詹 克 旭

(中国邮政集团公司上海研究院 上海 200062)(博世华域转向系统有限公司 上海 201821)

0 引 言

随着我国电商业的飞速发展，公众对速递物流类业务的需求不断增加，速递物流类业务已经成为百姓关注的主要业务之一。近些年，DHL、Fedex、UPS等跨国速递公司进入我国市场，国内的顺丰、申通、圆通、中通和韵达等一些民营快递公司也蓬勃发展起来了，使整个物流业竞争更加激烈。在整个中国市场，速递物流的发展速度和发展前景是可以预见的。同时，消费者对速递物流的时限要求也越来越高，这一要求也促进了物流行业的发展。为了满足公众服务的需求，高速自动分拣技术应运而生，并且仍然在不断提高。高速自动分拣对缩短时限能起到关键作用[1-3]，其技术成分已经成为整个速递传递过程的核心环节。

自动包件分拣机是集光、机、电和信息技术于一体的系统设备，整个自动包件分拣系统内部糅合了同步、上包、信息处理、识别及入格等关键技术。自动包件分拣机作为多项高新技术集成的产物，整个系统的分拣效率、差错率和可靠性等关键技术指标都将受到每一项技术成熟与否的影响[4]。

1 总体功能与构成

包件分拣机主要由主控系统、供件台系统、小车控制系统、扫描仪系统、格口液晶显示系统组成。各子系统之间通过红外收发器、现场总线和局域网联系起来。包件分拣系统的总体结构如图1所示。

图1 包件分拣机的总体结构

包件分拣机主控系统的总体功能：将小包邮件由供件台准确地上到小车上；小车在环型圈行驶，经过扫描仪后，扫描仪识别包件上的条形码信息，根据主控系统的开拆信息分配小车控制系统需要落包的格口；小车控制系统把包件运送至目的格口，小车皮带转动使包件落入格口；格口液晶系统显示格口包件数，并可以对格口进行锁格等操作，告知主控系统停止对该格口落包[5-6]。

1.1 主控系统

主控系统主要由主控制机、数据交换机、数据库服务器组成。其中：主控制机用于控制整个包件分拣机，相当于中心大脑；数据交换机的作用是用来获取开拆信息，开拆信息包含了分拣机需要对包件进行分拣的信息，包括寄达局、条形码等信息；数据服务器是用来存储已被分拣的包件信息和来自数据交换机的信息等。

1.2 供件台系统

供件台系统整体结构如图2所示。靠近供件终端机的皮带段定义为第一段供件台，靠近分拣环线的皮带段定义为第四段供件台。

图2 供件台系统

第一段供包台匀速供包，负责将包件在第二段供件台空闲的时候递送到第二段供件台；第二段供件台完成称重，底面积测量；第三段供件台为同步段，负责将包件调整到合适的速度，供到第四段供件台；第四段供件台，负责将包件送到分拣环线上。

1.3 小车控制系统

小车控制系统主要由轨道通信板和小车板组成，其中小车板由红外收发器和驱动电机组成，用于获取信息和进行上件和落格操作。轨道板和小车板通过红外通信来获取格口信息、主环信息等。小车在直线电机的作用下，在环型轨道上运行，到了供件台后小车控制系统驱动电机转动接包，到达指定格口后小车皮带转动把包件落入格口。

1.4 扫描仪系统

扫描仪系统用于获取包件上的二维码，阅读二维码后将会被送到主控机进行处理，最终将分配一个目的地格口。

1.5 格口液晶显示系统

格口液晶显示系统由格口和格口液晶控制器组成，如图3所示。格口是用于存放指定目的地的包件。格口液晶控制器可以显示格口信息，其中包括包件数量、格口满格和目的地等。同时可以通过格口按键对格口进行操作，进行打印、锁格等操作。

图3 格口液晶显示系统

2 包件位置修正系统的设计

减少分拣差错是包件分拣机的一个重要指标，为了发挥包件分拣机的重大作用，使系统作业人员不需要直接参与，基本实现无人化，减轻劳动强度、减少人力成本、提高分拣效率，就必须有效地减少错误率。

包件分拣机存在分拣差错的主要原因是包件上件可能不是很准确，这样在落格时就可能存在提前落格或飘格等情况。对于包件分拣机系统来说，由于优化了供件台供件算法并采取了其他一些措施，上包状态已经实现最优了。但是由于主环处于高速运行，并且有些包件形状不太规则等诸多情况，这样就难免会出现包件被传送到小车上位置不是很精确。

为了避免出现上件不准造成错格的情况，采用在扫描仪处增加智能相机的方式，设计了一种包件位置修正系统。其工作原理是：包件上到小车上，在经过扫描仪以后，通过智能相机识别出包件在小车上的具体位置，并通过红外通信的方式告知小车，进而在小车运行到指定格口后执行提前或延后落格动作，避免出现飘格或提前落格的分拣差错。系统主要由智能相机、轨道板、小车板三部分组成。具体包件修正系统结构如图4所示。

图4 包件修正系统结构

2.1 智能相机系统设计

小车经过智能相机后，触发智能相机开始采集图像，对小车托盘进行拍照。包件在小车托盘上定义了四个边界，以确定包件的具体位置，为小车进行提前或延迟落格提供依据。

包件在小车上位置示意如图5所示。T、B、L、R为包件与小车托盘的位置关系，T、B、L、R为正数表示包件的这四个边界在托盘内，T、B、L、R为负数表示包件的这四个边界在托盘外。图5中包件左边界在小车托盘左边界外，包件其余三个边界都在小车托盘边界以内。

图5 包件位置示意图

智能相机定位包件的具体位置后，需要将定位信息通过串口发送给轨道板。智能相机与轨道板之间信息交互采用Modbus通信协议的RTU方式，具体的实现是通过RS422总线来连接。

Modbus协议作为一种通用语言应用于电子控制器上，它已经成为一种通用工业标准。控制器经由网络和其他设备之间、控制器相互之间可以通过此协议通信。正因如此，不同厂商生产的控制设备可以进行集中监控，具体通过Modbus协议连成的工业网络来实现[7-10]。

当Modbus协议的数据帧到达终端设备时，它进入被寻址到的设备可以经由一个简单的“端口”实现。该设备首先要去掉数据帧的“信封”(数据头)，然后读取有效数据，如果确认数据没有错误，该数据所请求的任务将被执行。

数据帧格式：地址(Address)、命令(Function)、数据(Data)和校验码(Check)。

其中包件定位信息放在请求数据(Data)中，通过智能相机识别处理后，按协定的通信协议发送给轨道板。通信协议规定包件在小车托盘上应该进行横向偏移和纵向偏移。横向偏移可以使小车托盘提前或延迟执行落格动作；纵向偏移可以使小车托盘在落格前提前进行包件位置调整，将包件调整到小车托盘纵向中心位置。

包件位置信息固定为3个字节，其中第1个字节的高低字节分别表示包件位置的横向偏移和纵向偏移情况。0代表没有偏移或没有包裹，1代表正向偏移，2代表负向偏移。第2个字节代表本小车托盘上包裹横向偏移量(单位：mm)。第3个字节代表本小车托盘上包裹纵向偏移量(单位：mm)。如：0x64即100mm。

2.2 小车控制系统设计

由于小车控制系统与轨道为非接触式工作方式，在轨道板和小车板上都安装有红外通信模块，数据通信方式采用红外无线通信技术。

红外传输距离在几厘米到几十米，使用时只能以半双工方式进行通信，因不同器件不同应用设计，接收灵敏度与发射强度强弱不一。红外线传输的种类目前主要有以下三种，它们都属于 IrDA 的物理层：

(1) 默认传输模式 IrDA-SIR(Serial Infrared，串行红外协议)；

(2) 快速 IrDA-FIR (Fast Infrared，快速红外协议)；

(3) 超高速 IrDA-VFIR(Very Fast Infrared，超高速红外协议)。

基于包件分拣机的应用特性，本系统采用默认传输模式IrDA-SIR。IrDA-SIR，即IrDA1.0 协议，是最早的也是最基本的传输模式。它基于UART，简称SIR，提供短程的红外异步串行传输，采用3/16ENDEC编/解码机制，使用一个启动位、8个数据位和一个停止位。SIR 的最高通信速率采用电脑串行端口的最高速率115 200 bit/s，其主要原因是由于受到UART 通信速率的限制。它也可以调整速度以匹配速度较低的设备。该标准的主要优点在于可使用已有的串行硬件而无需增加其他成本，且错误率低[11-13]，对照明或阳光的抗干扰能力很强。

采用红外无线通信后，当小车通过轨道板时，通过小车上的红外与轨道上的红外板进行无线通信。轨道板通过RS422总线得到智能相机传递过来的包件位置数据后，经过内部处理将包件位置数据转换为小车能够识别的红外通信格式。最终将数据通过红外发模块发送给小车，小车接收到包件位置信息后，通过驱动电机，实现对包件的位置修正处理。具体电机调整，需要经过精确的计算，如需考虑到齿轮的传动比等多方面情况。小车板落格原理如图6所示。

图6 小车板落格原理

为了确保包件可以正常入格，对于纵向偏移来说，如果包件没有纵向偏移量，则小车无需动作；如果有偏移量，小车需要马上进行调整，以确保包件在到达格口之前，包件已经被调整到小车的中心位置，保证落格的准确性。对于横向偏移来说，如果包件没有横向偏移量，则小车无需动作；如果有偏移量，小车在获取到格口信息后，会预留一段落格的调整距离，在到达指定格口前提前或延后驱动电机进行落格动作。当横向偏移为主环运行方向靠近小车托盘前面的时候，小车进行提前落格动作；当横向偏移为主环运行方向靠近小车托盘后面的时候，小车进行延后落格动作。

3 验 证

原有包件分拣机已经应用到实际的工作生产中，如图7所示。但是由于会出现提前落格和飘格问题，包件会被分拣到目标格口的隔壁几个格口。这样一来，系统的错包率高的问题就比较的突出，同时给操作工人带来了无谓的工作量，不满足用户对包件分拣机性能指标的要求。

图7 分拣机现场照片

本设计是在原有包件分拣机的基础上提出来的。经过现场多天实际分拣的应用检验，系统的错包率由原来的0.1%降低至0.01%，达到了用户对分拣机性能指标的要求。同时，通过走访现场一线分拣员工，反馈系统性能得到了提升，真正实现了自动化分拣，获得一致好评。

4 结 语

为了满足快速发展的物流行业对分拣系统效率和性能不断提升的需求，本文提出一种优化的分拣机包件位置修正系统设计。在自动包件分拣机系统中，影响包件分拣系统的效率和性能的重要因素之一是包件是否能够正确的落格。因此，本系统通过智能相机定位包件在小车上的具体位置，使小车从一个“盲人”状态变得可以“看清世界”了。通过红外通信技术将信息传递给主环运行的小车，使原本因为包件在小车上的位置不是很好而造成包件错格的情况大大降低。

通过对系统的改进和优化，有效降低分拣误差，提高了系统整体的运行效率和可靠性。系统已经被应用到了某些省市的物流分拣中心，得到了诸多客户满意的反馈结果。加入了包件位置修正的自动分拣机系统，基本实现无人化，减轻劳动强度，减少人力成本。随着物流行业的快速发展，系统可被广泛应用到自动分拣领域。