分拣系统设计与仿真论文.doc

烟台邮政速递物流EMS分拣系统的设计与仿真石延光摘 要 随着网络信息技术的快速发展与应用，网上购物被越来越多的人接受和应用，与之相对应的快递行业也如雨后春笋般快速兴起，圆通、申通和顺风速递等一大批快递行业悄然兴起，并快速占领市场。而作为中国最大的速递物流企业中国邮政速递物流股份有限公司，一直占据着龙头老大的位置。众所周知，快递行业很重要的一个环节就是分拣，中国邮政速递物流在很大程度上得益于他的分拣系统。关键词：EMS 分拣系统 AbstractWith the rapid development and application of network information technology, online shopping is more and more people accept and applications, corresponding to the express delivery industry have mushroomed rapid rise, the the tact STO and downwind express a large number of courier industry quietly rise, and gain market share quickly. As the largest express delivery logistics enterprises in China - China Post Express Logistics Co., Ltd., has been dominated by the position of the leader. As we all know, very important aspect of the courier industry is sorting, China Post staff in large part due to his sorting system.Keywords: EMS sorting system1.1 EMS简介与规模中国邮政速递物流股份有限公司（简称中国邮政速递物流Express Mail Service）是经国务院批准，中国邮政集团于2010年6月联合各省邮政公司共同发起设立的国有股份制公司，是中国经营历史最悠久、规模最大、网络覆盖范围最广、业务品种最丰富的快递物流综合服务提供商。 中国邮政速递物流在国内31个省（自治区、直辖市）设立全资子公司，并拥有邮政货运航空公司、中邮物流有限责任公司等子公司。截止2010年底，公司注册资本80亿元人民币，资产规模超过210亿元，员工近10万人，业务范围遍及全国31个省（自治区、直辖市）的所有市县乡（镇），通达包括港、澳、台地区在内的全球200余个国家和地区，营业网点超过4.5万个。烟台邮政速递物流就是其中的一家子公司。中国邮政速递物流主要经营国内速递、国际速递、合同物流、快货等业务，国内、国际速递服务涵盖卓越、标准和经济不同时限水平和代收货款等增值服务，合同物流涵盖仓储、运输等供应链全过程。拥有享誉全球的“EMS”特快专递品牌和国内知名的“CNPL”物流品牌。 中国邮政速递物流坚持“珍惜每一刻，用心每一步”的服务理念，为社会各界客户提供方便快捷、安全可靠的门到门速递物流服务，致力于成为持续引领中国市场、综合服务能力最强、最具全球竞争力和国际化发展空间的大型现代快递物流企业。1.2 EMS的业务EMS主要包括速递业务和物流业务，此外还有鲜花礼仪和蛋糕派送等多种业务。EMS分拣系统在整个速递业务中占有至关重要的地位。2.1 分拣系统概述2.1.1 分拣作业的概念及重要性分拣作业就是将用户所订的货物从保管处取出，按用户分类集中、处理放置。分拣、配货及送货是配送中心的主要职能，而送货是在配送中心之外进行的，所以分拣配货就成为配送中心的核心工序。随着货品经济的发展，用户需求向小批量多品种方向发展，配送中心配送货品的种类和数量将急剧增加，分拣作业在配送中心作业中所占的比例越来越大，是最耗费人力和时间的作业。分拣作业的效率直接影响着配送中心的作业效率和经营效益，也是配送中心服务水平高低的重要因素。2.1.2 适用条件二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，因此，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：一次性投资巨大自动分拣系统本身需要建设短则4050米，长则150200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，动辄2万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建34层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的搬运设施，这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。这种巨额的先期投入要花1020年才能收回，如果没有可靠的货源作保证，则有可能系统大都由大型生产企业或大型专业物流公司投资，小企业无力进行此项投资。对商品外包装要求高自动分拣机只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的商品。袋装商品、包装底部柔软且凹凸不平、包装容易变形、易破损、超长、超薄、超重、超高、不能倾覆的商品不能使用普通的自动分拣机进行分拣，因此为了使大部分商品都能用机械进行自动分拣，可以采取二条措施：一是推行标准化包装，使大部分商品的包装符合国家标准；二是根据所分拣的大部分商品的统一的包装特性定制特定的分拣机。但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的，定制特写的分拣机又会使硬件成本上升，并且越是特别的其通用性就越差。因此公司要根据经营商品的包装情况来确定是否建或建什么样的自动分拣系统。2.13自动分拣系统的组成及各部分的作用自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。以上四部分装通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分系统。1、控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商该进入哪一个分拣道口。2、分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经该装置时，该装置动作，使其改变在输送装置上的运行方向进入其他输送机或进入分拣口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。3、输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品鱼贯通过控制装置、分类装置，并且输送装置的两侧一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。4、分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。2.2分拣输送系统分拣输送系统是将随机的、不同类别的、不同去向的物品，按其要求进行分类（按产品类别或产品目的的不同分）的一种物料搬运系统。一般而言，拣货作业所需人力占物流中心人力资源的50%以上；拣货作业所需时间占物流中心作业时间的40%；拣货作业的成本占物流中心总成本的15%-20%。2.2.1 输送机械1.输送机械的特点 （1）可以以不间断连续、稳定的流水方式搬运货物。即装货、输送、卸货均连续进行，不必因空载回程而引起运货间断。 （2）沿固定的路线输送货物，动作单一，故结构简单，便于实现自动控制。（3）通用性较差，每种机型只适用一定类型的货种，一般不适用于运输重量很大的单件物品。（4）大多数连续输送机不能自行取货，因而需要采用一定的供料设备。（5）具有积存性。2. 输送机械的作用 （1）在现代物流系统中，输送机械具有把各物流站衔接起来的作用。 （2）输送和装卸是物流不同运动阶段之间互相转换的桥梁。 （3）在操作区域，输送设备起着人与工位、工位与工位、加工与储存、加工与装配之间的衔接作用，具有物料的暂存和缓冲功能。22.2 分拣作业信息 在物流过程中，物流信息附着在物流单元上，分拣作业是在分拣信息的引导下，通过查找货位、拣取和搬运货物，并按一定的方式将货物分类、集中。分拣作业信息是分拣作业的命令。1. 分拣作业信息的内容分拣作业信息是对用户的订单要求进行加工后产生的，包括以下几点：（1）基本部分，包括每种货物的品名、规格、数量，订单要求的货物总量，货物发送单位要求等；（2）主要部分，包括货物储位、拣货集中地、储备货物的补货量、储备货物的储存、补货登记等；（3）附加部分，包括货物的价格、代码和标签、货物的包装、货物发送单元的可靠性要求、发送货物单元的代码和标签。 2.分拣作业信息的载体 分拣信息的载体可以是以下几种：（1）传票。这是直接利用订单或公司的交货单来作为拣货指示。（2）拣货单。把原始的用户订单输入计算机进行拣货信息处理后，打印出来的方式。这种方式的优点是避免传票在拣货过程中受污损，并能把产品储位编号显示在拣货单上。（3）条形码。条形码经过扫描、计算机解码，把“线条符号”转变成“数字号码”。2.3 拣选作业的流程（1） 拣选作业的一般流程配送中心内分拣系统的流程如图2-1所示。它包括了两种分拣方式，其中下部流程为按单拣选分拣作业流程，上部为批量拣选分拣流程。不管采用那种分拣方法，都包括在仓库或保管货架内进行拣选的环节。分货发货检验拣货保管货架补充仓库 （分货式） （拣选式） 图2-1 分拣作业流程 拣选的方式通常有两种，即按单拣选和按品种拣选。一般按品种拣选，从货架分拣完毕为一次操作，之后还进行分货作业，即为二次操作。这种方式拣选的人力虽可减少，但其后的分货作业，又增加了人力，因此，省力效果不大。近年来用户需求品种越来越多，为提高效率，解决劳动力不足，各种效率更高的按单拣选方式被开发出来，例如拣选指示系统，拣选小车等，对小批量的用户也可以高效、准确地出库，因此按品种的拣选方式的应用就逐渐减少了。（2） 拣选作业过程拣选作业过程如图2-2所示，由生成拣货资料、行走或搬运、拣取和分类与集中几个环节组成。生成拣货资 料行走或搬运拣取分类与集中图22 拣选作业过程1)拣选资料的形成拣选作业开始之前，指示拣选作业的单据或信息必须先行处理完成。虽然有些配送中心直接利用顾客的订单或公司的交货单作为人工拣选指示，但因此类传票容易在拣选作业中受到污损导致错误发生，同时无法指示产品的货位，引导拣选员缩短拣选路径，所以必须将原始的传票转换成拣选单或电子信号，以使拣选员或自动拣取设备进行更有效率的拣选作业。2） 行走或搬运 进行拣选时，要拣取的货品必须出现在拣选员面前，可以通过以下两种方式实现：a.人至物方式 b.物至人方式 c.无人拣取方式 3）拣取当货品出现在拣取者面前时接下来的动作便是抓取与确认。确认的目的是为了确定抓取的物品、数量是否与指示拣选的信息相同。实际作业中都是利用拣取员读取品名与拣选单做对比。比较先进的方法是利用无线传输终端机读取条码由计算机进行对比，或采用货品重量检测的方式。准确的确认动作可以大幅度降低拣选的错误率，同时也比出库验货作业发现错误并处理来得更直接而有效。4） 分类与集中由于拣取方式的不同，拣取出来的货品可能还需按订单类别进行分类与集中，拣选作业至此告一段落。分类完成的每一批订单的类别和货品经过检验、包装等作业然后出货。2.4 拣选作业方法2.4.1 拣选作业的分类配送中心拣选的种类，随着科学技术的发展也在不断的演变，拣选作业的种类也越来越多。拣选方式可以从不同的角度进行分类：按订单的组合可以分为按单拣选和批量拣选;按人员组合，可以分为单独拣选方式和接力拣选式；按运动方式，可以分为人至货前拣选和货至人前拣选等；按拣选信息的不同又可以分为拣选单拣选、标签拣选、电子标签拣选、RF拣选等很多种。各种拣选方式之间的关系如图23所示。 单独拣选方式 接力拣选方式 标签拣选方式按单拣选（摘取方式） 拣选单拣选方式电子标签拣选方式RF拣选方式IC卡拣选方式拣选作业批量拣选方式 接力拣选方式 标签拣选方式 拣选单拣选方式批量拣选（播种方式） 数字显示拣选方式 电子标签辅助拣选方式 RF拣选方式 IC卡拣选方式图23 拣选作业分类按单拣选即按订单进行拣选，拣选完一个订单后，再拣选下一个订单；批量拣选方式是将数张订单加以合并，一次进行拣选，最后根据各个订单的要求再进行分货。单独拣选方式即一人持一张取货单进入拣选区域拣选货物，直至将取货单中内容完成为止。人至货前拣选即人到储存区寻找并取出所需要的货物；货至人前拣选是将货物移动到人或拣选机旁，由人或拣选机拣选出所需的货物。2.4.2 拣选信息常见拣选信息传送方式有传票拣选、拣选单拣选、电子标签辅助拣选、TF辅助拣选、IC卡拣选与自动拣选等方式。（1） 传票拣选 传票拣选是最原始的拣选方式，直接利用客户的订单或公司的交货单作为拣选指示。依据顾客的订货单拣选，拣选员一面看着订货单的品名，一面寻找货品，拣选员需来回多走才可拣足一张订单。 （2）拣选单拣选 拣选单拣选是目前最常用的拣选方式，将原始的客户订单输入计算机后进行拣选信息处理，打印拣货单。 拣货单一般根据货位的拣货顺序进行打印，拣货人员根据拣货单的顺序拣货；拣货时将货品放入搬运器具内，同时在拣货单上作记号，然后再执行下一货位的拣货。 2.5 拣选策略 拣选策略是影响拣选作业效率的重要因素，对不同的订单需求应采取不同的拣选策略。决定拣选策略的四个主要因素是：分区、订单分割、订单分批及分类。这四个主要因素交互运用可产生多个拣选策略。 2.5.1 分区策略 分区就是将拣选作业场地作区域划分，按分区原则的不同，有以下三种分区方法。 （1）货品特性分区 货品特性分区就是根据货品原有的性质，将需要特别储存搬运或分离储存的货品进行区隔，以保证货品的品质在储存期间保持一定。 （2）拣选单位分区 将拣选作业区按拣选单位划分，如箱装拣选区、单品拣选区，或是具有特殊货品特性的冷冻品拣选区等。其目的是使储存单位与拣选单位分类统一，以便分拣与搬运单元化，使分拣作业单纯化。一般来说，拣选单位分区所形成的区域范围是最大的。 （3）拣选方式分区 不同的拣选单位分区中，按拣选方法和设备的不同，又可以分为若干区域，通常以货品销售的ABC分类为原则，按出货量的大小和分拣次数的多少做ABC分类，然后选用合适的拣选设备和分拣方式。其目的是使拣选作业单纯一致，减少不必要的重复行走时间。在同一单品拣选区中，按拣选方式的不同，又可分为台车拣选区和输送机拣选区。 2.5.2 订单分割策略 将订单按拣选区域进行分解的过程叫做订单分割。订单分割一般是与拣选分区相对应的，对于采用拣选分区的配送中心，其订单处理过程的第一步就是要按区域进行订单的分割，各个拣选区根据分割后的子订单进行分拣作业，各拣选区子订单拣选完成后，再进行订单的汇总。 2.6 系统分统 常见的分拣系统主要有蹲块式分拣系统、交叉带式分拣系统、斜导轮式分拣系统、摇臂式分拣机和垂直式分拣系统。 2.6.1 蹲块式分拣系统 堆块式分拣机由链板式输送机和具有独特形状的滑块在链板间左右滑动进行商品分拣的推块等组成。推块式分拣系统是由推块式分拣机，供件机，分流机，信息采集系统，控制系统、网络系统等组成。 1、可适应不同大小、重量、形状的各种不同商品； 2、分拣时轻柔、准确； 3、可向左、右两侧分拣，占地空间小； 4、分拣时所需商品间隙小，分拣能力高达18000个/时； 5、机身长，最长达110米，出口多。2.6.2 交叉带式分拣系统类别定义 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。 主要优点/性能参数 1、适宜于分拣各类小件商品，如食品、化妆品、衣物等。 2、分拣出口多，可左右两侧分拣。 3、分拣能力，一般达60007700个/时。 注：大型交叉带式分拣系统一般应用于机场行李分拣和安检系 分 类 根据作业现场的具体情况可分水平循环式或直行循环式。2.6.3 斜导轮式分拣系统 类别定义 当转动着的斜导轮，在平行排列的主窄幅皮带间隙中浮上、下降时，达到商品的分拣目的。 主要优点/性能参数 1、对商品冲击力小，分拣轻柔； 2、分拣快速准确； 3、适应各类商品，只要是硬纸箱、塑料箱等平底面商品； 4、分拣出口数量多。 4. 轨道台车式分拣机Pallet sorting system 被分拣的物品放置在沿轨道运行的小车托盘上，当到达分拣口时，台车托盘倾斜30度，物品被分拣到指定的目的地。 分 类 1、可三维立体布局，适应作业工程需要。 2、可靠耐用，易维修保养。 3、适用于大批量产品的分拣，如报纸捆，米袋等。2.6.4摇臂式分拣机被分拣的物品放置在钢带式或链板式输送机上，当到达分拣口时，摇臂转动，物品沿摇臂杆斜面滑到指定的目的地 主要优点/性能参数结构简单，价格较低。 26.5 垂直式分拣系统Vertecal Picking System 垂直式拣选系统(又称折板式垂直连续升降输送系统)是不同楼层间平面输送系统的连接装置。根据用途和结构的不同，有从某楼层分拣输送至某楼层；从某楼层分拣输送至不同的各楼层；从某楼层分拣输送至某楼层的不同出口方向。2.6.6 目前常用自动分拣系统世界知名的自动化物流系统集成商德国德马泰克开发的自动分拣系统及相关系统；丹麦的克瑞斯普兰（德国伯曼机械）的全自动分拣系统；深圳市天和双力物流自动化设备有限公司的自动分拣系统；康大基业电子标签拣货系统；上海邮政通用技术设备公司的交叉带式分拣机控制系统；壹比多系列电子分拣系统等等。3 烟台EMS分拣系统设计与仿真分拣系统的设计可从收寄环节、总包交接和业务流程等方面去设计。3.1收寄环节流程结构设计收寄环节完成邮件实物的汇集，并形成邮件的最初信息记录。在收寄局窗口需要配置RFID读写器和电子标签，收寄过程中每一个邮件粘贴唯一的一支电子标签，读写器读出标签的号码送入计算机，由操作者填入邮件种类、重量、日期、时间、投递局、寄达局等信息作为邮件的记录的不同字段，从而形成关于一个邮件的完整的原始记录，该记录送入邮政网络，作为信息查询和自动分拣的依据。在收寄环节，需根据业务量情况，准备数量较多的电子标签。RFID读写器需要使用单一读写方式，即每次只读取需要的电子标签。在收寄环节，还要根据业务情况，按照频次装袋，形成总包，因此需要在总包的原带牌位置加装一条记录总包全信息的电子标签，并生成与该电子标签相关联的邮件全部信息，并将此总包信息入网，送入邮件处理中心和邮局信息中心。总包袋牌的标签需采用可读写式，使之能将生成的总包信息写入标签。收寄环节必须使用单一读写方式，采用低频近距离射频识别系统。3.2总包交接流程设计3.2.1总包式交接在使用条码技术的分拣设备中，由于条码必需逐一进行读取，因此效率低下。同时在读取条码的过程中操作者需要对邮袋进行搬运作业，对总包袋牌进行整理，才能进行逐个扫描，劳动强度大。同时，由于限于生产条件的影响，总包袋牌在传递过程中容易造成条码污染、损毁，导致无法识读，必须手工键入条码数字进行信息识读，因而效率低下。采用RFID技术进行总包交接，可以使流程变得简单，减轻工人的劳动强度并极大地提高工作效率。采用流水作业方案，在总包接收处的输送皮带机上方设置固定式RFID读写器，总包在皮带机上经过时，读写器自动读出袋牌标签所记录的信息，并在数据库中自动完成勾挑核对，并将结果传人中心生产作业系统中，与从收寄局上传的接收路单信息自动进行核对，并以清单形式进行保存。对核对结果不符的邮袋利用光电方式进行提示，以便进行人工干预。另外，还可以采用集中读写方式，在总包交接入口处放置一台读写器，在总包配送汽车到达读取位置后，一次读取车中的所有总包袋牌标签。但就目前的射频识别技术而言，由于总包的堆积以及金属邮件的影响，集中读写方式的识别率不高，因此仍然需要大量人工干预。比较而言，采用单一读取方式更为可靠。图3-1是总包交接处RFID阅读器的安装位置。3-1 3.2.2总包交接方法通过接收环节的总包可以进入总包分拣系统进行分拣处理，或者直接进入开拆环节。对于直接进入开拆环节的总包，在开拆工序完成后，操作者需要将所开拆的总包袋牌的电子标签回收，这样做是为了标签的回收利用，降低成本。在总包交接环节，如果采用单一读写方式，应采用低频近距离射频识别系统，以防止邮袋连续通过阅读器的时候，邮袋信息的互相干扰。如果采用集中读写方式，则应选用高频远距离射频识别系统，这样使得读写器的阅读范围广泛，防止信息的丢失。但就目前的射频识别系统的可靠性而言，不推荐使用集中读写方式。因为标签信息能否可靠读取，与标签所处环境密切相关。3.3业务流程设计分拣过程业务流程设计的目的是通过合理规划业务处理工艺过程，提高分拣过程的可靠性，提高邮件处理的效率。同条码识别方式相比，采用RFID方式进行信息识别后，分拣系统的业务流程可以得到简化。在开拆环节，操作者打开总包后，RFID读写器以集中读写方式读取邮袋中的所有邮件，并通过检索数据库，进行邮件数量核对。若数量相符，则传送邮件进入分拣工位，如果数量不符，则系统提示具体的邮件缺失信息，操作者需逐一清点，并记录清点结果，然后邮件进入分拣环节。在分拣工序的供件环节，操作者的任务是摆放邮件，尽量防止邮件上电子标签的遮挡或覆盖，以提高识读率。在封发环节，根据业务种类，主要进行复核装袋、回收标签、出单操作。复核装袋的方法是采用手持式无线RFID读写器重新校验滑槽中的每一个邮件分拣信息的准确性，防止偶然因素引起的分拣差错。在复合装袋校验信息完成后需要将邮件上的电子标签收回，以保证电子标签的循环利用。出单操作主要是进行路单的打印。路单内容与采用条码的方式基本相同。3.4分拣系统仿真3.4.1建立仿真模型3.4.2摘果式分拣系统仿真与优化摘果式分拣系统的Flexsim 二维仿真布局及逻辑流程图 3.4.3运行仿真视频3.4.4仿真结果分析本设计以RFID技术的应用为前提，首次将RFID技术应用于邮件自动分拣过程，设计了基于RFID技术的邮件分拣模式。从散件收寄开始直至出口总包生成的全流程中用RFID方式取代条码方式，可以使分拣作业效率提高，