分拣系统及分拣机的设计和应用综述

分拣系统及分拣机的设计和应用综述

摘 要：随着《2016-2020年全国电子商务物流规划》的颁布，到2020年基本形成布局完善、结构优化、功能强大、运作高效和服务优质的电商物流体系，信息化、标准化、集约化发展取得重大进展，先进物流装备、技术在行业内得到广泛应用。其中，提升物流设施设备智能化水平是重要任务，随着近年来人工成本的快速上升，对智能分拣系统等信息化产品需求增加，本论文对分拣系统和分拣机的研究进行简单的总结和归类，以便未来更好的研究分拣技术。

1 分拣系统的设计

随着人们对网络购物越来越青睐，电子商务已经进入了一个高速发展的时期，为了配合市场发展的趁势，国内很多企业都在积极建设自有的电商物流系统，比如知名的电商企业阿里巴巴和京东。对于物流系统而言，最具核心价值的环节就是它的配送中心。配送中心承担着衔接上游供应商与下游客户，实现高效地物品流通服务的重要责任，配送中心布局如果直接应用于电商的配送中心，可能会不太适用。配送中心的仓储和分拣都要占据大量的空间，包括商品存储的货架，分拣缓存区和补货区等，所以，合理设计和布局分拣系统是至关重要。订单量巨大时，为保证客户满意度，还要尽快完成订单的分拣配送，所以对配送中心的效率要求也会很高。

Gray等[1]综合了成本与拣选效率方面的需求，提出一种多级分层模型，求解拣选系统中涉及到的拣货区数量、品项分配及订单分批等配置优化问题。

Le Du等[2]建立了一种混合整数规划模型，对分区拣选策略下的人工拣选系统涉及到的品项分配及拣选顺序问题进行求解。该模型以订单处理总时间最短为优化目标。与此同时，文章还分析了拣货区数量对订单处理总时间的影响，若减少拣货区的数量，会增加系统中的拣货人员行走距离，但同时也能够减少子订单的合流时间，考虑到这种互相影响互相制约的情形，指出了寻求拣货区数

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量平衡点的方式。

Guenov等[3]在分区拣选的策略下，研究了AS/RS系统的拣货区形状。以AS/RS系统可以划分为三个拣货区为前提，按照拣选量将所有品项分为A，B，C三类。文章分别给出了三种拣货区的外形配置，并设计了分段启发式算法求解每种外形配置下的订单处理总时间。最后通过仿真分析了每种配置下拣货区的特点。

Bartholdi等[4-7]在分区拣选策略下，针对人工拣选系统提出了救火队模型，克服拣货区固定划分后存在的问题。该模型中各拣货人员可以根据与相邻拣货员的相遇情况动态确定拣货区的边界。救火队模型具有极强的自组织性，各拣货人员能依据自身的工作效率，动态确定工作范围，使工作时间快速达到平衡，有效消除整个作业过程中可能出现的效率瓶颈。

李诗珍等[8]提出一种订单分批的拣选模型，该模型以最小化行走距离为目标，与此同时，文章基于启发式的聚类算法建立了订单分批问题的聚类模型，并设计了基于包络解码的混合遗传算法对模型进行求解。

Parikh等[9]研究了如何选择拣选策略，其中主要针对订单分批拣选策略与分区拣选策略进行了讨论。选择的过程综合地考虑了拣选频率、拣选人员可能出现的交叉、拣选人员工作量均衡及订单分流需求等因素，基于此建立了以最小化拣选成本为目标的选择模型，同时基于模型分析了拣选效率、订单数量、订单结构等因素会对拣选策略的选择带来何种影响。

王艳艳等[10]研究了人工拣选系统的订单分批拣选策略方面的问题，建立了以最小化拣选成本为目标的模型，该模型的建立综合考虑了包括拣选路径、订单相似性、订单提前期在内的三个主要影响因素。通过改进的小生境遗传算法对模型求解。

王艳艳等[11]分析了拣选过程中出现的问题，概括起来，就是配送线路对分拣作业的影响。当

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不同配送线路中的货物品牌结构不一致时，容易引起频繁调换分拣通道的问题。而仅仅考虑品项在配送线路中的相关性，又可能造成不同分拣线间的分拣作业任务量不均衡。基于上述问题，提出了一种同时考虑品项相似度与分拣线任务均衡原则的分拣调度方法。

沈长鹏等[12]针对人到货的订单拣选系统进行了研究，文章以订单聚类和遗传算法以基础，探讨了拣选系统中串行分区与并行分区的策略选择问题。

2 分拣机的设计

分拣设备是集光、机、电、信息技术于一体的系统设备，系统内部主要涉及上包、识别、同步、信息处理、高速低噪输送及分拣入格口等关键技术，其中每一项技术成熟与否将直接影响系统效率、差错率和可靠性等关键技术指标，可以说分拣设备是高新技术集成的产物。同国外一样，自动分拣输送技术和装备在我国早期也是主要应用于在邮政行业，生产和流通领域运用的并不是太多。随着我国物流业整体的发展，输送分拣系统的应用的领域越来越广泛，而近几年自动分拣输送技术与应用逐渐成为物流系统规划和方案设计的重要设备。

邮电部邮政科学技术研究所[13]早在1978年便分析了国外包裹分拣机技术。从英国1939年投产试用的第一台包裹分拣机算起，到六十年代，英、美、法、西德、日本、澳大利亚、苏联及西欧其他国家，陆续投产了平带式、斜带式、托盘式、托板式、旋转式和链斗式等多种形式的包裹分拣机。随着包裹分拣机的发展，与其配套使用的传送机、储存设备、邮件装卸搬运设备等也相应地发展和完善起来。包裹处理已经能够形成从邮件进口、传送、分拣、储存到邮件出口的半自动化流水作业线。有些国家以此为基础，建设了现代化的包裹处理中心局，逐步地把以手工操作为主的分散的作业，改造成以机器为主的集中的作业。

李捷[14]针对包件分拣机上包系统详细地阐述了分析方法、测试结果以及建议，这些方法、结果和建议也为将来包件分拣机的进一步改进提供了良好的分析方法和理论。

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杨勤等[15]物流分拣机进行形态色彩的优化设计，包括产品的布局、产品节点形态及色彩设计，以求达到人一机一环境整体和谐，使其更具专业化和人性化。

张贻弓[16]提出分区拣选策略下的分拣机系统综合优化问题。该问题以订单处理总时间最小为优化目标，研究内容包括该策略下影响订单处理总时间的各主要因素：拣货区数量、货物合流模式、品项分配、品项拆分。综合求解方法结合了枚举法与多种启发式算法，首先初步拆分品项并确定拣货区数量范围，然后进行品项分配优化与子品项拣选量再分配优化，最后通过判断算法结束条件迭代优化，得到了两种合流模式和拣货区数量范围内的有限组解，通过比较各解对应的订单处理总时间确定最佳求解结果，既降低了综合优化问题的求解难度，又在较大空间中搜索了可行解。实例分析证明了该方法的有效性和优越性。

杨丹丹[17]采用嵌入式ARM处理器设计一个具有体积小、成本低、效率高及节约人力资源成本等优点的自动分拣机控制系统，实现准确又快的自动分拣包裹功能。此分拣系统提高了工作效率，缩短了从下订单到收到包裹之间的等待时间，节省了部分的人力资源，并可实时监控分拣区的情况，物流跟踪可查询包裹的去向信息，便于信息管理。

吴颖颖[18]在分析串行合流模式下的分区自动拣选系统工作流程的基础上，对系统建立数学模型，并综合运用禁忌搜索算法、动态聚类法、迭代优化法、线性规划法、遗传算法等工具分别对分区自动拣选系统的品项分配优化子问题、分区合流顺序优化子问题以及订单拣选顺序优化子问题进行研究。

王艳艳[19]以并行自动分拣系统为研究对象，深入分析了配送中心分拣及自动补货系统的作业流程，运用迭代优化、聚类分析等工具，研究了自动分拣系统优化领域的三个重要子问题:品项拣选量拆分优化、分拣作业调度优化及补货缓存优化。研究对合理规划配送中心补货系统，提高分拣作业效率和服务水平，降低分拣作业运行成本具有重要的意义。

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李庆磊[20]打破了目前物流中心分拣系统规划过程中无规则可循的情况，提出了以分拣单元变化为依据划分各种分拣模式的方法，对各种分拣模式的优缺点、适用情况、成本投资等进行了深入研究，并在此基础上提出了基于EIQ模型和AHP层次分析法的分拣策略规划体系，最后将研究成果应用在烟草行业物流中心，做到了在物流中心分拣系统规划中有依据可循。

彭莉[21]研究运用人机工程学理论和设计原则，对贵阳普天万向物流技术股份有限公司“带式高速邮包分拣机”的人机界面进行研究和理论分析，提出优化参数和方案，并应用模糊数学理论，建立人机界面分层次模糊综合评判系统模型，用于分拣机人机界面优度的评价。分拣机的人机界面主要由显示/控制界面，座椅构成，提高人的操作舒适性和安全性的关键是对该两个界面进行优化。另外，还对分拣机整机的色彩进行了研究、设计。

3 分拣机的应用

通过国内外专家学者对于分拣系统和分拣机的研究和设计，分拣机在烟草行业的应用和研究起步较早且广泛。

秦峰华[22]研究的是一种新型卷烟分拣机与系统实现，这类自动分拣系统都是由多个分拣单机组成的，其在分拣过程中，各分拣单机根据上位机预定的分拣次序和分拣要求共同完成分拣任务。其中分拣机性能的可靠性和稳定性是分拣线是否能够正常工作的重要影响因素。针对这种情况，通过对新型分拣机的性能测试、分析和优化，得出了可靠的结论，并实现了整个分拣系统。

李凯[23]研究某市烟草配送中心的自动卷烟分拣系统，这类自动分拣系统都是由多个分拣单机组成的，其在分拣过程中，各分拣单机分拣工作时刻的不同，会致使分拣的卷烟在皮带上分布不均匀，影响后续的作业，从而给整个分拣系统的工作性能带来很大的影响。针对这种情况，提出了通过调度卷烟分拣时间来使卷烟在皮带上均匀分布的控制策略优化模型，同时对控制优化模型进行仿真，并对仿真结果进行分析比较。

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王磊等[24]分析目前我国条烟分拣机的现状，并在此基础上开发了条烟高效自动分拣系统，简单介绍了条烟分拣系统，并对异步分拣法进行了阐述，设计了基于Profibus现场总线的监控系统，对硬件组成进行分析。研究了条烟分拣系统的控制策略，提出用“预侧控制”下载订单，分析了上位机的软件系统，对条烟自动分拣机试验结果表明，该监控系统运行稳定可靠，效率高，具有一定的实用性和推广价值。

李娜娜[25]基于以上背景，以某正在建设的卷烟物流中心自动分拣系统为研究对象，针对国家烟草专卖局提出的烟草商业销售网络物流“五化”管理中的“卷烟分拣电子化”这一要求进行深入研究。运用订单资料对分拣系统进行定性和定量分析，规划和设计卷烟自动分拣系统，然后对该系统进行建模仿真分析，并设计和研究基于PLC的卷烟自动分拣系统。

鞠镁隆等[26]通过卷烟自动分拣机的设计，分析了功能原理方法在产品创新设计中的应用，具体分析了卷烟自动分拣机的功能分析过程，建立了原理解的形态学矩阵，针对卷烟自动分拣机的运动特性和功能要求获得原理解的组合，对卷烟自动分拣机的创新设计方案进行评价决策，达到较理想原理方案的创新设计的目的。

王卫星[27]从人机适配方面，利用人机工程学的相关内容，对分拣机进行分析，从而建立起协调的人机系统。在机构结点上，考虑人体本身的相关因素，比如身高、上肢活动范围、视觉范围等;再根据产品各部分的形状、大小、位置、色彩的特点，来确定其布局和尺寸的合理安排，使之达到最优的人机关系。通过人体测量数据计算出了结点合理作业的高度。从色彩方面，通过对色彩及相关因素的研究，对分拣设备中选取的结点及整体进行色彩设计。在这里主要是通过色彩对人的心理影响、时代对色彩的要求、色彩与造型的关系的研究着手。达到柔和淡雅、亲切明快、刺激性低、大方协调的效果，从而可以降低使用者疲劳度，更符合时代的潮流，更受操作者的欢迎。通过二维人体模板、检查表评价法和灰色关联评价法对电子标签分拣结点适配设计进行评价，做到了定性与定量评价的有效结合。

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谢伟东等[28]针对自动分拣系统的条烟分拣机设计了滑道式分拣作业装置，运用斜面和重力原理实现条烟的连续供给，其设计的双动力出烟机构具有可任意切换单条出烟和单排出烟的功能，提出了条烟自动分拣系统的异步分拣方法及其基本控制算法，并用实验表明了基于异步方法的条烟自动分拣系统的实际效率大于10000条/小时。

沈敏德[29]等设计了一种基于并行作业机制和预分拣缓存原理的自动分拣机，研究的复合并行自动分拣机，该设备消除了传统自动分拣系统中各个工序之间的冗余等待时间，并可使货物分拣完毕后在输送系统上紧密排列，缩短了分拣作业时间，提高了分拣作业效率。

同时，很多研究学者在很多其他货物方面的分拣也进行了一定的研究。

修学强等[30]设计一种全新食品自动传送分拣机，能够准确、卫生、安全的进行食品分拣，可以进一步提高生产效率。同时利用西门子PLC对设备识别控制系统、机械分拣机构、设备运行机构和数据处理系统进行系统化设计，具有良好的推广与应用价值。

马琳[31]主要针对大中型医院药房和药品配送中心拆零库等拆零药品研究药品自动分拣系统规划设计的方法，主要包括分拣流程的设计、选择、分拣设施设备的配置及布局等内容。

张绪鹏[32]以药品自动分拣系统为研究对象，在研究其功能和结构的基础上，将模块化设计思想运用到药品自动分拣系统中。首先研究了模块化设计的基本理论和原理，在功能分析和功能分解的基础上，对药品自动分拣系统进行了合理的功能模块的划分，并对各模块进行了详细的分析和设计，设计出了多种方案，然后选择合适的模块进行组合，得到几种完整的药品自动分拣系统的方案。最后，运用Visual Basic 6.0对Solidworks进行了二次开发，开发出了药品自动分拣系统的模块化设计系统，可以快速地完成各个零件的变型设计，并对总装配体进行更新，从而实现了快速设计。

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周一博[33]探讨了药品分拣机的PLC控制系统的改进，其中介绍了PLC控制系统研究目方法、改进过程。

赵彦硕[34]从实际出发，对药板自动排序分拣机系统设计进行阐述。本文分别从机械机构，机器视觉系统以及运动控制等方面对该套设备的设计进行了详细的说明。针对铝塑泡罩包装检测的实际应用，设计并且搭建了一套完整的排序、检测以及剔除等技术结合在一起的检测设备，并且在实验中得到了较稳定的运行结果。对该药板自动排序分拣机的运动机构进行了仔细的设计与研究，并且对各运动相关部件的选择进行了详细的介绍，对药粒自动检测和分拣设备的各个功能区域做出了详细的阐述与研究。对系统的运动控制部分做出了总体的分析，对控制卡和CPLD的主要功能进行了研究。对所采用的机器视觉方法做出了总体的介绍，针对药板图像的采集与处理方面做出了一定的研究。

庞明[35]为提高食品生产效率和保证食品卫生，提出一种基于智能机械手的食品分拣系统，该系统由6自由度机械臂、智能手爪、机器视觉以及人机接口等组成。建立了系统机械臂的运动学模型并给出其运动轨迹规划方法，采用遗传算法对关节运动轨迹进行了速度优化计算。实验结果表明所提食品分拣系统及其运动规划方法的有效怜和可行性。

综上所述，国内很多专家学者开始研究分拣系统及分拣机的设计、应用和维护，通过各种建立模型和构建算法来验证分拣系统的可行性和可靠性，但是仍然存在效率和速度、空间和布局、人员和机器等的诸多矛盾，亟待更多的研究进行破解。

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