基于訂單網(wǎng)格化聚類方法的醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)與電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)的比較研究

沈長鵬，鄒 霞，吳耀華（山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061）

SHEN Chang-peng,ZOU Xia,WU Yao-hua (Shandong University,Jinan 250061,China)

0 引言

訂單揀選消耗了配送中心內(nèi)的主要勞力，決定著對下游客戶的服務(wù)水平，是配送中心內(nèi)部最重要的作業(yè)流程[1]。和綜合型配送中心相比，醫(yī)藥配送中心的訂單具有品相多，數(shù)量小、揀選工作量大的特點，因此，選擇合適的訂單揀選系統(tǒng)對于提高醫(yī)藥配送中心的訂單揀選效率、提高客戶服務(wù)水平，有著至關(guān)重要的作用。

醫(yī)藥配送中心的揀選方法可以分為人工揀選、半自動化揀選和自動化揀選。其中，半自動化揀選主要采用電子標(biāo)簽的揀選形式，而全自動揀選主要采用醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)。目前，醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)在我國醫(yī)藥物流中心開始廣泛應(yīng)用。較人工揀選方式以及電子標(biāo)簽揀選方式，自動揀選具有需要人員少，行走距離短，揀選速度快，差錯率低等特點。目前，國內(nèi)自主研發(fā)和生產(chǎn)醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)不多，典型代表為瀑布式盒裝品快速分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)為山東蘭劍物流科技公司結(jié)合國內(nèi)外藥品拆零揀選的發(fā)展經(jīng)驗，針對各揀選系統(tǒng)的優(yōu)勢與劣勢，研發(fā)了瀑布式盒裝品快速分揀系統(tǒng)，將電子標(biāo)簽揀選與A字機(jī)揀選理念相結(jié)合，是一個基于自動化揀選的盒裝品快速分揀系統(tǒng)。

本文通過重點研究自動揀選系統(tǒng)與電子標(biāo)簽系統(tǒng)，對二者在揀選效率及補(bǔ)貨效率等指標(biāo)進(jìn)行對比和分析。結(jié)果證明，基于訂單網(wǎng)格的醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)的揀選效率是電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)的3.05倍，而補(bǔ)貨效率是電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)的3.5倍。

1 醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)

目前，國際上研究醫(yī)藥揀選系統(tǒng)的有CaputoA C.Caputo and Pelagagge P M.[2]，對醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)的上限等問題進(jìn)行了研究，并利用仿真方法進(jìn)行優(yōu)化，同時利用多項決策原則建立專家決策系統(tǒng)，適應(yīng)了訂單隨機(jī)性特點即訂單特征發(fā)生變化下應(yīng)采取何種應(yīng)對措施。

本文研究的醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)是遵循A-frame工作原理設(shè)計的，其特點是同層串行揀選，多層并行揀選。單臺揀選機(jī)由儲貨通道、揀選機(jī)構(gòu)、自動輸送設(shè)備、擋板、基座以及密封罩等組成 （由于商業(yè)保密性需求，同時為了說明問題，這里用字母參數(shù)代替具體參數(shù)）。如圖1，2所示。

儲貨通道是放置藥品的貨架，這種貨架具有一定的傾斜角度α，藥品利用重力可以順利滑至貨架另一端。每層具有X個通道，共有Y層。同層儲貨通道長度相同。通常一個揀選單機(jī)具有512個儲貨通道。為了簡化計算，本文假設(shè)所有通道長度相同。

揀選機(jī)構(gòu)在電機(jī)的作用下將藥品從儲貨通道彈射出來，完成揀出動作。同層的揀選機(jī)構(gòu)受同一個光電計數(shù)器控制，因此同一時刻同層只能有一個通道揀選機(jī)構(gòu)動作，不同層揀選機(jī)構(gòu)可以并行揀選。每次彈射藥盒的時間一定。

自動輸送設(shè)備將彈射出來的藥品輸送至周轉(zhuǎn)箱處，進(jìn)行人工裝箱、復(fù)核。整套揀選系統(tǒng)共用一條輸送帶。系統(tǒng)如圖3所示。

2 訂單網(wǎng)格化聚類

2.1 作業(yè)策略

訂單揀選系統(tǒng)實際應(yīng)用時可采用不同的作業(yè)策略，作業(yè)策略不同則所需的訂單揀選時間也不同。因此訂單揀選系統(tǒng)比選時，各系統(tǒng)均須在相同條件下選擇各自最優(yōu)的策略再進(jìn)行比較。與訂單揀選系統(tǒng)相關(guān)的作業(yè)策略包括分區(qū)、分批、倉儲、布局、路徑、合單及揀選等[3]，其中布局、路徑、合單及揀選與配送中心和訂單揀選系統(tǒng)的具體尺寸密切相關(guān)，在系統(tǒng)選擇階段沒有各類具體尺寸的前提下，重點應(yīng)考慮的策略是分區(qū)、分批和倉儲策略。

2.2 基于訂單網(wǎng)格化的分區(qū)和分批策略

分區(qū)策略是指將揀選區(qū)劃分為很多區(qū)，每個區(qū)指派一名揀選員負(fù)責(zé)本區(qū)的揀選工作。常用的分區(qū)策略包括串行分區(qū)和并行分區(qū)，并行分區(qū)，即各區(qū)的揀選員同時揀選一個或一批訂單行，各自的揀選完成后再開始下一個或下一批訂單行的揀選。分批策略是指將多個訂單行合并為一個批次，在一個行走過程中完成本批所有訂單行的揀選。

分區(qū)策略和分批策略本質(zhì)上都是對訂單表的聚類，分區(qū)是將物品聚類到一個區(qū)內(nèi)，分批是將訂單行聚類到一個批次內(nèi)。應(yīng)用分區(qū)和分批策略后，訂單表可以被劃分為M行N列的網(wǎng)格，如圖4所示。

本文用（m,n ）表示第m行第n列的網(wǎng)格，即第m批訂單行和第n個物品分區(qū)，其中1≤m≤M，1≤n≤N。同時，定義i∈｛1,2,…,I｝表示每個訂單行的序號，j∈｛1,2,…,J｝表示每個物品的序號。

3 系統(tǒng)作業(yè)時間建模

3.1 訂單揀選作業(yè)時間構(gòu)成

根據(jù)某些調(diào)查，訂單揀選時間可分解為行走、尋找、揀取、安裝及其他等時間[4]，如表1所示。

表1 訂單揀選作業(yè)時間構(gòu)成

對于電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)，訂單揀選作業(yè)時間包括行走、尋找、撿取和其他活動。

3.2 電子標(biāo)簽系統(tǒng)的一維單元化網(wǎng)格的作業(yè)時間

本文選擇實際應(yīng)用最多的循環(huán)模式作為電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)的應(yīng)用策略，即揀選人員根據(jù)電子標(biāo)簽指示，將一個存貨單元從存儲位運至揀選位，然后返回儲存位，將下一個存貨單元從貨架上獲取。

電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)在一維網(wǎng)格m,（）n 中的作業(yè)時間為：

式中，t（m,n）——網(wǎng)格（m,n）的揀選時間，ZN（n）——第n個區(qū)內(nèi)物品的品種數(shù)，tTCR（m,k）——揀選人員在第m批訂單行、第k次行程取貨時的行走時間，tR（m,k）——在倉儲位取貨的時間，tTC（m,k）——揀選人員從取貨位到揀選位的行走時間，tE（m,k）——揀取物品的時間，tTCB（m,k）——揀選人員從揀選位返回取貨位的行走時間，P（m,k）——物品被揀選的位置，L0——每物品倉儲位的長度，vC——揀選人員行走速度，tR0——每類物品的取貨時間，N（m,n）——（m,n）內(nèi)的物品品種數(shù)，tE——

0每個物品的揀取時間，Q（m,n）——（m,n）內(nèi)的物品個數(shù)。

3.3 二維系統(tǒng)的總體作業(yè)時間

3.3.1 基于空間填充線的二維系統(tǒng)

利用空間填充線可將一維的單元化網(wǎng)格連接為二維或三維系統(tǒng)[5]。本文以二維系統(tǒng)為研究對象，醫(yī)藥自動分揀系統(tǒng)系統(tǒng)采用并行分區(qū)策略后的二維系統(tǒng)布局，如圖6所示。

3.3.2 二維作業(yè)時間模型

基于訂單網(wǎng)格的醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)系統(tǒng)采用并行分區(qū)策略，各分區(qū)可以有兩種并行作業(yè)模式：一種是所有分區(qū)全部完成某批訂單行的揀選后再開始下一批訂單行的揀選，另一種是本分區(qū)完成某批訂單行的揀選后就開始下一批訂單行的揀選。本文選用前一種作業(yè)模式，具體模型如圖7所示。

由模型知，每一批訂單行的累積作業(yè)時間為：

4 實際數(shù)據(jù)驗證

某醫(yī)藥物流配送中心日均揀選量為3.5萬盒，藥品種類3 000多項，共有揀選人員60名，醫(yī)藥銷售旺季，日均揀選量達(dá)到8萬盒。該物流中心原來采用電子標(biāo)簽系統(tǒng)，現(xiàn)對系統(tǒng)升級，采用醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)。我們對所有品項進(jìn)行EIQ分析，確定適合醫(yī)藥自動揀選的品項，然后選取一天訂單數(shù)據(jù)，訂單個數(shù)43，訂購量3.6萬盒，進(jìn)行驗證。部分訂單數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 部分原始訂單數(shù)據(jù)

下面分別用自動揀選系統(tǒng)和電子標(biāo)簽系統(tǒng)進(jìn)行揀選。

4.1 揀選時間

（1）若采用電子標(biāo)簽進(jìn)行揀選，實際揀選時間為15 244秒，即4.3小時，揀選速度為每秒2.4盒。

表3 部分品項編號

（2）采用醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)進(jìn)行揀選，揀選時間為5 012秒，即1.4小時，即揀選速度為每秒7.3盒。

4.2 補(bǔ)貨勞動強(qiáng)度

（1）電子標(biāo)簽揀選，每次揀選操作需行走貫穿整個巷道，即14米。

（2）醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)在補(bǔ)貨環(huán)節(jié)的行走距離僅為單機(jī)設(shè)備的寬度3.28米，在此距離內(nèi)，通過氖燈和LED屏的提示進(jìn)行近距離補(bǔ)貨，作業(yè)強(qiáng)度大大降低。

4.3 其它要素比較

設(shè)備高度可以達(dá)到2.5-4米，充分的利用了立體空間，占地面積小。以5 000個品規(guī)藥品為例，瀑布式盒裝品快速揀選系統(tǒng)占地約25米*7米，而電子標(biāo)簽占地54米*14米。采用重力式的存儲滑道，零盒拆零單機(jī)滑道數(shù)目288道，通過對業(yè)內(nèi)近萬種包裝尺寸的綜合分析，設(shè)備采用55mm作為基礎(chǔ)模數(shù)，只設(shè)計三種寬度的滑道就滿足所有盒裝品的尺寸。

另外，和電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)相比，自動揀選系統(tǒng)的可靠性更高。

4.4 兩種方法結(jié)果比較

表4 兩種揀選方法結(jié)果比較

5 結(jié)束語

基于訂單網(wǎng)格的醫(yī)藥自動揀選系統(tǒng)大大提高了藥品流通企業(yè)訂單揀選的效率，提高了補(bǔ)貨效率，降低了勞動強(qiáng)度和人力成本，提高了作業(yè)的準(zhǔn)確性，保證了更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，逐步實現(xiàn) “高效率、低成本、優(yōu)服務(wù)”的目標(biāo)。

[1]BURINSKIENE A.Order picking process at warehouses[J].International Journal of Logistics Systems and Management,2010,6(2):62-78.

[2]Caputo A C.Pelagagge P M.Management criteria of automated order picking systems in high-rotation high-volume distribution centers[J].Industrial Management&Data Systems,2006,106(9):1359-1383.

[3]KOSTER R D,LE D T,ROODBERGEN K J.Design and control of warehouse order picking:A literature review[J].European Journal of Operational Research,2007(182):481-501.

[4]FRAZELLE E H.World-Class Warehousing[Z].Logistics Resources International,Atlanta,GA,1996.

[5]HUA W,ZHOU C.Clusters and filling-curve-based storage assignment in a circuit board assembly kitting area[J].IIE Transactions,2008(40):569-585.?