基于慧魚模型的高?？爝f無(wú)人倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)

張文藝，曹海英，丁文迪，馬睿哲

（南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106）

1 引言

目前，隨著全球物流行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)的物流業(yè)也在迅猛發(fā)展，2017年全國(guó)的快遞業(yè)務(wù)達(dá)到了400.56億件，同比增長(zhǎng)28%，江蘇全省快遞業(yè)務(wù)量也達(dá)到了35.96億件。大學(xué)生是這股消費(fèi)力量中不可忽視的部分。由于高校學(xué)生居住的密集性、特殊性，快遞配送的方式也要相對(duì)地改變，因而，在快遞行業(yè)中，如何解決快遞進(jìn)校園的“最后一公里”，怎樣改善分揀裝置，建立自取貨架，減少人力參與，從而降低成本，穩(wěn)定取件體系，提高效率和服務(wù)水平已成為研究的重心。

在傳統(tǒng)快遞配送模式中，分揀作業(yè)搬運(yùn)成本約占配送中心搬運(yùn)成本的90%，而在勞動(dòng)密集型配送中心，直接參與分揀操作的人力占50%。整個(gè)配送中心作業(yè)時(shí)間的30%-40%更是被分揀作業(yè)時(shí)間所占。根據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)快遞行業(yè)在先進(jìn)分揀設(shè)備及技術(shù)的應(yīng)用上仍然落后。

高?？爝f派送的方式分為固定代理點(diǎn)和流動(dòng)性代理點(diǎn)兩種形式。在這兩種送貨方式并存的情況下，仍然存在很多問題：取件時(shí)間長(zhǎng)、取件時(shí)間限制大、快遞滯留現(xiàn)象嚴(yán)重、占道且易出現(xiàn)快遞丟失或者取錯(cuò)冒領(lǐng)的情況、清點(diǎn)及分揀人員工作量大、勞動(dòng)力成本高等。

目前除了設(shè)置有固定代理點(diǎn)和流動(dòng)性代理點(diǎn)兩種形式外，快遞的派送方式也有了一定的突破。部分快遞驛站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)快遞自提，例如南京航空航天大學(xué)江寧校區(qū)的菜鳥驛站，同學(xué)們憑短信到自提柜提取自己的快遞。自提柜的使用，使得派送的最后一個(gè)關(guān)卡自助化，一定程度上減輕了人力需求，縮短了排隊(duì)等候的時(shí)長(zhǎng)，但是仍然存在一些可以改進(jìn)的問題。驛站的自提柜為普通儲(chǔ)貨柜，高度不到2m，存在占地利用率不高，上貨方式全靠人力，貨柜大小分類不明確，占地面積較大，空間利用率不夠等問題。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

針對(duì)常規(guī)快遞設(shè)計(jì)自動(dòng)分揀、提貨系統(tǒng)，以減少人力、提高效率。系統(tǒng)的功能包括：入庫(kù)與信息獲取、分揀與信息匹配、立體化存儲(chǔ)、自動(dòng)維護(hù)與更新、人機(jī)信息交互等。

倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)由掃描、入庫(kù)系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、立體式存儲(chǔ)系統(tǒng)和出庫(kù)系統(tǒng)組成，分為進(jìn)貨區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)和取貨區(qū)三個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)分析

走訪菜鳥驛站等快遞點(diǎn)，調(diào)查到其快遞處理現(xiàn)狀：日入庫(kù)量、日取貨量、日遺留量、取貨者不同時(shí)間段平均等待時(shí)間、工作人員工作強(qiáng)度等實(shí)際狀況，得出在本倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)可處理的快遞中，高度小于3cm的扁平件占30.1%；扁平件以外長(zhǎng)*寬*高小于15*15*15cm3的小件占21.8%；長(zhǎng)*寬*高在15*15*15cm3到30*30*30cm3之間的大件占48.1%。

針對(duì)南京航空航天大學(xué)菜鳥驛站，可以估算每日需處理的快遞量，菜鳥驛站日入庫(kù)量約1 500件，每日滯留量為15%，加上前兩天的滯留快遞，驛站存放的待取快遞共有（1 500*15%+1 500）*15%+1 500=1 759件，其中，1 759*80%=1 407件快遞大小在30*30*30cm3以內(nèi)，同時(shí)可以估算，小件約為1 407*20%=281件，大件約為1 407*0.5=703件，扁平件約為1 407*30%=422件。針對(duì)這些快遞設(shè)計(jì)自動(dòng)分揀流水線，能有效減輕人力勞動(dòng)，提高分揀效率。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.2 系統(tǒng)分區(qū)功能及貨架介紹

倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)分為分揀區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)和取貨區(qū)三個(gè)部分。分揀區(qū)只有工作人員上貨、維護(hù)檢修時(shí)進(jìn)出，經(jīng)過(guò)一級(jí)分揀，貨物被分為扁平件和非扁平件；二級(jí)分揀將大件和小件分開，進(jìn)入各自的垂直旋轉(zhuǎn)貨架區(qū)分類存儲(chǔ)，分揀流程如圖2所示。

圖2 分揀流程圖

存儲(chǔ)區(qū)即垂直旋轉(zhuǎn)貨架，連接分揀區(qū)與取貨區(qū)，并且分為有地面、地下兩層。

取貨區(qū)在地面層且對(duì)外開放，用戶只需走到指定貨柜前輸入手機(jī)號(hào)和取貨碼，旋轉(zhuǎn)貨架就會(huì)自動(dòng)出貨。取貨區(qū)大件、小件、扁平件貨架排布平面圖及空間示意圖如圖3、圖4所示，每排貨架之間設(shè)有人行通道。

整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)占地面積為14.8*12.3=182.04m2，可承擔(dān)每日1 400件快遞的存取業(yè)務(wù)，空間利用率較高。

貨架形式為垂直旋轉(zhuǎn)貨架。大旋轉(zhuǎn)貨架高度設(shè)計(jì)為6m，每一層并排懸掛三個(gè)貨箱，則每個(gè)貨架最多可存儲(chǔ)60件貨物。每個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)貨架有3個(gè)取貨口，對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶輸入面板。貨架寬度為2m，回轉(zhuǎn)長(zhǎng)度為2m，大貨架在傳送帶左右按順序依次排列。

小貨架以大貨架為模板等比例縮小，小貨架高度也為6m，每層也并排懸掛三個(gè)貨箱，因此每個(gè)小貨架最多可存儲(chǔ)120件小件貨物。每個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)貨架對(duì)應(yīng)的3個(gè)取貨口寬度共1m，貨架回轉(zhuǎn)長(zhǎng)度為1m，小貨架在傳送帶右側(cè)按順序依次排列。

扁平件貨架大小規(guī)模和大貨架相同，每個(gè)貨箱內(nèi)部開槽，疊放三個(gè)扁平件，則每個(gè)貨架最多可存儲(chǔ)180件貨物。

圖3 貨架排布平面圖

圖4 貨架空間示意圖

2.3 慧魚模型搭建

通過(guò)慧魚組合零件對(duì)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行等比例縮小的搭建，實(shí)現(xiàn)模型入庫(kù)、分揀、存儲(chǔ)、出庫(kù)模塊功能的運(yùn)行。對(duì)于慧魚組合包中無(wú)法獲得的零件用Solidworks建模自行設(shè)計(jì)并3D打印。

2.3.1 分揀裝置的設(shè)計(jì)。一級(jí)分揀裝置采用圓弧狀擋板，如圖5所示。貨物連續(xù)經(jīng)過(guò)分揀裝置時(shí)，扁平件通過(guò)分揀裝置繼續(xù)前進(jìn)，非扁平件借助傳送帶摩擦力，順著圓弧向一側(cè)滑移，進(jìn)入另一條通道。

圖5 一級(jí)分揀裝置實(shí)體模型圖

圖6 二級(jí)分揀裝置三維視圖

二級(jí)分揀裝置采用向內(nèi)收縮的空心正方體，三維視圖如圖6所示。空心正方體用電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞著一根旋轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)，將大件貨物翻轉(zhuǎn)傾倒，沿斜坡滑落后繼續(xù)前進(jìn)，小件貨物從中間孔落入下層傳送帶，其實(shí)體模型如圖7、圖8所示。

圖7 二級(jí)分揀裝置實(shí)體模型（俯視圖）

圖8二級(jí)分揀裝置實(shí)體模型（側(cè)視圖）

圖9 垂直旋轉(zhuǎn)貨架結(jié)構(gòu)圖

圖10 貨箱立體圖

2.3.2 垂直旋轉(zhuǎn)貨架和上貨裝置的設(shè)計(jì)。我們提出了一種垂直旋轉(zhuǎn)貨架的理論建設(shè)方案，用大齒輪驅(qū)動(dòng)鏈條，鏈條連接三角形支架，支架頂端懸掛貨物，每層懸掛三個(gè)貨箱，以提高效率。其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

垂直旋轉(zhuǎn)貨架上所懸掛貨箱經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，配合傳送帶可直接上貨，簡(jiǎn)單輕便，且貨物不易中途掉落，其三維模型如圖10所示。上貨點(diǎn)處設(shè)光電門來(lái)判斷每個(gè)貨箱所在位置以及指定貨箱是否已到達(dá)上貨點(diǎn)，貨箱一側(cè)安裝鐵片，與上貨點(diǎn)斜坡處的電磁鐵相吸，以確保上貨時(shí)貨箱的位置準(zhǔn)確。

2.3.3 機(jī)電系統(tǒng)的控制。利用Robo Pro編程進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)光電門測(cè)距、疑難件退回、貨物分類計(jì)數(shù)等功能。

2.4 軟件系統(tǒng)的開發(fā)

2.4.1 多模塊并行運(yùn)行。本模型具有接近10個(gè)的電機(jī)和6個(gè)傳感器需要控制，為此采用了分立、并行的方式運(yùn)行。ROBO Pro程序多線程執(zhí)行，使得某個(gè)特定部分的錯(cuò)誤不會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)的停止.

2.4.2 有噪聲容限的計(jì)數(shù)算法。計(jì)數(shù)對(duì)于倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)非常重要，是其各模組的基本功能，且在不同路徑都會(huì)設(shè)置?；埕~模型的計(jì)數(shù)功能硬件由光電門實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收端接收不到光信號(hào)時(shí)，表示有貨物正在經(jīng)過(guò)。但是由于物體形狀、運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)等原因，接收端會(huì)有一瞬間的接收到光或者接收不到光，帶來(lái)的問題就是會(huì)導(dǎo)致重復(fù)計(jì)數(shù)。這個(gè)瞬時(shí)的脈沖是我們不需要的。因此計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)為在信號(hào)的上升沿開始計(jì)時(shí)，在信號(hào)的下降沿結(jié)束，兩者時(shí)間之差即代表著物體的大小，通過(guò)合理選擇閾值，只有正確的物體能夠被計(jì)數(shù)器記錄下來(lái)，這樣瞬時(shí)的噪聲便可以去除了。如圖11所示。

2.4.3 入口貨物長(zhǎng)度控制。通過(guò)上一節(jié)的算法設(shè)計(jì)，我們同樣可以設(shè)置一個(gè)上限閾值，使過(guò)于長(zhǎng)的貨物不會(huì)被倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)接受。當(dāng)檢測(cè)時(shí)間超過(guò)閾值時(shí)，入口電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使貨物退出。由于入口處的機(jī)械限位，過(guò)高或過(guò)寬的物體也無(wú)法進(jìn)入系統(tǒng)，因此程序上不需要考慮這方面的限制。

2.4.4 控制面板和路徑監(jiān)視。我們?cè)赗OBO Pro中為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了完善的控制面板，在貨架監(jiān)視面板中，可以通過(guò)光電門和數(shù)據(jù)庫(kù)的更新匹配來(lái)監(jiān)視各貨柜當(dāng)前內(nèi)容和位置；在路徑監(jiān)視面板中，可以通過(guò)光電門的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)追蹤當(dāng)前分揀中貨物的走向?？刂泼姘暹€有允許放入指示、報(bào)錯(cuò)指示和一個(gè)設(shè)計(jì)的軟鍵盤。在軟鍵盤中輸入貨物編號(hào)并點(diǎn)擊確定，即可完成出貨功能。如圖12所示。

2.4.5 系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)和自動(dòng)停車。當(dāng)一個(gè)貨物過(guò)長(zhǎng)時(shí)間沒有被檢測(cè)到，即可以判定系統(tǒng)產(chǎn)生了意外的情況，系統(tǒng)損壞，或者貨物丟失了。這種情況下回觸發(fā)報(bào)錯(cuò)指示燈，并使得系統(tǒng)停車。

2.4.6 信息管理系統(tǒng)。當(dāng)貨物在入口處沒有被退回、被系統(tǒng)接納時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)為其分配一個(gè)編號(hào)。當(dāng)其進(jìn)入旋轉(zhuǎn)貨架時(shí)，便會(huì)被儲(chǔ)存起來(lái)；如果沒有進(jìn)入旋轉(zhuǎn)貨架，而是從其他分支退出時(shí)，不記錄其編號(hào)。旋轉(zhuǎn)貨架的內(nèi)容是采用List元件記錄的，其元素為貨物編號(hào)，索引為貨架的空間位置。當(dāng)貨架旋轉(zhuǎn)時(shí)，程序同時(shí)將List元素進(jìn)行調(diào)轉(zhuǎn)，以對(duì)應(yīng)其空間位置。

圖11 有噪聲容限計(jì)數(shù)算法圖

圖12 控制面板和路徑監(jiān)視圖

3 應(yīng)用效果

3.1 成本投入

整個(gè)項(xiàng)目的主要成本來(lái)源是自動(dòng)分揀裝置和垂直旋轉(zhuǎn)貨架的設(shè)備成本。自動(dòng)分揀裝置主要由傳送帶、各種輔助分類裝置以及多種傳感器構(gòu)成。傳送帶采用鐵材和皮帶，共分9條，尺寸分別如下：1.5m×2條，0.64m×1條，0.94m×1條，3.6m×1條，2.1m×1條，10.1m×1條，寬度均為0.4m，速度為20m/min，鐵材厚度為1.2cm，皮帶厚度取2cm，包含電機(jī)在內(nèi)，經(jīng)過(guò)淘寶造價(jià)調(diào)查，共需2.5萬(wàn)元左右。輔助分類裝置由一些機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其成本大概在500元以內(nèi)。各種傳感器價(jià)格也保持在1500元以內(nèi)。垂直旋轉(zhuǎn)貨架的價(jià)格較普通立式貨架而言更貴。經(jīng)過(guò)調(diào)研，垂直旋轉(zhuǎn)貨架的單價(jià)在10萬(wàn)元左右，我們需要大貨架12個(gè)，小貨架和扁平貨架各3個(gè)，總計(jì)180萬(wàn)元。綜上，建設(shè)初期需投入183萬(wàn)元左右。

倉(cāng)庫(kù)幾近無(wú)人化，因此需要的人力資源大大減小，除了快遞入庫(kù)的時(shí)段需要人工操作以外，倉(cāng)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人運(yùn)營(yíng)。但會(huì)安排1名工作人員對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行后臺(tái)監(jiān)視，以防出現(xiàn)故障，同時(shí)負(fù)責(zé)每周的倉(cāng)庫(kù)檢修。

3.2 效益分析

該項(xiàng)目的建成運(yùn)營(yíng)，必將提升物流實(shí)力水平，帶來(lái)社會(huì)效益。物流水平的反映是由許多綜合因素構(gòu)成的，難于定量分析，但耗能、時(shí)間和空間利用率是反映物流水平比較關(guān)鍵的因素，對(duì)這三項(xiàng)因素可以采用定量分析的方法。

表1 不同存儲(chǔ)方式物流水平對(duì)比

由表1可見，無(wú)人分揀倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)大大節(jié)省搬運(yùn)人力。由于大規(guī)模采用機(jī)械進(jìn)行裝卸搬運(yùn)代替人工裝卸搬運(yùn)，加速了裝卸搬運(yùn)的速度，節(jié)省了勞動(dòng)。其次，倉(cāng)儲(chǔ)空間充實(shí)。由于根據(jù)貨物大小進(jìn)行自動(dòng)分類存儲(chǔ)，驛站空間利用率得到極大改善，物質(zhì)平均占用空間減小，從而節(jié)省了現(xiàn)有的倉(cāng)儲(chǔ)空間。由于高度自動(dòng)化的控制與分配，自動(dòng)存貨和信息錄入取代了以往低效的人工錄入和歸放，機(jī)器自動(dòng)出貨取代了以往低效的的人工搜索，極大提升了取貨效率。同時(shí)也可以提高校園物流整體競(jìng)爭(zhēng)力，提升學(xué)校綜合形象，緩解快遞高峰壓力。

4 結(jié)語(yǔ)

基于慧魚模型的無(wú)人倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)在利用慧魚零件的搭建實(shí)物模型的同時(shí)，開發(fā)軟件系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了快遞倉(cāng)儲(chǔ)派送的自動(dòng)化、無(wú)人化、規(guī)范化。系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)的快遞包裹分類流水線根據(jù)貨物形狀可及時(shí)、快速分揀；自主設(shè)計(jì)的自動(dòng)垂直旋轉(zhuǎn)貨架的利用，提高了空間利用率并實(shí)現(xiàn)了及時(shí)取貨；系統(tǒng)分揀、編碼、存儲(chǔ)、出庫(kù)全過(guò)程的自動(dòng)化、一體化，實(shí)現(xiàn)包裹存貨與取貨的完全無(wú)人化。

我們提出的一種垂直旋轉(zhuǎn)貨架的理論建設(shè)方案，在模型中用齒輪驅(qū)動(dòng)鏈條，鏈條連接三角形支架，支架頂端懸掛貨物，每層懸掛三個(gè)貨箱，以提高效率。在慧魚模型中我們?cè)O(shè)計(jì)了控制面板，能夠及時(shí)追蹤分揀區(qū)貨物所在位置，監(jiān)控自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。若貨物丟失或中途出現(xiàn)問題，則系統(tǒng)警示燈報(bào)錯(cuò)并立即自動(dòng)停車，工人可以進(jìn)入分揀區(qū)排查故障。

垂直旋轉(zhuǎn)貨架由于其先進(jìn)性被廣泛應(yīng)用于辦公文件、檔案、機(jī)械或電子零部件、工具及刀具等多種物品的倉(cāng)儲(chǔ)與管理。垂直旋轉(zhuǎn)貨架高效、穩(wěn)定、可靠，機(jī)械構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。通過(guò)操作面板和保護(hù)裝置，可以做成智能存取系統(tǒng)用于存放快遞包裹，實(shí)現(xiàn)包裹上貨、存儲(chǔ)和出貨的智能化。

目前系統(tǒng)貨物分揀定位依賴的傳感器可靠性有待提升，期望通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和更全面的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)貨物進(jìn)行更加精準(zhǔn)的定位和統(tǒng)計(jì)；現(xiàn)在的系統(tǒng)入庫(kù)和掃碼仍然需要人的參與，可以進(jìn)一步自動(dòng)掃描條碼和從貨車直接入庫(kù)，并將貨物包裝形式更加標(biāo)準(zhǔn)化；將系統(tǒng)優(yōu)化封裝為獨(dú)立的模塊，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，并設(shè)置方便用戶操作的面板，進(jìn)一步提升空間利用率并降低使用和維修的難度。

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