密集式叉車立體庫的作業(yè)管理與貨位分配算法

【信息科學(xué)與控制工程】

密集式叉車立體庫的作業(yè)管理與貨位分配算法

付曉鋒1,2，張波1，王衛(wèi)青1

(1.總后建筑工程研究所，西安710032； 2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長沙410073)

摘要：針對(duì)密集式叉車立體庫的物資存儲(chǔ)特點(diǎn)和作業(yè)模式，給出了與出入庫作業(yè)流程相結(jié)合的貨位狀態(tài)數(shù)據(jù)管理過程，以出庫作業(yè)效率為優(yōu)化指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了貨位分配。通過對(duì)“預(yù)分配→實(shí)名化→已上架”三級(jí)入庫作業(yè)貨位狀態(tài)和“預(yù)分配→已下架→已回庫”三級(jí)出庫作業(yè)貨位狀態(tài)的數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)與倉庫作業(yè)管理的協(xié)調(diào)配合；利用貨架電子標(biāo)識(shí)進(jìn)行作業(yè)導(dǎo)引，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員快速尋找作業(yè)貨位；在入庫作業(yè)的制定入庫作業(yè)計(jì)劃階段采用“托盤組—貨格”耦合策略進(jìn)行貨位分配，得到的貨位分配方案在不改變?cè)形镔Y存儲(chǔ)位置的前提下能夠達(dá)到最高出庫效率。

關(guān)鍵詞：密集式叉車立體庫；貨架電子標(biāo)識(shí)；貨位狀態(tài)；托盤組—貨格;耦合貨位分配策略

收稿日期：2014-12-11

作者簡介：付曉鋒(1983—)，男，博士后，工程師，主要從事倉儲(chǔ)裝備技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.023

中圖分類號(hào)：TP301.6

文章編號(hào)：1006-0707(2015)06-0093-04

本文引用格式：付曉鋒，張波，王衛(wèi)青.密集式叉車立體庫的作業(yè)管理與貨位分配算法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(6):93-96.

Citationformat:FUXiao-feng,ZHANGBo,WANGWei-qing.OperationManagementandStorageDistributionOptimizationAssignmentofaHigh-DensityHigh-RackWarehouse[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(6):93-96.

OperationManagementandStorageDistributionOptimization

AssignmentofaHigh-DensityHigh-RackWarehouse

FUXiao-feng1, 2,ZHANGBo1, WANG Wei-qing1

(1.ConstructionEngineeringResearchInstituteofGeneralLogisticsDepartmentofPLA,Xi’an710032,China;

2.CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,

NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract:The rack statuses in inbound and outbound processes of a high-density high-rack warehouse were exhibited and the storage distribution was optimized to achieve the highest efficiency in outbound operation, based on the storage characters and operation mode of the warehouse. To synchronize the data of rack statuses and the steps of operation in the warehouse management system, the division of “crude allocation → pallet-rack match→ loaded into racks” for inbound process and “assignment → unloaded from racks → return residual goods” for outbound process were introduced. To help workers find the given rack quickly and accurately, signal lamps were fixed on the racks to perform as guiders. In the step of make the inbound plan, the method of “mapping from pallet groups to shelves” was employed to optimize the storage distribution, by which the concluded distribution can perform the highest outbound efficiency under the condition of keeping the location of original goods in the warehouse.

Keywords:high-densityhigh-rackwarehouse;signallampsfixedonracks;rackstatuses;palletgroupstoshelves;couplinggoodsallocationpolicy

自動(dòng)化立體倉庫是現(xiàn)代物流技術(shù)、倉儲(chǔ)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)高度集成化的產(chǎn)物，具有存儲(chǔ)容量大、占地面積小、作業(yè)快速準(zhǔn)確、節(jié)約人力等優(yōu)點(diǎn)，已成為工廠物流、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和商業(yè)流通領(lǐng)域的重要組成部分[1]，但自動(dòng)化立體庫的建設(shè)成本和維護(hù)成本較高，制約了其推廣應(yīng)用的程度和規(guī)模。從降低成本和提高儲(chǔ)存效率的角度出發(fā)，近年來出現(xiàn)了重力式、駛?cè)胧?、穿梭式等多種形式的密集式叉車立體庫[2,3]，這類立體庫采用叉車進(jìn)行作業(yè)，不僅具有較高的存儲(chǔ)空間利用率，而且建設(shè)成本和維護(hù)成本遠(yuǎn)小于自動(dòng)化立體庫，已經(jīng)成為立體庫的重要發(fā)展方向。

叉車立體庫的作業(yè)過程需要人的參與，對(duì)作業(yè)人員的要求較高。在作業(yè)過程中，由作業(yè)人員確認(rèn)作業(yè)物資類別、數(shù)量和尋找作業(yè)貨位，駕駛叉車完成作業(yè)任務(wù)。為降低物資存儲(chǔ)貨位的管理難度和提高作業(yè)貨位尋找效率，其貨位分配通常采用定位存儲(chǔ)策略[4]。這一策略要求貨位按各類物資的最大在庫量設(shè)計(jì)，限制了儲(chǔ)存區(qū)域的平均使用率。同時(shí)，定位存儲(chǔ)難以按照物資出入庫周轉(zhuǎn)頻率來分配物資存儲(chǔ)貨位，導(dǎo)致物資出入庫作業(yè)效率較低。

利用貨架電子標(biāo)識(shí)進(jìn)行作業(yè)導(dǎo)引，能夠降低尋找?guī)煳贿^程對(duì)作業(yè)人員的依賴[5]。在此基礎(chǔ)上，本文利用倉庫管理系統(tǒng)(WMS)對(duì)密集式叉車立體庫的貨位狀態(tài)進(jìn)行管理，并采用“托盤組—貨格”耦合策略分配貨位，提高物資出庫作業(yè)效率。

1密集式叉車立體庫作業(yè)管理

密集式叉車立體庫作業(yè)以整托盤出入庫為主，但也存在零散組、拆盤作業(yè)。庫內(nèi)作業(yè)包括散貨組盤、入庫上架、下架出庫、整托拆盤和余貨回庫，其中散貨組盤和整托拆盤作業(yè)在理貨區(qū)完成。所有作業(yè)由倉庫管理系統(tǒng)按照“入庫：制定入庫作業(yè)計(jì)劃→散貨組盤→入庫上架”和“出庫：制定出庫作業(yè)計(jì)劃→下架出庫→整托拆盤→余貨回庫”的作業(yè)流程進(jìn)行管理，在入庫上架、下架出庫和余貨回庫階段控制貨架電子標(biāo)識(shí)和其他設(shè)備對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行引導(dǎo)，并及時(shí)更新作業(yè)貨位的托盤物資信息。

1.1作業(yè)過程貨位狀態(tài)信息管理

在物資入庫過程中，作業(yè)貨位經(jīng)歷“預(yù)分配→實(shí)名化→已上架”3個(gè)狀態(tài)，這3個(gè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)入庫作業(yè)的制定入庫作業(yè)計(jì)劃、散貨組盤和入庫上架階段的末狀態(tài)，如圖1所示。

圖1　入庫作業(yè)貨位狀態(tài)數(shù)據(jù)管理

預(yù)分配：在制定入庫作業(yè)計(jì)劃階段，系統(tǒng)根據(jù)待入庫物資的尺寸規(guī)格和數(shù)量計(jì)算所需的存儲(chǔ)空間，并根據(jù)待入庫物資的出入庫周轉(zhuǎn)頻率和庫房內(nèi)貨位的存儲(chǔ)分類情況，為待入庫物資規(guī)劃可用空貨位，即分配貨位；

實(shí)名化：在散貨組盤階段，每完成一個(gè)托盤組盤，作業(yè)人員利用手持終端將托盤信息上傳至系統(tǒng)后，系統(tǒng)將一個(gè)可用空貨位實(shí)名化為該托盤；

已上架：在入庫上架階段，由作業(yè)人員利用叉車將托盤運(yùn)送至已經(jīng)實(shí)名化的貨位，系統(tǒng)將該貨位的信息更新為貨位內(nèi)托盤及其裝載物資的信息。

在物資出庫過程中，作業(yè)貨位的狀態(tài)變化分為2類：若該貨位內(nèi)的托盤物資全部出庫，作業(yè)貨位經(jīng)歷“預(yù)分配→已下架(空貨位)”2個(gè)狀態(tài)；若該貨位內(nèi)的托盤物資部分出庫，托盤出庫后還必須進(jìn)行整托拆盤和余貨回庫作業(yè)，作業(yè)貨位經(jīng)歷“預(yù)分配→已下架(待回庫)→已回庫”3個(gè)狀態(tài)。其中，“預(yù)分配”對(duì)應(yīng)出庫作業(yè)的制定出庫計(jì)劃階段的末狀態(tài)，“已下架”對(duì)應(yīng)下架出庫階段的末狀態(tài)，“已回庫”對(duì)應(yīng)余貨回庫階段的末狀態(tài)。

1.2貨架電子標(biāo)識(shí)導(dǎo)引作業(yè)

叉車立體庫相對(duì)于自動(dòng)化立體庫最大的不同，在于采用叉車和作業(yè)人員代替堆垛機(jī)和傳送帶，實(shí)現(xiàn)托盤物資的出入庫作業(yè)。在自動(dòng)化立體庫中，堆垛機(jī)收到倉庫管理系統(tǒng)的指令后，可按照指令直接到達(dá)作業(yè)貨位進(jìn)行作業(yè)；叉車立體庫則必須依賴作業(yè)人員尋找作業(yè)庫位，由人員駕駛叉車到達(dá)作業(yè)貨位進(jìn)行作業(yè)。顯然，作業(yè)人員的指令理解和執(zhí)行效率難以達(dá)到堆垛機(jī)的水平，且由于熟悉程度不夠和疲勞等原因作業(yè)人員還可能找不到作業(yè)貨位或找到錯(cuò)誤的貨位，導(dǎo)致誤操作的發(fā)生。由于受到這些限制，叉車立體庫的貨位分配通常采用定位存儲(chǔ)策略。該策略下每類物資分配固定的存儲(chǔ)位置，存儲(chǔ)區(qū)易于記憶，貨位便于尋找[4]。

為提高人員尋找作業(yè)貨位的效率和避免誤操作，可在貨架上加裝電子標(biāo)識(shí)對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行導(dǎo)引，以提高人員的作業(yè)效率和準(zhǔn)確率[5]。在入庫作業(yè)的入庫上架階段，倉庫管理系統(tǒng)根據(jù)叉車所運(yùn)送托盤的信息，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)“實(shí)名化”貨位的貨架電子標(biāo)識(shí)；作業(yè)人員根據(jù)導(dǎo)引提示信息，駕駛叉車運(yùn)送托盤物資到達(dá)該貨位，進(jìn)行托盤上架作業(yè)；作業(yè)完成后系統(tǒng)熄滅該電子標(biāo)識(shí)。在出庫作業(yè)的下架出庫階段，系統(tǒng)點(diǎn)亮“預(yù)分配”貨位的貨架電子標(biāo)識(shí)，作業(yè)人員根據(jù)導(dǎo)引提示信息駕駛叉車到達(dá)該貨位進(jìn)行托盤下架作業(yè)，作業(yè)完成后系統(tǒng)熄滅該電子標(biāo)識(shí)(若需進(jìn)行整托拆盤和余貨回庫作業(yè)，該貨位的貨架電子標(biāo)識(shí)提示需進(jìn)行回庫，完成回庫后再熄滅電子標(biāo)識(shí))。

通過采用貨架電子標(biāo)識(shí)進(jìn)行作業(yè)導(dǎo)引，將作業(yè)人員從尋找作業(yè)貨位的繁雜勞動(dòng)中解放出來，減小了作業(yè)過程對(duì)作業(yè)人員的依賴。由于尋找作業(yè)貨位不再是限制作業(yè)效率的瓶頸，倉庫管理系統(tǒng)可采用比較復(fù)雜的貨位分配策略。

2密集式叉車立體庫貨位分配

對(duì)于工業(yè)和制造業(yè)企業(yè)應(yīng)用的小型立體庫而言，物資出庫效率是進(jìn)行貨位優(yōu)化的最重要目標(biāo)[6]；對(duì)于擔(dān)負(fù)戰(zhàn)略任務(wù)和應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)的倉庫而言，出庫效率的重要性顯得尤為突出。在密集式叉車立體庫中，托盤物資的存儲(chǔ)貨位位置直接影響叉車作業(yè)距離，存儲(chǔ)高度(貨位層數(shù))影響叉車作業(yè)復(fù)雜度。通過優(yōu)化分配貨位，可減小叉車的作業(yè)路徑距離，降低叉車存取托盤的復(fù)雜度，提高出庫作業(yè)效率。

2.1作業(yè)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

密集式叉車立體庫作業(yè)以整托盤出入庫為主(僅有零散的組拆盤作業(yè))，其下架出庫階段的作業(yè)效率決定了倉庫的物資出庫效率。為減少叉車運(yùn)送托盤物資的距離，應(yīng)將出入庫周轉(zhuǎn)頻率高的物資存儲(chǔ)在離庫房門較近的貨位；為降低叉車存取托盤物資復(fù)雜度，應(yīng)將出入庫周轉(zhuǎn)頻率高的物資存儲(chǔ)在層數(shù)較低的貨位，盡可能減少作業(yè)過程叉車的行駛距離和作業(yè)復(fù)雜度。忽略叉車的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間，單次下架出庫作業(yè)的效率可由作業(yè)時(shí)間t進(jìn)行評(píng)價(jià)

(1)

其中:L為存儲(chǔ)貨位與庫房門的路徑距離;v為叉車平均行駛速率;tb為托盤下架作業(yè)時(shí)間。

2.2貨位分配策略

常用的倉庫存儲(chǔ)策略有定位存儲(chǔ)、隨機(jī)存儲(chǔ)、分類存儲(chǔ)、共享存儲(chǔ)和分類隨機(jī)存儲(chǔ)[7-9]，這些存儲(chǔ)策略各有優(yōu)勢(shì)，但都沒有發(fā)揮出倉庫管理系統(tǒng)對(duì)貨位和物資的存儲(chǔ)規(guī)劃能力和動(dòng)態(tài)管理能力。文獻(xiàn)[10]中針對(duì)自動(dòng)化立體庫提出了基于映射的“貨品—貨位”耦合分配策略，分別對(duì)貨位和貨品進(jìn)行排序和分區(qū)，形成貨位鏈段和貨品鏈段，將具有對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)的貨位鏈段和貨品鏈段進(jìn)行耦合，從而實(shí)現(xiàn)貨位動(dòng)態(tài)分配[11]。

根據(jù)密集式叉車立體庫的物資存儲(chǔ)和作業(yè)特點(diǎn)，將“貨品—貨位”耦合分配策略改進(jìn)為“托盤—貨位”耦合分配策略，并進(jìn)一步簡化為“托盤組—貨格”耦合分配策略，可實(shí)現(xiàn)密集式叉車立體庫貨位動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配。

貨位鏈：貨位分配在制定入庫作業(yè)計(jì)劃階段完成，由于庫房內(nèi)已儲(chǔ)有一定數(shù)量的物資，該階段的貨位包括可用空貨位和已存儲(chǔ)物資的貨位，這些貨位共同組成貨位鏈。密集式叉車立體庫的每個(gè)貨格通常包含多個(gè)貨位，且要求每個(gè)貨格內(nèi)的所有貨位只能存放同類物資，以便于進(jìn)行物資出入庫作業(yè)。因此，貨位鏈內(nèi)的可用空貨位包含2種，一種是已經(jīng)限定物資類別的可用空貨位(所在貨格的部分貨位已經(jīng)存放物資)，另一種是未限定物資類別的可用空貨位(所在貨格為空，尚未存放物資)。在制定入庫作業(yè)計(jì)劃時(shí)，根據(jù)式可求解庫房內(nèi)所有貨位的作業(yè)時(shí)間，以作業(yè)時(shí)間為指標(biāo)，對(duì)貨位進(jìn)行排序，得到貨位鏈。

托盤鏈：密集式叉車立體庫內(nèi)的物資均以托盤為集裝單元進(jìn)行搬運(yùn)和存儲(chǔ)，以托盤所裝載物資的出入庫周轉(zhuǎn)頻率為指標(biāo)[1]，對(duì)托盤進(jìn)行排序，得到托盤鏈。

設(shè)密集式叉車立體庫庫房內(nèi)的貨架共有p列q層貨格，每個(gè)貨格內(nèi)有r個(gè)貨位，為達(dá)到最高出庫效率，建立目標(biāo)函數(shù)[1]

(2)

其中：fi+(j-1)×p為第i列j層貨格所裝載物資的出入庫周轉(zhuǎn)頻率；ti+(j-1)×p為該貨格的作業(yè)時(shí)間。

密集式叉車立體庫有p·q個(gè)貨格，貨位鏈長度為p·q·r，托盤鏈的長度m小于貨位鏈長褲，可能為小于p·q·r的任意值。為簡化優(yōu)化問題的求解，對(duì)現(xiàn)有托盤鏈進(jìn)行補(bǔ)齊：將現(xiàn)有托盤鏈內(nèi)所有類別物資的托盤數(shù)補(bǔ)齊為r的整數(shù)倍，得到長度為n·r的托盤鏈。由于每個(gè)貨格內(nèi)的貨位只能存放同類物資，長度p·q·r的貨位鏈可簡化為長度p·q的貨格鏈，長度n·r的托盤鏈可簡化為長度n的托盤組鏈(每個(gè)托盤組包含r個(gè)裝載有相同類別物資的托盤)。從貨格鏈中選取n個(gè)貨格組成子貨格鏈，與托盤組鏈一一對(duì)應(yīng)形成“托盤組—貨格”映射，則式可簡化為

(3)

子貨格鏈選取方法：優(yōu)先從已存儲(chǔ)物資的非空貨格中選取，若現(xiàn)有非空貨格數(shù)小于n個(gè)，從貨格鏈中選取作業(yè)時(shí)間最小的貨格補(bǔ)足。

以庫房內(nèi)現(xiàn)有托盤物資存儲(chǔ)情況作為限制條件，求解式描述的最優(yōu)化問題，可得到“托盤組—貨格”映射的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即得到當(dāng)前條件下的最優(yōu)貨位分配。

3實(shí)例分析

某庫房內(nèi)有4層5列的密集式立體貨架，貨架的每個(gè)貨格內(nèi)有6個(gè)貨位，該貨架用于存放A、B、C3類物資，其平均出入庫周轉(zhuǎn)率分別為10托盤/單、8托盤/單、4托盤/單，現(xiàn)儲(chǔ)物資類別和數(shù)量如矩陣

(4)

其中：(0,0)表示當(dāng)前貨格為空；(A,1)表示當(dāng)前貨格存儲(chǔ)有1托盤A類物資。

貨架左側(cè)位于庫房門口，單個(gè)貨格寬1.5 m，叉車作業(yè)平均行駛速率0.5 m/s，1～4層貨格的托盤下架作業(yè)平均時(shí)間分別為10 s、15 s、25 s、30 s，由式可求解各貨格的作業(yè)時(shí)間，如矩陣

(5)

某次任務(wù)需入庫A、B、C3類物資各10個(gè)托盤，則制定入庫作業(yè)計(jì)劃時(shí)的托盤鏈和補(bǔ)齊后的托盤組鏈如圖2所示。

圖2　托盤鏈補(bǔ)齊形成托盤組鏈

以x表示貨架列編號(hào)(最左側(cè)為編號(hào)1)，以y表示貨架層編號(hào)(最底層為編號(hào)1)，(x,y)表示貨格編號(hào)。根據(jù)矩陣和選取進(jìn)行貨位分配的貨格鏈為{(1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(3,1),(1,3),(3,2),(4,1),(1,4),(2,3),(4,2),(5,1),(2,4),(3,3),(5,2),(3,4)}，其中貨格(1,1)、(1,2)、(1,3)限定存儲(chǔ)物資A，貨格(2,1)、(2,2)、(2,3)、(3,1)、(3,2)限定存儲(chǔ)物資B，貨格(4,1)、(4,2)、(5,1)、(5,2)限定存儲(chǔ)物資C。

以式為目標(biāo)函數(shù)，求解最優(yōu)解，可得貨格分配結(jié)果如矩陣，其中帶線框者為新分配貨格。

(6)

在入庫作業(yè)中，作業(yè)貨位經(jīng)歷“預(yù)分配→實(shí)名化→已上架”3個(gè)狀態(tài)，矩陣即為制定入庫作業(yè)計(jì)劃階段的貨位預(yù)分配結(jié)果；在散貨組盤階段，每完成一個(gè)托盤組盤，系統(tǒng)根據(jù)矩陣將可用空貨位中作業(yè)時(shí)間最小的貨位實(shí)名化，完成貨位分配；在入庫上架階段，由作業(yè)人員將托盤送入貨位后，系統(tǒng)更新貨位信息為托盤物資信息。

4結(jié)論

在叉車立體庫中，出入庫作業(yè)均需依賴作業(yè)人員尋找作業(yè)貨位。如果物資存儲(chǔ)貨位變動(dòng)頻繁，將給作業(yè)人員尋找貨位帶來極大困難，因此這類立體庫常常采用定位存儲(chǔ)策略進(jìn)行貨位分配。采用貨架電子標(biāo)識(shí)可引導(dǎo)作業(yè)人員快速尋找作業(yè)貨位，為叉車立體庫采用動(dòng)態(tài)貨位分配策略提供了技術(shù)條件。

本文針對(duì)密集式叉車立體庫的物資存儲(chǔ)特點(diǎn)和作業(yè)模式，在利用貨架電子標(biāo)識(shí)引導(dǎo)作業(yè)的基礎(chǔ)上，采用適合于密集存儲(chǔ)特點(diǎn)的“托盤組—貨格”耦合策略進(jìn)行貨位分配，得到的貨位分配方案在不改變物資存儲(chǔ)現(xiàn)狀的前提下能夠達(dá)到最高出庫效率，適合于工業(yè)制造業(yè)企業(yè)的小型密集式叉車立體庫和擔(dān)負(fù)應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)的密集式叉車立體庫。

本文針對(duì)密集式叉車立體庫的作業(yè)管理流程和貨位分配策略開展研究。在限定單個(gè)貨格內(nèi)只能存放同類物資的條件下，文中的“托盤組—貨格”耦合貨位分配策略對(duì)貨位式叉車立體庫和其他存儲(chǔ)形式的叉車立體庫也適用。

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(責(zé)任編輯楊繼森)