電子商務(wù)背景下的快遞分揀系統(tǒng)優(yōu)化與仿真

葛 勇， 朱桃杏， 王冬梅， 任建新， 王 慧

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

一、引言

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)加劇，現(xiàn)代物流業(yè)越來(lái)越得到人們的關(guān)注。電子商務(wù)是商業(yè)貿(mào)易的電子化形式，對(duì)物流發(fā)展發(fā)揮巨大作用，電子商務(wù)的發(fā)展水平直接決定著物流的發(fā)展的理念、運(yùn)作的模式以及管理組織等方面的演進(jìn)方向[1]。快遞分揀作為快遞物流網(wǎng)絡(luò)中的重要環(huán)節(jié)，其配置的優(yōu)劣及運(yùn)作水平的差異會(huì)影響快遞企業(yè)的分揀成本、操作效率和服務(wù)質(zhì)量，進(jìn)而影響企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展。2018年7月13日，國(guó)家郵政局公布2018年上半年郵政行業(yè)運(yùn)行情況，這半年，全國(guó)快遞業(yè)務(wù)量完成220.8億件，同比增長(zhǎng)27.5%；業(yè)務(wù)收入累計(jì)完成2 745億元，同比增長(zhǎng)25.8%。近年來(lái)，我國(guó)快遞業(yè)務(wù)量仍處于增長(zhǎng)狀態(tài)，但增長(zhǎng)速度趨向于平緩。2016年快遞流通量約為22萬(wàn)件，2017年快遞流通量翻一番。2018年上半年，快遞流通量已突破600萬(wàn)件，2018年的“雙十一”交易額突破2 000億元?？爝f件的數(shù)量以驚人的速度持續(xù)增長(zhǎng)，龐大的快遞需求對(duì)快遞流通有了更高的要求。而電子商務(wù)物流的傳統(tǒng)運(yùn)作方式，大多是依靠人力操作，分揀效率低，誤差率高。現(xiàn)存的分揀系統(tǒng)面臨著巨大挑戰(zhàn)，分揀系統(tǒng)的功能優(yōu)化研究意義重大。

皇甫倩倩[2]基于經(jīng)典優(yōu)化算法并利用Matlab編程和Flexsim仿真，通過(guò)二次優(yōu)化的方式來(lái)幫助快遞企業(yè)找到提高快件分揀效率的思路和方案。謝鎖文[3]采用將Agent與UML相結(jié)合的物流分揀系統(tǒng)的建模方法以及Flexsim仿真方法，建立了分揀系統(tǒng)各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，完成了該分揀系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，并驗(yàn)證了所建分揀系統(tǒng)模型的可行性。邵明習(xí)[4]用Petri網(wǎng)的方法建立了物流配送中心仿真模型，并用物流仿真軟件AutoMod對(duì)物流分揀系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，找到仿真模型中的關(guān)鍵問(wèn)題所在。劉德寶[5]分析了多種分揀方式，并提出將復(fù)合式分揀應(yīng)用于卷煙的分揀。李慶磊[6]深入研究了物流中心的分揀策略，建立了基于EIQ模型和AHP的揀貨策略的體系。國(guó)外在快遞物流分揀方面的研究比國(guó)內(nèi)相對(duì)成熟一些，信息技術(shù)和分揀技術(shù)廣泛應(yīng)用，尤其是自動(dòng)分揀的應(yīng)用更加廣泛。物流仿真優(yōu)化普遍應(yīng)用在分揀方面，且已經(jīng)進(jìn)入到了快件分揀優(yōu)化的實(shí)施階段。由于我國(guó)快遞物流業(yè)起步相對(duì)較晚，且我國(guó)快遞企業(yè)之間沒(méi)有信息共享，各企業(yè)之間獨(dú)立發(fā)展，使我國(guó)快遞分揀落后，雖在快遞分揀技術(shù)上有了一定的研究，但多數(shù)使用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行研究，尤其在快件分揀仿真方面的應(yīng)用很少。

電子商務(wù)的快速發(fā)展增大了物流業(yè)的服務(wù)需求，同時(shí)給物流業(yè)帶來(lái)挑戰(zhàn)。物流效率是制約電子商務(wù)發(fā)展的重要因素。本文分析制約物流效率提高的關(guān)鍵因素是分揀效率，分揀系統(tǒng)的選擇是根據(jù)本地區(qū)快遞量決定的，不能盲目選擇全自動(dòng)分件系統(tǒng)，基于此思想，本文提出工作人員配合分揀設(shè)備完成分揀任務(wù)的思路。最后以SF速運(yùn)錦州中轉(zhuǎn)場(chǎng)為例，應(yīng)用Flexsim軟件仿真中轉(zhuǎn)場(chǎng)分揀流程，驗(yàn)證所提出方法的有效性。

二、電子商務(wù)對(duì)分揀系統(tǒng)的要求

近年來(lái)，物流和電子商務(wù)聯(lián)系日益密切，在這種消費(fèi)模式影響下，商業(yè)模式也發(fā)生翻天覆地的變化，給現(xiàn)代物流業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇。通過(guò)電子商務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物流、資金流、信息流的信息交換，在此商業(yè)模式下，電子商務(wù)的發(fā)展有效帶動(dòng)了物流服務(wù)需求，物流量實(shí)現(xiàn)了重大突破。我國(guó)電子商務(wù)交易額達(dá)29.16萬(wàn)億元，同比增長(zhǎng)11.7%。全國(guó)網(wǎng)上零售額達(dá)7.18萬(wàn)億元，同比增長(zhǎng)32.2%。電子商務(wù)服務(wù)業(yè)營(yíng)收規(guī)模達(dá)2.92萬(wàn)億元，同比增長(zhǎng)19.3%。海關(guān)驗(yàn)放跨境電子商務(wù)進(jìn)出口商品總額達(dá)902.4億元，同比增長(zhǎng)80.6%。

電子商務(wù)促進(jìn)物流業(yè)的發(fā)展的同時(shí)，也給物流分揀作業(yè)環(huán)節(jié)提出更高的要求。物流作為電子商務(wù)平臺(tái)的重要組成部分，物流的速度直接影響了電子商務(wù)用戶(hù)的體驗(yàn)，商品到達(dá)客戶(hù)的時(shí)間是客戶(hù)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。提高用戶(hù)滿意度一直是電子商務(wù)平臺(tái)的目標(biāo)，因此物流的效率直接影響了電子商務(wù)的發(fā)展，并且物流是決定電子商務(wù)活動(dòng)成功與否的關(guān)鍵因素之一。影響物流效率因素很多，但是分揀效率是最不可忽略的因素，中轉(zhuǎn)場(chǎng)是物流配送網(wǎng)絡(luò)的主干部分，是物流配送網(wǎng)絡(luò)的“神經(jīng)中樞”，負(fù)責(zé)整個(gè)分揀網(wǎng)絡(luò)中分揀和轉(zhuǎn)運(yùn)，它對(duì)快遞的分揀效率和服務(wù)質(zhì)量起著很大作用，物流效率的快慢很大程度上取決于分揀效率。

三、分揀系統(tǒng)描述及影響因素分析

電子商務(wù)與物流發(fā)展之間是相互依賴(lài)、相互促進(jìn)的關(guān)系。電子商務(wù)技術(shù)發(fā)展需要物流業(yè)高效的管理能力和優(yōu)質(zhì)的物流服務(wù)，物流的現(xiàn)代化為電子商務(wù)發(fā)展提供實(shí)體商品的運(yùn)輸、裝卸和儲(chǔ)存等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)[2]?？爝f分揀是快遞流通中的基本操作過(guò)程，也是快件物流分揀系統(tǒng)的基本組成單位。在電子商務(wù)背景下，面對(duì)不斷增加的快件分揀量、繁多的配送點(diǎn)、多樣的配送路徑、配送時(shí)間的縮短，以往的分揀系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在快遞市場(chǎng)的需求[7]，分揀系統(tǒng)效率提升迫在眉睫。

在SF速運(yùn)中轉(zhuǎn)場(chǎng)級(jí)別中，錦州中轉(zhuǎn)場(chǎng)為三級(jí)中轉(zhuǎn)場(chǎng)，輻射整個(gè)錦州市，覆蓋7個(gè)區(qū)(縣、市)。它是各營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)與二級(jí)中轉(zhuǎn)場(chǎng)的樞紐，主要承擔(dān)分揀的功能。目前物流企業(yè)中轉(zhuǎn)場(chǎng)和分揀中心機(jī)械化、自動(dòng)化水平低，小件(單件質(zhì)量不超過(guò)3 kg)適合傳送帶分揀，一方面可以提高機(jī)械化水平，提高分揀效率，另一方面，減少勞動(dòng)力，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，可以降低分揀成本。

錦州中轉(zhuǎn)場(chǎng)信息輸入過(guò)程為人工操作，把槍掃描快遞包裝表面的條形碼。接下來(lái)的工作是分包過(guò)程。根據(jù)建包規(guī)則可知，小件是置于包裹之中。分包過(guò)程就是將包裹內(nèi)的快遞全部取出，作為單件進(jìn)行下一步操作。然后是分貨過(guò)程。根據(jù)快遞的地址信息，將快遞分類(lèi)。完成分揀過(guò)程的仍然是人工操作。最后是發(fā)貨過(guò)程。將被分的快遞發(fā)往錦州市的各個(gè)營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)。具體流程圖如圖1。

圖1 分揀流程圖

電子商務(wù)時(shí)代的來(lái)臨，給全球物流帶來(lái)了新的發(fā)展，使物流在電子商務(wù)環(huán)境下具備了一系列新特點(diǎn):信息化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[8]。高效的物流必須有高度的物流自動(dòng)化。論文基于電子商務(wù)對(duì)現(xiàn)行分揀系統(tǒng)形成的壓力，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，分揀設(shè)施布局和操作人員的數(shù)量和負(fù)荷3個(gè)指標(biāo)設(shè)置與調(diào)整以判斷分揀系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。分揀系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是指一批快件從進(jìn)入分揀系統(tǒng)到離開(kāi)分揀系統(tǒng)所用時(shí)間，這是衡量分揀系統(tǒng)效率的重要指標(biāo)。SF速運(yùn)與其他快遞公司的最大的區(qū)別是速度快，這也是SF速運(yùn)的優(yōu)勢(shì)?？s短快件從寄方到收方的時(shí)間，這是企業(yè)一直追求的目標(biāo)。

瓶頸是衡量設(shè)施布局是否合理的外在表現(xiàn)。平衡各個(gè)環(huán)節(jié)，優(yōu)化分揀系統(tǒng)布局，在實(shí)際情況允許的情況下，消除“瓶頸”，確保物流流暢，最終提高工作效率。

分揀人員負(fù)荷是指一定時(shí)間內(nèi)分揀人員工作的忙閑程度，分揀人員數(shù)量是指完成分揀作業(yè)所需要的人數(shù)，以最少的人員，最低的工作強(qiáng)度，高質(zhì)量完成分揀作業(yè)。

目前，中轉(zhuǎn)場(chǎng)存在機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化水平低的問(wèn)題，導(dǎo)致分揀效率不高。尤其是購(gòu)物高峰期間，如“雙11”、“雙12”，易出現(xiàn)快遞積壓的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了快遞的物流效率。分揀系統(tǒng)的選擇要考慮本地區(qū)的快遞量，不能盲目選擇智能化分揀系統(tǒng)。智能化分揀系統(tǒng)分揀效率確實(shí)很高，但成本同樣很高，基于效益背反原理，本文主要考慮了錦州市的快件量，普通工人人均薪資水平，以及原有設(shè)施和場(chǎng)地面積，提出建立半自動(dòng)分揀系統(tǒng)。半自動(dòng)分揀系統(tǒng)是指工作人員輔助機(jī)械完成分揀任務(wù)，其釆用手工和機(jī)械設(shè)備相結(jié)合的分揀方式，發(fā)揮各自?xún)?yōu)點(diǎn)，將快件從運(yùn)輸載體卸載并運(yùn)往自動(dòng)傳送帶，然后由分揀人員根據(jù)快件標(biāo)識(shí)進(jìn)行手動(dòng)分揀，這種方式的分揀，初始投資相對(duì)較小。與目前機(jī)械輔助工作人員分揀的現(xiàn)實(shí)相比，半自動(dòng)分揀系統(tǒng)將節(jié)約大量人力資源，減少分揀誤差，提高分揀效率。盡管短期內(nèi)投資較大，但節(jié)約了大量人力，提高了分揀效率，從企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的角度看，建立半自動(dòng)分揀系統(tǒng)是必要的。

四、分揀系統(tǒng)建模仿真

經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，該中轉(zhuǎn)場(chǎng)每天啟動(dòng)分揀系統(tǒng)3次，本文以一次需要分揀的快遞量為例進(jìn)行仿真。共有13個(gè)流向，隨機(jī)調(diào)查了5天各個(gè)流向的快遞數(shù)量，每個(gè)流向的快遞量取平均值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且計(jì)算出每個(gè)流向占快遞總量的比例。詳細(xì)結(jié)果如表1。隨機(jī)統(tǒng)計(jì)了5天各個(gè)異?？爝f數(shù)量，并計(jì)算出異常件所占比例。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。隨機(jī)統(tǒng)計(jì)了5天小件快遞數(shù)量，并計(jì)算出小件所占比例。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3。

表1 流向比例表

表2 異常件數(shù)量比例表

表3 小件數(shù)量比例表

基于影響物流分揀效率因素分析，論文仿真目標(biāo)為縮短快件中轉(zhuǎn)時(shí)間，消除分揀作業(yè)流程中的瓶頸，優(yōu)化分揀系統(tǒng)布局，減少人力的參與，盡可能平衡操作人員的數(shù)量和工作強(qiáng)度。模型中用紅、綠、藍(lán)、黑等13種不同顏色的箱子表示13類(lèi)不同的產(chǎn)品，類(lèi)是根據(jù)快件收件人地址分的。在快件到達(dá)中轉(zhuǎn)場(chǎng)后，系統(tǒng)下達(dá)分揀指令，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，在貨物進(jìn)行分揀之前，進(jìn)行快件包裝檢查，包裝或標(biāo)簽出現(xiàn)問(wèn)題，則需要人工處理。若沒(méi)有問(wèn)題，進(jìn)行分包處理。最后快件根據(jù)地址進(jìn)入該進(jìn)入的托盤(pán)。

到達(dá)方式設(shè)置為到達(dá)時(shí)間表類(lèi)型，Quantity值設(shè)置為根據(jù)獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真數(shù)據(jù)。觸發(fā)器中顏色的臨時(shí)實(shí)體類(lèi)型為duniform(1，13)。異常處理區(qū)中僅有1%的快件需要人工處理，所需時(shí)間大約為10 min，且使用操作員加工。分包區(qū)中需要分包的占40%，通過(guò)修改代碼實(shí)現(xiàn)，分包區(qū)的加工時(shí)間約為1 min，最大容量設(shè)置為3。分揀區(qū)各個(gè)流向的數(shù)量依據(jù)計(jì)算值確定。傳送帶的速度為0.3 m/s，其余參數(shù)均為默認(rèn)值。

SourceInitialize對(duì)象的到達(dá)類(lèi)型設(shè)置為Arrive Schedule，本文將仿真運(yùn)行次數(shù)設(shè)置為25次。因?yàn)橄到y(tǒng)的終止點(diǎn)是完成指定任務(wù)，故將時(shí)間設(shè)置為一個(gè)大數(shù)，本文設(shè)置為1 000 000.00。

系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重復(fù)運(yùn)行25次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，分包區(qū)快件數(shù)量最少為183件，最多為242件，此處為“瓶頸”，此處需要優(yōu)化。完成最后一個(gè)快件的分揀任務(wù)，分揀作業(yè)結(jié)束。統(tǒng)計(jì)此時(shí)系統(tǒng)所運(yùn)行的時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，早上8點(diǎn)，有902件快件需要所用時(shí)間為5 319 s，約1.5 h。處理器86859利用率為95.91%，處理器代表分解包裹的過(guò)程，處理器1806利用率為68.22%，處理器代表快件處理的過(guò)程。統(tǒng)計(jì)工作人員的忙閑程度。通過(guò)DashBoard，分析30個(gè)工作人員的狀態(tài)圖，工作人員的工作強(qiáng)度差異很大，在工作人員安排方面有待優(yōu)化。在待分包的緩存區(qū)有大量快件積壓，出現(xiàn)“瓶頸”，這表明分包環(huán)節(jié)資源安排不合理，有待優(yōu)化。

表4 結(jié)果輸出表

分包區(qū)存在“瓶頸”，原始分揀區(qū)為人工分揀，分揀效率低，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。原有模型中，分包臺(tái)僅有1臺(tái)，分包通道也僅有1條，導(dǎo)致分包區(qū)出現(xiàn)快件聚集。解決方法有：一是增大工人強(qiáng)度，提高工作人員的工作速度。二是增加設(shè)備?？紤]工人的工作強(qiáng)度不宜增加，這與本文建模目的相悖，故本文采用方法二，增加設(shè)備，即增加一個(gè)分揀臺(tái)，兩條傳送帶。

分撿區(qū)優(yōu)化，分揀區(qū)是提高整體分揀效率的關(guān)鍵。分揀區(qū)的分揀設(shè)備發(fā)揮著重要作用，本文從傳送帶布置角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出新的傳送帶布置方式，傳送帶速度可提高至1 m/s。這必然會(huì)縮短分揀時(shí)間，提高分揀效率。優(yōu)化之處在傳送帶與貨車(chē)銜接部分，改進(jìn)后的傳送帶尾端與貨車(chē)的后車(chē)廂下端持平。減少了快件的垂直位移，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效降低了貨損程度。

優(yōu)化后的模型完成快件分揀作業(yè)所需時(shí)間為3 468 s。與優(yōu)化前5 319 s相比，運(yùn)行時(shí)間縮短了53.37%。模型優(yōu)化后，分揀區(qū)可以大量減少操作人員，且工作人員的工作強(qiáng)度也有所降低，操作員工作強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果如表5所示。通過(guò)仿真過(guò)程證明優(yōu)化后的模型“瓶頸”明顯改善。

表5 工作強(qiáng)度對(duì)比表

目前對(duì)于國(guó)內(nèi)B2C電商物流而言，需要處理的快遞表現(xiàn)出種類(lèi)繁多、訂單量大等特點(diǎn)，這就決定了每小時(shí)需要分揀的貨物量肯定要比其他行業(yè)大得多?？s短分揀作業(yè)時(shí)間，即減小系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是分揀系統(tǒng)效率提升的最關(guān)鍵手段。分揀流程也是流水線作業(yè)，必然存在“瓶頸”問(wèn)題，這也是制約分揀效率提升的重要因素。電子商務(wù)背景下的物流趨向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展，必然減少人員的數(shù)量。分揀系統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)化是分揀效率提升的動(dòng)力源泉。在電子商務(wù)環(huán)境下, 電子商務(wù)和物流協(xié)同發(fā)展需要高效的物流支持，電子商務(wù)服務(wù)的現(xiàn)代快遞業(yè)需要不斷結(jié)合行業(yè)特征和企業(yè)發(fā)展進(jìn)行業(yè)務(wù)流程優(yōu)化。

五、結(jié)論

由于電子商務(wù)與物流間密切的關(guān)系, 電子商務(wù)這場(chǎng)革命必然對(duì)物流產(chǎn)生極大的影響。這個(gè)影響是全方位的, 從物流業(yè)的地位到物流組織模式, 再到物流各作業(yè)、功能環(huán)節(jié)，都將在電子商務(wù)的影響下發(fā)生巨大的變化[10]。實(shí)現(xiàn)物流網(wǎng)絡(luò)的信息化，實(shí)體物流網(wǎng)絡(luò)也發(fā)生重大變化。中轉(zhuǎn)場(chǎng)作為實(shí)體物流網(wǎng)絡(luò)的重要結(jié)點(diǎn)，在快遞運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)揮重要作用。但是分揀系統(tǒng)的改善必須基于原有分揀系統(tǒng)之上，并考慮本地區(qū)的快遞數(shù)量。本文研究中轉(zhuǎn)場(chǎng)現(xiàn)狀，從分包區(qū)和分揀區(qū)做出改進(jìn)，應(yīng)用Flexsim軟件仿真分析，驗(yàn)證了改進(jìn)方案模型系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間減少，瓶頸明顯改善，結(jié)構(gòu)布置更加合理，工作人員的工作強(qiáng)度有所下降。對(duì)機(jī)械化、自動(dòng)化水平低的中轉(zhuǎn)場(chǎng)、分揀中心設(shè)備規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

在未來(lái)的電子商務(wù)環(huán)境下，物流管理以時(shí)間為基礎(chǔ)，流轉(zhuǎn)效率更高，中轉(zhuǎn)場(chǎng)可以發(fā)揮倉(cāng)庫(kù)作用，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)零庫(kù)存；還可以作為多式聯(lián)運(yùn)的連接點(diǎn)，提高快遞運(yùn)輸效率。分揀系統(tǒng)效率提升是保障當(dāng)前背景下快遞業(yè)快速健康發(fā)展的重要條件。

(感謝石家莊鐵道大學(xué)研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目(YC2019037)對(duì)本文的資助)