1、分揀系統(tǒng)及分揀機的設計和應用綜述分揀系統(tǒng)及分揀機的設計和應用綜述摘 要：隨著2016-2020年全國電子商務物流規(guī)劃的頒布，到2020年基本形成布局完善、結構優(yōu)化、功能強大、運作高效和服務優(yōu)質(zhì)的電商物流體系，信息化、標準化、集約化發(fā)展取得重大進展，先進物流裝備、技術在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應用。其中，提升物流設施設備智能化水平是重要任務，隨著近年來人工成本的快速上升，對智能分揀系統(tǒng)等信息化產(chǎn)品需求增加，本論文對分揀系統(tǒng)和分揀機的研究進行簡單的總結和歸類，以便未來更好的研究分揀技術。 1 分揀系統(tǒng)的設計隨著人們對網(wǎng)絡購物越來越青睞，電子商務已經(jīng)進入了一個高速發(fā)展的時期，為了配合市場發(fā)展的趁勢，國內(nèi)很多企

2、業(yè)都在積極建設自有的電商物流系統(tǒng)，比如知名的電商企業(yè)阿里巴巴和京東。對于物流系統(tǒng)而言，最具核心價值的環(huán)節(jié)就是它的配送中心。配送中心承擔著銜接上游供應商與下游客戶，實現(xiàn)高效地物品流通服務的重要責任，配送中心布局如果直接應用于電商的配送中心，可能會不太適用。配送中心的倉儲和分揀都要占據(jù)大量的空間，包括商品存儲的貨架，分揀緩存區(qū)和補貨區(qū)等，所以，合理設計和布局分揀系統(tǒng)是至關重要。訂單量巨大時，為保證客戶滿意度，還要盡快完成訂單的分揀配送，所以對配送中心的效率要求也會很高。Gray等1綜合了成本與揀選效率方面的需求，提出一種多級分層模型，求解揀選系統(tǒng)中涉及到的揀貨區(qū)數(shù)量、品項分配及訂單分批等配置優(yōu)化問

3、題。Le Du等2建立了一種混合整數(shù)規(guī)劃模型，對分區(qū)揀選策略下的人工揀選系統(tǒng)涉及到的品項分配及揀選順序問題進行求解。該模型以訂單處理總時間最短為優(yōu)化目標。與此同時，文章還分析了揀貨區(qū)數(shù)量對訂單處理總時間的影響，若減少揀貨區(qū)的數(shù)量，會增加系統(tǒng)中的揀貨人員行走距離，但同時也能夠減少子訂單的合流時間，考慮到這種互相影響互相制約的情形，指出了尋求揀貨區(qū)數(shù)量平衡點的方式。Guenov等3在分區(qū)揀選的策略下，研究了AS/RS系統(tǒng)的揀貨區(qū)形狀。以AS/RS系統(tǒng)可以劃分為三個揀貨區(qū)為前提，按照揀選量將所有品項分為A，B，C三類。文章分別給出了三種揀貨區(qū)的外形配置，并設計了分段啟發(fā)式算法求解每種外形配置下的訂單

4、處理總時間。最后通過仿真分析了每種配置下揀貨區(qū)的特點。Bartholdi等4-7在分區(qū)揀選策略下，針對人工揀選系統(tǒng)提出了救火隊模型，克服揀貨區(qū)固定劃分后存在的問題。該模型中各揀貨人員可以根據(jù)與相鄰揀貨員的相遇情況動態(tài)確定揀貨區(qū)的邊界。救火隊模型具有極強的自組織性，各揀貨人員能依據(jù)自身的工作效率，動態(tài)確定工作范圍，使工作時間快速達到平衡，有效消除整個作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的效率瓶頸。李詩珍等8提出一種訂單分批的揀選模型，該模型以最小化行走距離為目標，與此同時，文章基于啟發(fā)式的聚類算法建立了訂單分批問題的聚類模型，并設計了基于包絡解碼的混合遺傳算法對模型進行求解。Parikh等9研究了如何選擇揀選策略

5、，其中主要針對訂單分批揀選策略與分區(qū)揀選策略進行了討論。選擇的過程綜合地考慮了揀選頻率、揀選人員可能出現(xiàn)的交叉、揀選人員工作量均衡及訂單分流需求等因素，基于此建立了以最小化揀選成本為目標的選擇模型，同時基于模型分析了揀選效率、訂單數(shù)量、訂單結構等因素會對揀選策略的選擇帶來何種影響。王艷艷等10研究了人工揀選系統(tǒng)的訂單分批揀選策略方面的問題，建立了以最小化揀選成本為目標的模型，該模型的建立綜合考慮了包括揀選路徑、訂單相似性、訂單提前期在內(nèi)的三個主要影響因素。通過改進的小生境遺傳算法對模型求解。王艷艷等11分析了揀選過程中出現(xiàn)的問題，概括起來，就是配送線路對分揀作業(yè)的影響。當不同配送線路中的貨物品

6、牌結構不一致時，容易引起頻繁調(diào)換分揀通道的問題。而僅僅考慮品項在配送線路中的相關性，又可能造成不同分揀線間的分揀作業(yè)任務量不均衡。基于上述問題，提出了一種同時考慮品項相似度與分揀線任務均衡原則的分揀調(diào)度方法。沈長鵬等12針對人到貨的訂單揀選系統(tǒng)進行了研究，文章以訂單聚類和遺傳算法以基礎，探討了揀選系統(tǒng)中串行分區(qū)與并行分區(qū)的策略選擇問題。2 分揀機的設計分揀設備是集光、機、電、信息技術于一體的系統(tǒng)設備，系統(tǒng)內(nèi)部主要涉及上包、識別、同步、信息處理、高速低噪輸送及分揀入格口等關鍵技術，其中每一項技術成熟與否將直接影響系統(tǒng)效率、差錯率和可靠性等關鍵技術指標，可以說分揀設備是高新技術集成的產(chǎn)物。同國外一

7、樣，自動分揀輸送技術和裝備在我國早期也是主要應用于在郵政行業(yè)，生產(chǎn)和流通領域運用的并不是太多。隨著我國物流業(yè)整體的發(fā)展，輸送分揀系統(tǒng)的應用的領域越來越廣泛，而近幾年自動分揀輸送技術與應用逐漸成為物流系統(tǒng)規(guī)劃和方案設計的重要設備。郵電部郵政科學技術研究所13早在1978年便分析了國外包裹分揀機技術。從英國1939年投產(chǎn)試用的第一臺包裹分揀機算起，到六十年代，英、美、法、西德、日本、澳大利亞、蘇聯(lián)及西歐其他國家，陸續(xù)投產(chǎn)了平帶式、斜帶式、托盤式、托板式、旋轉式和鏈斗式等多種形式的包裹分揀機。隨著包裹分揀機的發(fā)展，與其配套使用的傳送機、儲存設備、郵件裝卸搬運設備等也相應地發(fā)展和完善起來。包裹處理已經(jīng)

8、能夠形成從郵件進口、傳送、分揀、儲存到郵件出口的半自動化流水作業(yè)線。有些國家以此為基礎，建設了現(xiàn)代化的包裹處理中心局，逐步地把以手工操作為主的分散的作業(yè)，改造成以機器為主的集中的作業(yè)。李捷14針對包件分揀機上包系統(tǒng)詳細地闡述了分析方法、測試結果以及建議，這些方法、結果和建議也為將來包件分揀機的進一步改進提供了良好的分析方法和理論。楊勤等15物流分揀機進行形態(tài)色彩的優(yōu)化設計，包括產(chǎn)品的布局、產(chǎn)品節(jié)點形態(tài)及色彩設計，以求達到人一機一環(huán)境整體和諧，使其更具專業(yè)化和人性化。張貽弓16提出分區(qū)揀選策略下的分揀機系統(tǒng)綜合優(yōu)化問題。該問題以訂單處理總時間最小為優(yōu)化目標，研究內(nèi)容包括該策略下影響訂單處理總時間

9、的各主要因素：揀貨區(qū)數(shù)量、貨物合流模式、品項分配、品項拆分。綜合求解方法結合了枚舉法與多種啟發(fā)式算法，首先初步拆分品項并確定揀貨區(qū)數(shù)量范圍，然后進行品項分配優(yōu)化與子品項揀選量再分配優(yōu)化，最后通過判斷算法結束條件迭代優(yōu)化，得到了兩種合流模式和揀貨區(qū)數(shù)量范圍內(nèi)的有限組解，通過比較各解對應的訂單處理總時間確定最佳求解結果，既降低了綜合優(yōu)化問題的求解難度，又在較大空間中搜索了可行解。實例分析證明了該方法的有效性和優(yōu)越性。楊丹丹17采用嵌入式ARM處理器設計一個具有體積小、成本低、效率高及節(jié)約人力資源成本等優(yōu)點的自動分揀機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)準確又快的自動分揀包裹功能。此分揀系統(tǒng)提高了工作效率，縮短了從下訂單

10、到收到包裹之間的等待時間，節(jié)省了部分的人力資源，并可實時監(jiān)控分揀區(qū)的情況，物流跟蹤可查詢包裹的去向信息，便于信息管理。吳穎穎18在分析串行合流模式下的分區(qū)自動揀選系統(tǒng)工作流程的基礎上，對系統(tǒng)建立數(shù)學模型，并綜合運用禁忌搜索算法、動態(tài)聚類法、迭代優(yōu)化法、線性規(guī)劃法、遺傳算法等工具分別對分區(qū)自動揀選系統(tǒng)的品項分配優(yōu)化子問題、分區(qū)合流順序優(yōu)化子問題以及訂單揀選順序優(yōu)化子問題進行研究。王艷艷19以并行自動分揀系統(tǒng)為研究對象，深入分析了配送中心分揀及自動補貨系統(tǒng)的作業(yè)流程，運用迭代優(yōu)化、聚類分析等工具，研究了自動分揀系統(tǒng)優(yōu)化領域的三個重要子問題:品項揀選量拆分優(yōu)化、分揀作業(yè)調(diào)度優(yōu)化及補貨緩存優(yōu)化。研究對

11、合理規(guī)劃配送中心補貨系統(tǒng)，提高分揀作業(yè)效率和服務水平，降低分揀作業(yè)運行成本具有重要的意義。李慶磊20打破了目前物流中心分揀系統(tǒng)規(guī)劃過程中無規(guī)則可循的情況，提出了以分揀單元變化為依據(jù)劃分各種分揀模式的方法，對各種分揀模式的優(yōu)缺點、適用情況、成本投資等進行了深入研究，并在此基礎上提出了基于EIQ模型和AHP層次分析法的分揀策略規(guī)劃體系，最后將研究成果應用在煙草行業(yè)物流中心，做到了在物流中心分揀系統(tǒng)規(guī)劃中有依據(jù)可循。彭莉21研究運用人機工程學理論和設計原則，對貴陽普天萬向物流技術股份有限公司“帶式高速郵包分揀機”的人機界面進行研究和理論分析，提出優(yōu)化參數(shù)和方案，并應用模糊數(shù)學理論，建立人機界面分層次

12、模糊綜合評判系統(tǒng)模型，用于分揀機人機界面優(yōu)度的評價。分揀機的人機界面主要由顯示/控制界面，座椅構成，提高人的操作舒適性和安全性的關鍵是對該兩個界面進行優(yōu)化。另外，還對分揀機整機的色彩進行了研究、設計。3 分揀機的應用通過國內(nèi)外專家學者對于分揀系統(tǒng)和分揀機的研究和設計，分揀機在煙草行業(yè)的應用和研究起步較早且廣泛。秦峰華22研究的是一種新型卷煙分揀機與系統(tǒng)實現(xiàn)，這類自動分揀系統(tǒng)都是由多個分揀單機組成的，其在分揀過程中，各分揀單機根據(jù)上位機預定的分揀次序和分揀要求共同完成分揀任務。其中分揀機性能的可靠性和穩(wěn)定性是分揀線是否能夠正常工作的重要影響因素。針對這種情況，通過對新型分揀機的性能測試、分析和優(yōu)

13、化，得出了可靠的結論，并實現(xiàn)了整個分揀系統(tǒng)。李凱23研究某市煙草配送中心的自動卷煙分揀系統(tǒng)，這類自動分揀系統(tǒng)都是由多個分揀單機組成的，其在分揀過程中，各分揀單機分揀工作時刻的不同，會致使分揀的卷煙在皮帶上分布不均勻，影響后續(xù)的作業(yè)，從而給整個分揀系統(tǒng)的工作性能帶來很大的影響。針對這種情況，提出了通過調(diào)度卷煙分揀時間來使卷煙在皮帶上均勻分布的控制策略優(yōu)化模型，同時對控制優(yōu)化模型進行仿真，并對仿真結果進行分析比較。王磊等24分析目前我國條煙分揀機的現(xiàn)狀，并在此基礎上開發(fā)了條煙高效自動分揀系統(tǒng)，簡單介紹了條煙分揀系統(tǒng)，并對異步分揀法進行了闡述，設計了基于Profibus現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)，對硬件組成

14、進行分析。研究了條煙分揀系統(tǒng)的控制策略，提出用“預側控制”下載訂單，分析了上位機的軟件系統(tǒng)，對條煙自動分揀機試驗結果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，效率高，具有一定的實用性和推廣價值。李娜娜25基于以上背景，以某正在建設的卷煙物流中心自動分揀系統(tǒng)為研究對象，針對國家煙草專賣局提出的煙草商業(yè)銷售網(wǎng)絡物流“五化”管理中的“卷煙分揀電子化”這一要求進行深入研究。運用訂單資料對分揀系統(tǒng)進行定性和定量分析，規(guī)劃和設計卷煙自動分揀系統(tǒng)，然后對該系統(tǒng)進行建模仿真分析，并設計和研究基于PLC的卷煙自動分揀系統(tǒng)。鞠鎂隆等26通過卷煙自動分揀機的設計，分析了功能原理方法在產(chǎn)品創(chuàng)新設計中的應用，具體分析了卷煙自動分揀

15、機的功能分析過程，建立了原理解的形態(tài)學矩陣，針對卷煙自動分揀機的運動特性和功能要求獲得原理解的組合，對卷煙自動分揀機的創(chuàng)新設計方案進行評價決策，達到較理想原理方案的創(chuàng)新設計的目的。王衛(wèi)星27從人機適配方面，利用人機工程學的相關內(nèi)容，對分揀機進行分析，從而建立起協(xié)調(diào)的人機系統(tǒng)。在機構結點上，考慮人體本身的相關因素，比如身高、上肢活動范圍、視覺范圍等;再根據(jù)產(chǎn)品各部分的形狀、大小、位置、色彩的特點，來確定其布局和尺寸的合理安排，使之達到最優(yōu)的人機關系。通過人體測量數(shù)據(jù)計算出了結點合理作業(yè)的高度。從色彩方面，通過對色彩及相關因素的研究，對分揀設備中選取的結點及整體進行色彩設計。在這里主要是通過色彩對

16、人的心理影響、時代對色彩的要求、色彩與造型的關系的研究著手。達到柔和淡雅、親切明快、刺激性低、大方協(xié)調(diào)的效果，從而可以降低使用者疲勞度，更符合時代的潮流，更受操作者的歡迎。通過二維人體模板、檢查表評價法和灰色關聯(lián)評價法對電子標簽分揀結點適配設計進行評價，做到了定性與定量評價的有效結合。謝偉東等28針對自動分揀系統(tǒng)的條煙分揀機設計了滑道式分揀作業(yè)裝置，運用斜面和重力原理實現(xiàn)條煙的連續(xù)供給，其設計的雙動力出煙機構具有可任意切換單條出煙和單排出煙的功能，提出了條煙自動分揀系統(tǒng)的異步分揀方法及其基本控制算法，并用實驗表明了基于異步方法的條煙自動分揀系統(tǒng)的實際效率大于10000條/小時。沈敏德29等設計

17、了一種基于并行作業(yè)機制和預分揀緩存原理的自動分揀機，研究的復合并行自動分揀機，該設備消除了傳統(tǒng)自動分揀系統(tǒng)中各個工序之間的冗余等待時間，并可使貨物分揀完畢后在輸送系統(tǒng)上緊密排列，縮短了分揀作業(yè)時間，提高了分揀作業(yè)效率。同時，很多研究學者在很多其他貨物方面的分揀也進行了一定的研究。修學強等30設計一種全新食品自動傳送分揀機，能夠準確、衛(wèi)生、安全的進行食品分揀，可以進一步提高生產(chǎn)效率。同時利用西門子PLC對設備識別控制系統(tǒng)、機械分揀機構、設備運行機構和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行系統(tǒng)化設計，具有良好的推廣與應用價值。馬琳31主要針對大中型醫(yī)院藥房和藥品配送中心拆零庫等拆零藥品研究藥品自動分揀系統(tǒng)規(guī)劃設計的方法

18、，主要包括分揀流程的設計、選擇、分揀設施設備的配置及布局等內(nèi)容。張緒鵬32以藥品自動分揀系統(tǒng)為研究對象，在研究其功能和結構的基礎上，將模塊化設計思想運用到藥品自動分揀系統(tǒng)中。首先研究了模塊化設計的基本理論和原理，在功能分析和功能分解的基礎上，對藥品自動分揀系統(tǒng)進行了合理的功能模塊的劃分，并對各模塊進行了詳細的分析和設計，設計出了多種方案，然后選擇合適的模塊進行組合，得到幾種完整的藥品自動分揀系統(tǒng)的方案。最后，運用Visual Basic 6.0對Solidworks進行了二次開發(fā)，開發(fā)出了藥品自動分揀系統(tǒng)的模塊化設計系統(tǒng)，可以快速地完成各個零件的變型設計，并對總裝配體進行更新，從而實現(xiàn)了快速設

19、計。周一博33探討了藥品分揀機的PLC控制系統(tǒng)的改進，其中介紹了PLC控制系統(tǒng)研究目方法、改進過程。趙彥碩34從實際出發(fā)，對藥板自動排序分揀機系統(tǒng)設計進行闡述。本文分別從機械機構，機器視覺系統(tǒng)以及運動控制等方面對該套設備的設計進行了詳細的說明。針對鋁塑泡罩包裝檢測的實際應用，設計并且搭建了一套完整的排序、檢測以及剔除等技術結合在一起的檢測設備，并且在實驗中得到了較穩(wěn)定的運行結果。對該藥板自動排序分揀機的運動機構進行了仔細的設計與研究，并且對各運動相關部件的選擇進行了詳細的介紹，對藥粒自動檢測和分揀設備的各個功能區(qū)域做出了詳細的闡述與研究。對系統(tǒng)的運動控制部分做出了總體的分析，對控制卡和CPLD

20、的主要功能進行了研究。對所采用的機器視覺方法做出了總體的介紹，針對藥板圖像的采集與處理方面做出了一定的研究。龐明35為提高食品生產(chǎn)效率和保證食品衛(wèi)生，提出一種基于智能機械手的食品分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)由6自由度機械臂、智能手爪、機器視覺以及人機接口等組成。建立了系統(tǒng)機械臂的運動學模型并給出其運動軌跡規(guī)劃方法，采用遺傳算法對關節(jié)運動軌跡進行了速度優(yōu)化計算。實驗結果表明所提食品分揀系統(tǒng)及其運動規(guī)劃方法的有效憐和可行性。綜上所述，國內(nèi)很多專家學者開始研究分揀系統(tǒng)及分揀機的設計、應用和維護，通過各種建立模型和構建算法來驗證分揀系統(tǒng)的可行性和可靠性，但是仍然存在效率和速度、空間和布局、人員和機器等的諸多矛盾，

21、亟待更多的研究進行破解。參考文獻1 GRAY A, KARMARKAR U, SEIDMANN A. Design and operation of an order-consolidation warehouse: Models and applications J. European Journal of Operational Research, 1992, 58(1): 14-36.2 LE-DUC T, DE KOSTER R. Determining number of zones in a pick-and-pack orderpicking system M. Rotterda

22、m: Erasmus Research Institute of Management (ERIM), 2005.3 GUENOV M, RAESIDE R. Zone shapes in class based storage multicommand order picking when storage/retrieval European Journal of Operational Research, 1992, 58(1): machines Ware used 37-47.4 BARTHOLDI J J, HACKMAN S T. Warehouse and distributio

23、n science M Atlanta: Georgia Institute of Technology, 2008.5 BARTHOLDI III J J, EISENSTEIN D D, LIM Y F. Bucket brigades on in-tree assembly networks C. Balancing Assembly and TransfenLines, 2006: 870-879.6 BARTHOLDI III J J, EISENSTEIN D D, F.OLEY一R D. Performance of bucket brigades when work is st

24、ochastic J. Operations Research, 2001，49(3): 710-719.7 BARTHOLDI III J J, BUNIMOVICH L A, EISENSTEIN D D. Dynamics of two- and three-worker "bucket brigade" production lines J. Operations Research, 1999, 47(3): 488-491.8 李詩珍.配送中心揀貨作業(yè)優(yōu)化設計與控制研究D.成都:西南交通大學物流工程.2008.9 PRATIK J.P, RUSSELL D.M.

25、Selecting between batch and zone order picking strategies in a distribution center J. Transportation Research, 2008, 44(5):696-719.10 王艷艷，吳耀華，孫國華，et al.配送中心分揀訂單合批策略的研究J.山東大學學報(工學版)，2010, 40(2): 43-46.11 王艷艷，吳耀華，劉鵬.自動分揀系統(tǒng)分揀作業(yè)任務優(yōu)化J，機械工程學報，2011，47(20): 10-17.12 SHEN C P, WU Y H, ZHOU C. Selecting betwe

26、en sequential zoning and simultaneous zoning for picker-to-parts order picking system based on ordern cluster and genetic algorithm J Chinese Journal of Mechanical Engineering,.24(5): 820-828.13 國外包裹分揀機技術水平綜述J. 中國郵政,1978,01:34-35+33.14 李捷. 包件分揀機上包系統(tǒng)的分析與改進D.北京郵電大學,2008.15 楊勤,王衛(wèi)星,董維富. 物流分揀機形態(tài)優(yōu)化設計A. 中國機械工程學會工業(yè)設計分會.Proceedings of the 2006 International Conference on Industrial Design & The 11th China Industrial Design Annual Meeting(Volume 2/2)C.中國機械工程學