一文解读矩阵的定义和矩阵分拣的模式

2019-04-15 09:43

  在物流和电商行业迅速发展的今天,矩阵作为一种分拣场景解决方案,已被广泛应用。为满足场景多样性,以及场地对吞吐量、流向和效率的需求,矩阵经过不断演变,最终发展出多种不同形态,不再是单一模式。笔者在此结合自身规划项目经历和行业参观经验,经过研究和分析总结,认为矩阵并不真是如想象中那般单一简单,在此也分享下个人的分析总结成果,如有同行也欢迎一起交流探讨。

  何谓矩阵?

  虽然在业内矩阵应用已很普遍,但却没有明确的定义。不妨先由笔者结合个人理解给出:矩阵,是一种应用于流向分拣场景且存在进出线关系的输送线立体排布阵列。(如下图1)

  

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  图1 矩阵示例(4进4出矩阵)

  从硬件维度看,矩阵由投影相互垂直的进出线、分拣站台和分拣滑槽等组成;从流程环节看,矩阵由进货线(高位线)、流向分拣区和出货线(低位线)等组成;从产能设计看,矩阵含“吞”、“分”和“吐”3个方面的能力。从功能模块看,矩阵起包裹输送和流向分拣的作用。从流向分拣角度看,矩阵分拣区一般只操作包裹初分,不操作包裹细分。

  其运转流程一般为先由前端矩阵进线进行包裹传输,包裹经过平段拨货口(由站台和滑槽组成)时,按照提前设计的滑道号规则或分拣计划,由分拣员或自动化设备执行流向分拣操作。包裹经分拣滑槽被拨出至含某些流向的各条出线,最后再由出线传输至对应的作业区。

  通过本文,笔者将从处理件型、模式分类、与自动化分拣的关系、处理能力和对未来发展的总结思考等方面展开,给大家带来较系统全面的介绍。

  处理件型

  矩阵的处理件型一般只限小件(最长边≤400mm,重量≤5kg)和中件(400mm<最长边≤800mm,5kg<重量≤30kg)。除此之外的大件、易碎件和NC件(快递行业术语,包含超大、超重、超长、异型等件型等)不能上矩阵操作。

  模式分类

  一、 纵向布局

  1、爬坡架高式(主流模式)

  1.1介绍说明

  矩阵进线经爬坡后被架高进入流向拨口分拣区,在各处流向拨口处通过直滑槽或90o螺旋滑槽将包裹拨至对应流向的低位出线,在出线后端再将线体高度调整至符合人工作业的高度(一般为750mm)。

  常见的爬坡架高式分2种。第一种如下图1的传统模式,矩阵分拣区立于高台库的库内平地。第二种则是先在库内搭建钢平台(一般钢平台的上表面设置离库内地面净高4500mm),再将矩阵分拣区架设在钢平台上,架高后钢平台底下区域可腾出作为车辆入库、NC件等功能区。矩阵进线将爬至较高的高度(离库内地面7600mm),在钢平台夹层上分至各流向出线后再通过螺旋滑槽或转弯下坡的方式,将线体引出降低至钢平台底下的区域进行操作。这种方式体现了场地规划中空间立体化设计的方向,大幅提高了空间利用率。

  

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  图2 爬坡架高式矩阵

  1.2适用场景

  平地库/高台库均适用。库房有效净高一般需保证不低于4500mm。

  1.3设置要点

  ①考虑库房连通性,进线前端需预留人员和叉车通道(如W3000mm*H2500mm)

  ②为保证包裹正常输送且不倾翻滚落,线体爬坡角度一般控制在12o-15o范围内

  ③架高线支撑柱脚较多(设置一体式支撑钢平台或采用吊装安装方式的情况除外),故需保证柱脚整齐排列,进行通道避让并做好防撞处理

  ④爬高后皮带机上表面超过3000mm的线体需设置维修平台。在合流处需设置疏堵平台

  1.4优点

  ①业内主流模式,匹配场景较多,适用性较高,空间利用较好

  ②库房连通性较好,结构简单且整体外型美观

  1.5缺点

  ①输送线支撑柱较多,柱脚容易干涉通道

  ②维修平台设置较多且较复杂,检修不方便

  ③需占用较大净空,对库房有效净高要求较高

  ④输送线斜坡段较占用空间,如想实现矩阵自动化(需分段拉距),无法在斜坡段做拉距

  2、低位下沉式(较少)

  2.1介绍说明

  在卸车上线后,矩阵进线仍保持着平线段的方式进入矩阵的流向拨口作业区,在各拨口处通过滑槽(一般为直滑槽)将包裹拨至对应流向的低位出线,出线支撑水平面一般设置得比卸货水平面要低。

  

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  图3 低位下沉式矩阵

  2.2适用场景

  较适用于BTO场地(Build to Order,定制化场地),在前期建筑设计阶段需将库房地面设置为带高度差的模式,也适用于平地库(需加装卸货月台)。此模式较适用2层矩阵(“挖空”深度小,高度差较小)。

  2.3设置要点

  ①BTO场地需前置建筑设计需求,“挖空”高度匹配矩阵设计高度

  ②改造的平地库需考虑加装/加建装卸货月台

  2.4优点

  ①受库内净高限制较小,极限净高只需约2100mm(相对于卸货月台水平面)

  ②无需设置爬坡段和下坡段,减少线体总使用量和占地空间

  ③减少土建阶段围月台、填实压平和做沉降的工作量

  2.5缺点

  ①库房连通性较差且通道设置复杂,需考虑加装通道钢平台

  ②库房较低处可能存在水浸风险,不便于场地清洁清理

  ③后期如进行矩阵改造,可能会受“挖低”区边界影响

  二、 横向布局

  1、一体式矩阵(主流模式)

  1.1介绍说明

  一般情况下,矩阵的所有进线和出线均设置在一块相对集中的作业区域,经同一条进线进入矩阵分拣作业区的相同流向的包裹,将由对应的滑槽分拣至同条出线上(即同进同流向将同出)。

  

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  图4 一体式矩阵

  1.2适用场景

  目前大多数分拣场景均采用此模式设计矩阵,在场地满足且矩阵规模适中的情况下,优先考虑将矩阵分拣区进行集中设置。

  在《建筑设计防火规范》的限定下,一般工厂丙二类的单层厂房最大防火分区面积不得超过1.6万m2,在此面积限定内矩阵最大规模大约为9进9出。如矩阵有更大的规模设置需求,一般有以下3种解决方案,可提供考虑:

  ①在场地满足的情况下,跨建筑防火分区搭建矩阵,并在输送线跨防火分区处设置消防翻转和防火卷帘门/消防水幕。(本质为1个一体式矩阵)

  ②若场地无法满足条件①的要求,则可按业务将矩阵进行拆分,拆分后矩阵的操作业务和出港流向完全独立,如可拆分为进港矩阵、出港矩阵等。(本质为多个一体式矩阵。根据场地情况,可设在同园区,也可设在不同园区)

  ③若场地无法满足条件①条件,且无法进行独立拆分,则可将矩阵设置为多个进行相互流向交换的分体式矩阵。(本质为分体式矩阵,以下将对此展开具体介绍)

  1.3设置要点

  ①尽可能地将矩阵占地空间压缩至最小,排布紧凑对齐

  ②匹配库房硬件进行设置,并考虑矩阵中间区域人员通行的问题

  1.4优点

  ①占地空间可做最大程度压缩,便于集中化管理和异常处理

  ②矩阵末端回流可集中到一条出线上,便于回流上线操作

  ③对比分体式矩阵,流转时间较短,总分拣次数较少

  1.5缺点

  ①一荣独荣,一损俱损(简单理解,矩阵规模过大,基本不可能同时发挥所有进线的能力;某条出线爆线可能导致整体停线)

  ②虽可分期投入,给场地留白,但实际灵活性不高

  2、 分体式矩阵/分布式矩阵(较少)

  2.1介绍说明

  在空间上,将较大规模的一体式矩阵拆分为多个较小规模的分体式矩阵。一般各分体式矩阵的进线、出线和流向分拣区都是独立设置的,但彼此间存在流向包裹交换(各分体式矩阵间必定存在业务、流向的交集)。

  如下图5,假设矩阵A和矩阵B互为分体式矩阵,则分体式矩阵A会将属于分体式矩阵B流向的包裹拨出到对应出线α,再通过连廊或输送线的方式,将出线α作为进线,重新进入分体式矩阵B进行分拣。

  各分体式矩阵既可在同个库房内分区域设置,也可在同个园区内分库房设置。

  

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  图5 分体式矩阵

  2.2适用场景

  当矩阵规模较大的情况下,为充分发挥其产能,可考虑将矩阵拆分,也可设置主矩阵带小矩阵的方式,如 “1个大矩阵+2个小矩阵”。

  2.3设置要点

  ①若分体式矩阵设在不同库房,需通过连廊或输送线进行交换

  ②设计分体式矩阵,需考虑功能和流向的拆分,即确定各分体式矩阵的定位

  ③一般地,假设分布式矩阵有n个,在不经过中间矩阵中转时,分得越多越复杂,理论最多需求的交换线数可用数列an=n*(n-1)表示,即0,2,6,12,20,···,n*n(n-1)。举例,如0表示1个一体式矩阵,其交换线数为0;2表示2个互为分体式的矩阵,其交换线数至少为2。后续以此进行类推(仅为理论表达方式,目前业内暂未出现超过数量为3的分体式矩阵)

  2.4优点

  ①超大型项目,可考虑分期投入,降低前期一次性投入成本,给场地留白

  ②场地弹性大,多矩阵压力缓冲,减弱“一荣独荣,一损俱损”的限制

  ③大促或高峰时,可在上游环节按分体式矩阵的流向进行初分。卸车时在对应的分体式矩阵上线操作,可以此平衡和降低本环节分拣场地压力

  2.5缺点

  ①对规划而说,数据分析、业务拆分和设计较复杂,需解决为何拆、怎么拆等问题。后期如因业务调整需改变矩阵的功能定位,也需经过严密规划分析

  ②对运营而言,回流不集中且拉动距离较远,处理异常更加复杂,挑战更大

  ③矩阵分得越多,交换越复杂,穿线越复杂,可能涉及连廊、消防设计

  ④因存在交换输送,流转时间将更长

  ⑤回流不集中且拉动距离较远,对现场运营挑战更大

  ⑥相对一体式矩阵,占地空间一般会更大

  三、 线层分类

  1、2层式矩阵

  1.1介绍说明

  从线层的角度,矩阵由上层1层进线层(一般高2200mm-2600mm)和下层1层出线层(一般高750mm)组成,采用1分1滑槽(可以是直滑槽或螺旋滑槽),最大可实现人工1分2。如下图6所示。

  

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  图6 二层式矩阵

  1.2适用场景

  出线不多(场地集货流向不多)或场地层高受限的场景。

  1.3设置要点

  ①上层进线高2200mm-2600mm

  ②站台高一般为1400mm,最大可做到人工1分2

  ③下层出线高750mm

  ④需避免分拣滑槽对冲至同1条出线

  1.4优点

  ①不需搭建维修平台,爬坡/下坡占地空间较小

  ②因出线只有1层且为750mm高,易碎上线口较容易设计

  ③分拣落差较小,破损率较低

  1.5缺点

  ①当出线需求较多,如果仍设二层式会占用较大空间

  ②后期如出线增多,也无法改造为三层式矩阵

  ③只能通过站人平台底下穿行

  2、3层式矩阵

  2.1介绍说明

  从线层的角度,矩阵由上层1层进线层(一般高3100mm)和中层、下层共2层出线层(一般中层1800mm,下层750mm)组成,采用1分2滑槽(由1个直滑槽和1个螺旋滑槽组成,直滑槽对接中层,螺旋滑槽对接下层),最大可实现人工1分4。基于场地最大化设计、分期投入和场地预留的考虑,3层式矩阵已成为新型分拣场地的主流设计模式。如下图7所示。

  

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  图7 三层式矩阵

  2.2适用场景

  当下较主流设计模式,矩阵前端需有较长爬坡距离,库房净高至少需满足4500mm。

  2.3设置要点

  ①三层线高度分别为3100mm、1800mm、500mm

  ②每层出线均需保证包裹输送净空≥900mm

  ③站台高一般为2400mm,最大可做到人工1分4

  ④需避免分拣滑槽对冲至同1条出线

  2.4优点

  ①对比同等进出线规模的2层式,占地较小,更好地利用了纵向空间

  ②人员安排灵活,货量较小时可站1人做1分1或1分2,货量大时可站2人实现分4个流向

  ③结合规划分析,2层出线层可分期投入。后期拓展后,可实现最大化设计

  2.5缺点

  ①分拣落差较大(如上层3100mm分到下层500mm的落差为2600mm),容易造成商品破损

  ②进线爬坡和出线下坡的占地空间较大

  ③因出线中含有1层1800mm高的出线,不便于易碎件上线设计

  ④因上层进线超过3000mm,故需考虑维修平的设计。连通性的设计也更加复杂

  ⑤机械电气设计更复杂,如在输送线电机设计时既需考虑净空,也需避开与滑槽的对冲

  四、进线方式

  1、同向顺入式

  1.1介绍说明

  矩阵的所有进线均以平行且同向的方式进入矩阵分拣区,矩阵漏分件和自流件(经过矩阵分拣区不需操作分拣拨货的包裹)会汇入与所有进线末端相对接的同一条出线。如上图1所示就属于同向顺入式。

  1.2适用场景

  进入场地的进线相对靠近同侧或在同个方向,在库房进深满足且用线较少的前提下可优先考虑。

  1.3设置要点

  所有进线以平行且同向的方式进行矩阵分拣区。

  1.4优点

  ①矩阵的漏分和自流集中到1条出线上,便于现场操作

  ②可在前端集中设计大小件分离区,并将小件集中汇至1条小件堆积线上

  1.5缺点

  当进线不同向或进线口在不同侧时,输送线转弯较多。

  2、反向倒插式

  2.1介绍说明

  矩阵的进线存在平行且反向的情况。倒插进线既可设在边侧也可设在矩阵中间,但需避免干涉。反向倒插式属于同向顺入式的简单变形。如下图8进线4为反向倒插入矩阵。

  

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  图8 反向倒插式

  2.2适用场景

  进入场地的进线相对不靠近同侧也不在同方向。在无足够空间可将进线方向调整为同向,或调整为同向需加大输送线使用量的情况下,优先考虑反向倒插。

  2.3设置要点

  倒插进线需与矩阵其它进线的高度一致,并结合布局和成本进行设置。

  2.4优点

  ①可解决进线不同向地进入矩阵分拣的问题

  ②提高设计灵活性,减少不必要转弯

  2.5缺点

  矩阵的漏分件和自流件会一般分散到2条出线上,处理难度加大。

  五、出线方式

  1、双侧多爪式

  1.1介绍说明

  矩阵设在库房相对靠中间的区域,出线往矩阵的相反两侧延伸,整体动向为2个 “L”型。如上图1所示就属于双侧多爪式。

  1.2适用场景

  库房进深满足且双侧均可方便出货的情况下,应优先考虑。

  1.3设置要点

  矩阵优先设在库房靠中区域且该区域满足回传需求,双侧可方便出货。

  1.4优点

  因为矩阵分拣区设在库房相对靠中间的区域,可直接往两侧延伸。相对而言,输送线使用较少,输送距离较短。

  1.5缺点

  出线口的上游口不在同侧,较难集中操作易碎上线。

  2、单侧多爪式

  2.1介绍说明

  矩阵设在库房边侧或靠墙的区域,出线往矩阵的同侧方向延伸,整体动向为1个 “L”型。如下图9所示。

  

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  图9 单侧多爪式

  2.2适用场景

  矩阵进线口只能设在边侧或靠墙区域的场景(例如只有此处的回转能满足挂车停靠或连廊输送线在边侧接入的情况)。

  2.3设置要点

  ①压缩矩阵占地空间,将其设置在库房边侧或靠墙区域

  ②靠墙边侧预留维修等通道

  2.4优点

  出线口的上游口可设在同侧,便于集中操作易碎上线。

  2.5缺点

  相对双侧多爪式而言,线体使用较多,输送距离较长。

  六、拨口分类

  1、人工拨口

  1.1介绍说明

  传统的模式下,矩阵中的流向分拣由人工完成。在矩阵分拣区可由拨货站台上的分拣人员将矩阵包裹经滑槽(已设定对应的滑槽号)拨至对应出线(推/拉动作)。如下图10所示。

  人工拨口一般可分为件型分离拨口、预分拣拨口和流向拨口等3类。前2类可根据实际场景需求设置,其中件型分离拨口用于将小件包裹或需拆包分流向的麻包袋拨离出来,汇至小单元模块或自动化系统执行分拣操作,预分拣拨口一般设置在流向拨口前端对包裹进行翻面单、理货、靠边等操作。第3类则是人工矩阵必须设置的核心环节。

  件型分离拨口和流向拨口均需设置分拣滑槽,预分拣拨口一般只需设置分拣站台。

  

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  图10 人工拨口

  1.2适用场景

  件型较为多样复杂,且到货卸车货量较集中难以实现单件流的场景。因为是人工操作,故也具备一定柔性,可设备份拨口。常态货量不高时,各出线只启用1组滑槽,在大促时再启动备份滑槽。

  1.3设置要点

  ①结合业务量需求并设置备份,每条进线一般至少需有2个拨口对应到同1条出线上

  ②理论上,从上游至下游,各个拨口的分拣效率呈递增的趋势(上游流量>下游流量)

  ③采用字母或数字提前设置好滑道号规则,并需提前对人员进行培训

  ④每条进线设置的拨口数量一致,在人工位还需设置控制按钮

  1.4优点

  ①受件型(适用于除易碎件和NC件外的所有件型)、流量集中上线的影响较小

  ②柔性较大,大促或高峰时可适当加人提高处理能力

  1.5缺点

  ①用人较多且相对固定,多滑道号规则调整时需要对员工重新培训

  ②虽然也可能改造为自动拨口,但对拉距段、扫描段、拨口段和滑槽的改动较大

  2、自动拨口

  2.1介绍说明

  在前端设置拉距段(拉开包裹间距,保证单件流,一般包裹间距300-400mm)和高速扫描段后,可在矩阵分拣区或出线处通过设置分流器(摆轮、模组带等)、摆臂、推臂或分拣机(业内已有在矩阵分拣区或出线设置直线交叉带的案例)来实现矩阵自动流向分拣。如实实现矩阵分拣区自动分拣,其流程一般为“矩阵进线口上线→多段拉距→高速扫描识别→自动拨口分拣→矩阵出线输送”。如下图11所示为矩阵模组带滚珠分流器分拣。

  

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  图11 自动拨口

  2.2适用场景

  较适合件型相对规整的箱包类,满足面单扫码要求且可保证单件流的场景。

  2.3设置要点

  ①需设置拉距段(常见为3-7段)、高速扫描段、拨口段自动化设备,并设计相应滑槽

  ②一般需预留1组人工矩阵来处理回流(因面单条码等问题,未被自动分拣出的包裹)

  ③规划分析环节,需严格分析适用件型占比,并对货量进行小时高峰需求分析

  ④需从处理效率和成本的维度,与人工拨口模式进行对比,再决定是否投入

  ⑤任何自动化,正式上线前,必须通过假件来模拟测试正式运营的效果

  ⑥需具备系统支持的条件,维护流向ID,与供应商WCS交互,保证信息流和实物流一致

  2.4优点

  ①在效率满足的前提下,可节省用人

  ②分拣计划切换较为灵活,无需反复对员工进行培训,基本不受操作熟练度影响

  2.5缺点

  ①适用件型和处理能力相对固定,弹性和柔性较差

  ②自动拨口也必定存在矩阵回流件,无法消除

  ③设备昂贵,一次性设备投入较高

  与自动化分拣的关系

  随着人工成本的上涨和处理效率要求的提高,自动化应用的趋势已越来越明显。矩阵之于自动化分拣,主要存在模块集成、功能叠加和功能备份等3种关系。

  1、模块集成

  自动化分拣可以作为模块集成在矩阵中,如上文中关于自动拨口的介绍。

  2、功能叠加

  最常见的场景是在件型分离后,中件直接由矩阵完成分拣,小件则被拨离汇合至自动化分拣系统(如交叉带分拣机、翻板AGV机器人、落袋式分拣机等)完成分拣集包(集包后为中大件),最后再回包至矩阵分拣。场地将业务拆分给矩阵和自动化,这里二者是叠加关系。

  3、功能备份

  平行备份的关系,例如在中件自动化(如中件交叉带)的场景。常态分拣机可满足需求时,所有包裹可先经矩阵(但不操作分拣)再进入自动化系统,在分拣机故障、大促或常态爆量的情况下,可直接在前端的矩阵完成分拣操作,实现高效自动化和柔性化的结合。

  处理能力

  在快递行业,处理能力是吞吐能力的一种小时维度的描述。对矩阵而言,就是小时分拣的包裹数。不考虑与自动化的拆分和交互,假设矩阵的进线数为x,每条进线处理能力为a。出线数为y,每条出线处理能力为b。矩阵分拣区有z个人工/自动化分拣区,每个分拣模块的分拣效率为c。则矩阵系统处理能力(瓶颈能力)为:C=min(a*x,b*y,c*z);则矩阵系统的平衡率为:

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  总结思考

  行业内曾有人认为未来交叉带分拣机等自动化将取代矩阵分拣。笔者从规划的角度出发,认为这种想法未免片面。首先,任何自动化和非自动化的应用并无取代或好坏之说,最终都得回归到最根本的3点,那就是场景、效率和成本。基于场景匹配的前提,且能实现效率和成本最优的模式,才是最适合该场地的解决方案。其次,正如前面介绍到的,矩阵与自动化并不是对立关系,是可以结合应用的。

  综上,笔者觉得矩阵在未来行业的发展中还将继续发挥重要作用,甚至演变出更多的模式,让我们拭目以待吧!


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