烟叶复烤智能化无人转运系统方案设计

在国家烟草局2016年颁布的《卷烟工艺规范》中，首次将烟叶复烤的相关标准纳入其中，这标志着复烤的重要性进一步提升，同时对打叶复烤企业提出更高要求。满足下游工业企业客户对产品多样化，培育新质生产力的需求，同时提高物流效率、降低成本以及增强作业安全性，成为目前复烤企业的重要目标。

在此背景下，为提升复烤企业的成品片烟质量，本文提出“智慧化配方”的概念，将配方方案中的烟碱值量化，实现精准、动态按需配方。其中，“精确配方”即对每一框烟的烟碱值量化，提高配方系统精度，提高产品质量；“动态配方”即通过把握实际生产过程中的烟框在库状态，动态灵活地实现烟框转运，每个投料口能即时获取特定烟框。而作为一种智能化无人转运设备，自动导引小车（Automated Guided Vehicle，AGV）能够根据预设的路线和程序自主行驶，并完成物料的转运任务，为企业提供更加高效、灵活和安全的物流解决方案。因此，智慧化配方结合智能化无人转运系统，成为值得研究的一套解决方案。

本文通过对智慧化配方以及智能化无人转运系统的实际应用进行深入研究和分析，旨在为推动行业内的数字化转型和智能化发展提供有益的借鉴和指导，为企业在提升产品质量、提高物流效率、降低成本以及提高作业安全性方面提供实用的解决方案。

1.智慧化配方

在新的时代，烟草行业对打叶复烤企业提出更高要求，需要种类更多样、质量更高、响应速度更快的原料以满足工业企业生产需求。打叶复烤企业目前对片烟成品质量的控制主要是通过原料的检验和挑选来实现[1]，其中对烟叶的挑选除了烟叶整选环节外，配方模块更是原料与产品之间的桥梁，烟叶混配是实现配方工艺目标的基础[2]，对卷烟质量起到至关重要的作用。目前打叶复烤企业在加工过程中存在配方模块等级数量多、等级比例差异大、铺叶台位不足、配料精度不高和劳动强度大等待改进之处[3]。另外成品片烟的烟碱含量均匀性直接影响卷烟烟气指标[4]，因此打造内在化学成分更加均匀一致的片烟产品，成为打叶复烤企业共同的目标[5]。

基于以上论述，配方模块在卷烟生产过程中的重要性高，实际加工过程中存在一定难度，引入智慧化配方是很有必要的。本文定义的“智慧化配方”即指利用先进的信息技术和数据分析手段，对复烤企业配方进行优化和管理的过程。对某批次烟叶加工过程中的配方进行严格把控，着重控制配方中的烟碱值配比。

2.铺叶摆把线前置环节现状与存在的问题

图1为烟叶复烤企业作业流程，主要包括原烟收储、烟叶整选、选后烟叶暂存、摆把备料、摆把投料、复烤加工以及片烟成品出入库等，图1中绿色框部分为智能化无人转运系统的作业环节，包含整选线下线、配方平库暂存、摆把备料、摆把投料以及空框布袋回收。其中，复烤加工环节又包括诸多环节，由于与本文内容相关性低，不做赘述。

图1 烟叶复烤企业作业流程图

以原烟收储作为流程起点，成品出库作为流程终点，将烟叶整选线下线、配方平库暂存以及摆把备料的三个环节定义为“铺叶摆把前置环节”，即图1红色虚线部分。一方面，摆把备料区作为缓冲环节，上游的烟叶整选为“推动式”生产，下游为“拉动式”生产。在同一批次内下游的烟叶复烤环节内的生产无法停止，否则被视为生产事故，而上游的烟叶整选环节效率较高，因此铺叶摆把前置环节稳定运行是保证正常生产的重要任务。

另一方面，复烤企业在制定排产计划时，对于某客户的烟叶，需要全部完成整选，得到每框烟叶的烟碱值后，再进行配方设计。如上文所述，通过对铺叶摆把前置环节内的物料调度，为实现智慧化配方打下基础。

然而，由于烟叶产地、品种、级别以及烟碱值等多种参数，同一批次内的烟叶种类众多，人工难以准确高效地实现烟叶调度。因此，探索成熟的自动化技术与复烤企业的适配性，是一项值得研究的课题。

（1）铺叶摆把线安全性低、配方精度低

目前，国内复烤企业大多采用人工进行铺叶摆把线投料，人工根据配方方案制定生产调度令，再由现场调度人员进行叉车调度实现烟框转运。配方精度较低，现场作业环境安全性低。前置的摆把备料区以及配方平库基本无库位管理，由人工为烟框分配巷道及货位。图2为国内某复烤企业人工投料模式下的铺叶摆把线，人员与叉车交互环节无安全防护装置，安全性较低。每框烟叶只对烟碱值进行高、中、低三种等级划分，与国内部分同行业企业存在一定差距。

图2 铺叶摆把线

（2）转运烟框量大 

系统整体烟框转运数量为800框/天，不同业务工作时长不同。如选叶车间每天工作时长为8小时，效率要求为100框/小时；铺叶摆把车间工作时长为24小时，效率要求为34框/小时。

（3）人工作业强度大

由于场地受限，无法无上限地增加工人数量。在工人数量有限、转运烟框量大、效率要求高的情况下，工人的作业强度较大。以国内复烤企业实际应用场景举例，当烟叶整选环节进行烟叶普选时，峰值流量为100框/小时，配备2名叉车工，则每名叉车工的效率要求为50框/小时。此时，需要调用其他环节的叉车工来进行配方平库入库环节的烟框搬运。

（4）烟框形态

目前，全国各省各区县农业与工业之间未形成一套整体的烟叶转运系统。对于复烤企业而言，上游农业企业运输来的烟叶形态各异，经过收储系统后，由复烤企业统一的烟框暂存，但是依然无法确定是否满足AGV伸缩货叉以及定位的使用情况。如图3所示，图左为原烟烟框，图右为选后烟叶烟框。通常情况下，若要满足AGV的使用条件，需要保证伸叉方向的立面四角以及上下横梁露出，才可实现精准定位及堆叠，确保多层码垛后的稳定性。

图3 原烟(左)和选后烟框(右)

（5）路面情况不适合AGV运行

大部分复烤企业在建设初期，未将厂区内的AGV转运纳入规划设计范围内，导致路面情况较差，存在高低起伏，门洞与路面连接段的角度过大，机器人无法通过，图4为国内某复烤企业配方平库与室外道路的连接处，坡度为8°。同时，库区间过道上的下水口、路灯、消防栓以及路面磨损等，均对AGV的通行造成影响，在具体规划时需全面考虑。

图4 厂区门洞地面情况

在传统打叶复烤加工环节中，仅通过烟叶产地、品种以及等级来进行配方。随着人们物质生活水平提高，对烟叶品质提出更高要求，引入了烟叶烟碱值等生化信息，通过控制配方中各烟碱值烟叶品类比例以满足需求。但是，目前国内大部分复烤企业在使用烟碱值进行配方时，只对烟碱值进行了高、中、低三个等级的简单分类。即使企业引入相关设备可获取每框烟叶的烟碱精确数值，由于调度困难，无法准确地将某特定烟碱值的烟叶按时转运至相应投料口。因此，即使有一定设备基础，也无法将烟碱这一特性充分利用起来。

如图5所示，用烟碱值标识每一框烟，提高配方精度，实现准确配方。为满足动态、准确以及智慧化配方需求，在铺叶摆把前置环节引入新技术，通过烟框在选叶下线、配方平库以及备料区等环节内的烟框智能化搬运调度实现烟框排序。

图5 烟叶信息重组示意图

如图6所示，在铺叶摆把前端的备料区，每个巷道内按投料口需求进行烟框排序备料，烟叶按顺序转运至对应投料口。

图6 备料区烟框排序示意图

1. 系统架构需求

为了满足复烤企业对智慧化配方的需求，引入智能化无人转运系统。通过对复烤企业的深入调研，归纳总结其系统需求如下：

（1）可根据需求直接或通过简单的移库取到特定烟框，当某批次的烟叶整选完成，配方系统完成配方后，备料区内可实现烟框排序。

（2）满足厂区内交通管制要求，确保在主干道以及各车间内进行物料转运配送时不产生路线冲突；当发生紧急情况时，AGV不会出现撞车、避障过急损坏物料等情况，保障生产的安全性、即时性及高效性。

（3）满足不同的生产线或者生产阶段之间通过信息技术或者物流设施进行有效连接和协调的要求，以实现生产过程的高效运作和资源的最优利用。

（4）满足AGV自动充电需求，可以实现对于AGV异常情况、电量以及位置的监控处理，并且还可以在系统中显示其运行状态。

（5）具有一定兼容性，能够匹配兼容多类型需求，满足正常运行与管控的要求。

2.应用架构设计

复烤企业智能化无人转运系统应用架图，如图7所示。系统主要分为三层，分别为管理层、控制层及设备层。

图7 复烤企业智能化无人转运系统应用架构图

其中，管理层中的烟叶管理一体化平台是全国烟叶管理平台，为全国烟草企业提供指导；生产执行系统管理复烤企业生产加工执行过程；均质化配方系统用于生成配方。三个系统相互作业，同时为下层系统提供数据信息支撑。

控制层主要分为四个子系统，其中的仓库管理系统和设备控制系统较为常见，具体功能不作赘述。值得强调的是，仓库管理系统与管理层交互，生成任务下发给余下三个系统。调度控制系统为自动导引小车控制系统，将部分小车功能内嵌在系统中，如空框回收等，无需仓库管理系统调度，可自行完成；手持终端系统主要用于任务的下发，是系统与人工产生交互的结点。

设备层根据实际情况包含不同的内容，主要包含自动导引小车、叉车终端、PDA以及PLC等。

3.功能区域

将AGV智能转运技术应用于烟叶复烤企业内时，根据需求需要设置如下基础功能区域。

（1）AGV接驳区：AGV与人工产生交互时，需要以接驳区为媒介，AGV或人将烟框转运至指定位置，后再由另一方转走。此区域的每一个单元块可安装限位块，以保证系统精度。另外，为追求人工操作场地的安全性以及美观度，利用更先进的定位技术，可直接通过地面画线的方式实现人工交互，随之而来是上升的成本。因此，决策者需要决策AGV接驳区的布局方式。 

（2）AGV行走路径：AGV在固定路径上行进，避障时脱离行走路径。

（3）AGV充电区：用于AGV的充电，配备充电桩，每3台AGV则需要1台充电桩。

（4）RFID读取区：用于烟框上的信息读取。可将读写器装载在AGV上，根据读写器的读写范围，1台AGV可装有1～2台读写器。但当业务范围增大、车辆增多时，每台AGV上都配备读写器会使成本增加，因此，可在每个环节的出入端设置固定读写器，可大大减少读写器数量。

（5）料框换向区：由于厂区内各个业务环节的烟框姿态不尽相同，部分情况下需要使烟框90°换向。换向区需配备潜伏式AGV以及托架，潜伏式AGV举升托架，烟框放置在托架上，以托架为媒介实现烟框的原地旋转，同时潜伏式AGV在多个托架下方来回穿梭，到达指定点后换向，实现烟框的90°换向。

（6）拆垛区：通常在复烤企业中，烟框暂存或存储时，采用4层堆叠方式。部分供应商的设备可直接将AGV货叉举升至一定高度后叉取货位。但是部分供应商无法实现这一点，需要首先叉取2框，放置在地面后，再单独叉取1框后进行转运。

4.流程设计

为增加方案的可适应性，可将系统更好、更便捷地套用进各复烤企业，故将系统业务环节抽象出来，不考虑环节内部情况，只关注与烟框相关输出。如图8所示，为智能化无人转运系统流程图，可根据实际需求增加环节，相关设备、流程以及配套设施等。

图8 智能化无人转运系统流程图

当子系统A输出框栏时，考虑系统A特性、人员流动路线、路面情况以及AGV行进路线，由此决策是否设置接驳区以及接驳区位置。

若无需设置接驳区，AGV直接在相应位置叉取烟框后开始转运；若需设置接驳区，则需要将烟框旋转在接驳工位，保持一定精度，便于AGV的精确定位。同时，接驳位的任务一般采用人工或AGV转运任务来完成触发。

当AGV从子系统A取走烟框，识别成功后，按照规划路线行进，转运至子系统B，此时也需判断是否设置接驳位。

当厂区面积大，室外行走距离较长时，考虑AGV负载和效率要求，可结合摆渡车等其他较大型载具来实现全厂的室外长途转运。

在此基础上，结合复烤烟叶企业特性，流程中需要注意以下几点：

（1）避免误差累积。由于烟叶本身长短不一、宽度不同，形态各异，为保持烟叶的干燥，烟叶配套的烟框具有孔洞，或者存在大面积开口，使烟叶伸出烟框。当烟叶存储时，为实现防尘，需用包裹性布袋等对烟叶烟框进行遮盖。鉴于此，复烤厂区内流转的物料单元因为遮挡等原因，可能无法适应AGV的叉取动作，即无法通过对标准的物料单元的特点部位识别，实现精准定位，从而导致无法准确找到伸叉位置。因此，需要避免此类误差累积。

（2）烟框拆垛区的设置。当子系统A为4层堆叠，而子系统B需要单框投递时，目前市场中部分供应商提供的AGV无法稳定地直接叉取第四层的烟框，需设置烟框拆垛区，AGV叉取2框放置在拆垛区后，再叉取1框进行投递。

（3）烟框换向区的设置。当子系统A与子系统B的烟框形态需求不一时，如由于场地情况，烟框需要分别横向、纵向摆放。此时，若烟框底部不满足潜伏式小车顶升要求，则需设置烟框换向区，包含烟框托架以及潜伏式AGV。图9为潜伏式AGV及托架示意图，AGV提升托架，自主旋转至角度后，再由伸叉式AGV叉取。烟框托架无需改造地面。

图9 潜伏式小车及托架

图10 复烤企业智能化无人转运系统功能架构图

（4）接驳区的设置。当发生人机交互，如上一环节由人工完成放烟框，下一环节由AGV取烟框，此时需要设置接驳区来保持定位精度。

（5）小车复用。在实际业务场景中，存在业务进行时间不重叠的情况，如选叶车间在日间8小时运行，其余16小时处于停止状态，而配方平库除日间8小时外，均处于运行状态。此时，可将选叶车间出库与配方平库出库两个环节的小车复用，从而减少车辆数量，提高小车利用率，降低能源消耗。针对各企业的实际情况进行分析，提高小车的复用率，可显著降低前期投入成本。

5.信息系统建设

在复烤企业智能化无人转运系统业务架构的基础上，构建对应的系统功能架构，如图10所示。系统共分为四个层次，分别为业务管理层、仓库管理层、调度控制层以及设备层。

其中，业务管理层由复烤企业为主导进行建设，烟叶管理一体化平台的主要功能为依托外部平台以及内部分配规则，生成生产调度令，用于指导厂区内的生产调度，也就是物料动向及数量。生产执行系统主要用于烟叶分选时的生产指导，均质化配方系统主要用于指导铺叶摆把系统的生产执行过程，即烟叶种类及数量的分配，人工作业速率要求等。以上三个系统均为AGV智能化无人转运系统的上位系统，为AGV系统提供作业的基本数据，需保证系统间的信息流动顺畅，保有接口，数据访问权限完整，数据颗粒度对齐。

仓库管理系统用于原烟库、选后烟叶、各类暂存区以及虚拟仓库等区域的库位管理，具有策略管理、出入库管理以及库存管理等多种功能。

调度控制层向上承接管理系统，向下控制设备，调度控制系统主要包含设备管理、任务管理以及调度管理等功能，同时对设备进行监控、故障报警。其中，最主要的是对转运式机器人AGV的调度控制，部分功能可内嵌入RCS中，比如工位空满交换，当某工位单元物料装满或空框产生补料任务或转运任务后，无需上位系统下达空框转运任务，RCS可直接实现将空框运输至指定位置，同时对相应的暂存位进行管理。

设备层包含系统终端、人机交互的各项设备。

通过在烟叶复烤企业引入智能化无人转运系统，可实现以下预期效果：

首先，对于复烤企业而言，最大价值为可实现智慧化配方。复烤企业配方迈向新的台阶，产品质量提高，增加企业竞争力，同时满足下游工业企业客户对烟叶原料品质需求。

其次，就企业实际生产流程而言，实现各库房内及各库房间的烟框单元的自动转运，在有限空间中，满足日益增长的效率要求；同时减少人员投入以及人工作业强度；小车稳定在规划好的路径行走，预留避障通道，避免对人员、周遭设施和系统造成影响，小车之间互不影响，最大程度节省占用面积。

最后，系统将原有子系统通过烟框连接起来，引入RCS，通过多种先进的决策算法、路径规划算法以及系统构建，确保RCS实现精准调度，减少小车空闲时间，提高小车利用率；系统内人工与机器人具有交互功能，机器人本身的设计以及其他安全措施，可最大程度上保障人员安全，避免事故发生。

智能化无人转运系统可解决复烤企业配方精度不足，以及场地受限、人工调度困难、效率低下、信息系统功能薄弱等问题。本文首先对目前复烤企业存在的问题进行了概述，指出配方精度不足等问题。其次，为解决这一问题，提出配方结构重组的核心观点，通过配方重组，提高配方精度。然后，为实现这一功能，引入智能化无人转运系统，并详细阐述了系统架构以及相关设计。最后，对系统的预期效果进行了简单说明。