基于STPN的分揀系統(tǒng)通信機(jī)制設(shè)計(jì)

肖 偉，彭汝佳，曹 偉

XIAO Wei1,2,3, PENG Ru-jia2,3, CAO Wei1,3

（1.湖南大學(xué) 工商管理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410079 ；2.湖南大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易學(xué)院，長(zhǎng)沙 410079；3.湖南省物流信息與仿真技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410079）

0 引言

分揀作業(yè)是配送的核心作業(yè)，決定了配送中心的工作效率和經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)，占配送中心總作業(yè)成本的40%以上。隨著消費(fèi)時(shí)代的來(lái)臨，終端客戶要求配送中心以高速度完成工作，在短時(shí)間內(nèi)完成大批量、多種類(lèi)的配送任務(wù)，這就提高了分揀作業(yè)的難度。特別是快遞業(yè)務(wù)的發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)式配送中心向通過(guò)式配送中心發(fā)展，優(yōu)質(zhì)高效的分揀作業(yè)有助于物流企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力成長(zhǎng)。

以往的研究表明，就如何改善分揀作業(yè)，提高分揀效率等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了如下探討。一類(lèi)研究認(rèn)為應(yīng)從硬件環(huán)節(jié)改善分揀作業(yè)，提高設(shè)備自動(dòng)化水平。李哲峰（2001）提出了在貨物識(shí)別中使用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，替代出錯(cuò)率較高的人工識(shí)別方式。朱錚濤（2001）提出了使用PLC現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線連接分揀設(shè)備與計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。楊庚（2003）提出了一類(lèi)分揀控制軟件的結(jié)構(gòu)，但執(zhí)行成本較高，選擇在卷煙物流中進(jìn)行了測(cè)試。張君等人（2003）提出使用RS串行總線連接分揀設(shè)備與計(jì)算機(jī)，可降低執(zhí)行成本，但同時(shí)有性能損失。田景賀（2006）提出采用RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分揀系統(tǒng)的無(wú)人值守工作方式。

另一類(lèi)研究則認(rèn)為應(yīng)從管理角度出發(fā)改善分揀作業(yè)，提高分揀方式的效率。謝偉東（2007）提出虛擬容器隊(duì)列算法，將原有的同步分揀方式改進(jìn)為異步分揀方式，有效提高了卷煙分揀效率。張貽弓（2008,a）提出了一類(lèi)訂單排序算法，將訂單排產(chǎn)作為T(mén)SP問(wèn)題，采用最大最小蟻群算法求解。張貽弓（2008,b）還提出了卷煙分揀系統(tǒng)設(shè)備選型的優(yōu)化原則。李豐（2009）提出了一類(lèi)異步分揀算法，將分揀時(shí)間視作虛擬時(shí)間窗口分配給分揀設(shè)備，改善了分揀系統(tǒng)性能。李歧強(qiáng)（2001）提出了一類(lèi)受控時(shí)滯PN工具，并證明了描述分揀系統(tǒng)方面的有效性。黃銀娣（2006）利用PN工具建立了離散仿真模型，檢驗(yàn)了分揀系統(tǒng)性能指標(biāo)。李暄（2009）利用商業(yè)仿真軟件Flexsim建立了離散仿真模型，優(yōu)化了分揀設(shè)備數(shù)量。

本文的研究與前述研究略有不同，在信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，配送中心大量采用自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)，作業(yè)系統(tǒng)和上位系統(tǒng)之間應(yīng)保持合理有效的通信機(jī)制，才能改善分揀作業(yè)效率，避免出現(xiàn)異常流程。因而，以分揀作業(yè)系統(tǒng)和上位信息系統(tǒng)之間的通信機(jī)制為研究對(duì)象，采取有窮自動(dòng)機(jī)建立了通信過(guò)程圖，并插入了異常流程。建立了基于STPN的通信機(jī)制模型。算例仿真表明，該通信機(jī)制具有可達(dá)性，在性能上較現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有明顯改善。

1 分揀系統(tǒng)的有窮自動(dòng)狀態(tài)機(jī)描述

分揀系統(tǒng)是配送中心的主要作業(yè)系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著訂單切割、貨物分選的工作。其內(nèi)部由三個(gè)主要子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為負(fù)責(zé)補(bǔ)充貨物的補(bǔ)貨系統(tǒng)，負(fù)責(zé)分揀工作的分揀線路，負(fù)責(zé)包裝輸送的包裝線路。

分揀系統(tǒng)在空閑中偵聽(tīng)線路信號(hào)，如上位系統(tǒng)發(fā)送訂單到來(lái)消息，則回復(fù)一個(gè)空閑等待消息。分揀系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、檢修狀態(tài)或故障狀態(tài)時(shí)不偵聽(tīng)線路信號(hào)，同時(shí)也不回復(fù)上位系統(tǒng)的訂單消息。分揀系統(tǒng)在完成訂單作業(yè)后，回復(fù)上位系統(tǒng)執(zhí)行完畢消息，并回到空閑狀態(tài)，繼續(xù)偵聽(tīng)線路信號(hào)，因而根據(jù)以上的說(shuō)明，有如下圖所表示。

圖1 分揀系統(tǒng)的有窮自動(dòng)狀態(tài)機(jī)

上圖中，為簡(jiǎn)化討論采取有窮自動(dòng)狀態(tài)機(jī)的方式描述了分揀系統(tǒng)的5種狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。其中，狀態(tài)P1為空閑狀態(tài)，且在偵聽(tīng)線路消息。狀態(tài)P2為工作狀態(tài)。狀態(tài)P3為完成狀態(tài)，且在檢修中。狀態(tài)P4為掛起狀態(tài)，表明工作中出現(xiàn)故障。狀態(tài)P5為排查狀態(tài)，表明分揀系統(tǒng)正在排查隱患。轉(zhuǎn)換條件T1表明線路上無(wú)消息傳來(lái)。條件T2表明線路傳來(lái)分揀任務(wù)。條件T3表明分揀機(jī)存在缺貨。條件T4為補(bǔ)貨系統(tǒng)補(bǔ)貨到位。條件T5為分揀任務(wù)結(jié)束，分揀系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)請(qǐng)求。條件T6為上位系統(tǒng)確認(rèn)分揀任務(wù)完成，分揀系統(tǒng)回到偵聽(tīng)狀態(tài)。條件T7為分揀系統(tǒng)進(jìn)入檢修。條件T8為分揀系統(tǒng)完成檢修。條件T9為分揀系統(tǒng)排查隱患。條件T10為補(bǔ)貨系統(tǒng)停頓。條件T11為訂單等待超時(shí)。根據(jù)以上的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，設(shè)分揀系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)為P0，轉(zhuǎn)移條件為T(mén)0，可得到如下通信機(jī)制表達(dá)式。

步驟1，如分揀系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為P1，同時(shí)分揀系統(tǒng)在偵聽(tīng)線路消息，如無(wú)消息傳來(lái)，則分揀系統(tǒng)保持當(dāng)前狀態(tài)P1。如有消息傳來(lái)，則進(jìn)入步驟2。

步驟2，分揀系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為P2，進(jìn)入工作狀態(tài)，如各項(xiàng)工作條件滿足，則工作完畢后，分揀系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為P3，同時(shí)發(fā)送完成消息給上位系統(tǒng)。

步驟3，如分揀系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為P2，進(jìn)入工作狀態(tài)，如各項(xiàng)工作條件有未滿足條件，如補(bǔ)貨條件不滿足，則分揀系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為P4，系統(tǒng)中的作業(yè)流程被掛起。直到各項(xiàng)工作條件滿足后，分揀系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為P2，進(jìn)入工作狀態(tài)，解除作業(yè)流程的掛起狀態(tài)。

步驟4，如分揀系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為P3，且已收到上位系統(tǒng)停機(jī)指令，則分揀系統(tǒng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)P5，進(jìn)入檢修狀態(tài)。分揀系統(tǒng)進(jìn)入檢修狀態(tài)后不響應(yīng)上位系統(tǒng)指令，亦不偵聽(tīng)線路消息，所有線路消息掛起。

步驟5，如分揀系統(tǒng)完成檢修，則置分揀系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為P3，如收到上位系統(tǒng)歸位指令，則分揀系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為P1，開(kāi)始偵聽(tīng)線路消息，所有線路消息掛起狀態(tài)解除，返回步驟1。

2 上位信息系統(tǒng)的有窮自動(dòng)狀態(tài)機(jī)描述

上位信息系統(tǒng)是配送中心的訂單處理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)訂單的接受、確認(rèn)、切割排序和退回處理。在結(jié)構(gòu)上，上位信息系統(tǒng)由三個(gè)隊(duì)列組成，分別為等待訂單隊(duì)列、處理訂單隊(duì)列、完成訂單隊(duì)列。上位信息系統(tǒng)具有幾類(lèi)狀態(tài)，工作狀態(tài)、等待狀態(tài)、掛起狀態(tài)、偵聽(tīng)狀態(tài)等。

上位信息系統(tǒng)的等待訂單隊(duì)列如存在等待訂單，則進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)。如分揀系統(tǒng)發(fā)來(lái)請(qǐng)求消息，則上位信息系統(tǒng)將等待訂單隊(duì)列中的訂單取出后發(fā)送副本，并將訂單置入處理訂單隊(duì)列。上位信息系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。如分揀系統(tǒng)結(jié)束作業(yè)并發(fā)送完畢消息，則上位信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)出等待狀態(tài)，轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)。如上位信息系統(tǒng)等待隊(duì)列已滿，則掛起呼叫中心傳來(lái)的訂單。如上位信息系統(tǒng)內(nèi)訂單為空，則進(jìn)行偵聽(tīng)狀態(tài)，偵聽(tīng)線路傳來(lái)的訂單。根據(jù)以上的說(shuō)明，有如下圖所表示。

圖2 上位信息系統(tǒng)的有窮自動(dòng)狀態(tài)機(jī)

上圖中，為簡(jiǎn)化討論，采取有窮自動(dòng)狀態(tài)機(jī)的方式描述了上位信息系統(tǒng)的5種狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。其中，狀態(tài)B1為空閑狀態(tài)，且未在偵聽(tīng)線路消息。狀態(tài)B2為等待狀態(tài)，上位信息系統(tǒng)在線等待分揀系統(tǒng)的申請(qǐng)消息。狀態(tài)B3為工作狀態(tài)，上位信息系統(tǒng)發(fā)出訂單副本，并等待接收來(lái)自分揀系統(tǒng)的完成回執(zhí)。狀態(tài)B4為上位系統(tǒng)處于偵聽(tīng)狀態(tài)。狀態(tài)B5為掛起狀態(tài)，表明各個(gè)消息隊(duì)列已滿，不滿足繼續(xù)執(zhí)行條件。轉(zhuǎn)換條件K1表明線路上無(wú)消息傳來(lái)。條件K2和條件K3表明線路持續(xù)傳來(lái)訂單任務(wù)。條件K4、條件K7和條件K10為分揀系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出申請(qǐng)消息。條件K5為分揀系統(tǒng)處于離線維修狀態(tài)，線路無(wú)應(yīng)答。條件K6為分揀系統(tǒng)發(fā)回任務(wù)完成回執(zhí)。條件K8和條件K12為上位信息系統(tǒng)接到分揀系統(tǒng)發(fā)送的故障停機(jī)請(qǐng)求。條件K9為上位信息系統(tǒng)接到分揀系統(tǒng)發(fā)送的復(fù)位請(qǐng)求。條件K11為上位信息系統(tǒng)掛起超時(shí)。設(shè)上位信息系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)為B0，轉(zhuǎn)移條件為K0，可得到如下通信機(jī)制表達(dá)式。

步驟1，如上位信息系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為B1，且未偵聽(tīng)線路，如呼叫中心傳來(lái)訂單副本消息，則上位信息系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為B2，偵聽(tīng)下位作業(yè)系統(tǒng)申請(qǐng)消息；

步驟2，如上位信息系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為B2，且線路完好，偵聽(tīng)到下位作業(yè)系統(tǒng)發(fā)來(lái)的申請(qǐng)消息，則上位信息系統(tǒng)從等待訂單隊(duì)列中取出訂單副本，下發(fā)給下位作業(yè)系統(tǒng)，并上位信息系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為B3。上位信息系統(tǒng)偵聽(tīng)下位作業(yè)系統(tǒng)線路消息，如此時(shí)有呼叫中心發(fā)來(lái)訂單副本，則訂單副本入上位信息系統(tǒng)等待訂單隊(duì)列。

步驟3，如上位信息系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為B3，且下位作業(yè)系統(tǒng)發(fā)來(lái)任務(wù)完成回執(zhí)，則上位信息系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為B4。上位信息系統(tǒng)重整等待訂單隊(duì)列，已發(fā)出訂單副本進(jìn)入完成訂單隊(duì)列。在下位作業(yè)系統(tǒng)未發(fā)送申請(qǐng)消息之前，上位信息系統(tǒng)處在B4狀態(tài)。

步驟4，如上位信息系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為B3，且下位作業(yè)系統(tǒng)發(fā)來(lái)?xiàng)l件不滿足消息、故障消息、停機(jī)消息，則上位信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)B5，掛起當(dāng)前已發(fā)送的訂單副本，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。

步驟5，如上位信息系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為B5，且計(jì)時(shí)器已超過(guò)訂單副本時(shí)間標(biāo)識(shí)上限，則上位信息系統(tǒng)取消已發(fā)送的訂單副本，并將訂單副本歸位到等待訂單隊(duì)列隊(duì)尾。處理完畢后，上位信息系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為B2，回到步驟2。

步驟6，如上位信息系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為B5，且收到下位作業(yè)系統(tǒng)的條件滿足消息、故障排除消息、重啟消息后，則上位信息系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為B3，重新發(fā)送已發(fā)送訂單副本。

步驟7，如上位信息系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為B4，如接受到下位作業(yè)系統(tǒng)的申請(qǐng)消息，則上位信息系統(tǒng)置當(dāng)前狀態(tài)為B3，從等待訂單隊(duì)列中取出下一訂單副本發(fā)送。如未接受到下位作業(yè)系統(tǒng)消息，或接受到下位作業(yè)系統(tǒng)的條件不滿足消息、故障消息、停機(jī)消息，則維持當(dāng)前狀態(tài)不變。

步驟8，回到步驟1，直到等待訂單隊(duì)列為空，或已到工作時(shí)間上限，上位信息系統(tǒng)關(guān)閉偵聽(tīng)端口。

3 基于STPN的通信機(jī)制仿真

假設(shè)存在一個(gè)五元組{ti,pi,bi,ki,mi}，其中ti表示分揀作業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)變遷條件集合，pi為分揀作業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)庫(kù)所集合。bi表示上位信息系統(tǒng)的狀態(tài)庫(kù)所集合，ki為上位信息系統(tǒng)的狀態(tài)變遷條件集合。mi為上位信息系統(tǒng)和下位作業(yè)系統(tǒng)所構(gòu)成的整體系統(tǒng)的全部狀態(tài)集合。根據(jù)圖1和圖2中有窮自動(dòng)狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以采用隨機(jī)事件Petri net構(gòu)建整體系統(tǒng)的仿真模型如下。

圖3 基于STPN的上位信息系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng)通信機(jī)制

圖3為采用STPN建立的通信機(jī)制仿真模型，模型參數(shù)選取為如下形式。仿真周期為1000個(gè)周期，設(shè)下位作業(yè)系統(tǒng)和上位信息系統(tǒng)的工作節(jié)拍均為1個(gè)節(jié)拍。上位信息系統(tǒng)掛起10個(gè)周期后返回初始狀態(tài)，上位信息系統(tǒng)故障后5個(gè)周期后重新啟動(dòng)返回初始狀態(tài)。下位作業(yè)系統(tǒng)條件不滿后10個(gè)周期返回初始狀態(tài)，或5個(gè)周期后條件滿足返回工作狀態(tài)。下位作業(yè)系統(tǒng)在停機(jī)檢修狀態(tài)20個(gè)周期后返回初始狀態(tài)。

在1000個(gè)仿真周期中，上位信息系統(tǒng)共有783個(gè)周期內(nèi)處在工作狀態(tài)，下位作業(yè)系統(tǒng)共有744個(gè)周期內(nèi)處在工作狀態(tài)。使用率較我們?cè)趯?shí)際當(dāng)中對(duì)白沙物流長(zhǎng)沙站的平均觀察數(shù)據(jù)高9%。在仿真過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)有令牌死鎖情況，表明通信機(jī)制具有一致性和各狀態(tài)可達(dá)性，證明基于狀態(tài)機(jī)構(gòu)建的通信機(jī)制具有可行性。但在沖突檢測(cè)中表明，下位作業(yè)系統(tǒng)存在工作狀態(tài)和故障狀態(tài)之間的爭(zhēng)用問(wèn)題，因而導(dǎo)致上位信息系統(tǒng)存在工作狀態(tài)和掛起狀態(tài)之間的爭(zhēng)用問(wèn)題，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)機(jī)制解決令牌爭(zhēng)用問(wèn)題，避免可能存在的令牌無(wú)效循環(huán)。

4 結(jié)論

消費(fèi)時(shí)代加快了包裝的發(fā)展和通過(guò)型配送中心的產(chǎn)生，對(duì)分揀作業(yè)提出了高速度、低成本、大批量、多種類(lèi)、多目的地的特殊要求。以往的研究方式以改進(jìn)分揀設(shè)備，提高分揀性能為主。區(qū)別于以往的研究，以分揀系統(tǒng)與上位信息系統(tǒng)之間的通信機(jī)制為研究對(duì)象，建立了通訊過(guò)程的有窮自動(dòng)機(jī)。在建模過(guò)程中，考慮了上位信息系統(tǒng)和下位作業(yè)系統(tǒng)可能存在的異常狀態(tài)，如掛起狀態(tài)、停機(jī)狀態(tài)、條件不具備狀態(tài)等。采用STPN工具，將分別建立的有窮自動(dòng)機(jī)組成算例仿真。仿真結(jié)果證明采用有窮自動(dòng)機(jī)建模，STPN仿真的方式能夠有效描述通信機(jī)制，并能在仿真中檢驗(yàn)通信機(jī)制的可達(dá)性和一致性，能夠判斷通信機(jī)制的效率。但在不同狀態(tài)之間還存在令牌爭(zhēng)用，不能避免令牌的無(wú)效循環(huán)，因而需進(jìn)一步設(shè)計(jì)新的通信機(jī)制以避免該問(wèn)題。

[1]李哲峰.智能控制分揀系統(tǒng)的研制[J],現(xiàn)代制造工程,2001,11.

[2]朱錚濤.基于計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)分揀智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2001,03.

[3]楊庚.分揀系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2003,05.

[4]張君.基于RS-485及UDP的郵包自動(dòng)分揀與郵單自動(dòng)生成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——條碼掃描儀與原分揀控制系統(tǒng)的連接[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2003,07.

[5]田景賀.基于RFID的煙草物流分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006.

[6]謝偉東.條煙自動(dòng)分揀的異步法及其裝置[J].工程設(shè)儀儀學(xué)報(bào),2007,02.

[7]張貽弓.可合流的自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單排序優(yōu)化[J],山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2008,05 .

[8]張貽弓.卷煙分揀設(shè)備選型與優(yōu)化[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2008,09.

[9]李豐.基于虛擬空間的煙草自動(dòng)分揀算法的分析[J].物流科技,2009,01.

[10]李歧強(qiáng).基于受控計(jì)時(shí)擴(kuò)展Petri網(wǎng)的分揀系統(tǒng)建模[J].計(jì)算機(jī)仿真,2001,05.

[11]黃銀娣.基于Petri網(wǎng)的物流分揀系統(tǒng)的建模與仿真[J],物流技術(shù),2006,03,

[12]李暄.Flexsim系統(tǒng)仿真軟件在配送中心分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J],物流工程與管理,2009,01.