基于Demo3D的快遞分揀系統優化與仿真研究

蔣 峻，李津宇，鄭繼華

（中國聯合工程公司 工業和物流院，浙江 杭州 310000）

基于Demo3D的快遞分揀系統優化與仿真研究

蔣 峻，李津宇，鄭繼華

（中國聯合工程公司 工業和物流院，浙江 杭州 310000）

為了研究快遞行業的半自動化分揀系統與交叉帶式分揀系統在分揀方式、分揀效率等方面的不同，本文運用三維仿真軟件Demo3D對兩種分揀系統進行建模，闡述建模過程與實驗結果，為研究兩種分揀系統的最大分揀能力及其差異提供可視化參考依據。

快遞分揀系統；三維仿真；Demo3D

1 前言

快遞作為物流行業的一個分支，近年來隨著電子商務市場的壯大得到了快速的發展。快遞企業往往通過新建分揀中心和改進分揀工藝來滿足日益增加的分揀需求。隨著企業對分揀工藝的探索，快遞企業正從最初的純人工分揀向自動化分揀轉變，目前快遞企業分揀系統主要有半自動化流水線分揀系統與交叉帶式分揀系統兩類。

仿真，即利用模型復現實際系統中發生的本質過程，并通過對模型的實驗，研究某一具體層次的不確定性對目標的影響，借此來研究實際存在的或設計中的系統。鑒于本文所研究的快遞分揀系統是一個相對復雜的系統，因此本文將運用Demo3D仿真軟件建立快遞分撥系統模型，并通過仿真實驗觀察系統模型中各變量變化的全過程，進而研究兩種分揀系統的最大分揀能力及其差異。

2 快遞分揀系統簡介

目前，一個分撥中心根據規模不同，每天處理量為幾萬件到幾十萬件不等，最高的已經達到了200萬件/d。同時，快件的錯發率也要降到最小。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。

根據中國聯合工程公司工業和物流院所做的順豐、申通、百世匯通等快遞企業的工程設計項目，以及結合郵政、圓通等其他快遞企業參觀調研的情況來看，目前最常見的快遞分撥中心的分揀作業主要采用半自動化分揀流水線+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，進行單獨人工分揀處理；其余部分放上分揀線流水線，自動流至下一處理位置。

③揀選?？旒ò╇S分揀流水線到達該收貨地址的站點，被流水線邊揀選人員識別出來后，由該人員將快件（包裹）從流水線上取下，放入待發區域。

④裝車發送。當一個站點收集的快件（包裹）達到一定數量以后，安排該發貨線路的貨車停靠到裝車站臺，由裝車人員將快件（包裹）裝車，完成后發車前往目的地，完成一個分揀作業流程。

現行半自動化分揀流水線+人工的分揀方式雖然應用普遍，但也呈現出了諸多問題：效率不高，分揀人員會受到如疲勞、注意力無法長時間集中等眾多生理條件的限制；差錯率高；信息滯后，只能延時分批手動上傳信息；造成暴力分揀現象；分揀人數多，人力成本高。

所以，交叉帶分揀機為代表的自動分揀設備開始逐步得到推廣使用。交叉帶分揀系統采用了快速條碼掃描識別系統，自動辨別快件（包裹）的位置，當快件（包裹）到達出站口時，通過傳動皮帶自動將其送出，完成分揀。其作業流程如下：

①卸車。裝有快件（包裹）的貨車?？康轿唬蜷_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的部分，進行單獨人工分揀處理；其余部分放上分揀輸送線，自動流至交叉帶分揀機發包臺。

③由人工在發包臺對到達的快件（包裹）進行整理，避免出現快件（包裹）所貼條碼壓在下面，或者多個快件（包裹）粘連在一起等情況，提高后續自動分揀的準確率。

④發包臺高速皮帶機將快件（包裹）送上交叉帶分揀機，交叉帶分揀機將對包裹進行自動分揀。

⑤交叉帶分揀機通過系統識別和判斷，當快件（包裹）到達其發貨地址對應的出站口時，交叉帶分揀機將其送出，順滑槽滑下，由分揀人員進行集結打包，等待發車。

3 快遞分揀系統主要設備及建模

3.1 交叉帶分揀機

（1）交叉帶分揀機定義及特點。交叉帶式分揀系統由主驅動帶式輸送機和載有小型帶式輸送機的臺車(簡稱“小車”)聯接在一起，當“小車”移動到所規定的分揀位置時，轉動皮帶，完成把商品分揀送出的任務。因為主驅動帶式輸送機與“小車”上的帶式輸送機呈交叉狀，故稱交叉帶式分揀機。其所具備的特點：分揀動作輕柔；分揀準確；最高的分揀處理能力；適用于各類物品尺寸。

（2）交叉帶分揀機的Demo3D建模。本文對交叉帶式分揀系統進行詳細的設計計算，建立了交叉帶小車、皮帶輸送機、供包臺、分揀滑槽等三維模塊，完成了交叉帶式分揀系統的整體建模，如圖1所示。

圖1 交叉帶式分揀系統模型圖

交叉帶式分揀機主要運行參數：

交叉帶式分揀機整體長度：35 000mm

交叉帶式分揀機整體寬度：10 000mm

交叉帶式分揀機轉彎半徑：3 000mm

格口距：1 500mm

分揀機運行速度：3m/s

最大分揀效率：10 800件/h

交叉帶小車尺寸：800mm長*780mm寬

交叉帶小車節距：820mm

3.2 皮帶式輸送機

（1）皮帶式輸送機的特點。皮帶式輸送機是快遞行業應用最廣泛的設備，具有輸送連續、均勻、生產效率高、運行平穩、動力消耗小、運行費用低、維護和檢修較為方便，易于實現遠距離或自動控制等特點。

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

圖2 半自動化流水線分揀系統模型圖

4 基于Demo3D的快遞分揀仿真實驗

在此將分別描述某快遞企業項目的兩個不同分揀系統的建模并對模型進行仿真優化、數據分析，最后通過對兩個模型輸出結果的對比分析得出結論。

4.1 半自動化流水線分揀系統

（1）半自動化流水線分揀系統建模。在某快遞企業項目中，其分撥中心采用的是半自動化流水線式分揀系統，包裹從收貨皮帶機進入分揀系統后，經由兩次分揀，最終到達不同的出貨皮帶機?？紤]到計算機運算的計算能力，在包裹分揀流程不變的基礎下，將分撥中心的分揀系統簡化為4條收貨皮帶機，28條出貨皮帶機并完成仿真建模，如圖3所示。

圖3 半自動化流水線分揀系統模型俯視圖

在本模型中，共設置有28種不同的包裹，均從4條收貨皮帶機進入分揀系統。經過第一次分揀后，將28種包裹導向7條不同的皮帶機，在模型中分別以七種顏色加以區分。然后在這7條皮帶機中再進行第二次分揀，每條皮帶機各自再導向4條出貨皮帶機，從而完成整個分揀過程。

（2）半自動化流水線分揀系統數據分析。模型主要輸入數據為收貨皮帶機收貨頻率和皮帶機運行速度。根據項目實地調研得知，分揀系統中的皮帶機運行速度為0.5m/s，因此本文擬通過調整收貨皮帶機的收貨頻率，觀察分揀系統的仿真運行過程，找出系統瓶頸，從而確定該分揀系統的分揀效率。

在仿真實驗過程中，將每條收貨皮帶機的收貨頻率分別調整為5件/min、10件/min、15件/min并運行仿真，即在系統收件效率分別為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條件下的仿真過程中，一次分揀的皮帶機沒有飽和，該系統的整體分揀效率受收貨頻率制約，故此環境下該系統的分揀效率為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條件下的仿真過程中，一次分揀的皮帶機趨向飽和，但仍有空間，故此環境下系統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條件下的仿真過程中，一次分揀的分揀線正好已經完全達到飽和，分揀線已無空間容納更多包裹，可見60件/min的收件頻率是該系統的收件上限。若再增加收貨頻率，則部分包裹將會無法完成第一次分揀，此時系統的分揀效率會受皮帶機速度和工作人員分揀取件速度的制約，故此時系統的分揀效率為3 600件/h。

圖6 收件頻率為60件/min下仿真圖

（3）半自動化流水線分揀系統總結。由上述半自動化流水線分揀系統仿真實驗可知，隨著收件頻率的變化，系統的瓶頸由收件頻率轉移至皮帶機速度和工作人員分揀取件速度。但如果皮帶機速度過快，分揀工人將無法完成分揀取件的操作，因此一般皮帶機速度為0.5m/s。所以如果想要提高分揀效率，只能增加分揀人數。

4.2 交叉帶式分揀系統

（1）交叉帶式分揀系統建模。在某快遞企業項目中，其分撥中心采用的是交叉帶式分揀系統，包裹由皮帶機送入供包臺，再由供包臺進入交叉帶，通過交叉帶分揀，最終落入分揀滑槽，完成整個分揀過程。為了與半自動化流水線分揀系統作出比較，將交叉帶式分揀系統簡化至4個供包臺、28個分揀滑槽并完成仿真建模，如圖7所示。

與半自動化流水線分揀系統一樣，本模型共設置了28個不同的包裹，這些包裹由4條皮帶機分別供至4個不同的供包臺，再由供包臺進入皮帶機。在此系統中，包裹只需要經由交叉帶進行一次分揀即可到達相應的分揀滑槽。

（2）交叉帶式分揀系統數據分析。模型主要輸入數據為供包臺供包頻率和交叉帶運行速度。根據項目實地調研得知，交叉帶式分揀系統中交叉帶的運行速度為3m/s，因此本文擬通過調整供包臺供包頻率，觀察分揀系統的仿真運行過程，找出系統瓶頸，從而確定該分揀系統的分揀效率。

為了能夠與半自動化流水線分揀系統進行對比，在仿真實驗過程中，同樣將每個供包臺的供包頻率分別調整為5件/min、10件/min、15件/min并運行仿真，即在系統收件效率分別為20件/min、40件/min、60件/min的情況下，觀察模型運行情況，如圖8-10所示。

圖7 交叉帶式分揀系統模型俯視圖

圖8 收件頻率為20件/min下仿真圖

在收件頻率為20件/min條件下的仿真過程中，可以觀察到供包臺的前置皮帶機非?？臻e，交叉帶上的包裹更為稀少，說明此時分揀系統的分揀瓶頸在于供包臺的供包頻率，故此時系統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條件下的仿真過程中，供包臺前置皮帶機上的包裹較上一實驗有所增加，然而包裹數量仍然很少，可以判斷此時分揀系統的分揀效率仍由供包頻率決定，即此時整個分揀系統的分揀效率為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條件下的仿真過程中，供包臺前置皮帶機的包裹趨向飽和，但仍有一定空間，交叉帶上的包裹仍然不多，說明此時分揀系統仍由供包頻率制約，經計算得此時系統的分揀效率為3 600件/h。

因此本文將繼續增加供包臺的供包頻率，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條件下的仿真過程中，供包臺前置皮帶機已經完全飽和，然而通過觀察可知，包裹進入交叉帶后很快能夠完成分揀，說明此時分揀系統的瓶頸仍在供包頻率，經計算得此時系統的分揀效率為7 200件/h。

（3）交叉帶式分揀系統總結。經由上述實驗可知，當4個供包臺的供包頻率達到上限時，交叉帶仍然能夠輕松地完成分揀任務，因此可知4個供包臺完全無法滿足該交叉帶式分揀系統，因此若要完全發揮交叉帶分揀能力，只能通過增加供包臺數量來實現。本課題為了研究兩種分揀系統的差異，故只選擇了4個供包臺；而實際分揀企業中，一個交叉帶往往配置8-14個供包臺。

5 結語

通過對上述兩個分揀系統分別進行實驗，并將實驗結果進行數據化對比分析，可以得出以下結論：

（1）半自動化流水線式分揀系統主要由皮帶機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速度，分揀人員數量多；

（2）交叉帶式分揀系統主要由供包臺和交叉帶完成分揀工作，自動化程度高，其分揀效率取決于供包臺數量及交叉帶運行速度，分揀人員數量少；

（3）當設置相同的收貨入口和分揀出口時，半自動化流水線式分揀系統的分揀效率遠低于交叉帶式分揀系統。

本文運用仿真技術以實際案例闡述了現階段快遞企業常用的兩種快遞分揀系統的特點及優缺點，對其他快遞分撥中心的設計具有很好的參考意義。

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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，中國聯合工程公司工業和物流院院長，高級工程師；李津宇，中國聯合工程公司工業和物流院物流所工程師；鄭繼華，中國聯合工程公司工業和物流院院長助理，高級工程師。