一種自動分揀系統(tǒng)的混合揀選策略

李建明 雷斌 溫樂/文

一種自動分揀系統(tǒng)的混合揀選策略

李建明 雷斌 溫樂/文

本文面向電子商務(wù)配送中心自動分揀系統(tǒng)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(yè)，首先第一個(gè)訂單開始以自右向左的串行分揀策略進(jìn)行揀選，第一個(gè)訂單全部分揀結(jié)束后，第二個(gè)訂單立刻開始以自左向右的串行分揀策略進(jìn)行揀選，第二個(gè)訂單分揀結(jié)束后，第三個(gè)訂單立刻開始以自右向左的串行分揀策略進(jìn)行分揀,依次交替進(jìn)行分揀，直至所有的訂單全部分揀結(jié)束。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了混合揀選策略對提高自動分揀系統(tǒng)效率的有效性。

自動分揀系統(tǒng)、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(tǒng)被廣泛應(yīng)用于化妝品、煙草、醫(yī)藥等大型電子商務(wù)零售配送中心，其具有人工勞動成本較低、差錯(cuò)率較低、揀選效率高等特點(diǎn)，適用于外觀比較規(guī)則、品種多的產(chǎn)品的拆零批量訂單的揀選。自動分揀系統(tǒng)有多種揀選策略，本文以一種類型的自動揀選機(jī)組成的自動分揀系統(tǒng)為研究對象，在單一串行揀選策略的基礎(chǔ)上提出新型混合揀選策略并建立作業(yè)時(shí)間模型，使用啟發(fā)式算法，最后通過實(shí)例仿真證明了混合揀選策略的有效性。

一、自動分揀系統(tǒng)組成和條件假定

自動分揀系統(tǒng)由自動分揀機(jī)、控制器、輸送帶、包裝機(jī)組成，如圖1所示。

訂單開始分揀時(shí)，每個(gè)自動分揀機(jī)根據(jù)用戶訂單需求數(shù)量、將品項(xiàng)依次彈射至輸送帶上，輸送帶將物品輸送至包裝機(jī)，包裝機(jī)按照訂單進(jìn)行包裝。該系統(tǒng)對一批次的訂單采取串行順序揀選，即前一個(gè)訂單揀選結(jié)束后、并輸送出揀選機(jī)作業(yè)區(qū)后，才開始下一個(gè)訂單的揀選。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)：①每個(gè)自動揀選機(jī)只分揀一個(gè)品項(xiàng)，并且不同自動分揀機(jī)揀選的品項(xiàng)不同；②貨物品項(xiàng)形狀規(guī)則、大小基本一致；③揀選過程中，不會出現(xiàn)缺貨，補(bǔ)貨充足；④輸送帶速度快并且穩(wěn)定，貨物在輸送帶上不會出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象；⑤包裝設(shè)備和輸送帶以及揀選機(jī)速度匹配。

二、混合揀選策略設(shè)計(jì)及揀選作業(yè)時(shí)間建模

1.自右向左順序揀選策略作業(yè)時(shí)間模型

自右向左順序揀選策略，是對訂單中貨物品項(xiàng)按照自動分揀機(jī)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(tǒng)最右側(cè)的非零品項(xiàng)首先開始彈射；并且根據(jù)當(dāng)前正在揀選品項(xiàng)的開始揀選時(shí)刻和該品項(xiàng)的揀選數(shù)量，依次確定其左側(cè)非零品項(xiàng)的開始揀選時(shí)刻。當(dāng)該訂單所有的品項(xiàng)貨物彈射完畢后，品項(xiàng)貨物在輸送帶上將按照其對應(yīng)的自動分揀機(jī)的順序排列。等該訂單中最左側(cè)的非零品項(xiàng)輸送出揀選區(qū)，即最左側(cè)非零品項(xiàng)的最后一件貨物越過AB標(biāo)示線后，下一訂單開始揀選。

此揀選策略下，總的訂單揀選時(shí)間由所有的單個(gè)訂單揀選時(shí)間構(gòu)成。單個(gè)訂單揀選時(shí)間由該訂單中非零品項(xiàng)的貨物彈射的時(shí)間、相鄰非零品項(xiàng)揀選的間隔時(shí)間和揀選完該訂單輸送出揀選區(qū)域的時(shí)間構(gòu)成。

假設(shè)一批訂單的總數(shù)為M，所包含的品項(xiàng)總數(shù)為N，并且分揀機(jī)的數(shù)量等于品項(xiàng)總數(shù)。由分揀流程可知，訂單中的任一個(gè)品項(xiàng)的開始揀選時(shí)刻由其前一個(gè)品項(xiàng)結(jié)束的時(shí)刻決定，也就是說訂單i中揀選機(jī)j的開始揀選時(shí)刻可以表示為式（1）。

式中， 為訂單i中分揀機(jī)j+1的結(jié)束揀選時(shí)刻； 規(guī)定為揀選機(jī)開始揀選時(shí)間與前一個(gè)揀選機(jī)結(jié)束揀選時(shí)間之間的間隔時(shí)間； 為決策變量，如式（2）。

任何一個(gè)揀選機(jī)的結(jié)束時(shí)刻等于該揀選機(jī)的開始分揀時(shí)刻和該揀選機(jī)的品項(xiàng)規(guī)定的全部貨物所需要的彈射時(shí)間，即為式（3）。

式中， 為揀選機(jī)彈射一個(gè)品項(xiàng)所需要花費(fèi)的時(shí)間。

令 為訂單i的最遠(yuǎn)端非零品項(xiàng)輸送出分揀系統(tǒng)的揀選區(qū)域所需要要花費(fèi)的時(shí)間，則如（4）。

圖1：自動分揀系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2：自右向左揀選流程圖

式中，為揀選系統(tǒng)中相鄰品項(xiàng)兩揀選機(jī)之間的間距； 為輸送帶的運(yùn)行速度。

由公式（1）～(4)可得一批訂單的總揀選時(shí)間 為：

2.混合揀選策略設(shè)計(jì)及其作業(yè)時(shí)間模型

混合揀選策略為：在一批訂單中，第一個(gè)訂單按照上述自右向左的順序揀選策略揀選，第一個(gè)訂單最左側(cè)的非零品項(xiàng)揀選完畢后，第二個(gè)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(gè)訂單的最右側(cè)的非零品項(xiàng)揀選完畢后，第三個(gè)訂單按照第一個(gè)訂單分揀的策略進(jìn)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(gè)訂單的所有物品輸送出AB標(biāo)示線下個(gè)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(shí)間由所有的單個(gè)訂單揀選時(shí)間構(gòu)成，單個(gè)訂單揀選時(shí)間由該訂單中非零品項(xiàng)的貨物彈射的時(shí)間、相鄰非零品項(xiàng)揀選的間隔時(shí)間構(gòu)成。

由此可得一批訂單的總揀選時(shí)間為式（6）。

三、實(shí)例仿真與分析

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

表1：兩種揀選策略用時(shí)對比

圖3：混合揀選策略作業(yè)流程圖

在windows 7 32位操作系統(tǒng)環(huán)境下，采用matlab 7.0對串行揀選策略和混合揀選策略進(jìn)行仿真分析。表1為兩種揀選策略的仿真結(jié)果對比。

由表1可知，采用混合揀選策略時(shí)，所需要的時(shí)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(shí)間提高了8263.3s，比串行揀選策略下的總時(shí)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(tǒng)的分揀效率，提高了設(shè)備的利用率。

四、結(jié)論

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

本文僅研究了在自動分揀系統(tǒng)其他運(yùn)行參數(shù)固定的條件下，揀選策略對自動分揀系統(tǒng)總揀選時(shí)間的影響，下一步應(yīng)該進(jìn)一步研究其他參數(shù)與分揀策略共同對自動分揀系統(tǒng)的分揀效率的影響。

作者單位為蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所