基于单臂水平分流器的快速分拣方法构建及其在机场行李处理系统中的应用验证

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摘要：机场行李处理系统中的单臂水平分流器是一种常用分流设备，其功能与常用的垂直分流器、推臂分拣机等分流设备类似，均是用于将行李导入另一条输送线或滑槽中。然而，单臂水平分流器的行李分拣时间长、分拣效率低，因此常作为备份线分流设备。本文针对单臂水平分流器设备，提出一种快速分拣方法。首先，提出了单臂水平分流器用作常规行李分拣的条件，并构建了其分拣过程的数学模型。通过对单臂水平分流器的行李分拣过程进行仿真和试验，结果表明该快速分拣方法具有可行性，为单臂水平分流器在行李分拣流程中的规模化应用奠定了理论基础。

关键词：单臂水平分流器；摆臂；常规分拣；快速分拣

作者：雷杰1，2

1民航成都物流技术有限公司

2中国民航局第二研究所

一

引言

机场行李系统是保证航班正常运行的重要基础设施。大型机场行李系统包括出港子系统和到港子系统，如图1所示。出港子系统由输送机、行李识别器、自动分拣机、水平分流器、垂直分流器、电控设备及网络连接等设备组成[1]。行李在值机柜台办理托运后进入收集输送机。普通输送机通过RFID系统的跟踪识别，以及水平分流器与垂直分流器的初级分拣，将行李运送至指定的自动分拣机进行精确分拣。自动分拣机根据航班信息，将行李输送至对应航班的离港转盘进行装箱[2]。

图1 某大型机场行李系统原理图

民航机场行李处理系统对行李输送、分拣的及时性与准确性要求高，同时对行李系统机械设备及装置的可靠性要求也非常严格[3]。行李处理系统设计不合理、可靠性低，会导致设备故障频发，造成分拣中断或者效率低下，进而引发行李延误、航班延误及旅客投诉等严重后果[4]。此外，行李处理系统在设计时应遵循机械设备及装置等系统的备份原则。例如。可通过水平分流器、垂直分流器改变行李流向；通过多台分拣机对行李进行备份式分拣；多个系统可以单独运行分拣行李；行李高峰时也可以同时协调联动分拣行李；故障时可以相互切换处理行李等，从而做到系统备份冗余设计[5]。

二

单臂水平分流器的常规分拣模式

为实现主输送线单位时间内的行李处理量最大化，行李处理过程可简化为：单臂水平分流器下方的输送机为一台长输送机，其前端无排队输送机，行李间距通过人为调节；为简化模型，假设水平分流器分流出口设备对行李速度无影响。

图2 单臂水平分流器常规分拣行李过程示意图

单臂水平分流器正确分拣行李的过程如图2所示。图中三个行李在主线上输送，其中行李2和行李3沿主线继续输送，行李1则需要被分拣至分拣口设备中。要实现正确分拣过程，行李3在完全通过水平分流器摆臂末端后，行李1触碰光电1感应，水平分流器摆臂开始动作摆出至分拣位置，此时行李1还未输送至分拣位置。在摆臂到达分拣位置后，行李1开始接触摆臂后，在摆臂输送机的驱动下往分拣口方向运动。在行李1完全进行滑槽后，行李2触碰光电1感应，水平分流器摆臂收回，行李2沿主线继续输送。

单臂水平分流器分拣行李的整个过程需要从摆出到停止再到收回的一个完整往复动作。多个行李分拣的正确性，由行李的间距、水平分流器摆臂动作时间、主输送线速度和摆臂输送机速度等因素决定。

从上述分拣过程可得到，要保证不同的行李分拣至正确的滑槽口，需要满足如下条件：

1.行李3到达摆臂分流器末端时，行李1才能到达光电1位置，遮挡光电1后摆臂开始摆动；

2.行李1在接触到单臂水平分流器摆臂之前，水平分流器摆臂已到位；

3.行李1完全进入分拣口设备后，行李2才能接触光电1，使单臂水平分流器摆臂收回；

4.行李2到达行李1的位置时，单臂水平分流器摆臂已完全收回到位。

设主输送线速度为v1，行李1从接触到单臂水平分流器摆臂到完全进入滑槽的时间为t1，单臂水平分流器摆臂换位时间为t2。根据上述条件，可得到单臂水平分流器正确分拣行李条件为：

三

单臂水平分流器的快速分拣模式

本文提出一种基于单臂水平分流器的快速分拣模式，分拣过程如图3所示。行李3和行李2正常通过，不被分拣；行李1为分拣行李。行李3在离开光电2后，行李1到达光电1，光电正常遮挡；单臂水平分流器摆臂快速摆动至位置2，此时正好与行李1接触；行李1与水平分流器摆臂接触后，在摆臂皮带输送机快速作用下，行李1得到一个向下的速度，往分拣口移动；同时，水平分流器摆臂以一定的速度往回摆至位置1。行李1在摆臂回摆运动、摆臂皮带输送机和行李输送机的共同作用下，快速运动至分拣口。行李2接触光电1后，水平分流器摆臂回摆，完成一个快速分拣动作。

图3 单臂水平分流器快速分拣行李过程示意图

从上述分拣过程可得到，要保证行李快速分拣需要满足如下条件：

1.行李3到达摆臂分流器末端时，行李1才能到达光电1位置，遮挡光电1后摆臂开始摆动；

2.行李1在位置2接触到单臂水平分流器摆臂之前，水平分流器摆臂已到位，并且摆臂输送机正常运转；

3.单臂水平分流器摆臂以一定速度进行回摆，并保持行李1与摆臂接触；

4.行李1完全进入分拣口设备后，行李2才能接触光电1，使水平分流器摆臂收回。

设主输送线速度为v1，行李1从接触到单臂水平分流器的摆臂到完全进入滑槽的时间为t4，单臂水平分流器摆臂摆至位置2的时间为t3。根据上述条件，可得到单臂水平分流器实现快速分拣行李的正确分拣条件为：

四

行李分拣过程的数学模型构建

根据上述两种单臂水平分流器分拣过程，可对该过程进行数学建模。该数学模型的假设条件如下：（1）行李假设为一质点运动；（2）行李与皮带输送机无打滑现象；（3）单臂水平分流器摆臂沿主输送机方向的分速度小于主输送机皮带速度；（4）行李与水平分流器摆臂接触过程中无分离现象；（5）行李遮挡光电2后，单臂水平分流器摆臂与行李立即分离。

1.常规分拣模型

根据单臂水平分流器常规分拣行李条件，该分拣过程中行李运动轨迹模型为两个过程，对行李两个运动过程进行受力分析，如图4所示。为保证行李在与单臂水平分流器摆臂接触后速度基本保持不变，将单臂水平分流器摆臂的皮带速度vB与主输送线速度为v1的关系可定义为：

图4 常规分拣过程行李受力图

行李通过光电孔1，水平运动路径与时间t1'的关系为；

与摆臂接触的运动路径与时间t2'的关系为：

对式（10）和式（11）相加得到：行李通过光电孔1，离开摆臂的运动路径与时间的关系为；

式中：H行李中心距离主输送线输送机下边距离，m；输送机皮带速度为v1 ，m/s；t1'为行李通过光电1至与水平分流器摆臂接触的时间；t2'为与水平分流器摆臂接触至离开摆臂作用的时间。

2.快速分拣模型

与常规分拣模型相同，根据单臂水平分流器快速分拣行李条件，该分拣过程中行李运动轨迹模型也分为三个阶段。

（1）行李通过光电孔1，到与单臂水平分流器摆臂接触的运动距离L1为；

（2）行李与单臂水平分流器摆臂接触过程中，离开主输送机到接收输送机上。该过程中，行李运动速度如图5所示。沿竖直y方向的分速度计算式为：

图5 快速分拣过程行李受力图

该行李质点沿y方向运动方程为：

该行李沿y方向运动距离为H。根据上述式（13）～式（18），得到行李运动的y方向运动方程为：

式中：m为行李质量，kg；k为系数；w为单臂水平分流器摆臂转速，r/s；vw为单臂水平分流器摆臂在行李接触位置的线速度，m/s；r0为行李刚接触单臂水平分流器摆臂时，距离摆臂旋转中心的半径，m；θ为单臂水平分流器摆臂与竖直y方向夹角；B为主输送机输送面宽度，m；H行李中心距离主输送线输送机下边距离，m；输送机皮带速度为v1，m/s；μ1为行李与主输送线的摩擦系数；μ2为行李与单臂水平分流器摆臂皮带的摩擦系数。

五

仿真分析

为进一步分析行李运动时间与沿y方向运动距离的关系，并对比常规分拣模型和快速分拣模型的行李分拣效率。本文基于Matlab软件，通过Ode45函数求解快速分拣模型的非线性常微分方程。

查阅常用的单臂水平分流器和行李皮带输送机相关参数，并依据其相关规范标准确定仿真参数，参见表1。

表1 仿真参数

行李从接触光电1到与单臂水平分流器摆臂分离的整个分拣过程，在相同输入参数以及行李沿Y方向运动距离的条件下，设置快速分拣模型的初始条件为常规分拣和快速分拣两种模型的仿真结果分别如图6、图7所示，从图中可知，在沿Y方向运动距离相同的条件下，常规分拣情况下的平均时间为2.68s，快速分拣情况下的平均时间为1.2s，行李的分拣时间缩短约55%，即在单臂水平分流器快速分拣条件下，行李分拣效率提高了约55%。

图6 单臂水平分流器常规分拣模型仿真结果

图7 单臂水平分流器快速分拣模型仿真结果

六

试验验证

为了验证上述仿真结论，采用行李分拣试验输送线开展试验。单臂水平分流器设备特殊定制,如图8所示，摆臂角度有45°模式和90°模式，其控制原理图和控制过程示意图如图9和图10所示。

图8 单臂水平分流器照片

图9 单臂水平分流器控制原理图

图10 单臂水平分流器控制过程示意图

基于上述单臂水平分流器的常规和快速分拣模式（试验状态），该试验线的行李分拣设计为两种运行可切换状态。输送线检测信号包括有皮带运行速度、行李通过光电时间、行李重量等。测试行李量的相关数据和控制器信号输出数据参见表2和表3。

表2 测试行李相关数据

表3 控制器信号输出数据统计

通过对行李分拣试验数据的统计分析，单个行李通过滑槽入口光电的时间与水分入口光电的时间之差得到单个行李的分拣时间；相邻两件行李通过水分入口光电的时间之差得到相邻两件行李的间距，该行李间距需大于单臂水平分流器处理单个行李的时间周期，满足分拣试验的连续性。单臂水平分流器正常运行下两种分拣状态的行李通过出入口光电的时间数据参见表4和表5。从表4和表5可明显看出快速分拣模式下的行李分拣时间更短，常规分拣试验的平均时间为2.818s，而快速分拣试验的平均时间为1.69s，即快速分拣试验的行李分拣效率与常规模式下相比提高了40%左右。该测试结果在一定程度上验证了单臂水平分流器采用快速分拣方法的可行性以及优越性。

表4 单臂水平分流器常规分拣试验数据统计

表5 单臂水平分流器快速分拣试验数据统计

七

总结

本文根据单臂水平分流器的行李正确分拣条件，提出了单臂水平分流器的行李快速分拣方法，并建立常规分拣和快速分拣数学模型，通过对两种分拣方法的模型仿真以及试验验证，得出了单臂水平分流器快速分拣方法的行李分拣时间明显快于常规分拣方法。该方法不仅对单臂水平分流器的结构和功能提出了更高的要求，也为行李处理系统流程的优化，以及分拣模式的选用，提供了一定的参考价值。

【本研究受四川省科学技术厅中央在川高校院所“聚源兴川”项目资助，项目编号：2025ZHCG0013。】

参考文献:

[1]吴耀华,王莹,肖际伟,等.现代物流系统技术的研究现状及发展趋势[J].机械工程学报,1999,(04):1-5.

[2]柯翔,陈传梁,谢德杉,等.机场行李系统开包间分流器应急装置的设计与应用[J].物流技术与应用,2022,27(05):153-156.

[3]蔡咏德,高燕.大摆臂分流器在行李处理系统中的应用设计[J].科技资讯,2019,17(07):12-18.DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2019.07.012.

[4]李想.机场行李处理系统的分拣模式[J].物流技术与应用,2009,14(08):96-98.

[5]王碧章.一种垂直分流器分流能力研究[J].物流工程与管理,2018,40(05):140-141.

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编辑、排版：王茜

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