郵包自動分揀系統(tǒng)的比較與選擇

文/柳智

一、交叉帶自動分揀

隨著電商的快速發(fā)展和普及，每天都會有數(shù)量龐大的郵包在各大快遞企業(yè)的物流中心經(jīng)分揀后運往對應(yīng)的目的地。由于手工分揀效率低、出錯率高，采用全自動分揀系統(tǒng)進行分揀已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。交叉帶分揀線由于運行速度快，在單位時間內(nèi)能夠分揀大量郵包，成為郵包自動分揀系統(tǒng)的業(yè)界標準選擇，圖1列示了交叉帶分揀線的平面布置。

交叉帶分揀線的效率計算公式較為簡單，分揀速度

其中：V表示分揀線體運行的速度；L表示橫向皮帶小車沿線體運行方向的長度（又稱節(jié)距）；a為橫向皮帶小車的利用比率，取決于上包系統(tǒng)與交叉帶運行節(jié)拍的配合，一般約等于85%。

可見，交叉帶分揀線在單位時間內(nèi)能夠分揀的郵包數(shù)量主要是由線體運行速度決定。這不難理解，因為在交叉帶分揀線上郵包與小車一一對應(yīng)，各小車是串行地帶動郵包運動，因此運行速度越快，分揀效率越高。通常交叉帶運行的速度在1.5米/秒，高的能達到甚至超過2米/秒，小車的長度通常在0.5米至0.8米之間，所以在上件系統(tǒng)能夠完美跟上交叉帶運行節(jié)拍的情況下，交叉帶分揀線的分揀效率往往能達到每小時10000個郵包以上。

如果在交叉帶分揀線的兩端設(shè)置上件系統(tǒng)，將交叉帶分揀線沿對角線分成上下兩邊來使用，如圖2所示，則公式（1）中表示的分揀效率理論上還可以翻倍，然而這樣做的代價是分揀的目的地數(shù)量將被減半。在接下來的討論中需要考慮目的地數(shù)量，因此不再討論這種將交叉帶分成兩邊使用的情況。

交叉帶分揀線的造價隨著目的地格口數(shù)量線性增加，而分揀速度主要由線體運行速度決定，要提高分揀速度，通常只能新建一條線。

二、目的地數(shù)量的重要性

目的地數(shù)量是目前考慮自動分揀系統(tǒng)時往往被忽視的一個因素，究其原因，是因為無論是手工分揀，還是過往出現(xiàn)的各種自動分揀系統(tǒng)，能夠分揀的目的地數(shù)量都十分有限，超過100個以上的目的地分揀系統(tǒng)的造價就已經(jīng)十分高昂。從交叉帶分揀線的結(jié)構(gòu)可以看出，這是一個串行的系統(tǒng)，每一輛小車需要經(jīng)過每一個分揀目的地對應(yīng)的格口，不論小車上是否還有郵包。分揀目的地（也就是分揀系統(tǒng)的格口數(shù)）增加時，交叉帶分揀線的線體長度對應(yīng)地線性增加，由此交叉帶分揀線的造價也大致線性增加。

圖1：交叉帶分揀線的平面布置

圖2：交叉帶分揀線分成上下兩邊來使用

由于目前分揀系統(tǒng)目的地格口數(shù)量不足，郵包在從出發(fā)地到目的地過程中，需要經(jīng)過多次分揀，這樣會顯著提高分揀費用，并導致郵包的在途時間、差錯率、破損率等升高。

各快遞公司網(wǎng)點數(shù)量如表1。例如申通在2017年底擁有24000個終端網(wǎng)點，如果用兩級分揀系統(tǒng)完成分揀的話，每級分揀系統(tǒng)理論上必須擁有個目的地。然而實際上申通擁有86個轉(zhuǎn)運中心，平均每個轉(zhuǎn)運中心服務(wù)24000÷86≈279個終端網(wǎng)點（以下稱為一個區(qū)域），這就意味著：

1. 跨區(qū)域流動的郵包需要經(jīng)過3次以上的分揀才能到達目的地網(wǎng)點

2. 區(qū)域內(nèi)流動的郵包不能集中到轉(zhuǎn)運中心來用自動分揀系統(tǒng)分揀，否則轉(zhuǎn)運中心的交叉帶自動分揀系統(tǒng)需要平均279個以上的目的地格口，這是非常龐大和昂貴的系統(tǒng)。而在支線網(wǎng)點分揀郵包往往意味著手工分揀，因為在支線網(wǎng)點建設(shè)大量小型自動分揀系統(tǒng)同樣不經(jīng)濟。

與此相對應(yīng)的，以注重時效和服務(wù)質(zhì)量著名的順豐，擁有多達334個轉(zhuǎn)運中心，每個轉(zhuǎn)運中心平均服務(wù)39個終端網(wǎng)點數(shù)，如果在每個轉(zhuǎn)運中心建立交叉帶自動分揀系統(tǒng)，只需一次自動分揀就可以把所有區(qū)域內(nèi)流動的郵包和流入本區(qū)域的外區(qū)郵包分揀到終端網(wǎng)點；然而跨區(qū)域郵包在出發(fā)時由于目的地較多（333個目的地），仍需要多次分揀或者建立龐大的多目的地分揀線。

不論是跨區(qū)域郵包的多次分揀，還是區(qū)域內(nèi)郵包的手工分揀，都意味著高昂的分揀費用和三率（延遲率、差錯率、破損率），這是在分揀系統(tǒng)目的地數(shù)量較少的情況下不得不接受的結(jié)果。在這樣的情況下，AGV技術(shù)的成熟并開始應(yīng)用于快遞郵包的分揀，為提高分揀目的地的數(shù)量帶來了曙光。

三、AGV分揀系統(tǒng)

AGV（Automated Guided Vehicle，自導引車輛）最初使用磁條或者色帶導航，用于工廠內(nèi)的固定路線的貨物搬運。二維碼導航的AGV出現(xiàn)后，開始用于貨到人式的商品分揀。AGV用于郵包分揀的案例較早可以在浙江立鏢為申通量身定制的分揀線上看到，如圖3。

AGV郵包分揀系統(tǒng)中，AGV通常沿網(wǎng)格路徑行走，系統(tǒng)效率分析如下：

設(shè)目的地數(shù)量S=a×A=a×k×N2，其中a為常數(shù)，代表單位面積可以布置的格口數(shù)；

表1 ：幾家上市快遞公司2017年底網(wǎng)點數(shù)

圖4：Geek+與快倉推出的高位架設(shè)輥筒皮帶AGV

圖5：上海托華機器人AGV郵包分揀機

圖6：郵包行走路徑對比

表2 ：各系統(tǒng)優(yōu)劣勢比較

表3：七家上市快遞公司2017年度總分揀中心成本

投放一個郵包的平均耗時t=L/v，其中v為AGV的平均行駛速度，可以視為常數(shù)；

設(shè)AGV數(shù)量為n，可以推算系統(tǒng)分揀效率：其中e約為常數(shù)，等于

可見：

1.AGV分揀系統(tǒng)的分揀效率（速度）與小車數(shù)量成正比，與目的地數(shù)量的平方根成反比；

2.保持分揀速度不變的情況下，AGV分揀系統(tǒng)需要的小車數(shù)（或者造價）隨著目的地數(shù)量的平方根而增加。這一點與交叉帶分揀系統(tǒng)很不一樣，交叉帶系統(tǒng)造價隨著目的地數(shù)量線性增加，因此AGV分揀系統(tǒng)更適合用于多目的地分揀系統(tǒng)。

由于浙江立鏢的翻蓋式AGV過于矮小，低于投放郵包的目標貨框，需要搭建鋼制平臺將AGV架高，這意味著不菲的造價。其他廠家推出了高位架設(shè)輥筒皮帶或者翻板的AGV，避免了搭建鋼平臺，如圖4。

然而目前用于郵包分揀的AGV仍然存在兩個問題：一是一次只能攜帶一件郵包，二是投放郵包時需要停車，因此效率上比交叉帶分揀線仍有差距。

上海托華機器人設(shè)計的AGV郵包分揀機優(yōu)化了以上問題，具有以下特點（見圖5）：

AGV上設(shè)有多層架，可一次攜帶多件郵包（10～20件）；

AGV上帶有升降臺，可匹配各層郵包與投放目的地貨框的高度；

目的地貨框可以上下兩層疊放以節(jié)省場地面積。

圖6列示了AGV分揀時攜帶一件郵包與多件郵包在網(wǎng)格狀路徑下的行走路徑對比。

可見攜帶多件郵包的AGV行走路徑優(yōu)化是一個經(jīng)典的旅行商問題（Travelling Salesman Problem），這樣低城市數(shù)（10～20）的旅行商問題可以用現(xiàn)有的算法完美求解，因此多件郵包比單件郵包的分揀行走路徑可以通過優(yōu)化把效率提高數(shù)倍。

然而網(wǎng)格狀路徑只適用于大量分揀目的地的情況，目的地不多時還是建議AGV以固定巡回路線分揀，如圖7，這樣的效率更高，因為網(wǎng)格狀路徑雖然比固定路線的距離更短，但是大量的時間會浪費在轉(zhuǎn)彎、避讓上面，交通管制和調(diào)度的算法也復雜得多。為了使AGV分揀系統(tǒng)能夠接近于交叉帶分揀線的效率，應(yīng)該像交叉帶分揀線一樣采用固定巡回路線并且做到：1. 投郵包時不停車，行進中投放；2. 轉(zhuǎn)彎時不停車，弧線轉(zhuǎn)彎；當然這樣也對AGV的實時控制系統(tǒng)提出了較高的要求。

四、交叉帶與AGV分揀系統(tǒng)的對比

交叉帶分揀線較為成熟，在目的地較少時效率很高，但是同時造價也很高，每小時分揀12000件郵包、48個目的地的系統(tǒng)，進口的造價在千萬元以上，國產(chǎn)的已有500萬元造價的系統(tǒng)出現(xiàn)。下面以這些條件與AGV分揀系統(tǒng)進行對比，并且假設(shè)AGV與交叉帶一樣：1.按照如圖8的固定巡回路線行走；2.不停車投包和轉(zhuǎn)彎；3.全自動上包（郵包裝載到AGV上）。

對于每次攜帶一件的單郵包AGV，假設(shè)AGV每秒鐘可以走過一個投放點（也就是目的地格口）的距離，考慮兩邊都有格口，AGV巡回路徑的長度約為30米，遍歷48個格口的時間約為24秒，再加上上包的3秒，投放每件郵包耗時27秒，因此每小時分揀12000件郵包需要12000×27÷3600=90臺AGV。假如每臺單郵包AGV的綜合造價為3萬元，則系統(tǒng)造價為270萬元?？紤]到30米長的巡回路徑如果不過于擁擠的話，最多能擺放10臺機器，因此90臺AGV需要9條巡回路徑才能擺下，所以巡回路徑需要復制9次，對應(yīng)的48個格口也需要復制9次，AGV分揀的場地需要放大到9倍。

圖8：全自動上包機械手與交叉帶分揀線配合

對于攜帶多件的多郵包AGV，情況有所不同，假設(shè)車上最多可攜帶18件郵包，升降臺上下取出每件郵包的時間為5秒鐘，則AGV遍歷所有格口的時間不應(yīng)該短于90秒，否則大部分時候AGV需要停車等待升降臺取出郵包，發(fā)揮不出效率。因此如果場地很狹小，只能容納48個格口，則不應(yīng)該采用多郵包AGV系統(tǒng)。假設(shè)場地允許，則可以布置行走時間為120秒的路徑，假設(shè)AGV每秒走過一個投放點，因為兩邊都有格口，而且是上下兩層疊放，所以120秒的時間內(nèi)AGV可以遍歷480個格口。為了與前述交叉帶和單郵包AGV的48個目的地對比，周期性地將48個目的地在480個格口間重復布置，將每10個格口與1個目的地綁定，則AGV的分揀效率為（120秒遍歷格口+6秒上包）÷18件=7秒/件；考慮到有時裝載不了18件郵包、停車等待升降臺取包等效率損失的情形，設(shè)AGV分揀效率為10秒/件，則每小時分揀12000件郵包需要12000×10÷3600=33臺AGV。假如每臺多郵包AGV的綜合造價為10萬元，則系統(tǒng)造價為330萬元。

以上是對于48個目的地而言。如果要求分揀系統(tǒng)有480個目的地，而分揀速度保持不變，則：

對于交叉帶分揀線來說，造價隨著目的地的數(shù)量線性增加，10倍目的地意味著系統(tǒng)造價達到數(shù)千萬元；

對于單郵包AGV系統(tǒng)來說，造價及占地面積都隨著目的地數(shù)量的平方根而增加，要保持分揀速度不下降，10倍目的地意味著系統(tǒng)造價變?yōu)?/p>

對于多郵包AGV系統(tǒng)來說，造價仍為330萬元，占地面積也保持不變。

因此可見，AGV分揀系統(tǒng)除了顯而易見的靈活可擴展的優(yōu)勢外，還具有顯著的成本優(yōu)勢，而多郵包AGV分揀系統(tǒng)在目的地數(shù)量增加的時候，具有更顯著的優(yōu)勢；交叉帶分揀系統(tǒng)在場地極為狹小的時候具有優(yōu)勢。各系統(tǒng)優(yōu)劣勢比較如表2，數(shù)字為大約估計，僅為比較目的。

五、全自動上包系統(tǒng)

將郵包裝載到分揀線上的動作稱為上包，上包系統(tǒng)對于分揀系統(tǒng)的效率影響很大，目前交叉帶分揀線雖然有自動上包機，但仍然需要人工將郵包放置在上包機上。上海托華機器人為此設(shè)計了全自動上包機械手（如圖8），能夠做到取代自動上包機與人工上包：

1. 自動逐個抓取傳送帶上面的郵包；

2. 全方位掃描郵包，不論條碼貼在哪個面，都能讀取到；

3. 自動稱重；

4. 把郵包放置在交叉帶上時自動加速到與交叉帶速度相同，以避免郵包翻滾。

圖9：全自動上包機械手與單郵包AGV分揀機配合

圖10：全自動上包機械手與多郵包AGV分揀機配合

全自動上包機械手也能為AGV分揀機上包，在為多郵包AGV分揀機上包時，設(shè)有郵包暫存架，上包機械手先把郵包放在暫存架上，多郵包AGV過來上包時，可以一次完成18個郵包的上包，如圖11和圖12。

六、構(gòu)建多目的地的全自動分揀系統(tǒng)

提高分揀系統(tǒng)的目的地數(shù)量對于推動快遞行業(yè)的發(fā)展大有助益，下面以申通為例，通過具體數(shù)據(jù)構(gòu)建多目的地全自動分揀系統(tǒng)，并對此進行分析。如果采用上海托華機器人的多郵包AGV分揀系統(tǒng)，可以設(shè)計如下分揀體系：

假設(shè)每個目的地貨框（格口）大小1m2，上下兩層疊放，貨框占場地總面積的40%，通道及其他輔助面積占面積的60%，則平均每個格口占地1.25m2，一個6000m2的分揀場地，可以設(shè)置4800個格口；

4800個格口可以如下分配。設(shè)10條并行分揀線，每條線480個目的地，其中：279個目的地分配給區(qū)域內(nèi)終端網(wǎng)點，85個目的地分配給跨區(qū)域轉(zhuǎn)運中心，116個目的地機動，分配給流量最大的目的地，提高其分揀速度；

布置100臺多郵包AGV分揀機，50臺自動上包機械手，20臺搬運AGV用于更換格口貨框。

由前面的分析可知，每臺多郵包AGV分揀機每小時可分揀360個郵包，該系統(tǒng)每小時可分揀36000個郵包至480個目的地，申通在2017年日均分揀約1000萬個郵包，如果都集中到轉(zhuǎn)運中心來分揀、且跨區(qū)域的郵包占總郵包量50%的話，每個轉(zhuǎn)運中心每天需要分揀1000÷86×(1+50%)≈18萬個郵包，采用上述系統(tǒng)可以在5個小時內(nèi)分揀完。如果高峰日是日均郵包量的6倍，則上述系統(tǒng)可以在30個小時內(nèi)分揀完畢；如果需要提升高峰日的分揀能力，只需要放入更多的AGV。因此多郵包AGV分揀系統(tǒng)能輕松應(yīng)對日常的分揀需求，即使遇上“雙11”這樣的高峰日，也能在1天多的時間里消化完畢，不至于造成爆倉危機。

多達數(shù)百個目的地的AGV全自動分揀系統(tǒng)有著以下顯著的優(yōu)勢：

區(qū)域內(nèi)郵包可以集中起來用自動分揀系統(tǒng)一次分揀到終端網(wǎng)點；

跨區(qū)域郵包可以到了目的地轉(zhuǎn)運中心與該區(qū)域出發(fā)的郵包混合分揀，不需要專門開線分揀；

分揀線可以長期連續(xù)分揀，隨到隨揀，目的地與格口不需要切換，分揀前不需要區(qū)分去往區(qū)域內(nèi)還是去往區(qū)域外的郵包；

可隨時擴展，流量高峰日可以方便地增加AGV數(shù)量擴充分揀能力；

成本低廉，按照上海托華機器人提供的每臺AGV或機械手10萬元的綜合實施成本估算，上述系統(tǒng)100臺多郵包AGV分揀機+50臺自動上包機械手+20臺搬運AGV的系統(tǒng)成本在1700萬元，加上其他輔助設(shè)施，每個轉(zhuǎn)運中心的自動分揀系統(tǒng)的成本不過2000萬元。

如果申通使用多郵包AGV分揀系統(tǒng)對所有86個轉(zhuǎn)運中心進行自動分揀系統(tǒng)升級，總投入不到20億元，表3列出了各上市快遞公司2017年度在總分揀中心的成本。

未見披露分揀中心成本的快遞公司2017年報中，對于分揀中心有如下表述：

順豐：報告期投資額，分揀中心9.8億元，僅次于飛機的投資額16.8億元；

韻達：2017年完成投資，分揀中心7.2億元，本次募集資金總額39.1億元中計劃用于轉(zhuǎn)運中心自動化升級項目的為20.5億元；

申通：報告期投資額，轉(zhuǎn)運中心4.7億元；

百世：截至2017底, 擁有47條自動化分揀線，6月份平均每天處理240萬郵包，“雙11”時達到450萬郵包的日峰值能力。這些自動化分揀線分揀準確率能達到99.5%，每條線每小時能分揀12000件，顯著高于手工分揀。

由于分揀中心的成本主要由人力成本構(gòu)成，全自動分揀系統(tǒng)能夠帶來人力成本的大幅降低，可以預見AGV全自動分揀系統(tǒng)的投入成本能夠在2-3年內(nèi)回收。同時，全自動分揀系統(tǒng)避免了人工分揀的差錯和野蠻分揀的發(fā)生，可以有效地降低三率（延遲率、差錯率、破損率），顯著提升快遞行業(yè)的服務(wù)質(zhì)量。