智能倉儲管理系統(tǒng)的儲位分配優(yōu)化研究

錢同惠+王波++賴重遠(yuǎn)

摘 要： 在針對目前國內(nèi)自動化倉儲作業(yè)過程中堆垛機(jī)進(jìn)出庫效率低下的原因進(jìn)行分析后，提出基于堆垛機(jī)等效用時標(biāo)號法的儲位分配管理優(yōu)化、倉儲資源統(tǒng)籌管理優(yōu)化的研究策略。從單個貨架貨位管理到整個倉儲系統(tǒng)貨位的儲位分配管理，在給定參數(shù)下，對比了優(yōu)化前后實驗運行結(jié)果。實驗結(jié)果表明，該儲位分配優(yōu)化方法能夠大大提升倉儲作業(yè)的效率，降低倉儲作業(yè)的運營成本。

關(guān)鍵詞： 智能倉儲； 管理系統(tǒng)； 儲位分配； 管理優(yōu)化

中圖分類號： TN911?34； F251 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0041?03

近年來，隨著電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，物流技術(shù)和倉儲能力的需求也在不斷增加。企業(yè)的物流管理水平直接影響著企業(yè)的市場競爭力，而倉儲管理中的出入庫效率又是物流管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為了更加有效地管理自動化立體倉庫，提高整體作業(yè)效率，就要求對貨位分配進(jìn)行優(yōu)化，對堆垛機(jī)揀選作業(yè)路線進(jìn)行優(yōu)化，以提高倉庫布局的合理性，減少貨品的搬運和存儲成本，降低在存儲及搬運過程中所損耗的時間和空間成本，從而提高企業(yè)效益。自動化立體倉儲系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）作為現(xiàn)代物流倉儲系統(tǒng)的核心，在現(xiàn)代化物流發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用，它在醫(yī)藥業(yè)、鋼鐵業(yè)、煙草業(yè)、電子商務(wù)業(yè)等制造業(yè)和日常生活中得到了廣泛應(yīng)用[1?2]。自動化立體倉儲作為倉儲物流系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，其運行效率和成本成為人們科學(xué)研究的熱點，也是加快企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏、推動企業(yè)節(jié)能減排的有效途徑。從目前的調(diào)查和研究來看，我國很大一部分物流企業(yè)尚未建立起自動化立體倉庫，甚至未能將其提到日程上來。而從國內(nèi)的部分擁有自動化立體倉儲的企業(yè)調(diào)查研究來看，也存在以下問題：自動化立體倉庫操作過程的半自動化、員工業(yè)務(wù)水平不高；自動化立體倉庫的智能化程度不高，對貨架、貨位的優(yōu)化不夠；入庫叉車和堆垛機(jī)運行效率不高，設(shè)備之間缺乏協(xié)同運作；任務(wù)動態(tài)調(diào)度優(yōu)化不夠，貨物入庫和出庫未考慮訂單狀態(tài)等。本文就目前國內(nèi)自動化立體倉儲使用過程中存在智能化程度不高，對貨架、倉儲貨位的優(yōu)化欠缺這一問題加以分析和研究，提出相應(yīng)的解決方案、建立相應(yīng)的仿真優(yōu)化模型、對比優(yōu)化前后企業(yè)自動化立體倉儲的作業(yè)效率。

1 倉儲概述

倉儲定義為利用倉庫的存放、保存功能，將貨物儲存以備使用的行為。倉儲即包含有靜態(tài)物品的儲存，也可包含動態(tài)的物品的存取、保管和控制等過程[3?4]。倉儲應(yīng)該具備倉庫的基本功能，可以對物質(zhì)進(jìn)行存放和提取；其次，倉儲應(yīng)該對操作對象有一定的管理功能，如進(jìn)出貨物數(shù)量、進(jìn)出貨物頻次、操作損壞處理等；按照倉儲的經(jīng)營主體來劃分，可以將倉儲分為企業(yè)單位自營倉儲、個體專用倉儲和政府設(shè)立戰(zhàn)略型倉儲等；如果按照倉儲對象來劃分，可以將倉儲分為一般性物品倉儲和特殊性物品倉儲；如果按照倉儲功能來劃分，可以將倉儲分為存儲型倉儲、物流中心倉儲、配送型倉儲、運輸轉(zhuǎn)換倉儲等[5]。倉儲是連接生產(chǎn)、運輸、銷售配送的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。倉庫的布局是影響倉儲調(diào)度效率的重要因素，倉庫布局的好壞將直接影響倉儲管理的便利性，可持續(xù)性。

2 貨架的概述

現(xiàn)代物流的發(fā)展是立體倉庫的出現(xiàn)與發(fā)展的前提，其是與工業(yè)、科技等發(fā)展相適應(yīng)的?，F(xiàn)代化大生產(chǎn)越來越促使工業(yè)生產(chǎn)社會化、專業(yè)化、集中化，生產(chǎn)的高度機(jī)械化、自動化必然要求物資的供應(yīng)分發(fā)及時、迅速、準(zhǔn)確。這就促使立體倉庫技術(shù)得到迅速的發(fā)展，與之匹配的貨架也就應(yīng)運而生，貨架泛指存放貨物的架子，用于存放成件物品的保管設(shè)備。貨架按其發(fā)展歷程分為傳統(tǒng)貨架和新型貨架。貨架的種類很多，按倉儲貨架分為輕型倉儲貨架、中型倉儲貨架、重型倉儲貨架、閣樓貨架等。

2.1 基本存取路徑

大多時候，企業(yè)生產(chǎn)和倉儲過程中，通常均是按照基本行或者是按照基本列來隨機(jī)存放貨物如圖1所示。

因此本文立足基本的層格式貨架，考慮到堆垛機(jī)前進(jìn)和托舉過程均是通過齒輪傳動，單位時間傳動的距離基本不變?，F(xiàn)假設(shè)：堆垛機(jī)前進(jìn)和托舉的步驟一致（向前行進(jìn)一個單位的同時可以向上托舉一個單位高度）；[x]代表堆垛機(jī)存取位置為[（x0，y0）]的貨物行進(jìn)時所處的臨時位置；[y]代表堆垛機(jī)存取位置為[（x0，y0）]的貨物抬舉時所處的臨時位置，則貨物存取路徑為：

[yin=0， x∈[0，x0-y0]x-（x0-y0）， x∈[x0-y0，x0]] （1）

堆垛機(jī)存取貨物所用的時間[T]與其所處的臨時位置之間的關(guān)系：

[Tin=x， x∈[0，x0-y0]x， x∈[x0-y0，x0-y0+1，…，x0]] （2）

式中：[T]為堆垛機(jī)存取貨物所用的時間；[x∈（0，1，2，…，n），][y∈（0，1，2，…，n）；][m，n∈N*，m

從圖1中4條路徑[r1，r2，r3，r4]來看，[r4]路徑用時最長，為[（x0+y0）]個時間單位，顯然大于其他三條路徑；[r1，r2，r3]路徑的理論耗時相當(dāng)，但在[r2]路徑下，堆垛機(jī)無法實現(xiàn)非步進(jìn)式抬升。[r1]與[r3]相比較，[r3]在未托舉狀態(tài)下先進(jìn)行水平移動，更容易被接受，安全性也更高。

2.2 貨架模型

在實際生產(chǎn)和倉儲過程中，通常是研究一個或多個貨架的貨物存取時間問題。要提升存取貨物的效率，那么建立整個貨架貨位優(yōu)先模型就很有必要。

如果堆垛機(jī)存放貨物時，儲位隨機(jī)選擇，那么貨物出入庫的平均時間（期望值）：

[Erandio（m，n）=2mnx=1mx×（2x-1）+2nx=m+1，x>mnx =m+14m-1+3n-mn+m+13n] （3）

令貨架層數(shù)[m=10]，貨架列數(shù)[n=20]；則[Erandio（10，20）=11.325]；相當(dāng)于每次堆垛機(jī)存放貨物都得從入口行進(jìn)11個單位時間才開始存取貨操作。再令貨架層數(shù)[m=10]，貨架列數(shù)[n=30]；則[Erandio（10，30）=][16.05]；相當(dāng)于每次堆垛機(jī)均將貨物從入口行進(jìn)16個單位時間才開始存取貨操作。隨機(jī)出入庫堆垛機(jī)等效運行時間如圖2所示。

現(xiàn)假設(shè)：往一個貨架（規(guī)格為[10×20]）存儲100個貨物，隨機(jī)作業(yè)的堆垛機(jī)的期望作業(yè)時長為2 265個時間單位?？紤]單個貨架的貨位模型： 假定貨架為[m]層[n]列，貨位標(biāo)號為[l]，第[i]個標(biāo)號擁有的貨位數(shù)量為[numl （i）]：貨位標(biāo)號：[l（x，y）=max（x，y）]，每個標(biāo)號[i]下?lián)碛械呢浳粩?shù)量為：

[num l（i）=2i-1， x≤mm， x>m] （4）

待入庫作業(yè)量為[ST]，則貨物入庫貨架數(shù)量與貨架標(biāo)號之間必須滿足：

[ST≤1min（i）num l（i）] （5）

通過儲位優(yōu)化后，堆垛機(jī)的作業(yè)時長為[21min（i）num l（i）=1 430]；單貨架貨位標(biāo)號示意圖見圖3。

對比運行結(jié)果如圖4所示。

通過儲位優(yōu)化選擇能夠提升堆垛機(jī)的作業(yè)效率，此外，從式（5）中可以看出，只要該貨架的列數(shù)不少于[m]列，且存放貨物數(shù)量少于[m2]，那么，無論貨架列數(shù)如何增加，堆垛機(jī)的作業(yè)時長不發(fā)生改變。因此，可得到優(yōu)化模型（在一定條件下）對倉儲資源微調(diào)具備魯棒性。

3 倉儲管理系統(tǒng)的儲位分配優(yōu)化問題

3.1 優(yōu)化模型的建立

如果考慮整個倉庫的布局，整合倉儲的各種資源和設(shè)備，建立一個全局最優(yōu)化出入庫管理系統(tǒng)，如圖5所示。

令叉車在相鄰貨架之間的行進(jìn)時間為[t1]，轉(zhuǎn)向后駛近貨架的時間為[t2]，貨架號為[s∈{1，2，…，S}]，則第[s]貨架[（x，y）]貨位標(biāo)號為：

[num ls，x，y=s-1t1+maxx，y++t2] （6）

假定倉庫擁有[S]個貨架，貨架規(guī)格為[m]層[n]列，待入庫作業(yè)量為[ST]，則貨物入庫模型為：

[ST=i=1min（i）s=1s=Snum l（s，i）] （7）

每個貨架標(biāo)號[num l（i）]下?lián)碛械呢浳粩?shù)量為：

[num li=s=1Snum ls，iεi-t1s-1] （8）

式中，[εn=1， n≥00， n<0]。

3.2 運行結(jié)果

假設(shè)，在一個擁有5個貨架的倉庫中，每個貨架規(guī)格為[10×20]，現(xiàn)欲存儲250個貨物：

（1） 采用隨機(jī)選擇來存儲貨位的所需用時為[Trandio（250）=7 262.5]；

（2） 采用儲位優(yōu)化貨位選擇來存儲貨物的用時為[Topt（250）=4 828]。

多貨架儲位優(yōu)化作業(yè)時間運行結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié) 論

對比運行結(jié)果就能清晰地發(fā)現(xiàn)，所研究的儲位選擇優(yōu)化算法能夠大大提升貨物出入庫效率和資源利用率。分析算法的本身特征可以發(fā)現(xiàn)，如果讓入庫的任務(wù)量保持不變，增加貨架的長度（列），這樣會增加貨位隨機(jī)存儲所用時間，而不會改變這種儲位優(yōu)化算法下的作業(yè)時間。也就是說，該儲位分配優(yōu)化方法能夠較好地適應(yīng)倉儲資源的微調(diào)，算法具備魯棒性。

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