使件烟库提前发起补货请求。如果该烟道卷烟品牌销量较小，可以适当降低安全库存阈值，给其他品牌留出要货缓冲空间。

（3）件烟库出库速度目标值

若从件烟库提前出库开始到分拣线结束分拣为止，件烟库出库量等于分拣线的期初库存与当日分拣总量之和，则分拣结束时分拣线期初库存正好消耗完，且分拣线不会缺烟。此时件烟库出库速度正好满足分拣线的补货需求。设V补为件烟库出库速度，v分为分拣线运行效率，t分为分拣线运行总时间，t提为件烟库提前出库时间，当天分拣总量为Q分，分拣线期初库存为Q初。则可得到如下公式：

由上文内容可知，Q初为12320条，Q分为201585条，t提为0.5小时，单条分拣线分拣效率设计值为30000条/小时，故v分为30000条/时，将其代入公式（1）可得到V补为26215条/时，一件烟为50条烟，即V补为524.3件/时。即当件烟库出库速度大于等于524.3件/时，分拣线不会缺烟停机。

2.件烟库入库策略

（1）传统入库策略

在传统入库策略下，当烟道的实际库存为Q实小于安全库存时，件烟库满足入库条件，即向立库发出入库请求。传统入库策略优点是逻辑简单，计算过程较少；缺点是盲目要货，没有优先级设定。紧急的品牌没有优先要货，缺烟品牌入库不及时，进而造成分拣线缺烟停机。

（2）优先级入库策略

在传统入库策略的基础上，增加入库序列。算法过程如下所述：

①生成初始入库集，当件烟库某一烟道的实际库存Q实小于该烟道的安全库存时，则产生新入库任务，形成件烟库初始入库序列A初；

②生成分拣线补货序列，根据设备实际情况，测量单件卷烟走过一个滚柱位置的平均时间，设为M。为保证各分拣线速度均衡，分别获取M秒内各分拣线的入库需求序列。按照分拣线编号顺序循环排列，形成分拣线补货序列X。若各分拣线要烟数量不同，为保证各条分拣线均衡出库，应将多出部分放置序列X末尾；

③统计件烟数量，检查入库任务序列A初与实时补货序列X中，统计两个序列中共有品规卷烟的件烟库实际库存为Q实，正在执行立库出库任务的该烟数量Q出，正在执行立库入库任务的该品规卷烟数量Q入，实时补货序列X中该品规卷烟的需求量Q主，该品规卷烟的剩余需求总量为Q剩；

④入库优先级一次排序，根据③中统计的数量计算入库任务优先级，有如下五种情况：

a.如果Q主≥Q入+Q实+Q出，且Q剩>Q入+ Q实+ Q出，那么该烟入库任务为优先级Ⅰ；

b.如果Q实+ Q出＜Q主＜Q入+Q实+Q出，且Q剩>Q入+ Q实+ Q出那么该烟入库任务为优先级Ⅱ；

c.如果Q主≤Q实+ Q出，且Q剩>Q入+ Q实+ Q出那么该烟入库任务为优先级Ⅲ；

d.如果Q剩≤Q入+ Q实+ Q出，那么该烟入库任务为优先级Ⅳ；

e.如果只存在序列A初中，而不存在序列X中，那么该烟入库任务优先级为Ⅴ；按照Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ的顺序对入库序列A初中的任务进行排序，形成新入库序列A新；

⑤入库优先级二次排序，根据④中的优先级顺序，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级内部进行排序。并遵循如下规则重新排列，更新入库序列A新。

同级内部按照生成入库任务的时间先后顺序排列；

相同卷烟不同烟道的入库任务，统计该烟道所在件烟库楼层的入库总量，所在楼层入库总量少的烟道优先入库；

Ⅰ级中，如果Q实=0，优先级等最高；

⑥循环判断产生新任务，每间隔M秒循环执行步骤②至步骤⑤，持续更新入库序列A新。

⑦发起入库任务，根据场地条件确定最大入库任务数量P，统计已经发起要货和正在执行的任务数量P1。按照入库序列A新的前后顺序，产生P-P1个入库任务，并发送给立库系统。当P1≥P时，不产生入库任务。

入库任务池每次向高架立库发起入库需求时，均通过上述优先级算法对入库任务进行重新排序。既能保证入库需求信号在整个补货作业中稳定均匀，又可对急需的入库任务快速反应。件烟库整体补货模型流程，如图2所示。

图2 备货系统补货模型流程框图

3.件烟库存储策略

（1）烟道数量

确定各品规烟道数量，为销量较多的卷烟提供缓冲库存，是合理烟道存储的关键。具体算法如下：

假设件烟库的现存烟道总量为m，分拣线的卷烟品种数为n，若件烟库为每个品规卷烟分配一个烟道，则件烟库应有m-n个烟道为空道。设各品规卷烟的销量为In，件烟库各品规卷烟烟道数量为Sn。其中销量最大的卷烟销量为Imax。在设计烟道时，先假设件烟库为每个品规卷烟分配一个烟道，然后根据实际缺烟情况，逐步增加该卷烟的件烟库烟道数量，直到该卷烟在实际分拣过程中不再缺烟，此时该烟道数量为Smax。设每个烟道的平均出库量设为T，则：

各卷烟的理论烟道数量为：

将Sn由大到小依次排序，并将小数向上取整，得到由Sn组成的烟道数量序列S初，即{S1,S2⋯...Sn }。

从S1起逐项累加直至Sa，使得 

∑a( n  =1)Sn=m- n+a。对数列中的数据进行优化，其中S(n≤a)项保持不变，S(n>a)替换成1，得到新烟道数量S新，即{S1,S2⋯...Sa,1,1,1...⋯}，该序列为各品规卷烟的实际烟道数量。

（2）烟道位置

各品规卷烟烟道数量确定后，需确定各烟道的具体位置布局。为保证件烟库出库速度，烟道分配应遵循以下原则：

①销量大的卷烟烟道位置应靠近件烟库出口；

②各层烟道的卷烟销量总和应大致均衡。

因此，在烟道空间布局时，需要对应上文中形成的烟道数量序列S_新，以件烟库出库口为原点由近及远，将其按照由小到大，再由大到小的层数顺序由上到下依次排列。

（3）件烟库出库策略

①缓存区补货

基于上节内容所述，在分拣线开始运转前，按照实时补货序列X，顺序出库堆满缓存区。

②更新出库序列

“冒泡法”判断序列X是否存在缺烟烟道。

a.判断X中第一顺位卷烟是否缺烟。有如下两种情况：

一是若M秒内，件烟库实际库存Q实≠0，或正在执行入库任务的该烟数量Q入≠0，则正常出库，跳出该循环。

二是若M秒内，Q实=0且Q入=0，则判断第下一顺位卷烟，继续步骤b。

b.若下一顺位的卷烟Q实≠0或Q入≠0，则判断分拣线烟仓剩余空间是否可容纳1件卷烟。有如下两种情况：

一是若分拣线烟仓剩余空间可容纳1件卷烟，则将出库序列X中该顺位的卷烟放置于第一顺位，后续顺延。

二是若分拣线烟仓剩余空间不足以容纳1件卷烟，则继续判断再下一顺位卷烟，直至找到某卷烟Q实≠0或Q入≠0，且分拣线烟仓剩余空间可容纳1件卷烟，则将出库序列X中该顺位的卷烟放置于与第一顺位，后续顺延。

以此类推，更新出库序列X，流程如图3所示。

图3 出库序列更新流程

③出库烟道判断

若该卷烟在件烟库有多个烟道，则统计每一层的所有烟道正在出库的总量，出库最少的楼层，对应的烟道优先出库。

④拉动式补货

根据补货序列X，对分拣线进行拉动式补货。分拣线要货一件，件烟库出库一件，避免分拣线之间因效率发挥不均衡及故障等原因相互等待。

三、试验验证

选取某烟草物流中心2023年6月的订单，对件烟库出入库策略进行验证，去除由于分拣线故障导致件烟库停止出库所造成的速度损失，分拣线出库速度如图4。由图4可见，采用本文中设计的件烟库出入库策略，件烟库单条分拣线平均出库速度可达557件/小时。平均值、高峰值和低谷值均超过上文所述的目标值524.3件/小时，能够满足分拣线所需出库要求。同时，每条分拣线补货线相互独立互不牵连，保证系统运行可靠稳定。

图4 2023年6月分拣线出库速度

四、结论

本文研究了件烟库的补货、存储、出库策略，并对三种流程逐一拆解，解决了件烟库出库速度与分拣速度不匹配的问题，提升了件烟库出库速度。某烟草物流中心全自动分拣线使用本策略后，2023年6月件烟库单条分拣线出库速度为557件/小时，达到分拣线正常运行所需的件烟出库速度524.3件/小时。并且，能够适应多品规、分拣量大的复杂情况，有效支撑业务运行。由此可见，本算法在全国其他地区的烟草商业物流企业具有较好的借鉴意义和推广价值。

参考文献：

[1]郭天文,林郁,曹琦.基于纸滑托盘的卷烟成品高架库出入库系统改造[J].中国烟草学报,2020.

[2]马永敬,孔维荣,周娇娇,马力.典型立体仓储系统优势对比分析[J].价值工程,2019,38.

[3]张丹,高家兴,李伟.全自动缓存库关键技术及应用[J].物流技术与应用,2022,27(06)：153-157.

[4]裴志坚,元玉霞,周树华,罗邵勇,范晋.机器人回转立体缓存库在智能制造系统中的应用[J].常州信息职业技术学院学报,2020,19(05)：30-32+65.

[5]刘践,徐宁.配方高架库空箱出库程序的优化设计与应用[J].电子技术与软件工程,2021(20)：33-35.

[6]彭海,陈建军,李全晶.卷烟企业成品高架库自适应入库模式应用研究[J].物流技术与应用,2021,26(10)：206-209.

[7]胡安琪,郭凯.提升成品高架库堆垛机出库运行效率研究与应用[J].物流技术与应用,2021,26(09)：148-151.

[8]江开聪,黄国锋,赵乙静,黄河.南宁卷烟厂成品高架库异型（细支烟）出入库设备改造的研究及应用[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2020(10)：174-175.