头部广 告
摘要：针对卷烟厂滤棒库立体仓储系统中，传统同轨双堆垛机调度模式存在的机台断料风险高、双机运行易空间冲突、堆垛机空跑距离长、作业效率低等行业痛点，本文提出了一种适配滤棒库生产工艺的双堆垛机智能调度方法。该方法以机台断料时间为核心边界，建立任务最晚开始时间计算模型，构建三级任务优先级分级机制；通过枚举任务序列全排列并计算空跑距离完成预排序，基于时间—空间二维耦合模型实现双机运行轨迹的冲突校验与最优序列选取，最终形成闭环的任务动态调度与执行策略下达。工业现场实测结果表明，该方法可使堆垛机单任务平均移动距离降低19.11%～29.35%，单任务平均执行时间缩短0.31%～2.73%，在实现同轨双堆垛机无交叉安全运行的同时，显著提升了仓储系统作业效率，彻底解决了滤棒生产过程中的断料、堵料问题，为烟草行业智能仓储的调度优化提供了可行的技术方案。
关键词：滤棒库；立体仓储；同轨双堆垛机；调度优化；时空耦合模型；优先级调度
题眼广 告
作者：许俊 余文涛 罗宇 杨新丽
昆船智能技术股份有限公司
一
引言
在卷烟生产全流程中，滤棒作为核心辅料，其仓储与输送的连续性直接决定了卷包生产线的稳定运行。滤棒库立体仓储系统是连接滤棒成型工序与卷接包工序的核心枢纽，其核心执行设备为巷道式堆垛机。随着烟草行业智能制造[1]的深入推进，为满足大产能、高节拍的生产需求，同轨双堆垛机的配置模式已成为主流滤棒库的标配方案，可大幅提升仓储系统的出入库处理能力。
但在实际工业应用中，同轨双堆垛机调度仍面临诸多技术难题。其一，传统调度模式多按照任务下达的先后顺序执行，未结合成型机、发射机的实时生产节拍与断料风险进行任务排序，易出现关键机台任务延迟执行而导致生产线断料停产的情况；其二，同轨双堆垛机共用同一运行轨道，传统调度方法缺乏对双机三维运行空间的时空耦合管控[2]，易出现运行轨迹交叉引发的设备碰撞风险，多数现场仅通过简单的区域划分限制双机运行，极大浪费了设备产能；其三，现有调度方法对堆垛机空跑距离的优化不足，导致堆垛机无效运行占比高、作业效率低、能耗居高不下。
当前，国内外学者针对立体仓储堆垛机调度优化已开展大量研究，多数研究聚焦于通用仓储场景下的单堆垛机路径优化、多巷道堆垛机任务分配等方向，针对卷烟厂滤棒库这一特殊场景，适配其强实时性、高连续性、防断料核心需求的同轨双堆垛机调度研究仍较为匮乏。基于此，本文以卷烟厂滤棒库同轨双堆垛机系统为研究对象，提出一套集断料风险预警、优先级分级管控、时空耦合防碰撞、空跑距离优化于一体的智能调度方法，通过工业现场实测验证了该方法的有效性与工程实用性[3]。
二
滤棒库仓储系统工艺与调度核心问题分析
1.滤棒库仓储系统工艺流程
卷烟厂滤棒库立体仓储系统的核心作业对象为滤棒空盘与满盘，核心关联设备为滤棒成型机与滤棒发射机，其核心工艺[4]流程如下：
成型机作业流程。成型机负责滤棒生产，当缓存空盘数量低于设定阈值时，向仓储系统发起空盘出库申请，系统生成空盘出库任务；成型机将生产完成的滤棒装入空盘，当满盘缓存数量达到设定值时，发起满盘入库申请，系统生成满盘入库任务。
发射机作业流程。发射机负责向卷接机组输送滤棒，当缓存满盘数量低于设定阈值时，向仓储系统发起满盘出库申请，系统生成满盘出库任务；发射机完成滤棒输送后产生空盘，当空盘缓存数量达到设定值时，发起空盘入库申请，系统生成空盘入库任务。
上述流程中，出库任务与对应机台的入库任务形成天然的配对任务，二者出入库的站台列号一致，具备合并执行的工艺基础。系统配置的同轨双堆垛机共用同一水平运行轨道，可在巷道内完成全区间的货位存取作业，二者的水平运行轨迹存在空间重叠，是调度管控的核心难点。
2.现有调度模式的核心问题
结合滤棒库生产工艺要求与现场运行实际，现有传统调度模式的核心问题可归纳为以下4点。
断料风险管控能力不足。传统算法未结合机台实时生产能力、缓存余量计算断料时间，无法对任务执行的时间边界进行量化管控，易出现高断料风险任务延迟执行，导致生产线非计划停机。
同轨双机防碰撞[5]与产能释放矛盾突出。传统防碰撞方案多采用固定区域划分模式，限制两台堆垛机的运行区间，无法实现全巷道柔性作业，设备产能无法充分释放；无区域限制的调度模式则缺乏有效的时空冲突校验，存在设备碰撞的安全隐患。
任务执行无序，空跑损耗严重。传统算法未对多源任务进行分级管控，人工任务、紧急生产任务与常规任务无序执行，同时未对任务序列进行路径优化，堆垛机空跑距离长，无效运行占比高，作业效率低。
动态响应能力不足。针对生产过程中新增的紧急任务，无法快速完成调度序列的动态更新，易出现新任务响应滞后的问题。
三
滤棒库双堆垛机智能调度方法设计
本文提出的双堆垛机智能调度方法，以保障生产不断料、双机无冲突运行、作业效率最优化为核心目标，整体流程包括任务最晚开始时间确定、任务优先级划分、任务序列排序、堆垛机空跑距离计算、时空耦合模型构建与校验、任务下达执行等6个核心步骤，如图1所示。
图1 双堆垛机智能调度方法的整体流程
1.任务最晚开始时间计算模型
任务最晚开始时间是保障机台不发生断料的核心时间边界。以机台断料时间为基准，扣除堆垛机完成该任务的所需时长与安全冗余时间，得到该任务必须启动执行的最晚时间节点。
（1）机台断料时间
机台断料时间是指机台发起任务申请后，现有缓存可支撑其连续生产的最长时间，主要分为成型机断料时间与发射机断料时间。两类断料时间均通过特定公式计算得出，具体如下。
成型机断料时间（TC）以成型机申请出盘后缓存滤棒格子的数量（CH）和成型机对应工单品牌的生产能力（CN）为核心参数，决定了成型机在无新增物料补给情况下的连续生产极限时长。其计算公式为：
发射机断料时间（TF）的计算逻辑与成型机类似，核心区别在于参数的针对性，其计算公式为：
式中FH为发射机申请出盘后缓存滤棒格子的数量，FN为发射机所有管道对应的卷烟机生产能力总和，该总和的计算需结合发射机关联的所有卷烟机参数综合核算。具体而言，发射机对应卷烟机生产能力总和（FN）的计算公式为：
式中Xi为第i号卷烟机正在使用的管道数量，xi为第i号卷烟机正在使用的管道中从该发射机接出的管道数量，Ni为第i号卷烟机的滤棒消耗能力，n为该发射机关联的卷烟机总数。通过对每台关联卷烟机的相关参数进行核算求和，即可得到发射机对应的总生产能力，进而精准计算出发射机断料时间。
（2）堆垛机任务作业时长
堆垛机完成单条任务的总作业时长（T）由堆垛机水平移动时间（T1）和货叉动作时间（t）两部分构成，具体计算公式为：
式中，货叉动作时间（t）为预设常量，代表堆垛机伸叉、收叉的固定动作时长。水平移动时间（T）需根据实际运行距离的不同，分为两种工况分别计算，以确保计算结果的准确性。
堆垛机水平移动的工况划分为长距离运行与短距离运行两种。对于长距离运行工况，任务移动距离（J）大于等于堆垛机从静止加速到最大速度后再减速至静止的最短距离（BJ），堆垛机可完成完整的加速、匀速、减速过程。此时，水平移动时间的计算公式为：
式中s代表堆垛机最大水平运行速度。该公式通过拆分加速减速阶段与匀速阶段的时间，精准核算长距离移动情况下的水平移动时长。
针对短距离运行工况，当任务移动距离（J）小于最短加减速距离（BJ）时，堆垛机无法达到最大运行速度，整个移动过程仅完成加速与减速两个阶段，无匀速运行阶段，因此采用专门的短距离计算方式，水平移动时间的计算公式为：
式中a代表堆垛机匀加速运动的加速度，b代表堆垛机匀减速运动的加速度。通过结合加速度参数与移动距离，可准确计算出短距离工况下的水平移动时间，进而结合货叉固定动作时长，得到堆垛机单条任务的总作业时长。
（3）最晚开始时间
任务最晚开始时间的计算需结合前文所述的机台断料时间、堆垛机任务作业时长，同时兼顾任务生成时间与系统安全冗余时间，最终形成针对两种场景（即成型机断料、发射机断料）的任务最晚开始时间。针对两种断料情况，任务最晚开始时间（TZ）分别为：
式中TS代表任务生成时间，TT代表保障系统安全运行的冗余时间。TT可根据现场实际生产需求、设备运行稳定性等因素灵活设定，其核心作用是预留一定的缓冲空间，避免因机台断料、堆垛机作业延迟等突发情况影响生产连续性，确保整个生产系统稳定高效运行。通过上述公式，可精准核算出每一项任务的最晚启动时间，为生产调度与任务安排提供科学依据。
2.基于断料风险的任务优先级分级机制
为保障高风险任务优先执行，解决任务执行无序的问题，本文基于任务最晚开始时间，构建三级任务优先级分级机制[6]，具体规则如下：
一级优先级（紧急队列）。针对系统自动生成的生产任务，若当前时刻已超出该任务的最晚开始时间，判定为紧急任务，划入紧急队列，具备最高执行权限，优先保障执行以避免机台断料。
二级优先级（人工队列）。针对人工发起的干预任务，包括人工出入库、盘库、设备调试等任务，划入人工队列，优先级仅次于紧急队列，适配现场临时生产调整需求。
三级优先级（普通队列）。针对未超出最晚开始时间的常规系统生产任务，划入普通队列，为最低优先级，在高优先级任务执行完毕后按序执行。
完成优先级划分后，执行队列排序规则。首先对同优先级队列内的任务进行全排列枚举，再按照一级、二级、三级的优先级顺序，完成队列拼接，得到整体任务队列的所有排序情况，为后续优化筛选提供基础。
3.空跑距离计算与任务序列预排序
堆垛机空跑距离定义为堆垛机当前停留位置到任务起点位置的水平移动距离，是空跑损耗与作业效率的核心评价指标。本文对整体任务队列的所有排序情况，分别计算两台堆垛机执行该序列的总空跑距离，以总空跑距离为核心指标，对所有任务序列进行升序预排序，空跑距离越短的序列排序越靠前。
该预排序机制可实现“优先验证效率最优的序列”，在保障找到无冲突最优解的同时，大幅减少模型构建与校验的计算量，提升调度系统的响应速度。
4.双机时空耦合模型构建与冲突校验
时空耦合模型是解决同轨双堆垛机运行冲突、实现全巷道柔性作业的核心，其核心逻辑是通过时间与空间两个维度，对两台堆垛机的运行轨迹进行数字化建模与冲突校验[7]，确保双机在同一时间窗口内无空间交叉，从根源上避免碰撞风险。
（1）时空模型构建方法
以时间为横轴，以堆垛机运行轨道的水平列号（空间位置）为纵轴，构建二维时空坐标系。针对预排序后的任务序列，按照任务执行顺序，模拟计算两台堆垛机执行每条任务的时间区间与空间位置区间，在坐标系中绘制双机的运行时空轨迹，第一步，将现有每一条堆垛机搬运任务进行排列，得到任务排序组合的集合A，第二步，集合A中有N种任务排序方式可以构建N个时空模型，以A集合中第n种排序为例建立时空模型，时空模型的第0个点为堆垛机当前所在列，第1、2个点为排序中第1个任务的起始列和终止列，第3、4个点为排序中第2个任务的起始列和终止列，以此类推，形成完整的时空耦合模型。其中堆垛机无载货运行视为堆垛机空跑。A集合以空跑距离由短到长进行排序。模型构建过程中，同步考虑配对任务的合并执行，将同机台的出入库配对任务分配至同一台堆垛机连续执行，进一步减少堆垛机空跑距离，提升作业效率。如图2所示为第n种排序方式形成的时空模型，其中堆垛机401和402在同一轨道，403和404在另一轨道。后续需要进一步校验此种组合下各堆垛机是否有时空交叉的情况。
图2 堆垛机运行时空模型图
（2）冲突校验模型选取
冲突校验模型需要实现在全任务执行周期内，任意时间窗口下，两台堆垛机的空间占用区间无交叉，即双机运行轨迹无时空冲突，可实现安全无碰撞运行。模型选取流程如图3所示，具体如下：
图3 冲突校验模型选取流程图
①按照预排序后的顺序，依次选取任务序列构建时空耦合模型；
②对构建完成的模型进行冲突校验，若满足无冲突选取要求，则选定该模型为最终执行模型；
③若当前模型不满足要求，则选取下一排序的序列重新构建模型并校验；
④若所有序列构建的模型均不满足无冲突要求，则选取总空跑距离最短的模型，通过任务时序微调实现冲突规避，保障系统运行的效率底线。
同时，模型设置动态更新机制。模型选定后，若系统检测到有新任务加入，立即返回至最晚开始时间计算步骤，重新完成全流程调度优化，实现任务序列的动态更新，保障新任务的快速响应。
5.任务下达执行策略
基于选定的最优时空耦合模型，执行任务下达与分配。按照模型中的任务序列，依次向两台堆垛机分配对应任务，保障双机任务分配均衡度一致，避免单台设备过载。若当前任务存在配对任务，将该任务与配对任务合并下达至同一台堆垛机，减少系统与设备的接口交互次数，降低通讯耗时；针对单台堆垛机，需待已下达的所有任务均已启动执行后，再下达新的任务，避免任务队列阻塞，提升设备执行的灵活性。
四
实验验证与结果分析
1.实验环境与数据来源
实验以国内某中烟工业公司卷烟厂的滤棒库立体仓储系统为实验平台，该平台的堆垛机调度与监控界面如图4所示，操作工通过堆垛机控制软件对实验设备状态进行监控，并通过视频监控远程查看现场情况。该系统共设置2组轨道，每组轨道配置1套同轨双堆垛机系统，共4台堆垛机。运行时同轨道的堆垛机存在列交叉的可能，如果同一时间所分配列有交叉的情况，则会造成堆垛机硬件的避让，最终影响到整体的运行效率。本次选取1#～4，分别采集传统调度模式与本文提出的智能调度方法的连续运行数据，以单任务平均执行时间、单任务平均水平移动距离为核心指标进行统计。
图4 堆垛机调度与监控界面
2.实验结果与数据分析
改进前后堆垛机运行核心指标对比如表1所示。从实验数据可得出以下核心结论：
表1 改进前后堆垛机运行指标对比
作业效率显著提升。本文提出的调度方法可使堆垛机单任务平均执行时间缩短0.20～1.79s，优化幅度0.31%～2.73%；单任务平均移动距离降低3.80～5.74列，优化幅度19.13%～29.33%；堆垛机空跑距离大幅减少，无效运行占比显著降低，设备作业效率得到有效提升。
生产连续性得到根本保障。通过最晚开始时间计算与三级优先级管控，系统可精准识别高断料风险任务并优先执行，实验周期内未发生一起因仓储调度不及时导致的机台断料、堵料事件，卷包生产线的连续运行能力大幅提升。
双机安全柔性运行实现。基于时空耦合模型的冲突校验机制，实验周期内四台堆垛机实现全巷道无交叉、无碰撞安全运行，无需固定区域划分限制，设备产能得到充分释放，双机协同作业能力较传统模式提升40%以上。
能耗优化效果显著。堆垛机的运行能耗与移动距离直接相关，空跑距离的大幅降低，直接减少了设备的无效能耗。实验数据显示，堆垛机单位作业量的耗电量较改进前降低18%以上，符合烟草行业绿色制造的发展要求。
五
结论
本文针对卷烟厂滤棒库同轨双堆垛机调度的行业痛点，提出了一套适配滤棒库生产工艺的智能调度方法。该方法以机台断料时间为核心，建立了任务最晚开始时间量化模型，通过三级优先级分级机制实现了任务的有序管控。以空跑距离最小化为目标完成任务序列预排序，通过时间—空间二维耦合模型实现了同轨双堆垛机的无冲突运行与最优调度。工业现场实测结果表明，该方法可显著降低堆垛机空跑距离与作业时长，彻底解决了机台断料问题，在保障设备安全运行的同时，大幅提升了滤棒库仓储系统的作业效率与智能化水平，具备极高的工程推广价值。
参考文献:
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[2]张辉,周奇才,熊肖磊.基于时空网络的双堆垛机协同调度优化[J].同济大学学报(自然科学版), 2022, 50 (03): 407-414.
[3]李勇,王建军,张宏.自动化立体仓库堆垛机调度优化研究综述[J].物流技术,2020, 39 (05): 106-112.
[4]温志滔,邓广明,陈捷.卷烟厂滤棒立体仓库系统的设计与应用[J].烟草科技,2019, 52 (06): 98-103.
[5]王岩,陈宁,江浩斌.同轨双堆垛机防碰撞调度算法[J].计算机集成制造系统,2018, 24 (08): 2011-2019.
[6]赵跃华,钱强.基于优先级的立体仓库任务调度优化算法[J].控制工程,2021, 28 (02): 344-349.
[7] Yang J, Liu H, Zhang L. Collision-free scheduling of dual-rail stacker cranes in AS/RS based on time-space network [J]. Journal of Manufacturing Systems, 2020, 56: 312-323.
———— 物流技术与应用融媒 ————
编辑、排版：王茜
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