蔣 峻，李津宇，鄭繼華

（中國(guó)聯(lián)合工程公司 工業(yè)和物流院，浙江 杭州 310000）

基于Demo3D的快遞分揀系統(tǒng)優(yōu)化與仿真研究

蔣 峻，李津宇，鄭繼華

（中國(guó)聯(lián)合工程公司 工業(yè)和物流院，浙江 杭州 310000）

為了研究快遞行業(yè)的半自動(dòng)化分揀系統(tǒng)與交叉帶式分揀系統(tǒng)在分揀方式、分揀效率等方面的不同，本文運(yùn)用三維仿真軟件Demo3D對(duì)兩種分揀系統(tǒng)進(jìn)行建模，闡述建模過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為研究?jī)煞N分揀系統(tǒng)的最大分揀能力及其差異提供可視化參考依據(jù)。

快遞分揀系統(tǒng)；三維仿真；Demo3D

1 前言

快遞作為物流行業(yè)的一個(gè)分支，近年來(lái)隨著電子商務(wù)市場(chǎng)的壯大得到了快速的發(fā)展。快遞企業(yè)往往通過(guò)新建分揀中心和改進(jìn)分揀工藝來(lái)滿足日益增加的分揀需求。隨著企業(yè)對(duì)分揀工藝的探索，快遞企業(yè)正從最初的純?nèi)斯し謷蜃詣?dòng)化分揀轉(zhuǎn)變，目前快遞企業(yè)分揀系統(tǒng)主要有半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)與交叉帶式分揀系統(tǒng)兩類。

仿真，即利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)，研究某一具體層次的不確定性對(duì)目標(biāo)的影響，借此來(lái)研究實(shí)際存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。鑒于本文所研究的快遞分揀系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此本文將運(yùn)用Demo3D仿真軟件建立快遞分撥系統(tǒng)模型，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)觀察系統(tǒng)模型中各變量變化的全過(guò)程，進(jìn)而研究?jī)煞N分揀系統(tǒng)的最大分揀能力及其差異。

2 快遞分揀系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，一個(gè)分撥中心根據(jù)規(guī)模不同，每天處理量為幾萬(wàn)件到幾十萬(wàn)件不等，最高的已經(jīng)達(dá)到了200萬(wàn)件/d。同時(shí)，快件的錯(cuò)發(fā)率也要降到最小。這就要求分撥中心要有一套成熟可靠的分揀工藝作為保障。

根據(jù)中國(guó)聯(lián)合工程公司工業(yè)和物流院所做的順豐、申通、百世匯通等快遞企業(yè)的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，以及結(jié)合郵政、圓通等其他快遞企業(yè)參觀調(diào)研的情況來(lái)看，目前最常見(jiàn)的快遞分撥中心的分揀作業(yè)主要采用半自動(dòng)化分揀流水線+人工的分揀方式，主要工藝流程如下：

①卸車。裝有快件（包裹）的貨車停靠到位，打開(kāi)車箱門，由卸貨人員將快件（包裹）取下。

②初步分揀。揀出快件（包裹）中的異形件、超大件等不適合上分揀線的部分，進(jìn)行單獨(dú)人工分揀處理；其余部分放上分揀線流水線，自動(dòng)流至下一處理位置。

③揀選?？旒ò╇S分揀流水線到達(dá)該收貨地址的站點(diǎn)，被流水線邊揀選人員識(shí)別出來(lái)后，由該人員將快件（包裹）從流水線上取下，放入待發(fā)區(qū)域。

④裝車發(fā)送。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)收集的快件（包裹）達(dá)到一定數(shù)量以后，安排該發(fā)貨線路的貨車?？康窖b車站臺(tái)，由裝車人員將快件（包裹）裝車，完成后發(fā)車前往目的地，完成一個(gè)分揀作業(yè)流程。

現(xiàn)行半自動(dòng)化分揀流水線+人工的分揀方式雖然應(yīng)用普遍，但也呈現(xiàn)出了諸多問(wèn)題：效率不高，分揀人員會(huì)受到如疲勞、注意力無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中等眾多生理?xiàng)l件的限制；差錯(cuò)率高；信息滯后，只能延時(shí)分批手動(dòng)上傳信息；造成暴力分揀現(xiàn)象；分揀人數(shù)多，人力成本高。

所以，交叉帶分揀機(jī)為代表的自動(dòng)分揀設(shè)備開(kāi)始逐步得到推廣使用。交叉帶分揀系統(tǒng)采用了快速條碼掃描識(shí)別系統(tǒng)，自動(dòng)辨別快件（包裹）的位置，當(dāng)快件（包裹）到達(dá)出站口時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)皮帶自動(dòng)將其送出，完成分揀。其作業(yè)流程如下：

①卸車。裝有快件（包裹）的貨車?？康轿唬蜷_(kāi)車箱門，由卸貨人員將快件（包裹）取下。

②初步分揀。揀出快件（包裹）中的異形件、超大件等不適合上交叉帶分揀機(jī)的部分，進(jìn)行單獨(dú)人工分揀處理；其余部分放上分揀輸送線，自動(dòng)流至交叉帶分揀機(jī)發(fā)包臺(tái)。

③由人工在發(fā)包臺(tái)對(duì)到達(dá)的快件（包裹）進(jìn)行整理，避免出現(xiàn)快件（包裹）所貼條碼壓在下面，或者多個(gè)快件（包裹）粘連在一起等情況，提高后續(xù)自動(dòng)分揀的準(zhǔn)確率。

④發(fā)包臺(tái)高速皮帶機(jī)將快件（包裹）送上交叉帶分揀機(jī)，交叉帶分揀機(jī)將對(duì)包裹進(jìn)行自動(dòng)分揀。

⑤交叉帶分揀機(jī)通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別和判斷，當(dāng)快件（包裹）到達(dá)其發(fā)貨地址對(duì)應(yīng)的出站口時(shí)，交叉帶分揀機(jī)將其送出，順滑槽滑下，由分揀人員進(jìn)行集結(jié)打包，等待發(fā)車。

3 快遞分揀系統(tǒng)主要設(shè)備及建模

3.1 交叉帶分揀機(jī)

（1）交叉帶分揀機(jī)定義及特點(diǎn)。交叉帶式分揀系統(tǒng)由主驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)和載有小型帶式輸送機(jī)的臺(tái)車(簡(jiǎn)稱“小車”)聯(lián)接在一起，當(dāng)“小車”移動(dòng)到所規(guī)定的分揀位置時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶，完成把商品分揀送出的任務(wù)。因?yàn)橹黩?qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)與“小車”上的帶式輸送機(jī)呈交叉狀，故稱交叉帶式分揀機(jī)。其所具備的特點(diǎn)：分揀動(dòng)作輕柔；分揀準(zhǔn)確；最高的分揀處理能力；適用于各類物品尺寸。

（2）交叉帶分揀機(jī)的Demo3D建模。本文對(duì)交叉帶式分揀系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，建立了交叉帶小車、皮帶輸送機(jī)、供包臺(tái)、分揀滑槽等三維模塊，完成了交叉帶式分揀系統(tǒng)的整體建模，如圖1所示。

圖1 交叉帶式分揀系統(tǒng)模型圖

交叉帶式分揀機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)：

交叉帶式分揀機(jī)整體長(zhǎng)度：35 000mm

交叉帶式分揀機(jī)整體寬度：10 000mm

交叉帶式分揀機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑：3 000mm

格口距：1 500mm

分揀機(jī)運(yùn)行速度：3m/s

最大分揀效率：10 800件/h

交叉帶小車尺寸：800mm長(zhǎng)*780mm寬

交叉帶小車節(jié)距：820mm

3.2 皮帶式輸送機(jī)

（1）皮帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)。皮帶式輸送機(jī)是快遞行業(yè)應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，具有輸送連續(xù)、均勻、生產(chǎn)效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)力消耗小、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)和檢修較為方便，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或自動(dòng)控制等特點(diǎn)。

（2）皮帶式輸送機(jī)的Demo3D建模。在Demo3D仿真軟件自帶的皮帶式輸送機(jī)模塊庫(kù)中已有非常完備的各式皮帶機(jī)模塊，本文運(yùn)用軟件自帶的各式輸送機(jī)模塊搭建所需的分揀系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)模型圖

4 基于Demo3D的快遞分揀仿真實(shí)驗(yàn)

在此將分別描述某快遞企業(yè)項(xiàng)目的兩個(gè)不同分揀系統(tǒng)的建模并對(duì)模型進(jìn)行仿真優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析，最后通過(guò)對(duì)兩個(gè)模型輸出結(jié)果的對(duì)比分析得出結(jié)論。

4.1 半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)

（1）半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)建模。在某快遞企業(yè)項(xiàng)目中，其分撥中心采用的是半自動(dòng)化流水線式分揀系統(tǒng)，包裹從收貨皮帶機(jī)進(jìn)入分揀系統(tǒng)后，經(jīng)由兩次分揀，最終到達(dá)不同的出貨皮帶機(jī)?？紤]到計(jì)算機(jī)運(yùn)算的計(jì)算能力，在包裹分揀流程不變的基礎(chǔ)下，將分撥中心的分揀系統(tǒng)簡(jiǎn)化為4條收貨皮帶機(jī)，28條出貨皮帶機(jī)并完成仿真建模，如圖3所示。

圖3 半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)模型俯視圖

在本模型中，共設(shè)置有28種不同的包裹，均從4條收貨皮帶機(jī)進(jìn)入分揀系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)第一次分揀后，將28種包裹導(dǎo)向7條不同的皮帶機(jī)，在模型中分別以七種顏色加以區(qū)分。然后在這7條皮帶機(jī)中再進(jìn)行第二次分揀，每條皮帶機(jī)各自再導(dǎo)向4條出貨皮帶機(jī)，從而完成整個(gè)分揀過(guò)程。

（2）半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析。模型主要輸入數(shù)據(jù)為收貨皮帶機(jī)收貨頻率和皮帶機(jī)運(yùn)行速度。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)地調(diào)研得知，分揀系統(tǒng)中的皮帶機(jī)運(yùn)行速度為0.5m/s，因此本文擬通過(guò)調(diào)整收貨皮帶機(jī)的收貨頻率，觀察分揀系統(tǒng)的仿真運(yùn)行過(guò)程，找出系統(tǒng)瓶頸，從而確定該分揀系統(tǒng)的分揀效率。

在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將每條收貨皮帶機(jī)的收貨頻率分別調(diào)整為5件/min、10件/min、15件/min并運(yùn)行仿真，即在系統(tǒng)收件效率分別為20件/min、40件/min、60件/ min的情況下，觀察模型運(yùn)行情況，如圖4-6所示。

圖4 收件頻率為20件/min下仿真圖

在收件頻率為20件/min條件下的仿真過(guò)程中，一次分揀的皮帶機(jī)沒(méi)有飽和，該系統(tǒng)的整體分揀效率受收貨頻率制約，故此環(huán)境下該系統(tǒng)的分揀效率為1 200件/h。

圖5 收件頻率為40件/min下仿真圖

在收件頻率為40件/min條件下的仿真過(guò)程中，一次分揀的皮帶機(jī)趨向飽和，但仍有空間，故此環(huán)境下系統(tǒng)分揀效率仍受收貨頻率制約，其分揀效率為2 400件/h。

在收件頻率為60件/min條件下的仿真過(guò)程中，一次分揀的分揀線正好已經(jīng)完全達(dá)到飽和，分揀線已無(wú)空間容納更多包裹，可見(jiàn)60件/min的收件頻率是該系統(tǒng)的收件上限。若再增加收貨頻率，則部分包裹將會(huì)無(wú)法完成第一次分揀，此時(shí)系統(tǒng)的分揀效率會(huì)受皮帶機(jī)速度和工作人員分揀取件速度的制約，故此時(shí)系統(tǒng)的分揀效率為3 600件/h。

圖6 收件頻率為60件/min下仿真圖

（3）半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)總結(jié)。由上述半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)可知，隨著收件頻率的變化，系統(tǒng)的瓶頸由收件頻率轉(zhuǎn)移至皮帶機(jī)速度和工作人員分揀取件速度。但如果皮帶機(jī)速度過(guò)快，分揀工人將無(wú)法完成分揀取件的操作，因此一般皮帶機(jī)速度為0.5m/s。所以如果想要提高分揀效率，只能增加分揀人數(shù)。

4.2 交叉帶式分揀系統(tǒng)

（1）交叉帶式分揀系統(tǒng)建模。在某快遞企業(yè)項(xiàng)目中，其分撥中心采用的是交叉帶式分揀系統(tǒng)，包裹由皮帶機(jī)送入供包臺(tái)，再由供包臺(tái)進(jìn)入交叉帶，通過(guò)交叉帶分揀，最終落入分揀滑槽，完成整個(gè)分揀過(guò)程。為了與半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)作出比較，將交叉帶式分揀系統(tǒng)簡(jiǎn)化至4個(gè)供包臺(tái)、28個(gè)分揀滑槽并完成仿真建模，如圖7所示。

與半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)一樣，本模型共設(shè)置了28個(gè)不同的包裹，這些包裹由4條皮帶機(jī)分別供至4個(gè)不同的供包臺(tái)，再由供包臺(tái)進(jìn)入皮帶機(jī)。在此系統(tǒng)中，包裹只需要經(jīng)由交叉帶進(jìn)行一次分揀即可到達(dá)相應(yīng)的分揀滑槽。

（2）交叉帶式分揀系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析。模型主要輸入數(shù)據(jù)為供包臺(tái)供包頻率和交叉帶運(yùn)行速度。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)地調(diào)研得知，交叉帶式分揀系統(tǒng)中交叉帶的運(yùn)行速度為3m/s，因此本文擬通過(guò)調(diào)整供包臺(tái)供包頻率，觀察分揀系統(tǒng)的仿真運(yùn)行過(guò)程，找出系統(tǒng)瓶頸，從而確定該分揀系統(tǒng)的分揀效率。

為了能夠與半自動(dòng)化流水線分揀系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同樣將每個(gè)供包臺(tái)的供包頻率分別調(diào)整為5件/min、10件/min、15件/min并運(yùn)行仿真，即在系統(tǒng)收件效率分別為20件/min、40件/min、60件/min的情況下，觀察模型運(yùn)行情況，如圖8-10所示。

圖7 交叉帶式分揀系統(tǒng)模型俯視圖

圖8 收件頻率為20件/min下仿真圖

在收件頻率為20件/min條件下的仿真過(guò)程中，可以觀察到供包臺(tái)的前置皮帶機(jī)非?？臻e，交叉帶上的包裹更為稀少，說(shuō)明此時(shí)分揀系統(tǒng)的分揀瓶頸在于供包臺(tái)的供包頻率，故此時(shí)系統(tǒng)的分揀效率由供包頻率決定，即1 200件/h。

在收件頻率為40件/min條件下的仿真過(guò)程中，供包臺(tái)前置皮帶機(jī)上的包裹較上一實(shí)驗(yàn)有所增加，然而包裹數(shù)量仍然很少，可以判斷此時(shí)分揀系統(tǒng)的分揀效率仍由供包頻率決定，即此時(shí)整個(gè)分揀系統(tǒng)的分揀效率為2 400件/h。

圖9 收件頻率為40件/min下仿真圖

圖10 收件頻率為60件/min下仿真圖

在收件頻率為60件/min條件下的仿真過(guò)程中，供包臺(tái)前置皮帶機(jī)的包裹趨向飽和，但仍有一定空間，交叉帶上的包裹仍然不多，說(shuō)明此時(shí)分揀系統(tǒng)仍由供包頻率制約，經(jīng)計(jì)算得此時(shí)系統(tǒng)的分揀效率為3 600件/h。

因此本文將繼續(xù)增加供包臺(tái)的供包頻率，如圖11所示。

圖11 收件頻率為120件/min下仿真圖

在收件頻率為120件/min條件下的仿真過(guò)程中，供包臺(tái)前置皮帶機(jī)已經(jīng)完全飽和，然而通過(guò)觀察可知，包裹進(jìn)入交叉帶后很快能夠完成分揀，說(shuō)明此時(shí)分揀系統(tǒng)的瓶頸仍在供包頻率，經(jīng)計(jì)算得此時(shí)系統(tǒng)的分揀效率為7 200件/h。

（3）交叉帶式分揀系統(tǒng)總結(jié)。經(jīng)由上述實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)4個(gè)供包臺(tái)的供包頻率達(dá)到上限時(shí)，交叉帶仍然能夠輕松地完成分揀任務(wù)，因此可知4個(gè)供包臺(tái)完全無(wú)法滿足該交叉帶式分揀系統(tǒng)，因此若要完全發(fā)揮交叉帶分揀能力，只能通過(guò)增加供包臺(tái)數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。本課題為了研究?jī)煞N分揀系統(tǒng)的差異，故只選擇了4個(gè)供包臺(tái)；而實(shí)際分揀企業(yè)中，一個(gè)交叉帶往往配置8-14個(gè)供包臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述兩個(gè)分揀系統(tǒng)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)化對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）半自動(dòng)化流水線式分揀系統(tǒng)主要由皮帶機(jī)和分揀工作人員完成分揀工作，其分揀效率取決于收貨頻率和皮帶機(jī)速度，分揀人員數(shù)量多；

（2）交叉帶式分揀系統(tǒng)主要由供包臺(tái)和交叉帶完成分揀工作，自動(dòng)化程度高，其分揀效率取決于供包臺(tái)數(shù)量及交叉帶運(yùn)行速度，分揀人員數(shù)量少；

（3）當(dāng)設(shè)置相同的收貨入口和分揀出口時(shí)，半自動(dòng)化流水線式分揀系統(tǒng)的分揀效率遠(yuǎn)低于交叉帶式分揀系統(tǒng)。

本文運(yùn)用仿真技術(shù)以實(shí)際案例闡述了現(xiàn)階段快遞企業(yè)常用的兩種快遞分揀系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其他快遞分撥中心的設(shè)計(jì)具有很好的參考意義。

[1]吳春濤.快遞企業(yè)分撥中心分揀作業(yè)管理與優(yōu)化—以順豐宜昌分撥中心為例[J].中國(guó)市場(chǎng),2016,(19):19-21.

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[3]韓雪峰,劉壯,高長(zhǎng)水.基于Demo3D的某冰箱門體摩擦配送線仿真[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2016,45(4):90-92.

[4]閆英偉,吳宏偉,祝增偉,等.交叉帶分揀機(jī)供件系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)的研究[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2015,4(11):135-137.

Study on Optimization and Simulation of Express Sorting System Based on Demo3D

Jiang Jun,Li Jinyu,Zheng Jihua
(Industry&Logistics Institute,China United Engineering Corporation,Hangzhou 310000,China)

In this paper,in order to study the difference in the working mode and efficiency of the semi-automated sorting system and the carbel sorting system in the express delivery industry,we used the Demo3D software to model the two systems and elaborated on the modeling process and the test result.

express delivery system;3Dsimulation;Demo3D

F252.1;TP391.9

A

1005-152X(2017)01-0077-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.01.015

2016-11-12

蔣峻，中國(guó)聯(lián)合工程公司工業(yè)和物流院院長(zhǎng)，高級(jí)工程師；李津宇，中國(guó)聯(lián)合工程公司工業(yè)和物流院物流所工程師；鄭繼華，中國(guó)聯(lián)合工程公司工業(yè)和物流院院長(zhǎng)助理，高級(jí)工程師。