楊鈺 楊磊 張曉楠

摘 要：針對人工為主的物流轉(zhuǎn)運方式分揀錯誤率高及分揀效率低，難以滿足中國社會日益高漲的物流需求等問題，因此本文提出一種貨物自動分揀系統(tǒng)，可應用于物流行業(yè)中物品的自動分揀和分類，相比較與傳統(tǒng)的人工分揀和分類方式，該系統(tǒng)不僅可以顯著的提升貨物的分揀效率和分類準確率，而且節(jié)約了大量的人力成本，對于推進物流行業(yè)朝自動化方向的發(fā)展具有重要的應用價值。

關(guān)鍵詞：物流服務;分揀效率;自動分揀

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.012

中圖分類號： F252

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）04-0071-07

Abstract：Aiming at the problems of high sorting error rate and low sorting efficiency in manual logistics transshipment mode， it is difficult to meet the increasing logistics demand of Chinese society. Therefore， this paper proposes an automatic cargo sorting system， which can be applied to the automatic sorting and sorting of goods in the logistics industry. Compared with the traditional manual sorting and sorting methods， the system can not only significantly improve the sorting efficiency and classification of goods. The accuracy rate and the saving of a large amount of labor costs have important application value for promoting the development of automation and intelligence in the logistics industry.

Keywords：logistics service; sorting efficiency; automatic sorting

0 引 言

隨著電子商務的發(fā)展，人們的消費習慣產(chǎn)生了巨大的影響，物流服務需求也隨之逐漸增加，推動著物流自動化水平的不斷提高[1]。國內(nèi)物流行業(yè)貨物的傳統(tǒng)分揀方式都是采用人工逐一對物流產(chǎn)品進行手動分揀的方式，通過人工分揀、搬運貨物完成物流貨物的分類和運輸，這種分揀方式效率低下，且可靠性不高，無法滿足現(xiàn)在日益增長的物流量的需求[2]。

據(jù)統(tǒng)計近幾年中國每年的快遞運送數(shù)量就超過了一百億件，這還不包括其他種類的物流運輸，并且快遞行業(yè)的運輸量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢[3]。在如此大量的物流運輸量面前，傳統(tǒng)的人工分揀的方式顯得的越來越力不從心，況且在人工分揀的過程中，分揀人員要對每個物流快件進行信息核對和記錄，按照物流快件的種類、目的地和收件人信息等進行逐一核對和分類，如此大量的工作量，很難保證每個物流快件能正確的進行分揀和運輸。因此，物流運輸行業(yè)對物品的分揀速度和準確性的要求顯得越來越重要[4]。市場競爭的逐步激烈使得物流行業(yè)迫切提高分揀效率，隨之自動分揀系統(tǒng)代替了人工分揀方式，在物流分揀作業(yè)中應用越來越廣泛[5]。目前自動分揀系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)線等領(lǐng)域上承擔著重要的角色，基于機器視覺的自動分揀系統(tǒng)在多個生產(chǎn)領(lǐng)域、分揀貨物等方面具有很大的優(yōu)勢。對于物流的分揀和配送，自動化的分揀系統(tǒng)具有較高的分揀準確率和效率[6]。

文[7-8]中提出的自動分揀系統(tǒng)是基于PLC 控制的以檢查運輸傳送帶上是否有物品，依據(jù)物品的材料屬性、顏色等對物體進行簡單的分類和分揀，然后使用機械手對物品進行搬運，該系統(tǒng)只是對物品進行了簡單的分類，在一定程度上提高了物品的分揀速度，但是在物體分揀精度方面意義不明顯。文[9-10]通過增加重量傳感器等對待分揀的物品按照重量進行分揀，這種方式適用于待分揀物品重量有明顯差異的情況，不能適合于大規(guī)模的物流分揀系統(tǒng)。文[11-12]雖然也考慮到了待分揀物品具有差異性，而使用重量和光纖等多種傳感器以提高分揀精度的問題，但是所采用的都是傳統(tǒng)的檢測方法，所涉及的自動分揀系統(tǒng)相對比較復雜。

本文針對物流行業(yè)中，物流物品的數(shù)量龐大，需要對每個物流快件進行信息核對容易出錯以及分揀效率低下的問題，設計出一種應用于物流行業(yè)的自動分揀控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過視覺傳感器對物流快件進行圖形捕獲，通過圖像識別方法獲取貨物的特征信息以及對物流信息單進行圖像檢測和識別，采用文字識別的方式對快遞單上的信息進行識別和統(tǒng)計，按照物流快件的郵寄地址將該物品進行地址分類，該系統(tǒng)在可以有效的提高物流快件的分揀和分類效率，節(jié)省大量人力成本。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

自動分揀系統(tǒng)主要以分揀大量的物流貨物為

主，系統(tǒng)主要由四個主要單元組成：物流輸送單元、控制單元、分類單元、分揀單元，通過計算機網(wǎng)絡將這四個主要部分聯(lián)系起來，在加上相應的人工操作就形成了一個完整的自動分揀系統(tǒng)。對于物流行業(yè)分揀和配送，自動化分揀系統(tǒng)大大提高了物流行業(yè)的分揀效率，通過將機器視覺技術(shù)與自動分揀技術(shù)相互結(jié)合，可以進一步提高物流分揀的效率和準確率。自動分揀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示。

控制單元作為整個分揀系統(tǒng)的核心部分，其作用是識別、接收和處理分揀信號，依據(jù)傳感器的檢測信息將貨物按照重量、顏色或者大小等信息進行分類，然后根據(jù)分揀信息判斷貨物應該被送入到哪個分揀通道，完成對應的分揀任務。輸送單元的任務是對貨物進行運輸，通過傳輸系統(tǒng)將獲取運輸?shù)酱謷恢?，分揀完成后再將貨物按照對應的分揀類型運輸?shù)较鄳倪\輸通道。分類單位的作用是按照預先設定好的分類標準對待分揀的貨物進行和分類。分揀單元主要由分揀解析手和相應的傳輸系統(tǒng)組成，復雜貨物的具體分揀執(zhí)行。

1.2 分揀系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)的物流作業(yè)中，自動分揀系統(tǒng)的主要任務可以分為兩個主要部分：在貨物入庫之前，需要按照相應的分類和分揀標準對貨物進行分揀和運輸，使得具有相同屬性的貨物放同一存儲區(qū)域;接到訂單以后，按照訂單需求，將貨物準確的分揀出來，并輸送至指定分揀道口，等待下一步操作。

分揀系統(tǒng)的原理圖如上圖2所示：控制器PLC 作為整個系統(tǒng)的核心，其作用是對視覺傳感器采集的圖像信息進行處理，以獲得待分揀貨物的相應特征和位置信息，然后按照對應的分揀標準發(fā)送控制命令到分揀機構(gòu)，通過分揀機構(gòu)中電機的運轉(zhuǎn)，使得機械手對貨物進行抓取和放置，實現(xiàn)對貨物的分揀功能。

整體分揀系統(tǒng)的操作流程為：首先通過視覺傳感器（工業(yè)級相機）對待分揀的貨物進行檢測，通過圖像采集過程獲得貨物的顏色、尺寸、種類等信息，再將這些信息傳輸?shù)綀D像采集卡，經(jīng)模擬信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能夠處理的數(shù)字信息，再將這些數(shù)字信息上傳至控制器進行數(shù)據(jù)分析和處理，控制器按照分類分揀的標準，發(fā)送相應的控制命令到分揀機械手，控制機械手的運行實現(xiàn)多貨物的分揀和分類。

1.3 系統(tǒng)控制流程

在進行人工分揀貨物時，首先通過人的眼睛看到物品的顏色、大小和位置等信息，然后將這些信息傳輸?shù)酱竽X進行分析，依據(jù)分類準側(cè)在控制我們的手將貨物進行搬運，以實現(xiàn)貨物的分類和分揀[13]。由于人的體力和精力有限，以人工為主的分類分揀方式不適合于大量的物流操作。受到人類分揀方式的啟發(fā)，使用機器來代替人力可以實現(xiàn)對大量物流貨物的分揀任務[14]。

分揀系統(tǒng)的主要工作流程是：首先，利用工業(yè)CCD相機與圖像采集卡采集被分揀貨物的圖像信息，將采集的圖像信息上傳至上位機，上位機對該信息進行存儲和處理，然后將處理后的圖像信息發(fā)送至控制器;其次，通過控制器對采集的圖像數(shù)據(jù)進行分析處理，獲得待測目標的幾何形狀、顏色、實時位置等信息;最后，控制器發(fā)送控制指令到運動控制器，通過運動控制器對分揀平臺的機械臂進行控制，完成對抓取目標的分揀工作。

2 物流信息提取

采用基于視覺傳感器對物流貨物的相關(guān)特征信息進行識別以進行物流快件快速分類的方法，首先需要對物品的相關(guān)特征，顏色、大小等信息以及貨物表面的信息單中的物品信息進行快速的識別[15]。本文采用視覺傳感器對貨物進行圖像捕獲或者掃描的方式，在物流的傳輸帶上端安裝視覺傳感器用以捕獲物流快件的圖像信息，然后進行圖像處理，提取貨物的特征信息，并對圖像中包含的文字信息進行識別，提取出其中的物流快件的發(fā)送目的地和物體種類等信息，依據(jù)快件的發(fā)送目的地和其他特征信息對快件進行分類分揀。

2.1 特征提取與識別

貨物的圖像中多包涵了大量的有用信息，從圖像中提取有用的特征進行分析識別是圖像處理的基本問題。圖像識別采用的主要步驟：圖像預處理、區(qū)域分割、特征提取、特征識別[16]。而要實現(xiàn)分揀需對貨物進行特征提取和識別，對采集圖像進行預處理，選取目標區(qū)域，在目標區(qū)域內(nèi)對目標進行特征提取和識別，用以確定目標貨物的顏色和大小以及坐標等信息。

2.1.1 圖像采集處理

圖像的采集是視覺系統(tǒng)實現(xiàn)圖像分析的首要工作，采集較高質(zhì)量的圖片將會使圖像更容易被處理，這一步對于圖像的預處理、目標物的識別、定位的結(jié)果會產(chǎn)生較大影響[17]。圖像預處理的主要作用是消除圖像中無用的信息，提取有用的真實信息，增強有關(guān)信息的可檢測性，最大程度地簡化圖像數(shù)據(jù)，方便進行下一步的圖像信息提取。

工業(yè)相機采集到的圖像信息容易受光照等環(huán)境的影響，在圖像中有影響識別定位目標物的因素，此時不能直接通過識別算法，進行目標物的識別定位，必須先對圖像進行預處理，通過相應的預處理算法，將圖像中的雜波因子消除，獲得更加清晰的圖像。

在圖像的采集及傳輸過程中，每幅圖像都會受到外界與自身的干擾包含某種程度的噪聲。在大多數(shù)情況下，圖像中的噪聲必須通過圖像平滑處理進行抑制。為了提高圖像采集效果，應當采用合適的濾波處理方法將干擾因素消除。

中值濾波器能夠有效的減少圖像中目標物體邊緣模糊程度，使用目標區(qū)域中亮度的均值代替目標圖形區(qū)域當前點的亮度數(shù)值。該點周邊區(qū)域的亮度不會受到少量噪聲的干擾，故可以采用這種方法除去被檢測圖像中的干擾噪聲。

對圖像進行邊緣檢測是在進行目標識別之前必須要完成的步驟，首先，提取出特征點，這樣可以有效的減少特征匹配的計算量，提高圖像處理的效率[18]。圖像的邊緣檢測算法有多種，其中Sobel算子是進行邊緣檢測常用到的算法，采用類似于求取局部平均值的運算方式可以對噪聲進行平滑處理，以消除噪聲對圖形進行特征提取的干擾，Sobel算子由橫向模板和縱向模板組成，這兩個模板可以分別用一個三階矩陣表示，可以在橫向和縱向方向分別與圖像進行平面卷積運算，求出圖像分別在這兩個方向的亮度差值，實現(xiàn)對貨物進行邊緣檢測。

2.1.2 目標識別

在物流行業(yè)中，被分揀貨物的周圍混有其他被測物體，需要確定目標物體的輪廓，得到目標物體中心位置坐標[19]。己知目標物體的形狀，目標物體輪廓的大小和外形都有一定的先驗信息，因此先對目標物體的先關(guān)特征參數(shù)信息進行初始值設定，然后將測物體提取出的邊緣信息與設定值進行比較，具有相似邊緣信息和特征的物體就是目標物體。提取目標物體的邊緣信息，輸出目標物體的邊界、中心點信息。將目標物體的中心點坐標轉(zhuǎn)換為機器手坐標系下的坐標，確定目標貨物的抓取位置，控制器控制機械手末端到達目標抓取位置，對貨物進行抓取。

2.2 文字識別

文字識別就是通過視覺設備識別出圖形中所包含的文字信息[20]。文字圖像的辨識原理如圖4所示。其各部分功能如下：

1）光電轉(zhuǎn)換檢測部分的功能是將圖像中的文本內(nèi)容進行光電轉(zhuǎn)換過程，將圖像中所包含的文字信息的模擬量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成能夠傳輸?shù)臄?shù)字信息，以方便計算機對該信息進行處理;

2）文本分割是通過對圖像中的文本區(qū)域進行定位，將文本區(qū)域進行分割，從而識別出圖像中的文字區(qū)域，刪除沒有文字信息的圖像區(qū)域，減小圖像的檢測范圍，提高系統(tǒng)的實時性;

3）識別處理部分是對分離的文本圖像信息進行識別，提取出文本對應的數(shù)據(jù)信息，去除文字信息中的干擾部分，然后對文本圖像信息進行增強;

4）特征提取部分是將識別出的文字信號的又用信息進行提取和識別，為后續(xù)的文字識別提供模版數(shù)據(jù)。

通過文字識別方法可將貨物表面運單中的文字信息進行識別和提取，并將識別的文字信息上傳至控制器進行保存，控制器對文字信息中的物體名稱、種類和運送目的地等信息進行記錄和分類，按照認為預先設定好的分類和分揀標準，發(fā)送控制指令到分揀執(zhí)行機構(gòu)，將待分揀貨物抓取后送入相對應的傳輸通道，以實現(xiàn)貨物的分類分揀功能。

3 控制系統(tǒng)設計

該自動分揀系統(tǒng)可實現(xiàn)貨物的自動分類和分揀功能，在系統(tǒng)的運行過程中，系統(tǒng)可以實時的記錄貨物的特征和相關(guān)運單信息，實現(xiàn)實時分揀和記錄功能。

3.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件設備主要是由控制器PLC、變頻器和上位機以及相應的機械手組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示：

控制器PLC與變頻器和上位機之間有著密切的聯(lián)系，控制器作為整體系統(tǒng)的控制核心，對整體自動分揀系統(tǒng)進行控制，變頻器則主要是對運輸傳送帶的速度進行調(diào)控，上位機則是實現(xiàn)人與整個自動控制系統(tǒng)的人機交互，通過上位機，可以人為的對傳送帶的速度、分揀和分類的設定標準以及機械手的運行速度等進行人為的設定。同時上位機也可以實時的監(jiān)控整體自動分揀系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

自動分揀系統(tǒng)整體流程相對簡單，系統(tǒng)上電初始化后，首先是貨物通過傳輸系統(tǒng)將貨物運動到視覺傳感器的檢測位置，通過圖像識別的方法對貨物的特征信息和運單信息進行提取和識別，并將相關(guān)信息進行存儲，當貨物運輸至機械手所在的位置，控制器通過對視覺傳感器所采集的圖像信息進行處理，發(fā)送控制指令到運行控制器，實現(xiàn)對機械手的運動控制，控制機械手對貨物進行抓取和運轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對貨物的分類和分揀。當視覺傳感器沒有檢測到貨物信息時，系統(tǒng)會提示出報警信息，當機械手將貨物放置到錯誤的運輸通道時，系統(tǒng)會重新對該貨物進行分揀。整個系統(tǒng)的自動分揀系統(tǒng)的軟件設計流程如下圖6所示。

控制系統(tǒng)的程序主要包括以下三部分：

1）貨物信息檢測。當整個自動分揀系統(tǒng)上電運行后，首先是視覺傳感器對運輸帶上的待分揀物體進行圖像捕獲，采用圖像識別方法檢測和提取貨物的特征和對應的運單文字信息，當系統(tǒng)檢測到以上特征信息后，會自動的將這些特征信息保存在存儲器中，有利于貨物的下一步處理，貨物會繼續(xù)被傳送至機械手的位置，等待機械手的抓取。

2）機械手搬運。待分揀的貨物通過信息檢測環(huán)節(jié)，控制器針對檢測的貨物特征等信息選擇相對應的分類分揀準側(cè)，發(fā)送控制指令到機械手，當貨物通過傳輸帶運輸?shù)綑C械手的抓取范圍里，分揀機械手從傳送帶上提取待分揀的物件，將貨物根據(jù)要求分類，當檢測到貨物信息有誤的工件時，分揀機械手自動將其返回到傳送帶重新進行檢測，當再次檢測的信息有誤則會發(fā)出報警信息，使用人工進行分揀。

3）貨物入庫控制。貨物進行分類完畢之后，經(jīng)傳感器檢測到貨物，進行分裝入庫。入庫時應注意：應該將貨物放入到空的貨架位置，如果該層貨架沒有閑置空間，則將等待貨架上出現(xiàn)空余位置后，機械手再將貨物放入到與貨物的分類屬性相對應的指定的位置，以保證貨物的分類和分揀的正確性。

4 系統(tǒng)調(diào)試與運行

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控界面

自動分揀系統(tǒng)的上位機監(jiān)控界面是操作人員與整個自動分揀系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互的平臺，操作人員通過觀察監(jiān)控界面上顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)信息和運行狀態(tài)的變化，可以及時的了解整個自動分揀系統(tǒng)的運行情況。自動分揀系統(tǒng)的上位機監(jiān)控界面如下圖7所示。

自動分揀系統(tǒng)的監(jiān)控界面的功能是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可視化監(jiān)控，通過人為的部分參與或者不參與的方式控制整個自動分揀系統(tǒng)的運行。當系統(tǒng)的硬件設施準備就緒后，系統(tǒng)上電處于初始狀態(tài)，點擊上位機監(jiān)控界面中的“開始”按鈕，則分揀系統(tǒng)開始運行，整個系統(tǒng)按照預先設定好的程序運行，以此實現(xiàn)物流貨物的運輸、圖像采集、信息處理和存儲、分揀分類以及入庫的功能。

監(jiān)控界面中上方的一級分揀狀態(tài)，顯示的是整個分揀系統(tǒng)中總共有7個分揀通道，每個分揀通道當前的分揀狀態(tài)，當前該分揀通道是否正在運行的信息。監(jiān)控界面左下方的二級分揀狀態(tài)顯示的是貨物的特征信息，其中的種類表示的是預先設定的要提取的貨物的特征信息，通過數(shù)量和狀態(tài)可以實現(xiàn)對具有相同特征信息的貨物進行數(shù)量統(tǒng)計、并顯示目前該種貨物處于哪種運輸狀態(tài)。監(jiān)控界面右下方部分則顯示的是整體監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)情況，運輸、分揀、掃描和入庫的每個環(huán)節(jié)是否能正常運行，可以通過其后的圖標進行顯示，當圖標顯示為亮綠色，則表示對應的環(huán)節(jié)正常運行，當圖標顯示為紅色時，則表示該環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，需要及時修復。當整個分揀任務完成后，或者發(fā)生緊急故障時，點擊“停止”按鈕，可使得整個分揀系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)，或者發(fā)生緊急情況時，保障設備和人身安全。

4.2 準確率測試

由于使用視覺傳感器對貨物的特征信息進行采集，使用圖像處理方法得到相應的特征信息，實驗中對物流貨物中經(jīng)常使用的四個特征信息的識別準確率進行測試。

由圖8可知，隨著分揀貨物數(shù)量的逐漸增加，貨物特征信息的識別準確率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。由于貨物的名稱、顏色、種類和運送地址是一般物流行業(yè)中常用的檢測數(shù)據(jù)，因此對上述四種貨物特征信息進行識別準確率測試。從圖中可以看出，識別準確率最高的是貨物的顏色信息，然后是物體的種類、名稱。識別率最低的運輸?shù)刂?，這是由于一般的運輸?shù)刂分邪鄠€文字信息，所以在進行文字識別的過程中，出現(xiàn)誤識別的情況相對比較高。

4.3 分揀效率測試

自動分揀控制系統(tǒng)的整個分揀過程主要是通過機械設備來完成，人工只是對相應的程序參數(shù)進行預先設定或者處理緊急突發(fā)情況。下圖9所示為在相同的時間里，進行人工分揀和使用自動分揀系統(tǒng)進行物流貨物分揀的效率對比圖。

由圖9 可以看出，在相同的工作時間里，使用自動分揀系統(tǒng)進行物流貨物的分揀的效率要遠超過人工的分揀效率。由于人的體力會隨著工作時間的延長而逐漸消耗，工作效率會隨之降低，但是使用自動分揀系統(tǒng)進行貨物的分揀和分類，在沒有出現(xiàn)設備故障的情況下，自動分揀系統(tǒng)的分揀效率是不會有太大的變化。

從物流貨物的分揀效率和貨物特征信息識別的準確率兩個方面綜合進行比較，自動分揀系統(tǒng)的整體運行效率要遠超于人工分揀的方式。

5 結(jié) 論

社會經(jīng)濟的發(fā)展，為物流行業(yè)的快速發(fā)展提供了新的機遇，針對傳統(tǒng)物流行業(yè)采用人工進行貨物分揀方式的不足之處，文中提出了一種自動分揀控制系統(tǒng)，采用與機器視覺相結(jié)合的方式實現(xiàn)對貨物的快速分揀，在分揀的效率和準確率方面都會有明顯的提升。在此系統(tǒng)的設計過程中，運用了現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)、智能視覺識別技術(shù)和自動化手段，減少操作人員數(shù)量，降低了工人的勞動強度，可以有效提高物流行業(yè)的分揀效率。

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（編輯：王 萍）