物流分揀設備的發(fā)展現(xiàn)狀與展望*

劉雨浩，費葉琦,2※，潘知瑤，張明宇，朱翔宇，張 豪，閆業(yè)斌

（1.南京理工大學紫金學院智能制造學院，南京 210046；2.南京林業(yè)大學機械電子工程學院，南京 210037；3.上海普密德自動化科技有限公司，上海 200240）

0 引言

近年來，由于網絡信息技術的高速發(fā)展和居民消費模式升級轉變，尤其是以電子商務為代表的新商務形式呈現(xiàn)出了井噴式發(fā)展。據中國物流與采購聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)據顯示，我國社會物流總額截至2020年底達到300.1萬億元，同比增長3.5%；物流企業(yè)收入達到10.5萬億元，同比增長2.2%[1]。商品流通趨向于小批量、多批次、高頻次發(fā)展。由此，快遞行業(yè)產生重構，為探究在如此高速下物流分揀設備的發(fā)展現(xiàn)狀，本文對國內外物流分揀設備進行了系統(tǒng)的調查總結，分析出目前我國分揀設備仍存在的問題并提出解決方案與發(fā)展趨勢，物流分揀設備或將隨著物流業(yè)的變革向大數(shù)據、物聯(lián)網、云計算等高新技術方向靠攏。

1 物流分揀設備發(fā)展現(xiàn)狀

我國在物流行業(yè)的發(fā)展相較國外發(fā)達國家還有很大差距，國外很多先進企業(yè)致力于開發(fā)和引進智能物流系統(tǒng)，不斷地加大資金投入和人才引進，同時將條碼識別技術、RFID信息識別技術，PLC、單片機等控制技術，無線網絡、無線通訊等技術以及各項監(jiān)控技術等應用于物流分揀系統(tǒng)中。智能化自動分揀系統(tǒng)具有分揀效率高、準確率高、無人化操作等特點，因此廣受各行業(yè)好評，同時也為我國物流系統(tǒng)提供了發(fā)展方向。

據統(tǒng)計，在傳統(tǒng)物流配送的所有作業(yè)中，分揀作業(yè)是投入成本最多的環(huán)節(jié)。分揀人員數(shù)量約占整個物流規(guī)劃的40%～50%，作業(yè)時間成本則占30%～40%，而分揀人工成本占物流配送中心總成本的15%～20%[2]?？v觀國外物流產業(yè)，智能分揀設備早已取得了相當規(guī)模的應用，其優(yōu)越性也備受關注。當前，我國物流分揀行業(yè)處在蓬勃發(fā)展階段，盡管也產生了獨特的智慧配送分揀體系，但應對于中小物流配送點的物流設施種類較少，利用率有待提升。

1.1 分揀設備特點及分類

分揀設備具有高自動化、高分揀效率、低誤差率等優(yōu)勢。智能分揀設備分揀速度可達6 000~12 000件/h，分揀能力遠大于人工操作分揀[3]。普通分揀工作人員無法在過高勞動強度下持續(xù)工作8 h以上，而自動分揀裝置能夠持續(xù)運行100 h以上，并不受天氣、時間等因素影響[4]，誤差率較小。

常見的分揀設備包括帶式分揀機、搖臂式分揀機、浮出式手動分揀機、橫向移岀型輻道手動分揀機、AGV分揀小車、托盤型手動分揀機和推塊型手動分揀機，物流分揀中心往往根據貨物種類、數(shù)量、經濟性等因素從中選擇更合適的分揀設備，以及在后續(xù)的產品研發(fā)過程中根據以上幾種類型的分揀設備進行創(chuàng)新優(yōu)化，設計研究出更符合當今時代背景的分揀機械。根據國內外現(xiàn)如今發(fā)展來看，分揀設備早已不是簡單的“人工搬運+傳送帶輸送”的模式，而是在順應互聯(lián)網大數(shù)據背景下快速發(fā)展。

1.2 分揀設備結構優(yōu)化發(fā)展

美國Cognex公司是率先使用機器人進行物流分揀的企業(yè)之一，基于傳統(tǒng)物流倉儲中心模式與視覺分析并搭配機器人手臂進行多種貨物的分揀。德國的LLOYD公司通過引入自動化輸送系統(tǒng)使生產力和效率提高了15%[5]。日本松川[6]也對物流分揀設備做出許多創(chuàng)新，例如使設備與信息數(shù)據進行連接，通過網絡共享，實現(xiàn)集約化分揀配送。德國DEMATIC公司利用AGV小車和手推塊式分揀機的組合，并運用計算機軟件對傳統(tǒng)分揀裝置加以優(yōu)化，建立集設備、分揀線路、大數(shù)據合一的現(xiàn)代分揀系統(tǒng)。

物流分揀設備工作中升降裝置需高頻率進行上下往復運動，其軸配合部位和機械臂孔處經常出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。趙廣輝[7]就剪叉式提升機進行結構分析，利用ANSYS進行虛擬仿真分析，對升降裝置可能出現(xiàn)故障的位置及故障方式進行預測，提出物流分揀機升降裝置的改進措施，對其他類型的分揀機械故障檢測方式提供思路。金從眾[8]就卷煙物流分揀中的如何降低勞動強度、減少人力投入問題，基于橫向推出機構設計了新型物流分揀設備導向裝置，使得卷煙分揀更加節(jié)約、高效。李昭等[9]設計了一種集分揀執(zhí)行機構與承接軌道機構一體的新型物流分揀裝置，并對其關鍵結構進行算法研究。該裝置能有效提高分揀效率，輔助現(xiàn)代化智能物流分揀體系的順利實施，也為同類產品的研發(fā)提供了一定的參考。申展瑞等[10]利用輸送帶、轉盤、滑軌、掃描儀、計數(shù)器、垂直汽缸、旋轉電機等系統(tǒng)進行組合，其中轉盤可以按照需求訂做型號，將轉盤上的小格與側方所代表區(qū)域對應，以此設計了一種新型的轉盤式貨物分揀設備。格蘭達物聯(lián)裝備[11]對分揀小車進行結構優(yōu)化，設計了一種新型立式分揀設備與定位系統(tǒng)，提高了分揀精度?？簾榌12]利用能收集進貨信息和出貨信息掃描器將信息轉換為電信號，然后傳導至PLC控制器，控制器從而將命令反饋至氣缸。此裝置運輸和分揀貨物過程中，不會發(fā)生滑出或者掉落現(xiàn)象，并且通過收集箱內的海綿橡膠材質可有效防止貨物被碰撞受損。

在智能化越來越發(fā)達的今天，物流分揀體系不僅是機械結構的更新?lián)Q代，同樣需要優(yōu)良的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化升級。

1.3 分揀設備控制系統(tǒng)發(fā)展

隨著世界經濟的快速發(fā)展，國內外物流分揀逐漸朝著自動化、信息化和網絡化發(fā)展。

以全球化的連鎖公司7-11便利店為例，7-11便利店憑借互聯(lián)網的實時資源共享，為供貨商及時整合信息資源，釆取“一日三配”模式迅速響應，其內部信息管理系統(tǒng)也可以做到信息有效協(xié)同，是目前世界配送分揀及信息管理系統(tǒng)中的高標準[13]。在全球的物流配送中還注重信息化和立體性庫存管理的融合，以亞馬遜公司為例，在全球亞馬遜物流配送中隱藏了一個巨大的IT體系[14]。利用開發(fā)分揀機器人、AGV分揀車輛、托盤、滑塊分揀機等自動分揀裝置來輔佐分揀員順利完成分揀作業(yè)。同時，信息系統(tǒng)在收到訂貨后對其經過分類數(shù)據處理，并模擬最優(yōu)的分揀路線，下發(fā)分揀命令，從而形成揀貨單，分揀設備及人員根據分揀貨單實現(xiàn)快速分揀。李超[15]研究了一種基于PLC和Profibus-DP總線的智能煙箱物流分揀交換系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多項檢測采集煙箱信息，利用總線完成系統(tǒng)多點控制，同時該系統(tǒng)可以通過觸摸屏達到人機交互，提高系統(tǒng)可靠性與二次開發(fā)性。肖洪云[16]利用圖像識別技術和激光掃描技術實現(xiàn)物流分揀，通過拍攝物流包裝的條形碼進行圖像識別與掃描，獲取快遞信息與包裝體積大小，驗證貨物識別信息與入庫信息一致性，并通過總線平臺上傳指令，進而驅動物流分揀設備進行分揀操作。經實驗，該系統(tǒng)分揀效率與信息匹配度雙高，適合我國物流企業(yè)使用。魏慶琦、陳金迪[17]采用NSGA-Ⅱ算法實現(xiàn)了分揀區(qū)域優(yōu)選，通過大量數(shù)據實測與傳統(tǒng)的不分割訂貨的分區(qū)揀選系統(tǒng)進行對比，并分析了區(qū)域數(shù)量、訂貨數(shù)量及其訂貨批量環(huán)境等對系統(tǒng)工作效率的影響，使倉儲中心的篩選時限縮短了43.88%，平衡度提升84.61%，位于國內前沿。陳廣會[18]發(fā)明了一種可自動糾錯的智能物流分揀系統(tǒng)，其系統(tǒng)可通過光電檢測、糾錯裝置和回收裝置解決物流分揀過程中的自動糾錯的技術問題。

通過對國外先進系統(tǒng)的學習分析，國內也慢慢研究出了一系列適用于本國形勢的物流分揀系統(tǒng)，引用多種控制方式，不僅能使設備的發(fā)展快速向國外高端產品靠攏，同時也加快了我國在程序研究領域的進步。

1.4 分揀設備創(chuàng)新化設計

隨著信息化商業(yè)時代的到來，物流行業(yè)也發(fā)生著革命性的改變。為進一步提升物流分揀體系，機器視覺、5G通信、VR等新技術也投入到物流領域中來。

機器視覺技術成為了近年來的研發(fā)熱點，并已被廣泛應用于新型智能貨物分揀裝置中。尚書玲[19]運用了小波包分析技術，對收集的貨物分揀圖像及行為特征進行提取，并通過計算機視覺模型，對物流中暴力分揀動作進行有效識別，以確保運輸商品的安全性。陳默[20]建立了基于視覺技術檢測破損快件的智能識別模型，通過分割法分割出圖像變換差值，由系統(tǒng)構建快件特征表、破損目標特征區(qū)域表，通過算法對不同類型的待識別快件進行破損識別，極大地提高了物流分揀過程中去除破損快件的智能化與自動化。張慧敏、王毅[21]通過機械視覺技術方式，利用雙目照相機的圖像原理，對各種放置姿勢的商品包裝都可以進行快速檢測，并利用匹配點對的視差值恢復圖像深度信號，從而求解出包裝桶的長寬高數(shù)值，進而達到對各種放置姿勢的商品進行尺寸計算。楊亞飛[22]借助四軸高精度機械臂，將雙目視覺識別與物流分揀系統(tǒng)相融合，利用雙目相機標定與圖像預處理技術對目標快遞的三維位姿解算，確定目標的中心位置，并利用測距數(shù)據對數(shù)據匹配點進行三維坐標恢復從而實現(xiàn)機械臂的抓取。該系統(tǒng)較其他搭載視覺識別的物流分揀系統(tǒng)而言更加精準。葉旺等[23]考慮到倉儲物流采用人工分揀經濟性較差，從而研究一種基于機器視覺的機械手分揀設備，利用工業(yè)相機、PC機和PLC控制器之間的通訊，對貨物進行拍照抓取。由于新冠肺炎對全球各行各業(yè)造成重大沖擊，物流行業(yè)也急需對快遞貨物進行防疫安全處理，在此背景下，Barnawi Ahmed等[24]機器視覺與物聯(lián)網技術，采用紅外熱成像處理技術，建立了針對于物流貨物包裝的病毒檢測系統(tǒng)，大大加強了物流防疫檢測安全性。

除此之外，高科、潘建輝[25]針對我國自動化倉儲物流系統(tǒng)中存在的出庫調度效率低下的問題，建立相應的自動倉儲物流系統(tǒng)模型進行優(yōu)化分析，采用啟發(fā)式計算方法對模型進行計算分析，從而實現(xiàn)對自動化倉庫出庫調動操作的順序優(yōu)化，促進倉儲系統(tǒng)出庫調度效率提升。葛虎、鄭琰[26]對5G網絡在物流分揀中的應用進行了總結性研究與分析，對5G時代的物流分揀發(fā)展趨勢作出了較為科學的設想。姚科等[27]設計了一種可以自動定位的物流分揀機器人，分揀機器人利用藍牙模塊接收貨物信息和二維碼掃描共同作用，實現(xiàn)自主定位功能。張闖[28]等人利用VR技術進行物流分揀仿真，模擬物流分揀實際或即將發(fā)生的運行狀況，并統(tǒng)計和分析測驗結果，為物流運作進行最切合實際的規(guī)劃。物流服務無人自動化配送將是社會智能化的未來方向，而哈奇智能[29]的物流服務自動化配送機器人hachi delight屬于面向社區(qū)、賓館、醫(yī)療場所等場合的終端物流服務自動化配送型設備，其功能涵蓋了“收運-暫存-遞送-提貨-反饋”的循環(huán)，以達到在封閉式場景內無人化配送。

物流產業(yè)變革，是市場需求與科技提升協(xié)同發(fā)力的結果。隨著電子商務、傳統(tǒng)零售逐步向新型零售過渡，特別是近年來智能制造領域快速升級發(fā)展，物流系統(tǒng)與零售體系、智能制造深入融合，物流配送的必要性更加突出。毋庸置疑，未來的物流分揀技術將由電商企業(yè)、快遞巨頭逐步擴展至更多產業(yè)融合發(fā)展的領域。

2 我國物流分揀設備存在的問題

就目前調研分析，我國在物流分揀設備的研究已具備一定的技術基礎，并形成我國特色的物流體系，但在物流市場發(fā)展、物流分揀設備生產研發(fā)方面，仍存在有一些亟需解決的問題。

2.1 與國際水平差異較大，技術含量較低

我國現(xiàn)有的一些物流分揀設備技術含量不高，而國外品牌已將很多先進技術應用在分揀設備上，如法國捷富凱公司，其物流產業(yè)搭載遠距離遙控技術(包括監(jiān)控)、自動柔性補償技術、激光切割技術、多維信息處理技術等成套生產線[30]。而國內大多包裝生產以單機為主，通用機型居多，技術含量低，能滿足多種類貨物統(tǒng)一分揀、高技術附加值高生產率的設備很少，且國內許多科技含量較高或高度精細化生產的分揀設備還處在研發(fā)或專利初級階段，故目前產品的主要問題體現(xiàn)在運行穩(wěn)定性和安全可靠性較差、設備造型單一、外表粗糙、基礎件和配套部件壽命較短、無故障性運轉時間太短。

2.2 設備利用率、覆蓋率低

目前仍有許多中小型物流分配點采用半自動、人工分揀方式，物流分揀設備在大部分地區(qū)還未普及。2020年，美國全自動物流生產線規(guī)模占比為91.37%，無人化物流分揀中心數(shù)量占倉儲物流總量的31.84%，全美僅有1.6%的倉儲中心還延續(xù)著“半自動+人工”的物流分揀模式[31]。而我國僅在部分一二線城市的大型倉儲配送中心采用全自動化物流分揀線，使用無人化分揀的也只有京東、天貓等電商巨頭。國內物流行業(yè)自動化程度較低，甚至有些地區(qū)仍采用傳統(tǒng)分揀設備或人工搬運的方式進行貨物分揀，因此，在物流分揀設備應用方面我國仍有巨大空缺。

2.3 缺乏核心技術研發(fā)

由于物流分揀機械設備的起步相比國外較晚，產品技術含量和智能化水平程度相對較低，在技術、工藝、材料等方面的運用還不夠廣泛。相比于國外市場，制造技術手段也比較落后，企業(yè)大都沿用了陳舊的普通機械設備或工藝流程，由于創(chuàng)新產品種類較少且研發(fā)周期比較長，還沒有開展過全面系統(tǒng)的技術探索研究過程，所以企業(yè)大多采取仿制，又或者需要耗費巨大的投資從國外引進技術比較先進的、分揀精度高、分揀效率較高的成套生產線。沒有創(chuàng)新能力和技術優(yōu)勢，使得多數(shù)的國內市場份額都被國外知名品牌所占據。所以培育技術人才顯得必不可少，這也是整個機械行業(yè)蓬勃發(fā)展的基礎所在。

3 物流分揀設備發(fā)展趨勢

我國物流機械形成行業(yè)已有20余年，這段時間也是世界技術發(fā)展最快的時期，行業(yè)中新技術不斷涌現(xiàn)，而國內行業(yè)的基礎薄弱，技術及科研力量在這方面的投入不足，致使其發(fā)展相對滯后。因此，我國需要對物流分揀設備產業(yè)作出發(fā)展要求，要加強自身硬實力以對抗國外品牌對我國市場的沖擊。

3.1 加大產品的柔性化制造

因物流貨物的大小、質量、內容具有不確定性，要求分揀設備要具有很高的柔性和靈活性，設備流水線允許在一定的尺寸范圍內貨物大小、種類的變化?？筛鶕鴥韧鈱ξ锪髟O備機構的研究，設計出可調節(jié)傳送臺面寬度、長度的分揀設備，利用帶式與推塊式分揀機結合等方式，加強貨物分揀線的多樣性，使物流分揀設備能應付各類貨物及生產環(huán)境。

3.2 加強設備可維護性

設備必須使用壽命長、便于維修，可通過自動維護程序實現(xiàn)簡單自控、自檢，在設備的主要工作點設置有相關傳感設備，并充分利用網絡與物流設備各機構進行互連，自檢程序將常見故障的分析方案預存至計算機，當被監(jiān)測模塊出現(xiàn)故障時，設備能夠基于預存方案進行自動檢測；當設備發(fā)生了特殊故障時，亦可采用遠程檢測技術進行監(jiān)測分析，通過終端直接聯(lián)系維護人員進行故障排除。

3.3 加入新技術，強調綠色生產

物流分揀設備應時代主題朝綠色化發(fā)展。在滿足基礎分揀功能的同時，減少生產噪聲污染和廢棄物，提高產品的高值化利用；同時在分揀設備中加入機器視覺、無損檢測等技術，實現(xiàn)分揀和安全檢測一體化，提高分揀質量與效率。

3.4 加強模塊化、便攜式設備的發(fā)展

物流分揀設備的發(fā)展應符合具體市場需求。我國城市規(guī)模不一，各地區(qū)對物流分揀的需求也不盡相同，尤其醫(yī)院、學校、社區(qū)等人員密集型區(qū)域，既滿足使用便捷又具有良好經濟性的分揀設備很少。分揀設備應是多種機構的聚合體，要在滿足快捷、經濟性的同時發(fā)展模塊化分揀設備，各單元能及時更替，從而滿足不同場景需求，彌補市場空缺。

4 結束語

在新型電子商務的時代背景下，物流行業(yè)已發(fā)生重構，物流分揀設備的發(fā)展模式也將轉型升級。本文通過對目前物流分揀設備發(fā)展現(xiàn)狀和市場環(huán)境進行分析，對國內外該領域的種類、結構優(yōu)化、控制系統(tǒng)和創(chuàng)新發(fā)展進行總結。無論是對于設備結構的創(chuàng)新，還是物流系統(tǒng)的更進，我國在該領域已取得了一定的發(fā)展成果，證明在中國特有的物流模式發(fā)展下，中國的物流設備也具有獨特的優(yōu)勢。同時，對目前中國在貨物分揀方面面臨的問題及其未來發(fā)展走向加以說明，為我國物流分揀設備的發(fā)展提供幫助。在信息化、智能大背景的快速發(fā)展下，中國物流分揀設備也將向著高度柔性化、自動化、智能化、綠色環(huán)保的方向走向蓬勃發(fā)展。