張文藝，曹海英，丁文迪，馬睿哲

（南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

1 引言

目前，隨著全球物流行業(yè)的快速發(fā)展，我國的物流業(yè)也在迅猛發(fā)展，2017年全國的快遞業(yè)務達到了400.56億件，同比增長28%，江蘇全省快遞業(yè)務量也達到了35.96億件。大學生是這股消費力量中不可忽視的部分。由于高校學生居住的密集性、特殊性，快遞配送的方式也要相對地改變，因而，在快遞行業(yè)中，如何解決快遞進校園的“最后一公里”，怎樣改善分揀裝置，建立自取貨架，減少人力參與，從而降低成本，穩(wěn)定取件體系，提高效率和服務水平已成為研究的重心。

在傳統(tǒng)快遞配送模式中，分揀作業(yè)搬運成本約占配送中心搬運成本的90%，而在勞動密集型配送中心，直接參與分揀操作的人力占50%。整個配送中心作業(yè)時間的30%-40%更是被分揀作業(yè)時間所占。根據(jù)調(diào)查顯示，我國快遞行業(yè)在先進分揀設備及技術的應用上仍然落后。

高?？爝f派送的方式分為固定代理點和流動性代理點兩種形式。在這兩種送貨方式并存的情況下，仍然存在很多問題：取件時間長、取件時間限制大、快遞滯留現(xiàn)象嚴重、占道且易出現(xiàn)快遞丟失或者取錯冒領的情況、清點及分揀人員工作量大、勞動力成本高等。

目前除了設置有固定代理點和流動性代理點兩種形式外，快遞的派送方式也有了一定的突破。部分快遞驛站已經(jīng)實現(xiàn)快遞自提，例如南京航空航天大學江寧校區(qū)的菜鳥驛站，同學們憑短信到自提柜提取自己的快遞。自提柜的使用，使得派送的最后一個關卡自助化，一定程度上減輕了人力需求，縮短了排隊等候的時長，但是仍然存在一些可以改進的問題。驛站的自提柜為普通儲貨柜，高度不到2m，存在占地利用率不高，上貨方式全靠人力，貨柜大小分類不明確，占地面積較大，空間利用率不夠等問題。

2 系統(tǒng)構建

針對常規(guī)快遞設計自動分揀、提貨系統(tǒng)，以減少人力、提高效率。系統(tǒng)的功能包括：入庫與信息獲取、分揀與信息匹配、立體化存儲、自動維護與更新、人機信息交互等。

倉儲系統(tǒng)由掃描、入庫系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、立體式存儲系統(tǒng)和出庫系統(tǒng)組成，分為進貨區(qū)、存儲區(qū)和取貨區(qū)三個區(qū)域，系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)分析

走訪菜鳥驛站等快遞點，調(diào)查到其快遞處理現(xiàn)狀：日入庫量、日取貨量、日遺留量、取貨者不同時間段平均等待時間、工作人員工作強度等實際狀況，得出在本倉儲系統(tǒng)可處理的快遞中，高度小于3cm的扁平件占30.1%；扁平件以外長*寬*高小于15*15*15cm3的小件占21.8%；長*寬*高在15*15*15cm3到30*30*30cm3之間的大件占48.1%。

針對南京航空航天大學菜鳥驛站，可以估算每日需處理的快遞量，菜鳥驛站日入庫量約1 500件，每日滯留量為15%，加上前兩天的滯留快遞，驛站存放的待取快遞共有（1 500*15%+1 500）*15%+1 500=1 759件，其中，1 759*80%=1 407件快遞大小在30*30*30cm3以內(nèi)，同時可以估算，小件約為1 407*20%=281件，大件約為1 407*0.5=703件，扁平件約為1 407*30%=422件。針對這些快遞設計自動分揀流水線，能有效減輕人力勞動，提高分揀效率。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.2 系統(tǒng)分區(qū)功能及貨架介紹

倉儲系統(tǒng)分為分揀區(qū)、存儲區(qū)和取貨區(qū)三個部分。分揀區(qū)只有工作人員上貨、維護檢修時進出，經(jīng)過一級分揀，貨物被分為扁平件和非扁平件；二級分揀將大件和小件分開，進入各自的垂直旋轉(zhuǎn)貨架區(qū)分類存儲，分揀流程如圖2所示。

圖2 分揀流程圖

存儲區(qū)即垂直旋轉(zhuǎn)貨架，連接分揀區(qū)與取貨區(qū)，并且分為有地面、地下兩層。

取貨區(qū)在地面層且對外開放，用戶只需走到指定貨柜前輸入手機號和取貨碼，旋轉(zhuǎn)貨架就會自動出貨。取貨區(qū)大件、小件、扁平件貨架排布平面圖及空間示意圖如圖3、圖4所示，每排貨架之間設有人行通道。

整個倉儲系統(tǒng)占地面積為14.8*12.3=182.04m2，可承擔每日1 400件快遞的存取業(yè)務，空間利用率較高。

貨架形式為垂直旋轉(zhuǎn)貨架。大旋轉(zhuǎn)貨架高度設計為6m，每一層并排懸掛三個貨箱，則每個貨架最多可存儲60件貨物。每個垂直旋轉(zhuǎn)貨架有3個取貨口，對應一個用戶輸入面板。貨架寬度為2m，回轉(zhuǎn)長度為2m，大貨架在傳送帶左右按順序依次排列。

小貨架以大貨架為模板等比例縮小，小貨架高度也為6m，每層也并排懸掛三個貨箱，因此每個小貨架最多可存儲120件小件貨物。每個垂直旋轉(zhuǎn)貨架對應的3個取貨口寬度共1m，貨架回轉(zhuǎn)長度為1m，小貨架在傳送帶右側按順序依次排列。

扁平件貨架大小規(guī)模和大貨架相同，每個貨箱內(nèi)部開槽，疊放三個扁平件，則每個貨架最多可存儲180件貨物。

圖3 貨架排布平面圖

圖4 貨架空間示意圖

2.3 慧魚模型搭建

通過慧魚組合零件對倉庫系統(tǒng)進行等比例縮小的搭建，實現(xiàn)模型入庫、分揀、存儲、出庫模塊功能的運行。對于慧魚組合包中無法獲得的零件用Solidworks建模自行設計并3D打印。

2.3.1 分揀裝置的設計。一級分揀裝置采用圓弧狀擋板，如圖5所示。貨物連續(xù)經(jīng)過分揀裝置時，扁平件通過分揀裝置繼續(xù)前進，非扁平件借助傳送帶摩擦力，順著圓弧向一側滑移，進入另一條通道。

圖5 一級分揀裝置實體模型圖

圖6 二級分揀裝置三維視圖

二級分揀裝置采用向內(nèi)收縮的空心正方體，三維視圖如圖6所示?？招恼襟w用電機驅(qū)動繞著一根旋轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)，將大件貨物翻轉(zhuǎn)傾倒，沿斜坡滑落后繼續(xù)前進，小件貨物從中間孔落入下層傳送帶，其實體模型如圖7、圖8所示。

圖7 二級分揀裝置實體模型（俯視圖）

圖8二級分揀裝置實體模型（側視圖）

圖9 垂直旋轉(zhuǎn)貨架結構圖

圖10 貨箱立體圖

2.3.2 垂直旋轉(zhuǎn)貨架和上貨裝置的設計。我們提出了一種垂直旋轉(zhuǎn)貨架的理論建設方案，用大齒輪驅(qū)動鏈條，鏈條連接三角形支架，支架頂端懸掛貨物，每層懸掛三個貨箱，以提高效率。其結構如圖9所示。

垂直旋轉(zhuǎn)貨架上所懸掛貨箱經(jīng)過專門設計，配合傳送帶可直接上貨，簡單輕便，且貨物不易中途掉落，其三維模型如圖10所示。上貨點處設光電門來判斷每個貨箱所在位置以及指定貨箱是否已到達上貨點，貨箱一側安裝鐵片，與上貨點斜坡處的電磁鐵相吸，以確保上貨時貨箱的位置準確。

2.3.3 機電系統(tǒng)的控制。利用Robo Pro編程進行機電系統(tǒng)控制，實現(xiàn)光電門測距、疑難件退回、貨物分類計數(shù)等功能。

2.4 軟件系統(tǒng)的開發(fā)

2.4.1 多模塊并行運行。本模型具有接近10個的電機和6個傳感器需要控制，為此采用了分立、并行的方式運行。ROBO Pro程序多線程執(zhí)行，使得某個特定部分的錯誤不會導致全系統(tǒng)的停止.

2.4.2 有噪聲容限的計數(shù)算法。計數(shù)對于倉庫系統(tǒng)非常重要，是其各模組的基本功能，且在不同路徑都會設置。慧魚模型的計數(shù)功能硬件由光電門實現(xiàn)，當接收端接收不到光信號時，表示有貨物正在經(jīng)過。但是由于物體形狀、運動抖動等原因，接收端會有一瞬間的接收到光或者接收不到光，帶來的問題就是會導致重復計數(shù)。這個瞬時的脈沖是我們不需要的。因此計數(shù)程序設計為在信號的上升沿開始計時，在信號的下降沿結束，兩者時間之差即代表著物體的大小，通過合理選擇閾值，只有正確的物體能夠被計數(shù)器記錄下來，這樣瞬時的噪聲便可以去除了。如圖11所示。

2.4.3 入口貨物長度控制。通過上一節(jié)的算法設計，我們同樣可以設置一個上限閾值，使過于長的貨物不會被倉儲系統(tǒng)接受。當檢測時間超過閾值時，入口電機將反向轉(zhuǎn)動，使貨物退出。由于入口處的機械限位，過高或過寬的物體也無法進入系統(tǒng)，因此程序上不需要考慮這方面的限制。

2.4.4 控制面板和路徑監(jiān)視。我們在ROBO Pro中為系統(tǒng)設計了完善的控制面板，在貨架監(jiān)視面板中，可以通過光電門和數(shù)據(jù)庫的更新匹配來監(jiān)視各貨柜當前內(nèi)容和位置；在路徑監(jiān)視面板中，可以通過光電門的協(xié)同配合實現(xiàn)追蹤當前分揀中貨物的走向。控制面板還有允許放入指示、報錯指示和一個設計的軟鍵盤。在軟鍵盤中輸入貨物編號并點擊確定，即可完成出貨功能。如圖12所示。

2.4.5 系統(tǒng)報錯和自動停車。當一個貨物過長時間沒有被檢測到，即可以判定系統(tǒng)產(chǎn)生了意外的情況，系統(tǒng)損壞，或者貨物丟失了。這種情況下回觸發(fā)報錯指示燈，并使得系統(tǒng)停車。

2.4.6 信息管理系統(tǒng)。當貨物在入口處沒有被退回、被系統(tǒng)接納時，程序會自動為其分配一個編號。當其進入旋轉(zhuǎn)貨架時，便會被儲存起來；如果沒有進入旋轉(zhuǎn)貨架，而是從其他分支退出時，不記錄其編號。旋轉(zhuǎn)貨架的內(nèi)容是采用List元件記錄的，其元素為貨物編號，索引為貨架的空間位置。當貨架旋轉(zhuǎn)時，程序同時將List元素進行調(diào)轉(zhuǎn)，以對應其空間位置。

圖11 有噪聲容限計數(shù)算法圖

圖12 控制面板和路徑監(jiān)視圖

3 應用效果

3.1 成本投入

整個項目的主要成本來源是自動分揀裝置和垂直旋轉(zhuǎn)貨架的設備成本。自動分揀裝置主要由傳送帶、各種輔助分類裝置以及多種傳感器構成。傳送帶采用鐵材和皮帶，共分9條，尺寸分別如下：1.5m×2條，0.64m×1條，0.94m×1條，3.6m×1條，2.1m×1條，10.1m×1條，寬度均為0.4m，速度為20m/min，鐵材厚度為1.2cm，皮帶厚度取2cm，包含電機在內(nèi)，經(jīng)過淘寶造價調(diào)查，共需2.5萬元左右。輔助分類裝置由一些機械結構組成，其成本大概在500元以內(nèi)。各種傳感器價格也保持在1500元以內(nèi)。垂直旋轉(zhuǎn)貨架的價格較普通立式貨架而言更貴。經(jīng)過調(diào)研，垂直旋轉(zhuǎn)貨架的單價在10萬元左右，我們需要大貨架12個，小貨架和扁平貨架各3個，總計180萬元。綜上，建設初期需投入183萬元左右。

倉庫幾近無人化，因此需要的人力資源大大減小，除了快遞入庫的時段需要人工操作以外，倉庫可以實現(xiàn)無人運營。但會安排1名工作人員對倉庫進行后臺監(jiān)視，以防出現(xiàn)故障，同時負責每周的倉庫檢修。

3.2 效益分析

該項目的建成運營，必將提升物流實力水平，帶來社會效益。物流水平的反映是由許多綜合因素構成的，難于定量分析，但耗能、時間和空間利用率是反映物流水平比較關鍵的因素，對這三項因素可以采用定量分析的方法。

表1 不同存儲方式物流水平對比

由表1可見，無人分揀倉儲系統(tǒng)會大大節(jié)省搬運人力。由于大規(guī)模采用機械進行裝卸搬運代替人工裝卸搬運，加速了裝卸搬運的速度，節(jié)省了勞動。其次，倉儲空間充實。由于根據(jù)貨物大小進行自動分類存儲，驛站空間利用率得到極大改善，物質(zhì)平均占用空間減小，從而節(jié)省了現(xiàn)有的倉儲空間。由于高度自動化的控制與分配，自動存貨和信息錄入取代了以往低效的人工錄入和歸放，機器自動出貨取代了以往低效的的人工搜索，極大提升了取貨效率。同時也可以提高校園物流整體競爭力，提升學校綜合形象，緩解快遞高峰壓力。

4 結語

基于慧魚模型的無人倉庫自動存儲系統(tǒng)在利用慧魚零件的搭建實物模型的同時，開發(fā)軟件系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了快遞倉儲派送的自動化、無人化、規(guī)范化。系統(tǒng)自主設計的快遞包裹分類流水線根據(jù)貨物形狀可及時、快速分揀；自主設計的自動垂直旋轉(zhuǎn)貨架的利用，提高了空間利用率并實現(xiàn)了及時取貨；系統(tǒng)分揀、編碼、存儲、出庫全過程的自動化、一體化，實現(xiàn)包裹存貨與取貨的完全無人化。

我們提出的一種垂直旋轉(zhuǎn)貨架的理論建設方案，在模型中用齒輪驅(qū)動鏈條，鏈條連接三角形支架，支架頂端懸掛貨物，每層懸掛三個貨箱，以提高效率。在慧魚模型中我們設計了控制面板，能夠及時追蹤分揀區(qū)貨物所在位置，監(jiān)控自動倉儲系統(tǒng)的正常運行。若貨物丟失或中途出現(xiàn)問題，則系統(tǒng)警示燈報錯并立即自動停車，工人可以進入分揀區(qū)排查故障。

垂直旋轉(zhuǎn)貨架由于其先進性被廣泛應用于辦公文件、檔案、機械或電子零部件、工具及刀具等多種物品的倉儲與管理。垂直旋轉(zhuǎn)貨架高效、穩(wěn)定、可靠，機械構造相對簡單。通過操作面板和保護裝置，可以做成智能存取系統(tǒng)用于存放快遞包裹，實現(xiàn)包裹上貨、存儲和出貨的智能化。

目前系統(tǒng)貨物分揀定位依賴的傳感器可靠性有待提升，期望通過物聯(lián)網(wǎng)和更全面的檢測設備，對貨物進行更加精準的定位和統(tǒng)計；現(xiàn)在的系統(tǒng)入庫和掃碼仍然需要人的參與，可以進一步自動掃描條碼和從貨車直接入庫，并將貨物包裝形式更加標準化；將系統(tǒng)優(yōu)化封裝為獨立的模塊，使結構更加緊湊，并設置方便用戶操作的面板，進一步提升空間利用率并降低使用和維修的難度。

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