CN104226606A - 一种能提高自动分拣效率的二维分拣方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提高自动分拣效率的二维分拣方法，针对快件人工分拣过程费时费力、过程繁琐、效率低，采用自动分拣系统结构复杂，一次性投资巨大的现状，根据最大流最小割定理，并结合组合优化的平行机问题的研究成果，提出一种新的二维分拣方式，增加必要的增广路。不同于现有的一维流水作业方式，二维分拣方法的分拣道口数N等于分流道口数n×支路道口数m。本发明应用运筹学方法优化自动分拣系统设计，克服了利用机械原理提速的局限性，能大幅度提高自动分拣装置的分拣速度，从而降低设备制造成本。

Description

一种能提高自动分拣效率的二维分拣方法

技术领域

本发明属于物流控制技术领域，也属于应用数学分支学科——线性规划和组合优化的研究成果在工业过程的应用示范，涉及一种能提高自动分拣效率的二维分拣方法。 

背景技术

近年来，电子商务业蓬勃发展带动了快递业务量急速膨胀，使得快件和包裹分拣任务日益艰巨。由于国内快递业务量成倍增加，人员相对短缺的矛盾十分突出。传统拣货是拣选人员根据拣货单逐一进行拣货，工人劳动强度大，容易造成拣错或漏拣现象。快递公司迫切需要先进、适用的自动分拣系统，提高工作效率，避免暴力分拣现象发生。 

在欧美和日本等发达国家，大中型物流中心已广泛采用的自动分拣系统。近年来，国内快递业也尝试进口一些国外成套装置用于快递物件的自动分拣，但总体上，洋设备到中国水土不服。进口设备虽然设计先进、技术成熟、自动化程度高、分拣速度快，但结构十分复杂，一次性投资巨大。这种巨额的先期投入要花15～20年才能收回。例如，中通公司2011年投资1200万元，从德国引进了可视化智能公路快件自动分拣系统。该自动分拣系统一小时就能分拣3600件，与人工操作相比物流作业效率有所提高，但是依然难以满足多数的快递物流中心的分拣任务。因此，研究开发适合中国快递业特点的高效而低价的自动分拣系统及方法具有重大的应用价值，也是我国智能设备产业发展的一个重要方向。 

自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。 

控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的需求，指示分类装置对物件的送达地点等信息进行自动分类。分拣需求可以通过不同方式，如通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别及形状识别等方式，输入到控制系统中去，由控制系统来决定物件该进入哪个分拣道口。 

分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的物件经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机 或进入分拣道口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。 

输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣物件依次通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的物件滑下主输送带以便进行后续作业。 

分拣道口是已分拣物件脱离主输送带进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使物件从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有物件组配装车并进行配送作业。 

以上四部分装置通过电脑网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。 

总的来说，凡涉及自动分拣系统的技术进步，都应以下方面体现： 

1，提高系统的分拣速度，满足大批量短时间的分拣处理要求。 

2，降低设备制造成本，提高装置的性价比，增强市场竞争力。 

3，增强设备的包容度，适合各种形状和大小的物件的分拣。 

4，提高系统的稳定性和使用寿命，进一步降低分拣错误率。 

目前，业内对于自动分拣系统的创新和改进方兴未艾，不断有新方法新设备面世。归纳起来，自动分拣系统的创新与技术进步主要表现在： 

1，分拣方法物理学方面的创新； 

2，机械结构或部件设计的创新； 

3，设备加工工艺和技术的创新； 

4，材料质量改进和选型的创新； 

5，自动化控制原理和方法的创新。 

发明内容

本发明的目的在于，针对现有大型自动分拣设备结构复杂、投资巨大、难以推广的现状，提供一种能提高自动分拣效率的二维分拣方法，根据最大流(Max-Flow)最小割定理，并结合组合优化的平行机(Parallel Machine)问题的研究成果，提出一种新的二维分拣方式，增加必要的增广路。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种能提高自动分拣效率的二 维分拣方法，该方法在自动分拣系统上实现，所述自动分拣系统包括控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口；控制装置识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的需求，指示分类装置对物件的送达地点信息进行自动分类；分类装置根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的物件经过该装置时，该装置动作，改变物件在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口；输送装置使待分拣物件依次通过控制装置、分类装置，输送装置的两侧连接若干分拣道口；分拣道口是已分拣物件脱离主输送带进入集货区域的通道；所述分拣道口的分拣道口数N等于分流道口数n×支路道口数m；其中，分拣道口数N根据分拣设备的任务设置，分流道口数n为大于或等于2的整数，具体步骤如下：经过初次分拣，将物件按n组进行分流，组内物件再进行第二次分拣，分拣到各自的道口。 

所述分流道口数n按照组合优化方法确定，当分拣道口数N<100时，适宜的分流道口数n为2-6，优选为3或4。 

本发明的有益效果是：根据最大流最小割定理，并结合组合优化的平行机问题的研究成果，提出一种新的二维分拣方式，增加必要的增广路。不同于现有的一维流水作业方式，二维分拣方法的分拣道口数N等于分流道口数n×支路道口数m。本发明应用运筹学方法优化自动分拣系统设计，克服了利用机械原理提速的局限性，能大幅度提高自动分拣装置的分拣速度，从而降低设备制造成本。 

附图说明

图1为二维分拣方式(2×5)工作原理图； 

图2为二维分拣方式(6+7)工作原理图； 

图3为二维分拣方式(7+6+7)工作原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

本发明符合最大流最小割定理，充分利用了组合优化学科有关平行机(Parallel Machine)问题的研究成果。最大流问题(Max-Flow Problem)是关于图和网络优化的数学抽象。由最大流问题定义可知，求最大流问题等价于求解一种线性规划问题。增广路定理指出，一个可行流是最大流的充分必要是不存在增广路。现有各种自动分拣系统，如专利CN201210432408，CN201310122749， CN201310026438等，均采用一维流水作业方式，包括直线型和环形型。随着分拣道口数N的增加，自动分拣系统的输送带和分拣场地需要同步递增，使得系统的制造成本急剧上升。 

基于上述现象，本发明提出一种新的改进方法，根据最大流最小割定理的要求，使自动分拣系统增加必要的增广路。这种新的分拣设备设计思路，我们称为二维分拣方式。不同于现有的一维流水作业方式，二维分拣的其分拣道口数N等于分流道口数n×支路道口数m。 

例如，一套道口数N＝48的分拣系统，改为N＝2×24的二维分拣方式，虽然分拣道口都是48个，但是物件的路径将缩短近一半，系统的操作空间也变得紧凑。 

同样的分拣系统，另一种二维分拣方式是N＝3×16。对于这种二维分拣方式，分流道口数n＝3，支路道口数m＝16。总道口数N'＝51，与一维流水作业方式相比，道口数增加3个。假设采用的设备与现有一维分拣具有相同的方法和设备功能，我们就认为，单线的物流速度是不变的。那么，这种二维分拣方式将使设备的总分拣速度提高二倍。 

从数学的角度，二维分拣可有多种选择，其总分拣速度按照下列公式计算： 

S＝s×n×η     (1) 

式中：S——总分拣速度； 

      s——单线分拣速度； 

      n——分流道口数； 

      η——效率系数，％。 

显然，与常规的一维流水作业相比，二维分拣的本质特征是分拣道口数N等于分流道口数n×支路道口数m。支路道口数可以相同，也可以少有不同。这样做的目的在于，在增加少量设备成本的前提下，使分拣速度成倍地提高。 

当然，相同的总道口数的系统也有不同的二维分拣方式。以＝48的系统为例，它的二维分拣可以是2×24，3×16，4×12，6×8等组合。按照公式(1)，随着分流道口数的增加，系统总分拣速度将增加，但另一方面，自动分拣系统的复杂性将递增。自动分拣系统的复杂化的后果包括，额外增加设备的成本、系统稳定性和可靠性降低和单线分拣速度下降，效率系数η会急速下降。因此，根据平行机问题的研究结果，本发明在进行一系列复杂的模拟计算后得出结论：分流道口数不宜过多，适宜的分流道口数为2-6，优选为3或4。 

二维分拣方式特别适合总道口数N在100以下的自动分拣系统。依据最大流最小分割原理，本发明对10≤N≤100的分拣系统进行了二维分拣方式设计，如表1所列。支路道口数的确定应该符合增广路定理，即一个可行流是最大流的充分必要是不存在增广路。 

表1自动分拣系统的二维分拣方式设计 

N	n	m
			10-25	2-3	5-10
25-40	3-4	9-12
			40-60	4-5	10-15
60-100	5-6	12-20

二维分拣也采用差异化设计方式。例如，一套道口数N＝20的分拣系统，可以设计为N＝3×7-1。一套道口数N＝30的分拣系统，可以设计为N＝3×10；也可以设计为N＝4×8-2，其中，个别支路道口数也可以是m-1。 

从实际操作的角度看，二维分拣也可以称为二次分拣。二维分拣是它的数学抽象，二次分拣是它的具体表现。因此，二次分拣与二维分拣的关系是现象与本质的统一。具体地说，分拣系统的道口数被分成若干组。物件分拣先按组进行分流，组内物件再进行第二次分拣，分拣到各自的道口。 

本发明的自动分拣系统对获取物件信息的手段，包括但不限于，条形码技术、二维码技术、RFID技术或高速摄像技术，也可以是其中两种技术的组合。同时，系统通过对信标结点和目标结点的测量与计算实现物件的跟踪定位。 

实施例1： 

如图1所示的分拣系统，其分拣道口数为10。它的功能是将大量的物件分成10堆，然后送往各自的快件收发点，再由快递员送到收货人手中。常规的自动分拣装置采用流水作业方式，本发明将其改为二维分拣方式，即2×5＝10。 

该分拣系统所有10个分拣道口均选用胶带浮出式分拣机。这种分拣结构用于辊筒式主输送机上，将有动力驱动的多条胶带或单个链条横向安装在主输送辊筒之间的下方。当分拣机接受指令启动时，胶带或链条向上提升接触物件底面把物件托起，并将其向主输送机一侧移出。 

本分拣系统的物件上线采用人工搬运的方式。上料操作包括以下行为：取物、条形码识别、指示灯显示、定向放置。如图1所示，分支线分为上下两条。上料 者根据指示灯选择支线。红色灯亮时，物件被放置于上支线；绿色灯亮时，物件被放置于下支线。只要物件上线选择正确，就会被后续的分拣机拣出。如果人工上线有误，物件无法被拣出，则由中间输送带送回，重新进入人工上线环节。 

本发明将这种分拣系统归入“日字型”的二维分拣方式。理论分析和对比实验结果都表明，“日字型”的二维分拣方式可使分拣系统的分拣速度提高一倍。 

实施例2： 

如图2所示，将实施例1所述的二维分拣系统作一些变更：分拣道口增加至13个，即(6+7)模式，初级分流采用自动方式。该系统所有13个分拣道口依然选用浮出式分拣机，上线则改为人工搬运上台、机器分流的方式。为了保证系统分拣速度，初级自动分流选用滑块式分拣机。滑块式分拣机是目前国外一种最新型的高速分拣机。它根据电脑指令，使物件直线运动发生偏离，从而进入不同支线。 

不同于实施例1，本实施例设备运行时，上料工人的操作只是按一定频率往唯一的输送带上放置物件，不必再手工持物在条形机前进行物件身份识别，也不用考虑支线选择。上线的物件在运动中完成RFID身份识别。电脑根据所获信息发出指令,控制滑块式分拣机将物件送入分拣支线。 

后续的自动化分拣过程与实施例1相同。其中，少数无法被拣出物件同样经过返回输送带，重新由滑块式分拣机分流。实验结果表明，自动化分拣的差错率低于人工分拣过程。 

理论分析和对比实验结果都表明，只要滑块式分拣机的分拣速度大于2倍的浮出式分拣机的分拣速度，这种“日字型”的二维分拣方式依然可使系统的分拣速度加倍。 

实施例2试验结果也表明，各支路道口数可以参差不齐，二维分拣系统的道口数不必是整数的倍数，质数也可以做二维分拣设计。 

实施例3： 

如图3所示的自动化分拣系统，其分拣道口数为20。该系统的功能是将大量的物件分成20堆，然后送往各自的快件收发点，再由快递员送给收件货人。常规的自动分拣装置采用流水作业方式，本实施例则设计改为二维分拣方式，支路道口数为7、6、7，即7+6+7＝20。 

同样地，20个分拣道口选用了浮出式分拣机。这种分拣结构用于辊筒式主输送机上，将有动力驱动的多条胶带或单个链条横向安装在主输送辊筒之间的下 方。当分拣机接受指令启动时，胶带或链条向上提升接触物件底面把物件托起，并将其向主输送机一侧移出。 

该系统的物件上线采用人工搬运的方式。上料平台工人包括以下操作行为：取物、人工持物在条形机前进行身份识别、指示灯显示、定向放置。如附图3所示，分支线分为上中下三条。红灯亮，物件被放置于上支线；黄灯亮，物件被放置于中支线；绿灯亮，物件被放置于下支线。只要物件选择上线正确，它就会被后续的分拣机拣出。如果人工上线有误，物件无法被拣出，则由专门的输送带送回起点，重新上线。实验结果表明，因为有返回设计，自动化分拣的差错率低于人工分拣过程。 

本发明将该分拣系统归入“中字型”的二维分拣方式。理论分析和对比实验结果都表明，只要人工上线速度保证(可多人工作)，“中字型”的二维分拣可使分拣系统的分拣速度提高2倍。 

老子曰：道生一，一生二，二生三，三生万物。通过上述实施例，本发明说明了二维分拣方式的几种形式及其效果。从数学的角度看，二维分拣方式有多种多样，其本质特征是一致：具体的二维分拣的设计可立足于增广路定理，即一个可行流是最大流的充分必要是不存在增广路。 

Claims (5)

1.一种能提高自动分拣效率的二维分拣方法，该方法在自动分拣系统上实现，所述自动分拣系统包括控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口；控制装置识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的需求，指示分类装置对物件的送达地点信息进行自动分类；分类装置根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的物件经过该装置时，该装置动作，改变物件在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口；输送装置使待分拣物件依次通过控制装置、分类装置，输送装置的两侧连接若干分拣道口；分拣道口是已分拣物件脱离主输送带进入集货区域的通道；其特征在于，所述的分拣道口数N等于分流道口数n×支路道口数m；其中，分拣道口数N根据分拣设备的任务设置，分流道口数n为大于或等于2的整数，具体步骤如下：经过初次分拣，将物件按n组进行分流，组内物件再进行第二次分拣，分拣到各自的道口。

2.根据权利要求1所述的二维分拣方法，其特征在于，分流道口数n按照组合优化方法确定，当分拣道口数N<100时，分流道口数n为2-6。

3.根据权利要求2所述的二维分拣方法，其特征在于，分流道口数n为3或4。

4.根据权利要求1所述的二维分拣方法，其特征在于，初次分拣为人工操作、半自动化或自动化方式。

5.根据权利要求1所述的二维分拣方法，其特征在于，初次分拣采取平行作业方式，平行作业点数s大于或等于分流道口数n。