物流分拣设备的发展现状与展望*

刘雨浩，费叶琦,2※，潘知瑶，张明宇，朱翔宇，张 豪，闫业斌

（1.南京理工大学紫金学院智能制造学院，南京 210046；2.南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037；3.上海普密德自动化科技有限公司，上海 200240）

0 引言

近年来，由于网络信息技术的高速发展和居民消费模式升级转变，尤其是以电子商务为代表的新商务形式呈现出了井喷式发展。据中国物流与采购联合会的统计数据显示，我国社会物流总额截至2020年底达到300.1万亿元，同比增长3.5%；物流企业收入达到10.5万亿元，同比增长2.2%[1]。商品流通趋向于小批量、多批次、高频次发展。由此，快递行业产生重构，为探究在如此高速下物流分拣设备的发展现状，本文对国内外物流分拣设备进行了系统的调查总结，分析出目前我国分拣设备仍存在的问题并提出解决方案与发展趋势，物流分拣设备或将随着物流业的变革向大数据、物联网、云计算等高新技术方向靠拢。

1 物流分拣设备发展现状

我国在物流行业的发展相较国外发达国家还有很大差距，国外很多先进企业致力于开发和引进智能物流系统，不断地加大资金投入和人才引进，同时将条码识别技术、RFID信息识别技术，PLC、单片机等控制技术，无线网络、无线通讯等技术以及各项监控技术等应用于物流分拣系统中。智能化自动分拣系统具有分拣效率高、准确率高、无人化操作等特点，因此广受各行业好评，同时也为我国物流系统提供了发展方向。

据统计，在传统物流配送的所有作业中，分拣作业是投入成本最多的环节。分拣人员数量约占整个物流规划的40%～50%，作业时间成本则占30%～40%，而分拣人工成本占物流配送中心总成本的15%～20%[2]。纵观国外物流产业，智能分拣设备早已取得了相当规模的应用，其优越性也备受关注。当前，我国物流分拣行业处在蓬勃发展阶段，尽管也产生了独特的智慧配送分拣体系，但应对于中小物流配送点的物流设施种类较少，利用率有待提升。

1.1 分拣设备特点及分类

分拣设备具有高自动化、高分拣效率、低误差率等优势。智能分拣设备分拣速度可达6 000~12 000件/h，分拣能力远大于人工操作分拣[3]。普通分拣工作人员无法在过高劳动强度下持续工作8 h以上，而自动分拣装置能够持续运行100 h以上，并不受天气、时间等因素影响[4]，误差率较小。

常见的分拣设备包括带式分拣机、摇臂式分拣机、浮出式手动分拣机、横向移岀型辐道手动分拣机、AGV分拣小车、托盘型手动分拣机和推块型手动分拣机，物流分拣中心往往根据货物种类、数量、经济性等因素从中选择更合适的分拣设备，以及在后续的产品研发过程中根据以上几种类型的分拣设备进行创新优化，设计研究出更符合当今时代背景的分拣机械。根据国内外现如今发展来看，分拣设备早已不是简单的“人工搬运+传送带输送”的模式，而是在顺应互联网大数据背景下快速发展。

1.2 分拣设备结构优化发展

美国Cognex公司是率先使用机器人进行物流分拣的企业之一，基于传统物流仓储中心模式与视觉分析并搭配机器人手臂进行多种货物的分拣。德国的LLOYD公司通过引入自动化输送系统使生产力和效率提高了15%[5]。日本松川[6]也对物流分拣设备做出许多创新，例如使设备与信息数据进行连接，通过网络共享，实现集约化分拣配送。德国DEMATIC公司利用AGV小车和手推块式分拣机的组合，并运用计算机软件对传统分拣装置加以优化，建立集设备、分拣线路、大数据合一的现代分拣系统。

物流分拣设备工作中升降装置需高频率进行上下往复运动，其轴配合部位和机械臂孔处经常出现磨损现象。赵广辉[7]就剪叉式提升机进行结构分析，利用ANSYS进行虚拟仿真分析，对升降装置可能出现故障的位置及故障方式进行预测，提出物流分拣机升降装置的改进措施，对其他类型的分拣机械故障检测方式提供思路。金从众[8]就卷烟物流分拣中的如何降低劳动强度、减少人力投入问题，基于横向推出机构设计了新型物流分拣设备导向装置，使得卷烟分拣更加节约、高效。李昭等[9]设计了一种集分拣执行机构与承接轨道机构一体的新型物流分拣装置，并对其关键结构进行算法研究。该装置能有效提高分拣效率，辅助现代化智能物流分拣体系的顺利实施，也为同类产品的研发提供了一定的参考。申展瑞等[10]利用输送带、转盘、滑轨、扫描仪、计数器、垂直汽缸、旋转电机等系统进行组合，其中转盘可以按照需求订做型号，将转盘上的小格与侧方所代表区域对应，以此设计了一种新型的转盘式货物分拣设备。格兰达物联装备[11]对分拣小车进行结构优化，设计了一种新型立式分拣设备与定位系统，提高了分拣精度。亢炜[12]利用能收集进货信息和出货信息扫描器将信息转换为电信号，然后传导至PLC控制器，控制器从而将命令反馈至气缸。此装置运输和分拣货物过程中，不会发生滑出或者掉落现象，并且通过收集箱内的海绵橡胶材质可有效防止货物被碰撞受损。

在智能化越来越发达的今天，物流分拣体系不仅是机械结构的更新换代，同样需要优良的控制系统进行优化升级。

1.3 分拣设备控制系统发展

随着世界经济的快速发展，国内外物流分拣逐渐朝着自动化、信息化和网络化发展。

以全球化的连锁公司7-11便利店为例，7-11便利店凭借互联网的实时资源共享，为供货商及时整合信息资源，釆取“一日三配”模式迅速响应，其内部信息管理系统也可以做到信息有效协同，是目前世界配送分拣及信息管理系统中的高标准[13]。在全球的物流配送中还注重信息化和立体性库存管理的融合，以亚马逊公司为例，在全球亚马逊物流配送中隐藏了一个巨大的IT体系[14]。利用开发分拣机器人、AGV分拣车辆、托盘、滑块分拣机等自动分拣装置来辅佐分拣员顺利完成分拣作业。同时，信息系统在收到订货后对其经过分类数据处理，并模拟最优的分拣路线，下发分拣命令，从而形成拣货单，分拣设备及人员根据分拣货单实现快速分拣。李超[15]研究了一种基于PLC和Profibus-DP总线的智能烟箱物流分拣交换系统，该系统通过多项检测采集烟箱信息，利用总线完成系统多点控制，同时该系统可以通过触摸屏达到人机交互，提高系统可靠性与二次开发性。肖洪云[16]利用图像识别技术和激光扫描技术实现物流分拣，通过拍摄物流包装的条形码进行图像识别与扫描，获取快递信息与包装体积大小，验证货物识别信息与入库信息一致性，并通过总线平台上传指令，进而驱动物流分拣设备进行分拣操作。经实验，该系统分拣效率与信息匹配度双高，适合我国物流企业使用。魏庆琦、陈金迪[17]采用NSGA-Ⅱ算法实现了分拣区域优选，通过大量数据实测与传统的不分割订货的分区拣选系统进行对比，并分析了区域数量、订货数量及其订货批量环境等对系统工作效率的影响，使仓储中心的筛选时限缩短了43.88%，平衡度提升84.61%，位于国内前沿。陈广会[18]发明了一种可自动纠错的智能物流分拣系统，其系统可通过光电检测、纠错装置和回收装置解决物流分拣过程中的自动纠错的技术问题。

通过对国外先进系统的学习分析，国内也慢慢研究出了一系列适用于本国形势的物流分拣系统，引用多种控制方式，不仅能使设备的发展快速向国外高端产品靠拢，同时也加快了我国在程序研究领域的进步。

1.4 分拣设备创新化设计

随着信息化商业时代的到来，物流行业也发生着革命性的改变。为进一步提升物流分拣体系，机器视觉、5G通信、VR等新技术也投入到物流领域中来。

机器视觉技术成为了近年来的研发热点，并已被广泛应用于新型智能货物分拣装置中。尚书玲[19]运用了小波包分析技术，对收集的货物分拣图像及行为特征进行提取，并通过计算机视觉模型，对物流中暴力分拣动作进行有效识别，以确保运输商品的安全性。陈默[20]建立了基于视觉技术检测破损快件的智能识别模型，通过分割法分割出图像变换差值，由系统构建快件特征表、破损目标特征区域表，通过算法对不同类型的待识别快件进行破损识别，极大地提高了物流分拣过程中去除破损快件的智能化与自动化。张慧敏、王毅[21]通过机械视觉技术方式，利用双目照相机的图像原理，对各种放置姿势的商品包装都可以进行快速检测，并利用匹配点对的视差值恢复图像深度信号，从而求解出包装桶的长宽高数值，进而达到对各种放置姿势的商品进行尺寸计算。杨亚飞[22]借助四轴高精度机械臂，将双目视觉识别与物流分拣系统相融合，利用双目相机标定与图像预处理技术对目标快递的三维位姿解算，确定目标的中心位置，并利用测距数据对数据匹配点进行三维坐标恢复从而实现机械臂的抓取。该系统较其他搭载视觉识别的物流分拣系统而言更加精准。叶旺等[23]考虑到仓储物流采用人工分拣经济性较差，从而研究一种基于机器视觉的机械手分拣设备，利用工业相机、PC机和PLC控制器之间的通讯，对货物进行拍照抓取。由于新冠肺炎对全球各行各业造成重大冲击，物流行业也急需对快递货物进行防疫安全处理，在此背景下，Barnawi Ahmed等[24]机器视觉与物联网技术，采用红外热成像处理技术，建立了针对于物流货物包装的病毒检测系统，大大加强了物流防疫检测安全性。

除此之外，高科、潘建辉[25]针对我国自动化仓储物流系统中存在的出库调度效率低下的问题，建立相应的自动仓储物流系统模型进行优化分析，采用启发式计算方法对模型进行计算分析，从而实现对自动化仓库出库调动操作的顺序优化，促进仓储系统出库调度效率提升。葛虎、郑琰[26]对5G网络在物流分拣中的应用进行了总结性研究与分析，对5G时代的物流分拣发展趋势作出了较为科学的设想。姚科等[27]设计了一种可以自动定位的物流分拣机器人，分拣机器人利用蓝牙模块接收货物信息和二维码扫描共同作用，实现自主定位功能。张闯[28]等人利用VR技术进行物流分拣仿真，模拟物流分拣实际或即将发生的运行状况，并统计和分析测验结果，为物流运作进行最切合实际的规划。物流服务无人自动化配送将是社会智能化的未来方向，而哈奇智能[29]的物流服务自动化配送机器人hachi delight属于面向社区、宾馆、医疗场所等场合的终端物流服务自动化配送型设备，其功能涵盖了“收运-暂存-递送-提货-反馈”的循环，以达到在封闭式场景内无人化配送。

物流产业变革，是市场需求与科技提升协同发力的结果。随着电子商务、传统零售逐步向新型零售过渡，特别是近年来智能制造领域快速升级发展，物流系统与零售体系、智能制造深入融合，物流配送的必要性更加突出。毋庸置疑，未来的物流分拣技术将由电商企业、快递巨头逐步扩展至更多产业融合发展的领域。

2 我国物流分拣设备存在的问题

就目前调研分析，我国在物流分拣设备的研究已具备一定的技术基础，并形成我国特色的物流体系，但在物流市场发展、物流分拣设备生产研发方面，仍存在有一些亟需解决的问题。

2.1 与国际水平差异较大，技术含量较低

我国现有的一些物流分拣设备技术含量不高，而国外品牌已将很多先进技术应用在分拣设备上，如法国捷富凯公司，其物流产业搭载远距离遥控技术(包括监控)、自动柔性补偿技术、激光切割技术、多维信息处理技术等成套生产线[30]。而国内大多包装生产以单机为主，通用机型居多，技术含量低，能满足多种类货物统一分拣、高技术附加值高生产率的设备很少，且国内许多科技含量较高或高度精细化生产的分拣设备还处在研发或专利初级阶段，故目前产品的主要问题体现在运行稳定性和安全可靠性较差、设备造型单一、外表粗糙、基础件和配套部件寿命较短、无故障性运转时间太短。

2.2 设备利用率、覆盖率低

目前仍有许多中小型物流分配点采用半自动、人工分拣方式，物流分拣设备在大部分地区还未普及。2020年，美国全自动物流生产线规模占比为91.37%，无人化物流分拣中心数量占仓储物流总量的31.84%，全美仅有1.6%的仓储中心还延续着“半自动+人工”的物流分拣模式[31]。而我国仅在部分一二线城市的大型仓储配送中心采用全自动化物流分拣线，使用无人化分拣的也只有京东、天猫等电商巨头。国内物流行业自动化程度较低，甚至有些地区仍采用传统分拣设备或人工搬运的方式进行货物分拣，因此，在物流分拣设备应用方面我国仍有巨大空缺。

2.3 缺乏核心技术研发

由于物流分拣机械设备的起步相比国外较晚，产品技术含量和智能化水平程度相对较低，在技术、工艺、材料等方面的运用还不够广泛。相比于国外市场，制造技术手段也比较落后，企业大都沿用了陈旧的普通机械设备或工艺流程，由于创新产品种类较少且研发周期比较长，还没有开展过全面系统的技术探索研究过程，所以企业大多采取仿制，又或者需要耗费巨大的投资从国外引进技术比较先进的、分拣精度高、分拣效率较高的成套生产线。没有创新能力和技术优势，使得多数的国内市场份额都被国外知名品牌所占据。所以培育技术人才显得必不可少，这也是整个机械行业蓬勃发展的基础所在。

3 物流分拣设备发展趋势

我国物流机械形成行业已有20余年，这段时间也是世界技术发展最快的时期，行业中新技术不断涌现，而国内行业的基础薄弱，技术及科研力量在这方面的投入不足，致使其发展相对滞后。因此，我国需要对物流分拣设备产业作出发展要求，要加强自身硬实力以对抗国外品牌对我国市场的冲击。

3.1 加大产品的柔性化制造

因物流货物的大小、质量、内容具有不确定性，要求分拣设备要具有很高的柔性和灵活性，设备流水线允许在一定的尺寸范围内货物大小、种类的变化。可根据国内外对物流设备机构的研究，设计出可调节传送台面宽度、长度的分拣设备，利用带式与推块式分拣机结合等方式，加强货物分拣线的多样性，使物流分拣设备能应付各类货物及生产环境。

3.2 加强设备可维护性

设备必须使用寿命长、便于维修，可通过自动维护程序实现简单自控、自检，在设备的主要工作点设置有相关传感设备，并充分利用网络与物流设备各机构进行互连，自检程序将常见故障的分析方案预存至计算机，当被监测模块出现故障时，设备能够基于预存方案进行自动检测；当设备发生了特殊故障时，亦可采用远程检测技术进行监测分析，通过终端直接联系维护人员进行故障排除。

3.3 加入新技术，强调绿色生产

物流分拣设备应时代主题朝绿色化发展。在满足基础分拣功能的同时，减少生产噪声污染和废弃物，提高产品的高值化利用；同时在分拣设备中加入机器视觉、无损检测等技术，实现分拣和安全检测一体化，提高分拣质量与效率。

3.4 加强模块化、便携式设备的发展

物流分拣设备的发展应符合具体市场需求。我国城市规模不一，各地区对物流分拣的需求也不尽相同，尤其医院、学校、社区等人员密集型区域，既满足使用便捷又具有良好经济性的分拣设备很少。分拣设备应是多种机构的聚合体，要在满足快捷、经济性的同时发展模块化分拣设备，各单元能及时更替，从而满足不同场景需求，弥补市场空缺。

4 结束语

在新型电子商务的时代背景下，物流行业已发生重构，物流分拣设备的发展模式也将转型升级。本文通过对目前物流分拣设备发展现状和市场环境进行分析，对国内外该领域的种类、结构优化、控制系统和创新发展进行总结。无论是对于设备结构的创新，还是物流系统的更进，我国在该领域已取得了一定的发展成果，证明在中国特有的物流模式发展下，中国的物流设备也具有独特的优势。同时，对目前中国在货物分拣方面面临的问题及其未来发展走向加以说明，为我国物流分拣设备的发展提供帮助。在信息化、智能大背景的快速发展下，中国物流分拣设备也将向着高度柔性化、自动化、智能化、绿色环保的方向走向蓬勃发展。