：近年来，随着物流业迅猛发展，快件业务量激增，众多快递公司开始建造快件中心以提升物流能力。如何快速搭建快件中心仿真模型、预测未来运营场景，慢慢的变成了分拣中心规划建造的重要问题。本文利用Plant Simulation软件对快件中心模块化仿真建模进行研究，根据交叉带分拣机、矩阵分拣机的现实构造和工人行为进行模块化、参数化建模，并对控制页面进行展示说明。以此为基础，本文搭建了一个快件中心仿真模型并收集其运行数据，供规划设计阶段参考使用。

  近二十年来，在电子商务、生鲜零售、直播带货等新业态兴起的背景下，物流行业及相关领域迅猛发展，国内快件业务量激增，对各快递公司物流网络的分拣能力提出更加高的要求。作为物流网络中的关键节点，快件中心是影响物流网络整体分拣能力的主要的因素之一。根据应用场景、使用规模的不同，快件中心内部的大小和布局也会出现差异。然而，无论是哪种快件中心，矩阵分拣机和交叉带分拣机常作为核心设备出现。一般而言，矩阵分拣机的矩阵式布局能够多传送带并行分拣货物，在货物的初步分拣方面表现出色；交叉带分拣机则拥有环形传送带布局，配合分拣车，可对货物进行快速准确分类。矩阵分拣机和交叉带分拣机的应用，使快件中心的效率得到非常明显提升，对缩短分拣时间、节约人力成本等有及其重要的作用。此外，工人作为快件中心的要素之一，承担着拆包、集包、异形件处理等多种功能，对分拣中心有着不可忽视的作用。

  在快件中心的规划设计中，由于快件中心的复杂性和动态性，对未来运营场景和数据的预测往往较为困难。在面对中大型快件中心时，图纸难以清晰直观地展示构造布局。经过多年验证，物流仿真技术已被证明对复杂系统具备比较好的模拟作用。在快件中心的规划设计阶段，通过搭建仿真模型，能够清晰直观地展示快件中心的布局，模拟未来运营场景，收集仿真数据，经过多次迭代优化得到最佳方案。传统仿真模型的搭建需要耗费仿真工程师大量精力，一旦布局改变或设备更换，就要重新建模，费时费力。本文基于西门子Plant Simulation软件，以核心设备矩阵分拣机、交叉带分拣机和工人为切入点，根据两类分拣机的构成搭建参数化模型，并对两类分拣机模型的建模思路和关键参数进行介绍。同时，借助两类分拣机参数化模型，快速搭建了一个双层快件中心仿真模型，随后运行仿真模型并收集仿真数据，对快件中心的规划设计阶段提供评估依据。

  矩阵分拣机采用矩阵形式的分拣布局，通常由上、下两层传送带和摆轮构成。上层为连接进货口的纵向传送带，下层为连接出货口的横向传送带。货物进入上层纵向传送带后，连续向前输送，根据预设筛选条件在相应的位置被摆轮摆入下层横向传送带，下层横向传送带向左侧或右侧输送货物，由此完成分拣工作。多条横向传送带和纵向传送带相互交叉，构成了矩阵分拣机的分拣系统。矩阵分拣机的俯视图，如图1所示。

  如图2所示，交叉带分拣机一般由上包系统、环线系统和落包系统组成。上包系统设有若干个上包台，由工人负责供货。环线系统包括环形传送带、皮带输送机和小车。独立的皮带输送机安装于载货单元上，载货单元则在环形传送带上运动，二者合称“小车”。载货单元运动到恰当的位置时，皮带输送机横向运动，将货物落到格口中。落包系统的主要组成是成对的格口，能够收集货物。当收集的货物数量达到预设值时，落包系统将其打包成集包袋并运出，由此完成分拣工作。

  快件中心的工人一般承担集包袋拆包、小件货物打包、异形件处理等职责。根据工人行为的不同，要建立不同的工人模型。工人模型整体较为简单，对人数的设置和行为的模拟是关键。各类工人模型建模思路类似，本文以拆包工人为例，对工人模型进行介绍。分拣工人的俯视图，如图3所示。

  为了使所搭建的模型具有较强的通用性，从而缩短建模时间，本文对分拣机和工人模型进行参数化设计。

  矩阵分拣机参数化模型采用半封装形式，将底层分拣逻辑代码和模型基础部件封装在一个模型内，操作人员在使用时，只考虑对话框内的参数的修改，无需改动代码和部件。矩阵分拣机的参数化模型具有操作便捷、建模迅速的特点。

  矩阵分拣机的模型参数控制页面如图4所示，包括基础参数表、矩阵上下层坐标表、摆轮位置表和滑道宽度。按实际的需求在对话框内填写对应参数，点击确定即可一键生成矩阵分拣及模型。

  基础参数表控制矩阵分拣机上下层传送带的宽度、高度和工作速度。矩阵分拣机上下层传送带的高度、宽度和速度可分别独立设置，互不影响，灵活度较高。其中，高度和宽度数据单位为m，速度数据单位为m/s。

  矩阵上层坐标表控制矩阵分拣机上层传送带的位置，传送带的数量也由此表格进行间接控制。表中只填写传送带的位置信息，位置信息的数量对应传送带的数量。数据单位为m，数据类型为实数型。

  矩阵下层坐标表负责控制矩阵分拣机下层传送带位置、运行方向、分拣类型和分拣范围。同矩阵上层坐标表，此表通过记录位置信息来控制下层传送带的位置与数量。数据单位为m，数据类型为实数型。运行方向有向左运行、向右运行和两侧运行三种。数据类型为字符型。分拣类型控制每条下层传送带所能接收的货物类型，有大件货物、小件集包袋和异形货物三种。数据类型为字符型。分拣范围控制每条下层传送带所能接收的货物的目的地范围。预先给所有目的地城市进行编号，以编号来控制每条传送带接收货物的目的地城市范围。数据类型为字符型。

  摆轮位置表控制摆轮的位置，并决定各摆轮左右两侧连接的下层传送带，每个摆轮所连接的下层传送带必须与矩阵下层坐标表相对应。摆轮固定生成在矩阵上层传送带上，以传送带编号控制各摆轮左右两侧所连接的矩阵下层传送带。

  交叉带分拣机由于涉及多个落包格口和分拣单元，人工搭建模型难度大、耗时长。参数化模型将底层逻辑和基础部件封装成一个整体，操作人员只需修改对话框内的参数即可得到对应交叉带分拣机模型，无需考虑底层逻辑。交叉带分拣机的参数化模型，不但缩短了建模时间，也降低了建模的门槛。

  环形传送带的创建，如图5所示。环形传送带由多条传送带拼接而成，X轴位置和Y轴位置确定第一条传送带的生成坐标，进而确定整个交叉带分拣机的位置。如图5所示，常规交叉带分拣机整体形状为近似操场跑道的环形，传送带横、纵向长度和环形半径决定了环形传送带的具体形状。单双区可选数据“1”或“2”，“1”代表单区分拣，“2”代表双区分拣。特殊情况下，交叉带分拣机传送带形状不规则。此时手动搭建交叉带分拣机传送带，并将各段传送带填入不规则对象输入表。上包位置和落包位置与上包系统和落包系统中的同名参数含义相同。

  环线系统最重要的包含环线控制和小车控制两部分。环线控制决定环形传送带的高度、宽度和速度。交叉带层数决定交叉带分拣机的传送带层数。小车搭载货物在交叉带分拣机的环形传送带上运动，到达指定落包格口后落下货物。小车控制决定交叉带分拣机上小车的高度、长度、数量和运动速度。

  上包系统用于确定交叉带分拣机供包台的详细规格参数，并控制供包台的数量与上包位置。在实际使用中，一般保持供包台的详细规格参数不变，修改上包位置表。上包位置表控制供包台的数量和位置。

  落包系统决定落包格口的数量、位置和对应格点城市，控制落包袋的有无，确定滑槽的详细规格参数。在实际使用中，一般保持其他参数不变，修改落包位置表和格点城市表以达到不一样效果。落包位置表控制落包格口的数量和位置。格点城市表用于设置每个落包格口对应的目标城市。落包位置表中的每个格口都应当在格点位置表中设置对应目的城市。

  以拆包工人为例展示工人模型的参数控制页面，如图6所示，可设为工人拆包时间、拆包个数、传送带长度与速度等。其中，传送带长度控制运送货物的传送带的长度，工人拆包时间控制每位工人拆一个集包袋所花费的时间，单位为s。

  利用工人参数化模型，操作人员只需填入需要参数，就可对应生成工人模型，省去了依次拖入部件组装并设计逻辑的过程。

  基于以上模块，搭建一个使用矩阵分拣机和交叉带分拣机的双层快件中心。具体流程图如图7所示。货物在一层入库后，经矩阵分拣机初步分拣，大件货物直接从矩阵分拣机两侧出库，小件集包袋通过螺旋提升机进入二层人工拆包，异形货物经矩阵分拣机尾部回流线回流，由人工手动分拣。小件集包袋在二层拆包后，拆出的小件货物进入交叉带分拣机，依据目的地分拣集包，集包产生的大件货物进入二层的矩阵分拣机再次分拣，依据货物的目的地，分别通过不同的螺旋滑道进入一层出库。

  一层模型俯视图如图8所示，主要由入库区、矩阵分拣区和出库区三部分所组成，主要分拣设备为一台矩阵分拣机。货物在入库区卸车入库，经过传送带进入矩阵分拣机。矩阵分拣机按货物类型和目的地对货物进行分拣。大件货物依据目的地进行分拣，分别进入第2至5条下层轨道出库；小件集包袋全部进入第1条下层轨道，向矩阵两侧输送，通过两侧的螺旋提升机进入二楼；异形货物进入矩阵分拣机末端的回流线 一层模型俯视图

  在一层模型中，使用矩阵分拣机参数化模型快速搭建矩阵分拣机模型。如表1所示，该矩阵分拣机拥有13条上层传送带和5条下层传送带，传送带工作速度为1m/s，共有4个摆轮，滑道宽度为1.2m。

  按照表1所示的内容，修改矩阵分拣机参数化模型内的对应参数，点击确定，即可等待软件自动生成矩阵分拣机模型。本案例中，该模型生成时间在3分钟以内，人工手动搭建则需数个小时。在生成模型的过程中，操作人员无需再有其他动作。矩阵分拣机参数化模型能够显著缩短建模时间，节约操作人员精力。

  二层模型的俯视图如图9所示，主要由拆包区、交叉带分拣区和矩阵分拣区三部分所组成，主要分拣设备为两台相同的交叉带分拣机和一台矩阵分拣机。小件集包袋由螺旋提升机进入快件中心二层后，拆包工人对其进行拆包操作，拆成数个小件。拆出的小件货物分别进入两台交叉带分拣机。交叉带分拣机分拣出目的地相同的小件货物并按照少数打包成大件货物。打包出的大件货物进入矩阵分拣机，按照目的地进行分拣。分拣出的大件货物通过不同的螺旋滑道进入一层出库。

  在二层模型中，使用拆包工参数化模型搭建拆包工人模型。每块拆包区域由四人负责拆包，每人拆一个集包袋花费2s，传送带长度为3m。使用矩阵分拣机参数化模型快速搭建矩阵分拣机模型。如表2所示，该矩阵分拣机拥有4条上层传送带和4条下层传送带，传送带工作速度为1m/s，共有4个摆轮，滑道宽度为1.2m。使用交叉带分拣机参数化模型快速搭建交叉带分拣机模型。如图10所示，该交叉带分拣机拥有双层环形传送带，每层传送带有12个供包台和70对落包格口，小车在传送带上的运动速度为2.5m/s。

  按各图表所示内容修改参数即可一键生成对应的交叉带分拣机。本案例中该模型生成时间在10分钟以内，随着建模所用计算机硬件配置的提升，建模时间会有进一步的缩短。人工搭建不仅需要耗费数个小时，而且后续如有新的设备，还需手动重写搭建。交叉带分拣机参数化模型在模型的修改调整方面有巨大优势。

  将两层模型连接起来，搭建并运行快件中心的仿线小时，对快件中心一层矩阵分拣机、二层交叉带分拣机和拆包工人模块进行统计，得到仿线所示。快件中心二层左右两侧拆包区域各有4位工人，工人负荷率详见表3。

  从表3可知，（1）矩阵分拣机上层传送带负荷率较低，这表明一层的矩阵分拣机尚未被充分的利用，能增加快件中心的货物接收量或适度减小矩阵规模，以实现矩阵分拣机上下层传送带均衡充分的利用；（2）交叉带分拣机整体利用率较高，但左右2台分拣机存在轻微的负荷不平衡。这是由于一层矩阵分拣机对两侧货物分拣不均衡导致的。通过调整矩阵分拣机的分拣，可以有效改善这一问题；（3）各拆包工人效率并不均衡。由于只有一条传送带负责运送货物，位于前方的工人最先接收到货物并进行拆包，后方工人接收货物少导致拆包少，各个工人的负荷率成规律递减。可通过增加传送带条数、分散工人来平衡工人工作效率。

  针对仿真分析所发现的问题，提出优化建议，如表4所示。货物卸货量的多少会对快件中心分拣系统产生较大影响。即便不做优化，单纯增加供货量也会提高各个模块的负荷率。因此，首先在不增加货物量的基础上，调整分拣机和分拣工人，使得负荷率更平衡。在此基础上，在增加货物量，以检验优化的效果。优化前后的负荷率对比，如表5所示。由表5可知，借助设备参数化模型能快速修改仿真模型，使得快件中心分拣系统各部分负荷更均衡，提高了快件中心整体的分拣能力。

  在此案例中，通过对快件中心建模仿真，发现其设计上的不足并给出优化建议，借助设备参数化模型实现了对快件分拣中心仿真模型的快速修改。通过本次案例，可发现搭建参数化模型来辅助建模仿真工作具有以下优势：

  （1）对快件中心进行建模仿真，能够动态直观地模拟未来运营场景，提前发现设计上的不足，逐步优化设计的具体方案。本案例通过仿真发现一层矩阵分拣机负荷率低并提出减小设备规模，节约了快件中心建造成本。

  （2）设备参数化模型能够一键生成所需模型。在快件中心仿真模型的搭建过程中，参数化模型在节约建模成本、加快建模速度方面有及其重要的作用。本案例关键设备模型全部采用参数化方式生成，各设备生成时间均在10分钟以内。建模人员只需手动搭建传送带连接各设备即可，大幅缩减了建模时间。（3）对快件中心仿真模型来优化时，只需修改设备参数化模型对话框页面内的对应参数，即可迅速生成新模型。传统建模方式需要从底层逻辑开始修改，工作量仅次于重新建模，参数化模型使仿真模型修改工作更方便快捷，节约操作人员精力。

  （4）设备的参数化模型将设备的底层分拣逻辑代码和基础组成部件封装成一个结构。操作人员在使用时，只需考虑对话框内参数的修改，无需改动代码和部件。参数释义简单明了，便于人员了解。设备的参数化模型简化了建模操作，降低了建模难度。

  本文基于Plant Simulation软件对快件中心模块化仿真建模进行研究，搭建了矩阵分拣机、交叉带分拣机和各类工人的参数化、模块化仿真模型。经过仔细修改相应的参数，可以一键生成不一样的规格的分拣机模型和各类工人模型。基于以上模块，本文快速搭建了一个双层快件中心仿真模型，运行仿真模型并收集数据，给出优化建议。将分拣机和工人的仿真模型进行模块化和参数化，提高了建模效率，降低了建模难度，增强了建模灵活性。快件中心的规划设计是物流行业发展的必要内容，作为快件中心的重要组成要素，分拣机和工人参数化、模块化建模的研究对快件中心的规划设计有重要意义。本文针对此方面，以快速准确为核心，以灵活便捷为特点，搭建了分拣机和工人的参数化模型，对快件中心的快速建模和规划设计有重要意义。

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