熊先青，袁莹莹，潘雨婷，吴智慧

(1.南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037；2.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

受工业4.0时代背景的影响，家居行业不断出现新的制造模式，如大规模定制、全屋定制、整木定制、柔性制造等[1]，这些新模式都与个性化产品需求密切相关。由于受到个性化产品需求的影响，造成定制家居产品的结构复杂和多样化，从而给家居企业的定制生产带来新的挑战[2]。

从当前的定制家居企业来看，在实施智能制造过程中，几大核心工序如开料、封边、钻孔、包装等，数字化制造技术逐渐趋于成熟。但从材料利用率和生产效率来看，影响最大的是开料和分拣工序。开料工序是定制家居智能加工的开端，在生产过程中，数字化开料技术已经基本形成，但多数采用的是按订单生产，即按订单开料，因此造成板材利用率降低、生产成本提高、生产周期延长的局面[3]。为解决此问题，多数定制家居企业采用将多个订单综合考虑并进行综合下料的方法，即将不同订单混合生产，这种综合多个订单统一开料的方法，不仅可以提高原材料利用率，还可有效地控制生产周期，该模式称之为“揉单生产”[4]。

揉单生产虽然能提高材料的利用率，但也为后续工序带来麻烦，其中最为关键的是分拣工序[5]。所谓分拣，是指揉单开料后，再经过封边和钻孔，需要将各个原始订单进行复原归类，才能进行包装出库。目前，国内定制家居企业大多采用人工分拣的方式，即依据开料时零部件上张贴的条码或者二维码信息，采用自动识别设备(扫描枪)逐一扫描归类进行分拣。人工分拣由于工作量大、劳动强度高，加上板件种类繁多、尺寸和形状也各有不同，势必造成分拣效率低下、分拣错误率高等问题，即揉单生产的关键瓶颈工序技术问题，未能使定制家居揉单生产的优势发挥最大，更与定制家居数字化智能制造相差甚远。因此，如何通过先进的分拣设备和信息化的管理手段，对现有的人工分拣模式进行改变，从而达到智能分拣的目的，是定制家居企业智能制造面临的首要问题[6]。

基于此，本研究在总结传统定制家居人工分拣关键问题的基础上，通过定制家居自动分拣智能系统设计技术、揉单生产自动分拣系统订单排序优化技术、自动分拣可视化动态管理平台的搭建等数字化和智能转型的方式实现柔性制造模式下的智能分拣，阐述面向智能制造模式的自动分拣关键技术，并结合实际应用情况进行分析，旨在为我国家居企业的数字化转型升级提供参考。

1 智能分拣的基本原理

1.1 智能分拣系统构成

一般智能分拣系统[7]主要由信息识别系统、过程控制系统、上下料输送设备、分拣仓储设备等构成，其运行过程的基本原理如图1所示。

图1 定制家居智能分拣原理与工艺过程Fig. 1 The principle and process of intelligent sorting in customized home furnishing

其中，信息识别系统主要是由置于零件上的自动信息识别介质(如二维码)和自动进行采集的采集器构成；过程控制系统主要是指构成仓库管理系统(warehouse management system, WMS)的相关软件，以仓库控制系统(warehouse control system，WCS)和可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)为核心，同时也包含零件相关原始信息来源的企业制造资源计划系统(enterprise resource planning，ERP)[8]和制造执行系统(manufacturing execution system，MES)[9-10]等；上下料输送设备主要是进行零件分拣过程的抓取和输送设备，如智能上料机、分拣机器人和自动输送线等；分拣仓储设备是指零件分拣后的暂存设备，一般由立体仓库或者环形货架岛库构成。

1.2 智能分拣的基本工艺过程

由图1可知，定制家居零部件智能分拣时，零件上的二维码信息在分拣仓储装置前被识别，由WMS读取零件二维码上的信息数据，同时结合ERP和MES中的原始零件信息，包括：产品零部件组成、零件尺寸、交货日期、客户信息、门店等，并将该信息通过WMS转换成控制系统能接收的数据，由可编程逻辑控制器PLC执行控制指令，从而确定零件的分拣设备和输送设备；控制装置PLC控制器接到分拣指令后，控制上料机输送零件至WMS仓库管理系统指定的输送设备，再由WMS仓库管理系统指定的分拣设备分拣至零件二维码记录的存储货架，进行入库；每个批次订单的零件逐步被分拣到指定存储货架，当存储货架中揉单批次所要分拣的零件全部到齐后，通过零件上的齐套分拣码和零件批次编码进行订单零件齐套，由分拣设备，根据MES制造执行系统中的自动包装数据，结合不同订单之间及同一订单内零件的组合关系，按照入库时相反的指令，将零件放到出库线上进行出库，进入到包装工序。

2 定制家居智能分拣的关键技术

2.1 智能分拣的基本技术构成

定制家居零部件智能分拣系统关键技术的一般构成如图2所示。

图2 定制家居智能分拣关键技术构成Fig. 2 The key technologies of intelligent sorting in customized home furnishing

2.2 揉单生产订单排序优化技术

定制家居揉单生产订单排序优化的好坏将直接影响智能分拣的准确性和效率，该技术的核心是建立定制家居快速拆单机制与方法，包括快速揉单和高效排产两方面。快速揉单是在定制家居产品族规划与标准模块的基础上，展开对定制家居揉单生产过程中多因子影响进行分析，并通过技术优化，包括定制家居揉单过程多因子筛选机制、定制家居揉单过程多因子冲突消减体系与消减模型构建，从而形成定制家居揉单生产多因子处理方法与体系[11]。高效排产首先需要对定制家居自动排产多因子特征进行评价，使得定制家居自动排产过程中多因子间问题的集成，然后采用某一具体的算法(如遗传算法、蚁群算法)、结合成组技术等[12-14]对定制家居高效排产方法和体系建立。与传统排单技术相比，由于定制家居揉单生产订单排序优化进行了科学算法，在使材料利用率提高的同时，也为后期自动分拣系统提供数据来源，便于自动分拣。

2.3 智能分拣生产线设计技术

定制家居智能分拣生产线设计技术，是采用一定的技术评价方法，对定制家居揉单生产自动分拣设备的选取[15]，并依据柔性制造的基本特征，结合定制家居产品结构，构建基于自动识别技术的定制家居揉单生产自动分拣线，再结合自动分拣设备和软件系统，形成定制家居自动分拣智能系统，实现定制家居零部件分拣工序的输送过程、信息采集过程、物件抓取过程、堆放过程等全部智能和自动化[16]，是代替人工操作的基础过程。在具体进行生产线设计时，设备选取原则应考虑具体企业的一定时间内的订单总量、零部件的规格类型、现有工艺生产线的布置、企业的信息化建设情况等综合考虑。评价的具体指标包括：分拣效率的提升、分拣出错率的降低、经济成本等。

2.4 智能分拣过程的自动识别技术

自动识别是进行智能分拣过程的信息获取、传递和处理的技术，是自动分拣的基础和信息来源的重要依据，是通过非人工自动获取自动分拣标识信息的过程[17]。该技术是集计算机技术、光学技术、通信技术于一体的系统结构，在生产实际应用时，可将数据实时输入计算机、程序逻辑控制器或其他管理软件系统的技术，具有自动信息获取和信息录入功能。目前，针对定制家居自动分拣主要有条形码识别技术、二维码识别技术或射频识别技术等。条形码识别技术相较于射频识别模块，由于条形码是人工粘贴，位置具有一定随机性，读取距离短，不便实现可重复使用等，无法保证手持式二维码扫描器高效准确地扫描读取等。但由于条形码成本低、技术成熟，目前仍是定制家居智能分拣过程自动识别的主要技术手段。

2.5 智能分拣可视化动态管理平台搭建技术

定制家居智能分拣可视化动态管理平台搭建技术，是实现智能分拣过程中的信息处理和动态管控核心[17]，利用大数据分析建立数学模型，并依据订单排序优化技术，并对所有分拣后的物料进行合理分类管理，在对ERP系统信息升级基础上，构建以Web技术为基础的定制家居产品自动分拣信息集成与共享平台，实现实时显示定制家居零部件每个分拣过程的状态、存取物件内容，并及时进行在线信息反馈，实现定制家居零部件智能分拣可视化的动态管理。

3 定制家居智能分拣系统设计

由上述定制家居智能分拣技术分析，在调研当前家居企业实际情况的基础上，结合 “十三五”国家重点研发计划项目“木质家居柔性制造技术”(2018YFD0600304)的研究，通过某家居企业现场生产线的构建，设计了适合当前定制家居智能分拣方案，包括：基于“2020+WCC”的定制家居零部件揉单生产订单排序优化技术、基于“输送线+机器手+立体库”的定制家居自动分拣智能系统设计、基于“二维码自动识别技术”的定制家居自动信息采集与处理、基于“ERP+MES+WCS+WMS”的定制家居自动分拣可视化动态管理平台的搭建。

3.1 基于“2020+WCC”的定制家居揉单生产订单排序优化技术

本研究的定制家居揉单生产订单排序优化技术，是通过均匀分布、遗传算法和改进分支定界等方法，结合成组技术特征(定制家居产品结构、功能、工艺相似)，依据订单信息和依靠系统布局，在优化分拣作业流程的基础上，采用一种可压缩式的订单排序方法，拟定定制揉单生产自动分拣系统工作流程与策略，并依据订单流程和订单排序及自动分拣线的设计方案，结合分拣过程的调度情况，开发了基于“2020+WCC”的拆单和揉单数据共享的定制家居自动分拣订单排序优化技术，其过程如图3所示。其核心是通过分散的订单(如A、B、C订单)中不同的零部件，通过拆单技术将各个订单的零件综合考虑，当零部件加工完成后，再通过自动分拣系统对各个零部件进行归位，实现“订单生产”向“揉单生产”的转变。该技术不仅能解决快速揉单问题，同时能够解决揉单生产的高效排产问题，并最终实现自动分拣过程中的总拣选时间最短。

图3 定制家居揉单生产过程示意图Fig. 3 The schematic diagram of the mixed production process in customized home furnishing

3.2 基于“输送线+机器手+立体库”的定制家居智能分拣线设计

1.环形库入库线；2.垂直库入库线；3.立体库出库线；4.分拣机器人；5.环形货架；6.堆垛机；7.垂直型货架；8.滚筒输送机；9.直走横送机构。图4 定制家居智能分拣线示意图Fig. 4 The schematic diagram of intelligent sorting line in customized home furnishing

本研究的定制家居智能分拣线设计是在企业调研的基础上，考虑异形件与非异形件的工艺过程和标准化差异，不能同一条生产线上加工的情况，并结合零件不同尺寸规格、形状和功能特性的基础上，执行大小板件分堆、异形件与非异形件分堆、功能件与非功能件分堆，对零件进行分流[18]，然后采用不同智能设备抓取和存放的分拣形式，进行零件分流分拣。通过综合评价的方法，筛选并开发定制家居揉单生产的分拣设备、输送设备和存储货架构成自动分拣仓储单元，如图4所示。其中，分拣设备包括分拣机器人、堆垛机，输送设备包括由滚筒输送机、直走横送机构、自动上料机设备等组成的环形库入库线、垂直库入库线和出库线，存储货架包括环形货架和垂直货架。

实际应用过程中，环形货架、垂直货架均为利用分拣设备、输送设备将定制家居分拣零件输送至出入库的存放仓库，用于临时存储分拣来的零件，并按照订单的不同，根据零件的规格尺寸和形状特点分放在货架不同的仓位。其中，环形货架用于储存长度大于300 mm且小于1 000 mm的板件，垂直货架用于储存长度大于1 000 mm的板件。

3.3 基于“二维码技术”的定制家居智能分拣自动识别技术

本研究的定制家居智能分拣自动识别技术，是建立在“二维码自动识别技术”的基础上，实现MES制造执行系统和WMS仓库管理系统的信息交互。在生产过程中，每块零件开料后都会贴上一个由零件编码模块自动生成的二维码标签，二维码标签就像车间每个零件的身份证，承载着零件的所有加工信息、零件所属订单信息(订单编号、齐套号，是最终实现齐套的依据)、工艺路线信息等。用于零件在生产线上的有序流转和准确定位。当零件进入分拣工序，二维码标签信息将被激光扫描器扫描读取，分拣信息便会输入到MES制造执行系统中，并结合WMS的相关软件实现零部件的上下料输送、分拣和出入库等。

3.4 基于“ERP+MES+WCS+WMS”的定制家居智能分拣可视化动态管理平台的搭建

本研究的定制家居智能分拣可视化动态管理平台，以当前定制家居企业的核心管理软件的信息集成为目标，并结合前端设计订单排序优化软件2020、数控加工设备的自带优化软件IMOS和CUTRITE、CNC加工设备和智能分拣设备，搭建以Web技术为基础的定制家居智能分拣ERP+MES+WCS+WMS信息集成与共享可视化管理信息系统平台，实现智能分拣过程的实时动态监控与预警技术，如图5所示。该平台由现场数据采集、数据处理系统、现场信息反馈系统以及ERP对接系统等大模块构成。其中：现场数据采集模块，基于二维码自动信息采集技术，用于智能分拣过程中各类信息的采集管理等；数据处理系统模块，以WMS管理软件为核心，将现场的各类信息采集后通过计算机系统进行数据处理的过程管理；现场信息反馈系统模块，对智能分拣后的信息处理通过LED显示屏进行现场反馈；与ERP对接系统模块，将智能分拣工序过程中的所有数字化信息与企业的资源管理系统(ERP)进行信息交互与实时管控。

图5 定制家居智能分拣管控平台示意图Fig. 5 The schematic diagram of intelligent sorting management and control platform in customized home furnishing

实际应用过程中，WMS可实现人工不直接参与的自动存取作业。按照出入库业务规则和运算法则，对物料、货位、任务等数据库进行优化管理，其最为核心的工作是有效管控进货和出货作业。WMS仓库管理系统是最上层，主要分析和处理仓库分拣业务的逻辑；WCS是中间层，主要负责连接最上层WMS仓库管理系统和最下层各种机械设备(如分拣机器人、堆垛机等)，WMS仓库管理系统与MES制造执行系统通信，WCS仓库控制系统根据WMS仓库管理系统的分拣业务逻辑，发送给PLC控制器，实现对车间设备统一调度进行分拣工作，WCS仓库控制系统同时收集车间设备反馈信号，与WMS仓库管理系统业务逻辑实时交互，有效跟踪和管控分拣设备、输送设备的工作状态和分拣执行情况；MES制造执行系统连接ERP计划系统，主要负责执行生产计划，提供了车间控制和生产调度的功能，将ERP计划系统中的产品信息与生产计划信息进行处理，形成生产控制指令，并将指令传送给WMS仓库管理系统的WCS仓库控制系统，由WCS仓库控制系统指导各输送设备和分拣设备根据生产任务指令进行生产，实时监控着全部生产过程，收集并处理板件生产进度信息、库存情况，检查板件的分拣执行工作。

4 结 语

相比于现有人工分拣技术，本研究设计的智能分拣技术通过企业的实际应用，分拣准确率、分拣效率和材料利用率等方面效果明显，达到了预期目的，主要体现在以下几个方面：

1)通过相互信息共享的MES制造执行系统和WMS仓库管理系统，进行生产、智能分拣过程信息的输送和反馈，同时借助基于“二维码”的自动识别技术单元、基于“输送线+机器手+立体库”的智能分拣线构建及管控平台的搭建，能够智能有序地执行分拣作业并实现信息反馈，有助于防止货架爆仓，且显著提高了分拣效率，依据企业半年来实际运行统计分析，分拣准确率达到99%；

2)本设计的零件编码模块、零件分流模块和零件齐套模块构成的MES制造执行系统，全工序分拣工作通过零件二维码、零件批次编码和零件齐套分拣码实时扫描采集信息，进行有序分拣；零件分流模块，能在区分大小板的基础上，在控制单元的指导下，利用分拣机器人和堆垛机快速而准确地分拣大小零件，并存放在相应的货架中，显著提高了分拣效率；

3)该定制家居零部件智能分拣系统单个揉单批次订单数量由当前的10单一揉提升到25～30单一揉，通过生产性试验验证和数据分析，材料利用率由人工分拣的78%提升至88%。