基于Demo3D的快递分拣系统优化与仿真研究

蒋 峻，李津宇，郑继华

（中国联合工程公司 工业和物流院，浙江 杭州 310000）

基于Demo3D的快递分拣系统优化与仿真研究

蒋 峻，李津宇，郑继华

（中国联合工程公司 工业和物流院，浙江 杭州 310000）

为了研究快递行业的半自动化分拣系统与交叉带式分拣系统在分拣方式、分拣效率等方面的不同，本文运用三维仿真软件Demo3D对两种分拣系统进行建模，阐述建模过程与实验结果，为研究两种分拣系统的最大分拣能力及其差异提供可视化参考依据。

快递分拣系统；三维仿真；Demo3D

1 前言

快递作为物流行业的一个分支，近年来随着电子商务市场的壮大得到了快速的发展。快递企业往往通过新建分拣中心和改进分拣工艺来满足日益增加的分拣需求。随着企业对分拣工艺的探索，快递企业正从最初的纯人工分拣向自动化分拣转变，目前快递企业分拣系统主要有半自动化流水线分拣系统与交叉带式分拣系统两类。

仿真，即利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对模型的实验，研究某一具体层次的不确定性对目标的影响，借此来研究实际存在的或设计中的系统。鉴于本文所研究的快递分拣系统是一个相对复杂的系统，因此本文将运用Demo3D仿真软件建立快递分拨系统模型，并通过仿真实验观察系统模型中各变量变化的全过程，进而研究两种分拣系统的最大分拣能力及其差异。

2 快递分拣系统简介

目前，一个分拨中心根据规模不同，每天处理量为几万件到几十万件不等，最高的已经达到了200万件/d。同时，快件的错发率也要降到最小。这就要求分拨中心要有一套成熟可靠的分拣工艺作为保障。

根据中国联合工程公司工业和物流院所做的顺丰、申通、百世汇通等快递企业的工程设计项目，以及结合邮政、圆通等其他快递企业参观调研的情况来看，目前最常见的快递分拨中心的分拣作业主要采用半自动化分拣流水线+人工的分拣方式，主要工艺流程如下：

①卸车。装有快件（包裹）的货车停靠到位，打开车箱门，由卸货人员将快件（包裹）取下。

②初步分拣。拣出快件（包裹）中的异形件、超大件等不适合上分拣线的部分，进行单独人工分拣处理；其余部分放上分拣线流水线，自动流至下一处理位置。

③拣选。快件（包裹）随分拣流水线到达该收货地址的站点，被流水线边拣选人员识别出来后，由该人员将快件（包裹）从流水线上取下，放入待发区域。

④装车发送。当一个站点收集的快件（包裹）达到一定数量以后，安排该发货线路的货车停靠到装车站台，由装车人员将快件（包裹）装车，完成后发车前往目的地，完成一个分拣作业流程。

现行半自动化分拣流水线+人工的分拣方式虽然应用普遍，但也呈现出了诸多问题：效率不高，分拣人员会受到如疲劳、注意力无法长时间集中等众多生理条件的限制；差错率高；信息滞后，只能延时分批手动上传信息；造成暴力分拣现象；分拣人数多，人力成本高。

所以，交叉带分拣机为代表的自动分拣设备开始逐步得到推广使用。交叉带分拣系统采用了快速条码扫描识别系统，自动辨别快件（包裹）的位置，当快件（包裹）到达出站口时，通过传动皮带自动将其送出，完成分拣。其作业流程如下：

①卸车。装有快件（包裹）的货车停靠到位，打开车箱门，由卸货人员将快件（包裹）取下。

②初步分拣。拣出快件（包裹）中的异形件、超大件等不适合上交叉带分拣机的部分，进行单独人工分拣处理；其余部分放上分拣输送线，自动流至交叉带分拣机发包台。

③由人工在发包台对到达的快件（包裹）进行整理，避免出现快件（包裹）所贴条码压在下面，或者多个快件（包裹）粘连在一起等情况，提高后续自动分拣的准确率。

④发包台高速皮带机将快件（包裹）送上交叉带分拣机，交叉带分拣机将对包裹进行自动分拣。

⑤交叉带分拣机通过系统识别和判断，当快件（包裹）到达其发货地址对应的出站口时，交叉带分拣机将其送出，顺滑槽滑下，由分拣人员进行集结打包，等待发车。

3 快递分拣系统主要设备及建模

3.1 交叉带分拣机

（1）交叉带分拣机定义及特点。交叉带式分拣系统由主驱动带式输送机和载有小型带式输送机的台车(简称“小车”)联接在一起，当“小车”移动到所规定的分拣位置时，转动皮带，完成把商品分拣送出的任务。因为主驱动带式输送机与“小车”上的带式输送机呈交叉状，故称交叉带式分拣机。其所具备的特点：分拣动作轻柔；分拣准确；最高的分拣处理能力；适用于各类物品尺寸。

（2）交叉带分拣机的Demo3D建模。本文对交叉带式分拣系统进行详细的设计计算，建立了交叉带小车、皮带输送机、供包台、分拣滑槽等三维模块，完成了交叉带式分拣系统的整体建模，如图1所示。

图1 交叉带式分拣系统模型图

交叉带式分拣机主要运行参数：

交叉带式分拣机整体长度：35 000mm

交叉带式分拣机整体宽度：10 000mm

交叉带式分拣机转弯半径：3 000mm

格口距：1 500mm

分拣机运行速度：3m/s

最大分拣效率：10 800件/h

交叉带小车尺寸：800mm长*780mm宽

交叉带小车节距：820mm

3.2 皮带式输送机

（1）皮带式输送机的特点。皮带式输送机是快递行业应用最广泛的设备，具有输送连续、均匀、生产效率高、运行平稳、动力消耗小、运行费用低、维护和检修较为方便，易于实现远距离或自动控制等特点。

（2）皮带式输送机的Demo3D建模。在Demo3D仿真软件自带的皮带式输送机模块库中已有非常完备的各式皮带机模块，本文运用软件自带的各式输送机模块搭建所需的分拣系统模型，如图2所示。

图2 半自动化流水线分拣系统模型图

4 基于Demo3D的快递分拣仿真实验

在此将分别描述某快递企业项目的两个不同分拣系统的建模并对模型进行仿真优化、数据分析，最后通过对两个模型输出结果的对比分析得出结论。

4.1 半自动化流水线分拣系统

（1）半自动化流水线分拣系统建模。在某快递企业项目中，其分拨中心采用的是半自动化流水线式分拣系统，包裹从收货皮带机进入分拣系统后，经由两次分拣，最终到达不同的出货皮带机。考虑到计算机运算的计算能力，在包裹分拣流程不变的基础下，将分拨中心的分拣系统简化为4条收货皮带机，28条出货皮带机并完成仿真建模，如图3所示。

图3 半自动化流水线分拣系统模型俯视图

在本模型中，共设置有28种不同的包裹，均从4条收货皮带机进入分拣系统。经过第一次分拣后，将28种包裹导向7条不同的皮带机，在模型中分别以七种颜色加以区分。然后在这7条皮带机中再进行第二次分拣，每条皮带机各自再导向4条出货皮带机，从而完成整个分拣过程。

（2）半自动化流水线分拣系统数据分析。模型主要输入数据为收货皮带机收货频率和皮带机运行速度。根据项目实地调研得知，分拣系统中的皮带机运行速度为0.5m/s，因此本文拟通过调整收货皮带机的收货频率，观察分拣系统的仿真运行过程，找出系统瓶颈，从而确定该分拣系统的分拣效率。

在仿真实验过程中，将每条收货皮带机的收货频率分别调整为5件/min、10件/min、15件/min并运行仿真，即在系统收件效率分别为20件/min、40件/min、60件/ min的情况下，观察模型运行情况，如图4-6所示。

图4 收件频率为20件/min下仿真图

在收件频率为20件/min条件下的仿真过程中，一次分拣的皮带机没有饱和，该系统的整体分拣效率受收货频率制约，故此环境下该系统的分拣效率为1 200件/h。

图5 收件频率为40件/min下仿真图

在收件频率为40件/min条件下的仿真过程中，一次分拣的皮带机趋向饱和，但仍有空间，故此环境下系统分拣效率仍受收货频率制约，其分拣效率为2 400件/h。

在收件频率为60件/min条件下的仿真过程中，一次分拣的分拣线正好已经完全达到饱和，分拣线已无空间容纳更多包裹，可见60件/min的收件频率是该系统的收件上限。若再增加收货频率，则部分包裹将会无法完成第一次分拣，此时系统的分拣效率会受皮带机速度和工作人员分拣取件速度的制约，故此时系统的分拣效率为3 600件/h。

图6 收件频率为60件/min下仿真图

（3）半自动化流水线分拣系统总结。由上述半自动化流水线分拣系统仿真实验可知，随着收件频率的变化，系统的瓶颈由收件频率转移至皮带机速度和工作人员分拣取件速度。但如果皮带机速度过快，分拣工人将无法完成分拣取件的操作，因此一般皮带机速度为0.5m/s。所以如果想要提高分拣效率，只能增加分拣人数。

4.2 交叉带式分拣系统

（1）交叉带式分拣系统建模。在某快递企业项目中，其分拨中心采用的是交叉带式分拣系统，包裹由皮带机送入供包台，再由供包台进入交叉带，通过交叉带分拣，最终落入分拣滑槽，完成整个分拣过程。为了与半自动化流水线分拣系统作出比较，将交叉带式分拣系统简化至4个供包台、28个分拣滑槽并完成仿真建模，如图7所示。

与半自动化流水线分拣系统一样，本模型共设置了28个不同的包裹，这些包裹由4条皮带机分别供至4个不同的供包台，再由供包台进入皮带机。在此系统中，包裹只需要经由交叉带进行一次分拣即可到达相应的分拣滑槽。

（2）交叉带式分拣系统数据分析。模型主要输入数据为供包台供包频率和交叉带运行速度。根据项目实地调研得知，交叉带式分拣系统中交叉带的运行速度为3m/s，因此本文拟通过调整供包台供包频率，观察分拣系统的仿真运行过程，找出系统瓶颈，从而确定该分拣系统的分拣效率。

为了能够与半自动化流水线分拣系统进行对比，在仿真实验过程中，同样将每个供包台的供包频率分别调整为5件/min、10件/min、15件/min并运行仿真，即在系统收件效率分别为20件/min、40件/min、60件/min的情况下，观察模型运行情况，如图8-10所示。

图7 交叉带式分拣系统模型俯视图

图8 收件频率为20件/min下仿真图

在收件频率为20件/min条件下的仿真过程中，可以观察到供包台的前置皮带机非常空闲，交叉带上的包裹更为稀少，说明此时分拣系统的分拣瓶颈在于供包台的供包频率，故此时系统的分拣效率由供包频率决定，即1 200件/h。

在收件频率为40件/min条件下的仿真过程中，供包台前置皮带机上的包裹较上一实验有所增加，然而包裹数量仍然很少，可以判断此时分拣系统的分拣效率仍由供包频率决定，即此时整个分拣系统的分拣效率为2 400件/h。

图9 收件频率为40件/min下仿真图

图10 收件频率为60件/min下仿真图

在收件频率为60件/min条件下的仿真过程中，供包台前置皮带机的包裹趋向饱和，但仍有一定空间，交叉带上的包裹仍然不多，说明此时分拣系统仍由供包频率制约，经计算得此时系统的分拣效率为3 600件/h。

因此本文将继续增加供包台的供包频率，如图11所示。

图11 收件频率为120件/min下仿真图

在收件频率为120件/min条件下的仿真过程中，供包台前置皮带机已经完全饱和，然而通过观察可知，包裹进入交叉带后很快能够完成分拣，说明此时分拣系统的瓶颈仍在供包频率，经计算得此时系统的分拣效率为7 200件/h。

（3）交叉带式分拣系统总结。经由上述实验可知，当4个供包台的供包频率达到上限时，交叉带仍然能够轻松地完成分拣任务，因此可知4个供包台完全无法满足该交叉带式分拣系统，因此若要完全发挥交叉带分拣能力，只能通过增加供包台数量来实现。本课题为了研究两种分拣系统的差异，故只选择了4个供包台；而实际分拣企业中，一个交叉带往往配置8-14个供包台。

5 结语

通过对上述两个分拣系统分别进行实验，并将实验结果进行数据化对比分析，可以得出以下结论：

（1）半自动化流水线式分拣系统主要由皮带机和分拣工作人员完成分拣工作，其分拣效率取决于收货频率和皮带机速度，分拣人员数量多；

（2）交叉带式分拣系统主要由供包台和交叉带完成分拣工作，自动化程度高，其分拣效率取决于供包台数量及交叉带运行速度，分拣人员数量少；

（3）当设置相同的收货入口和分拣出口时，半自动化流水线式分拣系统的分拣效率远低于交叉带式分拣系统。

本文运用仿真技术以实际案例阐述了现阶段快递企业常用的两种快递分拣系统的特点及优缺点，对其他快递分拨中心的设计具有很好的参考意义。

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[4]闫英伟,吴宏伟,祝增伟,等.交叉带分拣机供件系统半实物仿真技术的研究[J].物流技术与应用,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

蒋峻，中国联合工程公司工业和物流院院长，高级工程师；李津宇，中国联合工程公司工业和物流院物流所工程师；郑继华，中国联合工程公司工业和物流院院长助理，高级工程师。