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自动分选输送机：从运筹学的角度看
摘要：
准时制、集装箱化和电子商务等全球趋势导致在紧张的交货时间表下运输的货运量不断增加。因此，许多供应链将全自动分拣系统作为其分销流程的一个基本组成部分。这方面的例子有从机场的行李处理、邮政行业配送中心的倾斜托盘传送带分拣的包裹，到电子商务零售商仓库中孤立的成批提货订单。本文从运筹学的角度综述了各种全自动输送机分拣系统的科学文献。我们描述了广泛的应用及其不同的分类系统，定义了设计和操作分类器时需要解决的决策问题。在回顾相关文献的同时，确定了未来的研究方向。
关键词：物流 自动化 分类系统 调查
1.引言
如今，自动化分拣系统(ASS)已经成为许多供应链中的重要组成部分，主要是因为四个基本特征:
（Ⅰ）ASS速度很快:次日甚至同一天交货是许多在线零售商和邮政服务提供商的基本承诺。减去运输时间后，所有检索和排序操作只剩下很窄的时间窗口。如果没有自动分类，这些目标似乎很难再实现。
（Ⅱ）ASS处理大量货物:例如，科隆(德国)的航空枢纽是邮政服务提供商联合包裹快递物流网络的全球三大枢纽之一，每小时可分拣多达190000批货物。
（Ⅲ）ASS是可靠的:例如，美国运输部(2009年)在对19家美国航空公司的每1000名乘客行李处理不当进行排名时，报告的范围为1.42至9.17。显然，任何丢失或延误的行李都会导致商誉损失，因此可靠的自动化行李处理成为航空业的关键成功因素。
（Ⅳ）ASS处理重而笨重的物品: 许多工业化国家的老龄化社会建议将对人类工人造成高度人体工程学压力的活动进行自动化。大量货物的重复处理当然是这些活动中的一部分，因此ASS处理超大货物在邮政配送中心和跨码头有着悠久的传统。
尽管ASS的基本布局相当简单：它主要由一个或多个输入站、一个传送带网络和多个收集按收件人分类的货物的出口站组成。但在设计和操作ASS时，有许多决策问题需要解决。本文从运筹学的角度对战略支持系统进行了研究，我们介绍了ASS的主要应用领域，并描述了基本的战略和操作决策问题。此外，我们调查现有的科学文献，并确定未来的研究方向。
为此，本文其余部分的结构如下：第2节定义了本次调查的范围。然后，第3-6节阐述了ASS的主要应用领域。对于每个领域，即仓库、跨码头、邮政行业和机场中的ASS，我们描述其典型ASS的布局，定义要解决的基本决策问题，并回顾文献。最后，第7节讨论了结果、主要发现和未来的研究需求。
2.调查范围
ASS是一个全自动的传送系统，通过一个或多个入站进入系统的入站货物的相互混合序列被分类到分配给不同收件人的出站口。根据我们的定义，ASS由三个基本要素组成:(Ⅰ)进站口，(Ⅱ)主输送机，(Ⅲ)出站口。为了实现特定的ASS实现，这些元素可以区分如下:
（一）在其最基本的形式中，一个特殊目的地只有一个单一的入口站，以便所有货物通过同一接入点进入系统。典型的入口站由传送带组成，首先，将货物运送到识别系统，在那里对其进行称重和识别，例如，通过扫描附在行李上的条形码，通过一些光学字符识别(OCR)软件识别包裹上的手写地址，或者通过从射频识别芯片接收信息之后，一个开关系统成功地将货物装载到主输送机上，并确保彼此之间有适当的距离。或者，主输送机也可以由人工装载。请注意，识别和加载的顺序也可以恢复。较大的ASS通常有多个入站。例如，德国莱比锡的邮政服务提供商敦豪的中央航空枢纽有四个入口站。多个入口点增加了进料容量，避免了装载侧的瓶颈。适当间隔并与出口站交替放置，多个入站允许每个循环中同一输送机段有多个负载。如果货物事先到达其专用出口站，主运输线上的每个被占用的位置可以在连续的入站重新填充。
(二)主输送机沿着一条固定路径，同时向出站方向通过交叉路口。这种输送机的典型速度约为每秒2.5米。有不同的技术方案来解决如何将货物重定向到其出口站点(见图1)。一种广泛使用的解决方案是由不同托盘组成的倾斜托盘输送机，每个托盘可装载一批货物。每个托盘可向一侧或两侧倾斜，以便货物可以滑入其专用出口站。其他替代方案有：炸弹舱分拣机，打开底板，将货物放入一个大袋子或容器中；以及交叉带式分拣机，其中每个传送带段都是一个独立的小输送机，以与主传送带方向成直角的方式运行；最后，还有某种形式的滑板或可以应用其他推动机制。从专业的角度来看，排序机制的技术实现不太复杂。相反，影响操作过程的是路径的结构。在其最基本的形式中，路径只是一条线。线路要求未交付的货物(例如由于出口站点的拥挤)在末端被收集，运输回接入点，并不时地重新插入系统。如果该路径是一个闭环，则可以避免这种额外的浪费。（例如：再循环传送器、循环分类器)。然后，未交付的货物可以在循环中循环，直到拥堵消除。但是，也有双向系统，由多个彼此上下排列的环路组成。这些系统允许将货物导向两个方向，以便选择通向各自出口站的较短路径。最后，该路径可能由复杂的传送带网络组成。例如，一家邮政服务提供商的配送中心应用了一个高级系统，其由预分拣机和最终分拣机组成。这样，就可以分解成更小的子系统。我们在这里想强调的是，通常情况下，捕捉路径的结构(例如，环)就足够了，而不是精确的形状(例如，圆)。
(三)每个出口站可以指定一个特定的收件人接收所有专用货物。出口站点的外观在很大程度上取决于应用领域以及货物的大小和重量。广泛分布的解决方案是终端输送机段，例如，为特定航班收集所有行李的码头或直接拖进卡车拖车的伸缩式输送机。另一方面，炸弹舱或降落伞也可以直接将货物装入一个大袋子或小运输容器中。同样，从或的角度来看，技术实现通常不会影响决策问题。然而，一个重要的问题是目的地分配的持久性。如果一次又一次地服务于出站目的地，例如，每天由多辆卡车服务，则通常应用固定目的地分配。这使得工作人员能够了解终端的拓扑结构。固定目的地通常用于邮政服务行业，每隔几个月就要改变一次。在线零售商提供各种各样的顾客，因此在这种情况下，需要应用不同的目的地分配。在这里，一个出口站点只被短暂地分配给一个特定的订单，直到所有的项目都被收集。然后，工作站被重新分配以接收下一个订单。
通过结合我们三个基本系统元素的这些特征，可以实现不同的ASS。例如，在邮政服务行业中经常应用的多入站、基于环路的倾斜托盘系统的示意性布局在图2的左侧部分中示出。在下文中，我们简要概述了应用ASS的主要应用领域(参见图2的右侧部分)。我们通过其入站流的来源将这些应用系统化，入站流可能来自仓库，也可能刚刚被在中枢环境中交付，以及其他运输工具，即卡车或飞机。
ASS在仓库中的典型应用有两个方面，即在供应链的两个连续阶段之间的中间存储货物的设施。首先，如果应用批处理或分区策略，ASS将发挥至关重要的作用。分批是指多个客户订单(即一批)由一个提货人从货架上联合收集，以便能够在仓库中进行更高效的提货。根据分区策略，仓库被细分为多个区域，拣货员从这些区域中挑选属于其指定区域的订单部分。在这两种情况下，都可以使用ASS来分割收集的项目和累计客户订单。一旦每个提货订单都被打包成一个专用装运，ASS也可以应用于按照专用装运方式对这些包装进行分类。这些ASS的出口站通常是伸缩式输送机，将包裹直接转运到不同运输供应商的卡车拖车中。
跨码头是没有长期储存的特殊配送终端，专门用于将较小的货物整合成满货物卡车。这些术语通常应用于闭环地下链式输送机(也称为牵引索)。在这些系统中，搬运货物托盘的手动托盘卡车可以与链条连接，链条将货物拖过码头。这样，货盘经过它们的专用拖车，以便物流工人可以释放各自的货盘车，并且可以直接将货盘移动到拖车中。另外，该文章还报道了使用基于皮带的ASS来整合货物的零担物流供应商。
在邮政服务行业，没有ASS，分拣邮件和包裹几乎是不可思议的。邮政服务提供商，如联合包裹服务公司和敦豪快递公司，采用由复杂的传送网络组成的庞大系统，以及具有多个入站的双向环路。它们既适用于卡车运输，也适用于机载洲际服务。
行李处理是所有机场最基本的服务之一。入站行李，即新抵达的来自空中或陆地的乘客或来自存储区的提前登记行李，需要运送到行李分拣站，每个分拣站都分配有一个出发航班并终止抵达航班的行李需要运输到行李舱。现代机场要处理的大量行李和紧张的时间表使ASS成为任何机场的重要设施。
请注意，在第3-6节中给出了在每个领域中应用的ASS的更详细的描述，每个章节都专用于这些应用领域之一。我们对论文范围的(肯定的)定义现在被相关领域的(否定的)划分所修正。我们对基于传送带的系统进行了严格的调查，在这种系统中，对于给定的一对入站和出站，货物的路径是固定的。在这条道路上，货物不会单独移动，也就是说，传送带上的所有货物每时每刻都以相同的速度移动。
当然，分拣也可以通过更单独地移动货物来实现，例如将每批货物放置在单独的车辆上，这些车辆可以单独地沿着共享的路径行进，或者可以通过临时路径到达它们专用的出口站。然而，在这种情况下，路线方面，即一段时间内货物的位置，通常是主要的。因此，相应的优化问题相当接近于运输路线问题以及取货和交货问题，这些问题在文献调查中都有很好的描述。我们的限制不包括以下(相关)分拣和运输系统。
在集装箱港口，自动导向车辆在服务船只的码头起重机和多个集装箱码头的堆场起重机之间转运集装箱(维斯，2006年)。自动导引车可以在单独的路径上行驶(在可能受限的网络上)，因此被排除在外。自动导引车也适用于仓库中的准备物品，例如，在KIVA系统中。这些系统也被排除在外。沿着不断变化的路径行驶的单个车辆也应用在基于自主机器人的创新分拣系统中(参见汤普金斯国际，2017年)。一个大型舰队的每个机器人都装载着一件物品，并沿着车间的一个方格向许多专用于物品目的地的天窗中的一个移动。在这里，机器人倾斜它的托盘，使得顶部的物品滑入收集物品的天窗。
对于行李处理，现有系统将每件行李放在单独的目的地编码车辆上。这些由线性感应电机驱动的无人驾驶小车安装在轨道上，但是它们可以以不同的速度和距离行驶。类似的系统也适用于生产环境中的零件供应(见勒安和德科斯特，2005年)。
基于回路的自动搬运系统应用于生产环境，将工件运送到装配站。例如，Nazzal和El-Nashar (2007)在晶片生产系统中调查了这些系统；其它基于起重机的系统应用于电子工业。然而，这些系统通常必须连续访问多个工位进行组装操作，因此与分拣没有直接关系。
最近的雏形是试图将ASS的基本逻辑应用于更大的货物，如集装箱。例如，它们被应用于铁路调车场，在那里龙门起重机将集装箱整合到不同的货运列车中。为了减轻起重机沿堆场长时间的水平移动(以及起重机的干扰，这种移动会引起)，现代堆场采用轨道穿梭车，在起重机区域之间移动集装箱。然而，这些穿梭机沿着轨道单独移动，因此这些系统被排除在外。
铁路领域的另一个分拣系统是传统的分流站。在这里，进站的货车是分开的，在调车山上移动，当向下滚动时，通过道岔被引导到出站轨道上。这样，混杂的进站列车被组装(分类)成开往各自目的地的出站列车。最近一项关于调车场的调查由博伊森、菲尔德纳、耶恩和佩施(2012)提供。然而，在刹车片的影响下，调车山向下的运动会被暂时地延迟，因此产生不稳定运动。
我们的调查不仅仅是技术方面，还有应用硬件。因此，我们在计划和设计一个新的ASS(或改变一个现有的ASS)和运行一个ASS时要解决的主要决策问题。根据他们的规划范围排序，我们将大量决策问题分为以下四个方面:
如果要设计新系统或改变现有系统，则需要解决布局问题。在这些情况下，需要根据性能和投资成本之间的基本权衡来评估布局方案。具体而言，这一阶段的决策问题必须决定所有结构方面，如进站口的数量和位置、主输送机的结构和长度(例如，单回路与双向系统)，以及出口站的数量和位置。
在入站方面，货物进入ASS的方式必须结构化。这包括选择每次装运的入口站和每个站的进料顺序。例如，在邮政服务行业的许多终端中，进站卡车可以在终端的不同侧卸下，以便应用替代的进站口。这样，将卸货码头适当分配给卡车会影响分拣性能。
在出站方面，目的地(收件人)必须在ASS运行期间签署到出口站点。在文学中，这个问题也被称为目的地分配问题。这个问题的结构主要取决于是寻找固定的(例如，几个月内有效的)还是不断变化的变量赋值。出口方的其他决策问题与包装操作的人员配备有关，一旦货物到达其出口站，就需要进行包装操作。
最后，必须做出短期(甚至实时)的调度决策。例如，它们与货物应该装载到主输送机上的时间点相关。如果有替代品，则必须确定每批货物的具体路径(在运输商网络中)。
ASS应用程序的大量使用使得一些相关的调查论文已经存在。例如，De Koster等人(2007年)对仓库进行了调查，Tos˘ic (1992年)和Ashford、Coutu和Beasley (2013年)对机场运营进行了调查，Boysen和Fliedner (2010年)、Van Belle等人(2012年)、Buijs等人(2014年)以及Ladier和Alpan (2016年)对跨码头进行了调查。他们都在更广泛的背景下提到特别行动计划。只有穆特和怀特(1979)的调查论文专门讨论了分类系统。一方面，这篇论文已经很旧了，因此在此期间积累了大量的补充论文。此外，他们调查的重点是专门针对布局方面的分析方法。因此，一份关于特别服务协定的最新调查报告似乎是合理的。
最后，我们简要说明了我们的数据库搜索，以检索待审查的论文。作为指定我们领域的关键字，我们应用“分拣机”、“分拣系统”、“分拣系统”、“分拣输送机”、“自动配对分拣”和“订单累积系统”。此外，应用第二组关键词，即“仓储”、“仓库”、“跨码头”、“跨码头”、“邮政服务”和“行李处理”，以指定应用领域。来自第一组和第二组的任何关键词组合都被用作两个学术数据库的查询，这两个数据库分别是商业源高级版和Sco-pus。在同行评议期刊上发表的所有英文论文，凡是已经检索到的和在参考书目中引用的(滚雪球法)，都要通过分析摘要来检查其相关性。此外，一些选定
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