摘要：针对卷烟物流配送中心卷烟分拣包装后烟包装入笼车环节依靠人工作业问题，浙江省烟草公司金华市公司研发出一种烟包自动码垛机器人，并通过考虑笼车空间利用率最大来建立烟包码垛的多目标改进模型，最后基于多约束的启发式算法进行求解。经试运行，金华市烟草物流中心烟包自动码垛机器人码垛装置效率满足整条卷烟分拣线效率要求，目前采用的基于多约束启发式算法的平均装载率达到94.79%，接近人工码垛96%装载率，每台设备节约码垛人员2名，同时有效避免了装卸岗位的安全风险。

关键词：码垛机器人、卷烟烟包、三维装箱问题、启发式算法

作者：陈兴明吴珊贾云斌

浙江省烟草公司金华市公司

目前在卷烟物流配送中心，使用笼车装载分拣后烟包进行中转运输，成为行业内主要选择。烟包装笼车环节为人工作业，作业时间长、体力消耗大，很大程度上影响着整条卷烟分拣线的整体作业效率。能否研发一种烟包自动码垛装备，替代人工进行作业，实现卷烟分拣线最后环节的自动化作业，同时又要保证自动化后笼车的装载率基本保持现状，成为浙江省烟草公司金华市公司课题组需要攻克的项目难点。

一、问题描述

目前，烟草商业物流配送中心在仓储部分实现了智能仓储自动出库功能，分拣部分实现自动化分拣，减少了人工作业，并极大提高分拣效率。但在最后环节，烟包码垛装入笼车过程中仍存在大量人工作业，导致该环节作业时间长、体力消耗大，很大程度上影响着分拣作业的整体效率，特别是在每年元旦、春节前后，连续高强度作业是常态，存在一定的安全风险。

二、问题解决

项目团队积极开展烟包自动码垛设备的研发攻关，以期利用机器人减少人工作业量。通过在机器人结构设计及码垛算法两个方面不断更新迭代，目前设备各方面指标达到预期要求，已投入使用。项目团队提出了一种基于多约束情况下的启发式算法的卷烟烟包自动码垛机器人设计方案，使其运行过程中选择更合理的码垛方案，使得垛型更稳定，笼车的装载率更优，从而节约成本，优化了人员操作笼车时的使用环境。具体研究思路，如图1所示。

图1自动码垛机器人研发思路图

1.卷烟烟包自动码垛机器人结构介绍

本文采用的卷烟烟包自动码垛机器人，关键机构包括移载机构和转运输送机构两大部分。移载机构包括有滑动升降座，滑动升降座上连接升降台，升降台下端固定安装有连接板，连接板通过螺栓与下端的滑动装置固定连接，滑动装置的两侧固定安装有定位装置，其中定位装置包括有固定盒、双向螺纹杆、转动轴、驱动电机及螺纹筒。卷烟烟包转运设备设置有定位装置，所以当对卷烟烟包进行运输移动时，夹板通过夹持弹簧的弹性势能对卷烟烟包的两侧进行夹持紧固，方便对卷烟烟包进行移动。此外，通过滑动装置，可使滑动台进行左右滑动，使下端夹持装置内的卷烟烟包被带入至搬运笼内，方便进行运输，从而减少人工搬运，提高搬运的工作效率。图2和图3分别为自动化码垛机器人设计图和实景图。

图2自动化码垛机器人设计图

图3自动化机器人设备实景图

2.卷烟烟包自动码垛机器人作业流程

码垛机器人作业分为7个环节，具体如下：

（1）对接包装线出口，烟包从包装机流入码垛自动化设备；

（2）设备对烟包做出识别，掌握烟包的长宽高尺寸；

（3）烟包依次进入设备，并自动记录进入设备的烟包数量；

（4）设备程序自动运算，通过码垛算法给出码垛位置和烟包方向，实现装载率最大化；

（5）完成一组烟包码垛后，自动化抓取装载至笼车；

（6）单侧单个笼车从低到高逐层自动完成码垛；

（7）单侧码垛完成后另一侧自动继续装载码垛。

3.码垛模型建立

笼车作为烟包的装载容器，笼车空间可以定义为C=(L，W，H)，其中L、W、H分别表示笼车的长、宽、高，最大容积为V。

设所有烟包数量为n，第i个烟包长、宽和高分别为li、wi、hi，体积为vi，要求烟包在装载时不能挤压，码垛长宽高要满足笼车最大尺寸约束，并将烟包尽可能多地装入笼车内，使得空间装载率最大。

式（1）中，以笼车装载率最大构建目标函数，其中F为笼车装载率，φi为0-1变量，代表第i个烟包是否装入笼车中。

装载卷烟时的范围约束表示为：

式（2）中，lxi、lyi、lzi为0-1变量，分别表示第i个烟包的长、宽、高是否平行于笼车的长，例如若第i种烟包的长平行于笼车的长，则lxi=1，否则等于零；式中wxi、wyi、wzi为0-1变量分别表示第i种烟包的长、宽、高是否平行于笼车的宽，式中hxi、hyi、hzi为0-1变量表示第i种烟包的长、宽、高是否平行于笼车的高，xi，yi，zi为第i个烟包可放置点的长宽高。

4.优化笼车内码垛算法

三维装箱问题常用求解算法包括贪心算法、遗传算、多约束启发式算法，均可应用于笼车内烟包码垛算法求解。经过对比分析，最终采用了改进的多约束启发式算法就行码垛求解。

启发式算法是一种基于经验和直觉的优化方法，常见算法是蚁群算法，它模拟蚂蚁在寻找食物时释放信息素的行为，根据信息素浓度来引导货物的排序和堆垛顺序。启发式算法可以通过模拟自然界的行为，找到近似最优解或次优解。而本文在添加多个约束的情况下，能在解的更新同时利用全局最优解和局部最优解信息。

本文经过对比分析，改进的启发式算法突破局部最优的能力强，更容易找到更优的可行解，能同时利用局部解和最优解采用更合适的解，所以采用改进的多约束的启发式算法。

三、改进的启发式优化算法及效果分析

1.改进的启发式优化算法

将笼车大小作为剩余空间的初始状态，图4中用前、右、上3个初次装载后的剩余部分，表示在装载烟包之后生成的3个剩余空间。

启发式算法中装载烟包的编码表示为：

式（3）中，B表示可用的装载烟包列表，包含已经生成的简单烟包列表，n表示列表中可供装载烟包的总数量。

装载烟包bj表示列表中第j个装载烟包，其编码表示为：

式（4）中，j表示装载烟包列表中装载烟包的序号；（lj，wj，hj）分别表示装载烟包的长、宽、高和；（nj，dj）分别表示该装载烟包所使用的烟包数量和烟包摆放类型。剩余空间space表示为：

式（5）中，(xa，ya，za)分别表示剩余空间能放置参考点的三维坐标，即该空间的左、后、下顶点坐标；(xb，yb，zb)表示剩余空间可放置的长、宽、高；γ=(1，2，3)表示装载烟包在前、右、上3个剩余空间中进行装载。

当放置参考点为原点时，即笼车空载时，（xb，yb，zb)为笼车的长、宽、高，初始剩余空间表示为：

如图4所示，将装载烟包bi放入剩余空间中，分别在3个坐标轴方向生成对应的3个剩余空间Space(m)，Space(m+1)和Space(m+2)，对应的编码分别表示为：

公式（7）至（9）中，m表示剩余空间的序号。在每个装载阶段都需要对剩余空间进行一次新的划分，在笼车未装满之前会不断生成剩余空间，在搜索过程中会对剩余空间进行高度排序，规定其装载优先级，确保烟包的装载是由下至上，以提高装载的稳定性。在剩余空间有可装载烟包时，则根据装载序列选择烟包装载，重新对未装载的剩余空间进行切割；在剩余空间无可装载烟包时，则对剩余空间进行合并，直到无可用剩余空间。

图3剩余空间分割

2.算法有效性分析

经过10天测试，改进的多约束启发式算法与改进前算法对比，自动化码垛机器人的装载率由93.43%提升至94.79%，最高可达97.88%，表1为测试结果。

表1码垛自动化设备试装载率数据统计表

四、自动化码垛机器人设备效益分析

1.机械设备的效率及可靠性分析

由表2可以看出，自动化码垛机器人设备作业效率满足分拣线要求，作业可靠性高，烟损量为0；在提高三倍产量的情况下，如果只是单纯的增加人工则会造成管理上的混乱，但是码垛机器人设备依然可以平稳运行。

表2码垛机器人数据统计表

2.经济效益分析

针对笼车卷烟装载需要使用人工并且存在安全隐患问题，自动化码垛机器人通过引入自动装箱算法和启发式求解算法，可以有效保障笼车的装载率，在有限的空间内尽可能多地装载烟包。通过测算，一台设备可减少2名码垛人员，约3～4年收回成本，设备使用年限在10～15年左右，维护成本低，一年费用占设备采购费用的3%左右。

3.社会效益分析

（1）合理装载，减少烟包破损，提高客户满意度

通过采用合理化的烟包装载方案，可实现对笼车内的烟包进行合理排列和空隙填补，从而使装载的烟包更加紧密和牢固，减少了运输过程中因烟包之间存在空隙而导致晃动的情况，进一步降低了烟包间的碰撞和损坏风险，从而减少烟包的破损，保障了烟包的完整性，极大提高了客户的满意度。

（2）使用自动码垛机器人设备还可以增强安全性

采用自动化码垛机器人设备减少了人工作业量，且整个装载过程均由自动化码垛机器人完成，降低了因人员在进行繁重的作业时产生意外事故的风险，从而增强烟包装载过程的安全性。

五、总结

烟包自动码垛机器人的应用，推动着金华烟草分拣业务流程重构与设备运行技术革新，打破了传统的人工叠笼模式，在减少人工工作量的同时，增加了笼车内的空间利用率，减少了因垛型不稳可能会出现的货损，提高了客户的满意度，使烟包的装载更加机械化、智能化。这是智慧物流工程在基层落地的一次生动实践，助力烟草商业物流向数字化、自动化、智能化又一次迈进。

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