一種能提高自動分揀效率的二維分揀方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能提高自動分揀效率的二維分揀方法，針對快件人工分揀過程費時費力、過程繁瑣、效率低，采用自動分揀系統結構復雜，一次性投資巨大的現狀，根據最大流最小割定理，并結合組合優(yōu)化的平行機問題的研究成果，提出一種新的二維分揀方式，增加必要的增廣路。不同于現有的一維流水作業(yè)方式，二維分揀方法的分揀道口數N等于分流道口數n×支路道口數m。本發(fā)明應用運籌學方法優(yōu)化自動分揀系統設計，克服了利用機械原理提速的局限性，能大幅度提高自動分揀裝置的分揀速度，從而降低設備制造成本。
【專利說明】-種能提高自動分揀效率的二維分揀方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于物流控制【技術領域】，也屬于應用數學分支學科一線性規(guī)劃和組合優(yōu) 化的研究成果在工業(yè)過程的應用示范，涉及一種能提高自動分揀效率的二維分揀方法。

【背景技術】
[0002] 近年來，電子商務業(yè)蓬勃發(fā)展帶動了快遞業(yè)務量急速膨脹，使得快件和包裹分揀 任務日益艱巨。由于國內快遞業(yè)務量成倍增加，人員相對短缺的矛盾十分突出。傳統揀貨 是揀選人員根據揀貨單逐一進行揀貨，工人勞動強度大，容易造成揀錯或漏揀現象?？爝f公 司迫切需要先進、適用的自動分揀系統，提高工作效率，避免暴力分揀現象發(fā)生。
[0003] 在歐美和日本等發(fā)達國家，大中型物流中心已廣泛采用的自動分揀系統。近年來， 國內快遞業(yè)也嘗試進口一些國外成套裝置用于快遞物件的自動分揀，但總體上，洋設備到 中國水土不服。進口設備雖然設計先進、技術成熟、自動化程度高、分揀速度快，但結構十分 復雜，一次性投資巨大。這種巨額的先期投入要花15?20年才能收回。例如，中通公司 2011年投資1200萬元，從德國引進了可視化智能公路快件自動分揀系統。該自動分揀系統 一小時就能分揀3600件，與人工操作相比物流作業(yè)效率有所提高，但是依然難以滿足多數 的快遞物流中心的分揀任務。因此，研究開發(fā)適合中國快遞業(yè)特點的高效而低價的自動分 揀系統及方法具有重大的應用價值，也是我國智能設備產業(yè)發(fā)展的一個重要方向。
[0004] 自動分揀系統一般由控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口組成。
[0005] 控制裝置的作用是識別、接收和處理分揀信號，根據分揀信號的需求，指示分類裝 置對物件的送達地點等信息進行自動分類。分揀需求可以通過不同方式，如通過條形碼掃 描、色碼掃描、鍵盤輸入、重量檢測、語音識別及形狀識別等方式，輸入到控制系統中去，由 控制系統來決定物件該進入哪個分揀道口。
[0006] 分類裝置的作用是根據控制裝置發(fā)出的分揀指示，當具有相同分揀信號的物件經 過該裝置時，該裝置動作，使改變在輸送裝置上的運行方向進入其它輸送機或進入分揀道 口。分類裝置的種類很多，一般有推出式、浮出式、傾斜式和分支式幾種，不同的裝置對分揀 貨物的包裝材料、包裝重量、包裝物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。
[0007] 輸送裝置的主要組成部分是傳送帶或輸送機，其主要作用是使待分揀物件依次通 過控制裝置、分類裝置，并輸送裝置的兩側，一般要連接若干分揀道口，使分好類的物件滑 下主輸送帶以便進行后續(xù)作業(yè)。
[0008] 分揀道口是已分揀物件脫離主輸送帶進入集貨區(qū)域的通道，一般由鋼帶、皮帶、滾 筒等組成滑道，使物件從主輸送裝置滑向集貨站臺，在那里由工作人員將該道口的所有物 件組配裝車并進行配送作業(yè)。
[0009] 以上四部分裝置通過電腦網絡聯結在一起，配合人工控制及相應的人工處理環(huán)節(jié) 構成一個完整的自動分揀系統。
[0010] 總的來說，凡涉及自動分揀系統的技術進步，都應以下方面體現：
[0011] 1，提高系統的分揀速度，滿足大批量短時間的分揀處理要求。
[0012] 2,降低設備制造成本，提高裝置的性價比，增強市場競爭力。
[0013] 3,增強設備的包容度，適合各種形狀和大小的物件的分揀。
[0014] 4,提高系統的穩(wěn)定性和使用壽命，進一步降低分揀錯誤率。
[0015]目前，業(yè)內對于自動分揀系統的創(chuàng)新和改進方興未艾，不斷有新方法新設備面世。 歸納起來，自動分棟系統的創(chuàng)新與技術進步王要表現在：
[0016] 1，分揀方法物理學方面的創(chuàng)新；
[0017] 2,機械結構或部件設計的創(chuàng)新；
[0018] 3,設備加工工藝和技術的創(chuàng)新；
[0019] 4,材料質量改進和選型的創(chuàng)新；
[0020] 5,自動化控制原理和方法的創(chuàng)新。


【發(fā)明內容】

[0021] 本發(fā)明的目的在于，針對現有大型自動分揀設備結構復雜、投資巨大、難以推廣的 現狀，提供一種能提高自動分揀效率的二維分揀方法，根據最大流（Max-Flow)最小割定 理，并結合組合優(yōu)化的平行機（Parallel Machine)問題的研究成果，提出一種新的二維分 揀方式，增加必要的增廣路。
[0022] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種能提高自動分揀效率的二維 分揀方法，該方法在自動分揀系統上實現，所述自動分揀系統包括控制裝置、分類裝置、輸 送裝置及分揀道口；控制裝置識別、接收和處理分揀信號，根據分揀信號的需求，指示分類 裝置對物件的送達地點信息進行自動分類；分類裝置根據控制裝置發(fā)出的分揀指示，當具 有相同分揀信號的物件經過該裝置時，該裝置動作，改變物件在輸送裝置上的運行方向進 入其它輸送機或進入分揀道口；輸送裝置使待分揀物件依次通過控制裝置、分類裝置，輸送 裝置的兩側連接若干分揀道口；分揀道口是已分揀物件脫離主輸送帶進入集貨區(qū)域的通 道；所述分揀道口的分揀道口數N等于分流道口數n X支路道口數m ;其中，分揀道口數N 根據分揀設備的任務設置，分流道口數n為大于或等于2的整數，具體步驟如下：經過初次 分揀，將物件按n組進行分流，組內物件再進行第二次分揀，分揀到各自的道口。
[0023] 所述分流道口數n按照組合優(yōu)化方法確定，當分揀道口數N〈100時，適宜的分流道 口數n為2-6,優(yōu)選為3或4。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是：根據最大流最小割定理，并結合組合優(yōu)化的平行機問題的 研究成果，提出一種新的二維分揀方式，增加必要的增廣路。不同于現有的一維流水作業(yè)方 式，二維分揀方法的分揀道口數N等于分流道口數nX支路道口數m。本發(fā)明應用運籌學方 法優(yōu)化自動分揀系統設計，克服了利用機械原理提速的局限性，能大幅度提高自動分揀裝 置的分揀速度，從而降低設備制造成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為二維分揀方式（2X5)工作原理圖；
[0026] 圖2為二維分揀方式（6+7)工作原理圖；
[0027] 圖3為二維分揀方式（7+6+7)工作原理圖。

【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0029] 本發(fā)明符合最大流最小割定理，充分利用了組合優(yōu)化學科有關平行機（Parallel Machine)問題的研究成果。最大流問題（Max-FlowProblem)是關于圖和網絡優(yōu)化的數學 抽象。由最大流問題定義可知，求最大流問題等價于求解一種線性規(guī)劃問題。增廣路定理 指出，一個可行流是最大流的充分必要是不存在增廣路?，F有各種自動分揀系統，如專利 CN201210432408,CN201310122749，CN201310026438 等，均采用一維流水作業(yè)方式，包括直 線型和環(huán)形型。隨著分揀道口數N的增加，自動分揀系統的輸送帶和分揀場地需要同步遞 增，使得系統的制造成本急劇上升。
[0030] 基于上述現象，本發(fā)明提出一種新的改進方法，根據最大流最小割定理的要求，使 自動分揀系統增加必要的增廣路。這種新的分揀設備設計思路，我們稱為二維分揀方式。不 同于現有的一維流水作業(yè)方式，二維分揀的其分揀道口數N等于分流道口數nX支路道口 數m。
[0031] 例如，一套道口數N= 48的分揀系統，改為N= 2X24的二維分揀方式，雖然分揀 道口都是48個，但是物件的路徑將縮短近一半，系統的操作空間也變得緊湊。
[0032] 同樣的分揀系統，另一種二維分揀方式是N= 3X16。對于這種二維分揀方式，分 流道口數η= 3,支路道口數m= 16?？偟揽跀郸? = 51，與一維流水作業(yè)方式相比，道口數 增加3個。假設采用的設備與現有一維分揀具有相同的方法和設備功能，我們就認為，單線 的物流速度是不變的。那么，這種二維分揀方式將使設備的總分揀速度提高二倍。
[0033] 從數學的角度，二維分揀可有多種選擇，其總分揀速度按照下列公式計算：
[0034]S=SXnXil(I)
[0035] 式中：S-總分揀速度；
[0036]s--單線分揀速度；
[0037] η--分流道口數；
[0038] η--效率系數，％。
[0039] 顯然，與常規(guī)的一維流水作業(yè)相比，二維分揀的本質特征是分揀道口數N等于分 流道口數nX支路道口數m。支路道口數可以相同，也可以少有不同。這樣做的目的在于， 在增加少量設備成本的前提下，使分揀速度成倍地提高。
[0040] 當然，相同的總道口數的系統也有不同的二維分揀方式。以=48的系統為例，它 的二維分揀可以是2X24,3X16,4X12,6X8等組合。按照公式（1)，隨著分流道口數的增 力口，系統總分揀速度將增加，但另一方面，自動分揀系統的復雜性將遞增。自動分揀系統的 復雜化的后果包括，額外增加設備的成本、系統穩(wěn)定性和可靠性降低和單線分揀速度下降， 效率系數n會急速下降。因此，根據平行機問題的研究結果，本發(fā)明在進行一系列復雜的 模擬計算后得出結論：分流道口數不宜過多，適宜的分流道口數為2-6,優(yōu)選為3或4。
[0041] 二維分揀方式特別適合總道口數N在100以下的自動分揀系統。依據最大流最小 分割原理，本發(fā)明對10 < 100的分揀系統進行了二維分揀方式設計，如表1所列。支路 道口數的確定應該符合增廣路定理，即一個可行流是最大流的充分必要是不存在增廣路。
[0042] 表1自動分揀系統的二維分揀方式設計
[0043] N n m 10-25-2-3 ~1Q 25-40-3-4 ~12 40-60-4-5 IQ-15 60-100 |δ-6 |l2-2Q
[0044] 二維分揀也采用差異化設計方式。例如，一套道口數N= 20的分揀系統，可以設 計為N= 3X7-1。一套道口數N= 30的分揀系統，可以設計為N= 3X10 ;也可以設計為 N= 4X8-2,其中，個別支路道口數也可以是m-1。
[0045] 從實際操作的角度看，二維分揀也可以稱為二次分揀。二維分揀是它的數學抽象， 二次分揀是它的具體表現。因此，二次分揀與二維分揀的關系是現象與本質的統一。具體 地說，分揀系統的道口數被分成若干組。物件分揀先按組進行分流，組內物件再進行第二次 分揀，分揀到各自的道口。
[0046] 本發(fā)明的自動分揀系統對獲取物件信息的手段，包括但不限于，條形碼技術、二維 碼技術、RFID技術或高速攝像技術，也可以是其中兩種技術的組合。同時，系統通過對信標 結點和目標結點的測量與計算實現物件的跟蹤定位。
[0047] 實施例1 :
[0048]如圖1所示的分揀系統，其分揀道口數為10。它的功能是將大量的物件分成10 堆，然后送往各自的快件收發(fā)點，再由快遞員送到收貨人手中。常規(guī)的自動分揀裝置采用流 水作業(yè)方式，本發(fā)明將其改為二維分揀方式，即2X5 = 10。
[0049] 該分揀系統所有10個分揀道口均選用膠帶浮出式分揀機。這種分揀結構用于輥 筒式主輸送機上，將有動力驅動的多條膠帶或單個鏈條橫向安裝在主輸送輥筒之間的下 方。當分揀機接受指令啟動時，膠帶或鏈條向上提升接觸物件底面把物件托起，并將其向主 輸送機一側移出。
[0050] 本分揀系統的物件上線采用人工搬運的方式。上料操作包括以下行為：取物、條形 碼識別、指示燈顯示、定向放置。如圖1所示，分支線分為上下兩條。上料者根據指示燈選 擇支線。紅色燈亮時，物件被放置于上支線；綠色燈亮時，物件被放置于下支線。只要物件 上線選擇正確，就會被后續(xù)的分揀機揀出。如果人工上線有誤，物件無法被揀出，則由中間 輸送帶送回，重新進入人工上線環(huán)節(jié)。
[0051] 本發(fā)明將這種分揀系統歸入"日字型"的二維分揀方式。理論分析和對比實驗結 果都表明，"日字型"的二維分揀方式可使分揀系統的分揀速度提高一倍。
[0052] 實施例2 :
[0053] 如圖2所示，將實施例1所述的二維分揀系統作一些變更：分揀道口增加至13個， 即（6+7)模式，初級分流采用自動方式。該系統所有13個分揀道口依然選用浮出式分揀機， 上線則改為人工搬運上臺、機器分流的方式。為了保證系統分揀速度，初級自動分流選用滑 塊式分揀機?；瑝K式分揀機是目前國外一種最新型的高速分揀機。它根據電腦指令，使物 件直線運動發(fā)生偏離，從而進入不同支線。
[0054] 不同于實施例1，本實施例設備運行時，上料工人的操作只是按一定頻率往唯一的 輸送帶上放置物件，不必再手工持物在條形機前進行物件身份識別，也不用考慮支線選擇。 上線的物件在運動中完成RFID身份識別。電腦根據所獲信息發(fā)出指令，控制滑塊式分揀 機將物件送入分揀支線。
[0055] 后續(xù)的自動化分揀過程與實施例1相同。其中，少數無法被揀出物件同樣經過返 回輸送帶，重新由滑塊式分揀機分流。實驗結果表明，自動化分揀的差錯率低于人工分揀過 程。
[0056] 理論分析和對比實驗結果都表明，只要滑塊式分揀機的分揀速度大于2倍的浮出 式分揀機的分揀速度，這種"日字型"的二維分揀方式依然可使系統的分揀速度加倍。
[0057] 實施例2試驗結果也表明，各支路道口數可以參差不齊，二維分揀系統的道口數 不必是整數的倍數，質數也可以做二維分揀設計。
[0058] 實施例3 :
[0059] 如圖3所示的自動化分揀系統，其分揀道口數為20。該系統的功能是將大量的物 件分成20堆，然后送往各自的快件收發(fā)點，再由快遞員送給收件貨人。常規(guī)的自動分揀裝 置采用流水作業(yè)方式，本實施例則設計改為二維分揀方式，支路道口數為7、6、7,即7+6+7 = 20。
[0060] 同樣地，20個分揀道口選用了浮出式分揀機。這種分揀結構用于棍筒式主輸送機 上，將有動力驅動的多條膠帶或單個鏈條橫向安裝在主輸送輥筒之間的下方。當分揀機接 受指令啟動時，膠帶或鏈條向上提升接觸物件底面把物件托起，并將其向主輸送機一側移 出。
[0061] 該系統的物件上線采用人工搬運的方式。上料平臺工人包括以下操作行為：取物、 人工持物在條形機前進行身份識別、指示燈顯示、定向放置。如附圖3所示，分支線分為上 中下三條。紅燈亮，物件被放置于上支線；黃燈亮，物件被放置于中支線；綠燈亮，物件被放 置于下支線。只要物件選擇上線正確，它就會被后續(xù)的分揀機揀出。如果人工上線有誤，物 件無法被揀出，則由專門的輸送帶送回起點，重新上線。實驗結果表明，因為有返回設計，自 動化分揀的差錯率低于人工分揀過程。
[0062]本發(fā)明將該分揀系統歸入"中字型"的二維分揀方式。理論分析和對比實驗結果 都表明，只要人工上線速度保證（可多人工作），"中字型"的二維分揀可使分揀系統的分揀 速度提高2倍。
[0063]老子曰：道生一，一生二，二生三，三生萬物。通過上述實施例，本發(fā)明說明了二維 分揀方式的幾種形式及其效果。從數學的角度看，二維分揀方式有多種多樣，其本質特征是 一致：具體的二維分揀的設計可立足于增廣路定理，即一個可行流是最大流的充分必要是 不存在增廣路。
【權利要求】
1. 一種能提高自動分揀效率的二維分揀方法，該方法在自動分揀系統上實現，所述自 動分揀系統包括控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口；控制裝置識別、接收和處理分 揀信號，根據分揀信號的需求，指示分類裝置對物件的送達地點信息進行自動分類；分類裝 置根據控制裝置發(fā)出的分揀指示，當具有相同分揀信號的物件經過該裝置時，該裝置動作， 改變物件在輸送裝置上的運行方向進入其它輸送機或進入分揀道口；輸送裝置使待分揀物 件依次通過控制裝置、分類裝置，輸送裝置的兩側連接若干分揀道口；分揀道口是已分揀物 件脫離主輸送帶進入集貨區(qū)域的通道；其特征在于，所述的分揀道口數N等于分流道口數 nX支路道口數m;其中，分揀道口數N根據分揀設備的任務設置，分流道口數η為大于或等 于2的整數，具體步驟如下：經過初次分揀，將物件按η組進行分流，組內物件再進行第二次 分揀，分揀到各自的道口。
2. 根據權利要求1所述的二維分揀方法，其特征在于，分流道口數η按照組合優(yōu)化方法 確定，當分揀道口數Ν〈 100時，分流道口數η為2-6。
3. 根據權利要求2所述的二維分揀方法，其特征在于，分流道口數η為3或4。
4. 根據權利要求1所述的二維分揀方法，其特征在于，初次分揀為人工操作、半自動化 或自動化方式。
5. 根據權利要求1所述的二維分揀方法，其特征在于，初次分揀采取平行作業(yè)方式，平 行作業(yè)點數s大于或等于分流道口數η。
【文檔編號】B07C5/00GK104226606SQ201410390086
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權日:2014年8月8日
【發(fā)明者】王龍虎, 張寅嘯, 王朱逸男 申請人:王龍虎