一種自動分揀系統的混合揀選策略

李建明 雷斌 溫樂/文

一種自動分揀系統的混合揀選策略

李建明 雷斌 溫樂/文

本文面向電子商務配送中心自動分揀系統的效率需求，提出了一種新型的混合揀選策略。針對訂單揀選作業，首先第一個訂單開始以自右向左的串行分揀策略進行揀選，第一個訂單全部分揀結束后，第二個訂單立刻開始以自左向右的串行分揀策略進行揀選，第二個訂單分揀結束后，第三個訂單立刻開始以自右向左的串行分揀策略進行分揀,依次交替進行分揀，直至所有的訂單全部分揀結束。仿真實驗結果證明了混合揀選策略對提高自動分揀系統效率的有效性。

自動分揀系統、混合揀選策略、揀選效率

目前，基于彈射裝置的自動揀選系統被廣泛應用于化妝品、煙草、醫藥等大型電子商務零售配送中心，其具有人工勞動成本較低、差錯率較低、揀選效率高等特點，適用于外觀比較規則、品種多的產品的拆零批量訂單的揀選。自動分揀系統有多種揀選策略，本文以一種類型的自動揀選機組成的自動分揀系統為研究對象，在單一串行揀選策略的基礎上提出新型混合揀選策略并建立作業時間模型，使用啟發式算法，最后通過實例仿真證明了混合揀選策略的有效性。

一、自動分揀系統組成和條件假定

自動分揀系統由自動分揀機、控制器、輸送帶、包裝機組成，如圖1所示。

訂單開始分揀時，每個自動分揀機根據用戶訂單需求數量、將品項依次彈射至輸送帶上，輸送帶將物品輸送至包裝機，包裝機按照訂單進行包裝。該系統對一批次的訂單采取串行順序揀選，即前一個訂單揀選結束后、并輸送出揀選機作業區后，才開始下一個訂單的揀選。

該系統的特點：①每個自動揀選機只分揀一個品項，并且不同自動分揀機揀選的品項不同；②貨物品項形狀規則、大小基本一致；③揀選過程中，不會出現缺貨，補貨充足；④輸送帶速度快并且穩定，貨物在輸送帶上不會出現堆疊現象；⑤包裝設備和輸送帶以及揀選機速度匹配。

二、混合揀選策略設計及揀選作業時間建模

1.自右向左順序揀選策略作業時間模型

自右向左順序揀選策略，是對訂單中貨物品項按照自動分揀機自右向左的順序逐一揀選。揀選流程圖，如圖2所示。

訂單揀選過程中，自動分揀系統最右側的非零品項首先開始彈射；并且根據當前正在揀選品項的開始揀選時刻和該品項的揀選數量，依次確定其左側非零品項的開始揀選時刻。當該訂單所有的品項貨物彈射完畢后，品項貨物在輸送帶上將按照其對應的自動分揀機的順序排列。等該訂單中最左側的非零品項輸送出揀選區，即最左側非零品項的最后一件貨物越過AB標示線后，下一訂單開始揀選。

此揀選策略下，總的訂單揀選時間由所有的單個訂單揀選時間構成。單個訂單揀選時間由該訂單中非零品項的貨物彈射的時間、相鄰非零品項揀選的間隔時間和揀選完該訂單輸送出揀選區域的時間構成。

假設一批訂單的總數為M，所包含的品項總數為N，并且分揀機的數量等于品項總數。由分揀流程可知，訂單中的任一個品項的開始揀選時刻由其前一個品項結束的時刻決定，也就是說訂單i中揀選機j的開始揀選時刻可以表示為式（1）。

式中， 為訂單i中分揀機j+1的結束揀選時刻； 規定為揀選機開始揀選時間與前一個揀選機結束揀選時間之間的間隔時間； 為決策變量，如式（2）。

任何一個揀選機的結束時刻等于該揀選機的開始分揀時刻和該揀選機的品項規定的全部貨物所需要的彈射時間，即為式（3）。

式中， 為揀選機彈射一個品項所需要花費的時間。

令 為訂單i的最遠端非零品項輸送出分揀系統的揀選區域所需要要花費的時間，則如（4）。

圖1：自動分揀系統組成結構圖

圖2：自右向左揀選流程圖

式中，為揀選系統中相鄰品項兩揀選機之間的間距； 為輸送帶的運行速度。

由公式（1）～(4)可得一批訂單的總揀選時間 為：

2.混合揀選策略設計及其作業時間模型

混合揀選策略為：在一批訂單中，第一個訂單按照上述自右向左的順序揀選策略揀選，第一個訂單最左側的非零品項揀選完畢后，第二個訂單直接開始揀選，但是揀選策略為自左向右的順序揀選策略揀選（該策略與上一策略剛好是逆向的），第二個訂單的最右側的非零品項揀選完畢后，第三個訂單按照第一個訂單分揀的策略進行分揀……兩種策略（自左向右分揀策略和自右向左分揀策略）交替使用，不用再像上面敘述，等上一個訂單的所有物品輸送出AB標示線下個訂單才開始分揀。揀選流程圖，如圖3所示

此揀選策略下，總的訂單揀選時間由所有的單個訂單揀選時間構成，單個訂單揀選時間由該訂單中非零品項的貨物彈射的時間、相鄰非零品項揀選的間隔時間構成。

由此可得一批訂單的總揀選時間為式（6）。

三、實例仿真與分析

為了驗證揀選策略的有效性，進行實例仿真。本研究采用某地市煙草配送中心的一個工作日的完整數據訂單進行仿真分析。該批訂單共有926個，涉及118種品項，卷煙揀選總的貨物量為50648條。自動分揀系統共需要揀選通道118個，輸送帶輸送速度為1m/s，揀選單個品項貨物所需時間為0.3s。

表1：兩種揀選策略用時對比

圖3：混合揀選策略作業流程圖

在windows 7 32位操作系統環境下，采用matlab 7.0對串行揀選策略和混合揀選策略進行仿真分析。表1為兩種揀選策略的仿真結果對比。

由表1可知，采用混合揀選策略時，所需要的時間明顯比采用串行揀選策略少。其中，串行揀選策略揀選速度為0.607321s/條，混合揀選策略下的揀選速度為0.444169s/條，總的揀選時間提高了8263.3s，比串行揀選策略下的總時間減少了27.2%。因此，在成本不變的情況下，該混合策略大大提高了分揀系統的分揀效率，提高了設備的利用率。

四、結論

在串行順序揀選策略的基礎之上提出了混合揀選策略，并建立了對應的時間模型，較大程度壓縮了訂單之間的間距，不僅提高了設備利用率，還提高了分揀系統的揀選效率。

本文僅研究了在自動分揀系統其他運行參數固定的條件下，揀選策略對自動分揀系統總揀選時間的影響，下一步應該進一步研究其他參數與分揀策略共同對自動分揀系統的分揀效率的影響。

作者單位為蘭州交通大學機電技術研究所