南疆貧困區(qū)林果產(chǎn)品訂單分揀策略的仿真建模研究

程玉龍 馬國勇 廖茂宏 趙亞鋒

（1塔里木大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2東北林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

特色林果業(yè)是新疆農(nóng)村貧困區(qū)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，如何把新疆當(dāng)?shù)氐牧止Y源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，是改善貧困現(xiàn)狀、鞏固脫貧成果的重要舉措之一[1]。新疆南疆地區(qū)（以下簡稱“南疆地區(qū)”）雖然作為新疆林果業(yè)的主產(chǎn)區(qū)，但是遠(yuǎn)離內(nèi)地市場，受物流時效性和配送成本等因素限制，“出疆貴、出疆難”等問題突出，嚴(yán)重影響了南疆特色林果產(chǎn)品在內(nèi)地市場的銷售，成為制約南疆各族群眾在脫貧過程中的重要瓶頸。如何科學(xué)合理地規(guī)劃配送中心的分揀系統(tǒng)，提高揀選作業(yè)的工作效率，使貧困地區(qū)的綠色、天然、無公害的特色林果產(chǎn)品迅捷有效地銷往全國各地，是南疆貧困地區(qū)人民增產(chǎn)增收、脫貧攻堅的有效手段之一[2]。

新疆南疆，其行政區(qū)域包括和田、喀什、克州、阿克蘇、巴州等5個地州（含兵團(tuán)），42個市縣[3]。南疆地區(qū)林果業(yè)資源豐富，根據(jù)2018年新疆統(tǒng)計年鑒[4]和兵團(tuán)統(tǒng)計年鑒[5]，2017年全疆特色林果（主要指蘋果、梨、葡萄、桃、杏、紅棗等水果和核桃等堅果）種植面積達(dá)到1.458×106hm2，總產(chǎn)量突破1.144×1010kg。而南疆五個地州（包含第一師、第二師、第三師和第十四師）特色林果種植面積1.185×106hm2，占全疆林果種植面積的81.24%，總產(chǎn)量為8.626×109kg，占全疆總產(chǎn)量的75.42%。南疆特色林果業(yè)正逐步發(fā)展成為振興新疆農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保證農(nóng)民持續(xù)增收、助力脫貧攻堅的一大特色支柱產(chǎn)業(yè)。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民消費(fèi)水平的不斷提高，客戶對林果產(chǎn)品的需求日益朝小批量、多品種方向發(fā)展，配送中心配送貨物的品種、數(shù)量和頻次不斷增加。揀選作業(yè)作為訂單處理的后續(xù)作業(yè)，已成為配送中心內(nèi)部作業(yè)的核心環(huán)節(jié)[6]。南疆貧困地區(qū)現(xiàn)代物流體系不健全，絕大多數(shù)的物流企業(yè)仍以人工分揀為主，分揀作業(yè)屬于勞動密集程度高、占用物流成本最多的環(huán)節(jié)之一，人工分揀作業(yè)效率的提升對南疆物流企業(yè)的發(fā)展具有重要作用。分揀效率低下，導(dǎo)致南疆地區(qū)優(yōu)質(zhì)的林果產(chǎn)品不能及時高效地進(jìn)入市場，難以實(shí)現(xiàn)林果產(chǎn)品生產(chǎn)與消費(fèi)市場的對接，已經(jīng)成為林果產(chǎn)品需求體系的行業(yè)瓶頸。

與其他現(xiàn)行的物流仿真軟件相比，F(xiàn)lexsim采用C++語言開發(fā)，采用面向?qū)ο缶幊毯蚈pen GL技術(shù)，可直接建立三維仿真模型，建模和調(diào)試簡單開放方便，模型的擴(kuò)展性強(qiáng)，易于與其他軟件對接使用，是一款功能強(qiáng)大的分析工具，可幫助建模人員通過設(shè)計及運(yùn)行系統(tǒng)做出更明智的決策，已廣泛應(yīng)用于交通路線規(guī)劃、生產(chǎn)物流仿真、物流中心設(shè)計等多個物流領(lǐng)域。目前學(xué)者主要將Flexsim運(yùn)用于農(nóng)產(chǎn)品配送中心的模型構(gòu)建與優(yōu)化上，鄧瀧[7]根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品低溫配送中心的作業(yè)流程，將物流系統(tǒng)簡化為到庫、入庫、存庫、出庫四個子系統(tǒng)，運(yùn)用Flexsim仿真軟件研究各功能區(qū)服務(wù)能力的匹配性，仿真結(jié)果有助于發(fā)現(xiàn)低溫配送中心的瓶頸環(huán)節(jié)。陳佳、蔣國良等[8]以農(nóng)產(chǎn)品中的葉菜類蔬菜為研究對象，運(yùn)用Flexsim構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品配送中心的仿真模型，提高了其工作效率。也有相關(guān)學(xué)者將Flexsim軟件應(yīng)用于揀貨作業(yè)上，楊瑋、楊超群等[9]運(yùn)用Flexsim仿真軟件對某醫(yī)藥物流中心零貨庫的揀貨流程進(jìn)行仿真優(yōu)化，通過合理優(yōu)化揀貨流程，提高了揀貨效率。張陽、馬如意等[10]運(yùn)用Flexsim軟件對兩種快遞分揀作業(yè)的優(yōu)化方法進(jìn)行模擬仿真，得出基于目的地動態(tài)組合算法的優(yōu)化方法效果更好。但是極少有學(xué)者將Flexsim仿真軟件應(yīng)用于林果業(yè)的揀選策略上。優(yōu)化林果產(chǎn)品的訂單揀選策略，提高揀選作業(yè)效率，降低物流配送成本，將Flexsim仿真軟件引入到林果產(chǎn)品的流通環(huán)節(jié)中來，對解決南疆現(xiàn)有林果產(chǎn)品流通模式的弊端，幫助南疆農(nóng)戶脫貧具有重大意義。

1 林果產(chǎn)品的分揀作業(yè)流程

1.1 南疆林果產(chǎn)品的物流配送特點(diǎn)

林果類產(chǎn)品具有時鮮性、易腐性等特點(diǎn)，與一般產(chǎn)品的物流配送相比，林果類產(chǎn)品搬運(yùn)裝卸次數(shù)更多，對冷藏能力與運(yùn)輸時效性的要求更嚴(yán)苛，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

品類繁雜、物流量大、同質(zhì)化產(chǎn)品多。環(huán)塔里木盆地的南疆地區(qū)，林果主產(chǎn)區(qū)以紅棗、核桃、杏、香梨、蘋果、巴旦木、葡萄等為主，林果種植面積和產(chǎn)量占全疆林果規(guī)模的83%以上[11]，種類繁多，品牌雜亂。目前新疆共有林果品牌5 615個，僅有50個品牌被認(rèn)定為中國馳名商標(biāo)、中國名牌農(nóng)產(chǎn)品，僅占全疆林果品牌總數(shù)的0.8%[12]。

供需分散，遠(yuǎn)離內(nèi)地消費(fèi)市場，配送困難，物流成本高。南疆貧困地區(qū)“鐵公機(jī)”多式聯(lián)運(yùn)的冷鏈物流體系落后，不能充分滿足大量林果產(chǎn)品集中外運(yùn)的需求，多數(shù)林果產(chǎn)品運(yùn)輸損耗嚴(yán)重，腐爛變質(zhì)比重高，生鮮瓜果保鮮量不到10%，遠(yuǎn)低于全國19%的平均水平。同時，高昂的物流運(yùn)作成本，導(dǎo)致出疆后林果產(chǎn)品毫無價格競爭優(yōu)勢，即使干堅果運(yùn)輸成本也都偏高，如南疆地區(qū)加工的紅棗、核桃等產(chǎn)品運(yùn)往上海市場銷售，僅運(yùn)營費(fèi)用就達(dá)到產(chǎn)品售價的38%，超出行業(yè)平均水平23%[11]。

物流服務(wù)體系落后，分揀效率低。隨著顧客個性化、多樣化需求的增加，單一訂單中貨品的種類越來越多，而數(shù)量卻日益減少，從而導(dǎo)致分揀的難度也在逐漸增加，嚴(yán)重制約了配送中心的運(yùn)行效率。南疆貧困地區(qū)大多數(shù)物流企業(yè)服務(wù)水平低，目前人工揀選作業(yè)在南疆林果產(chǎn)品配送中仍然占據(jù)著主流位置，一般揀選成本約為其他堆疊、裝卸和運(yùn)輸?shù)瘸杀究偤偷?倍。

1.2 訂單揀選策略分析

分揀作業(yè)是按照訂單要求，將貨物從貨架區(qū)“揀”出，并按用戶進(jìn)行“分類”集中、處理的過程，分揀的主要目的在于快速而準(zhǔn)確地集合顧客所訂購的商品。分揀作業(yè)流程圖見圖1。

圖1 分揀作業(yè)流程圖

在實(shí)際操作過程中，為了高效的分揀出多種貨物，必須根據(jù)訂單的具體要求，采取合理的揀選策略，從而提高配送中心的分揀效率和經(jīng)濟(jì)效益。訂單揀選作業(yè)效率主要受分區(qū)、訂單分割、訂單分批、分類這4種因素的影響，而分批揀選和分區(qū)揀選是揀選系統(tǒng)未來發(fā)展的一個主要流向。這四個因素交叉作用可以形成多個揀選策略，比如“摘果式”分揀策略和“播種式”分揀策略等[13]。根據(jù)不同的用戶訂單，配送中心會采取不同的分揀策略進(jìn)行分揀作業(yè)，現(xiàn)有四種不同的初始揀選策略如表1所示。

表1 四種基本分揀方案

2 基于Flexsim的訂單分揀系統(tǒng)建模與仿真

下面選取南疆貧困區(qū)某林果業(yè)配送中心為例，就配送環(huán)節(jié)中最重要的環(huán)節(jié)―分揀環(huán)節(jié)做仿真研究。

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計

經(jīng)調(diào)研，該配送中心的主要業(yè)務(wù)是對林果產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)輸、分揀、分類加工，是一家第三方物流公司。該配送中心占地面積約為1 500 m2，共劃分為5個區(qū)域，分別是補(bǔ)貨區(qū)、存貨區(qū)（貨架為該企業(yè)主要存貨工具）、辦公區(qū)、分揀區(qū)、出貨區(qū)。配送對象以箱為單位，為便于研究，在分析過程中假設(shè)配送中心貨源充足，簡化補(bǔ)貨、入庫檢查等內(nèi)容。配送中心的主要設(shè)備有地牛、叉車、傳送帶、托盤和手持終端。地牛主要用于配送中心內(nèi)部貨物的運(yùn)輸；叉車主要用于高架貨物的上架和取貨，同時也會少量做一些貨物運(yùn)輸工作；手持終端從貨物的入庫到出庫起著信息傳遞的作用。該配送中心主要配送的林果產(chǎn)品有：蘋果、梨、葡萄、紅棗和核桃，五種產(chǎn)品由不同的供應(yīng)商進(jìn)行供貨。參照實(shí)驗(yàn)中五種產(chǎn)品補(bǔ)貨的具體情況見表2。

表2 五種林果產(chǎn)品的補(bǔ)貨情況

配送中心每天上午接受客戶訂單，每張訂單可能訂購1～5種林果產(chǎn)品，對配送中心的原始訂單數(shù)據(jù)分析之后，選取訂單到達(dá)高峰期的若干個訂單作為數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，選取的訂單組合情況具體見表3。

乍看之下，富士SQ20與前作SQ10相比并沒有太大的不同。這款相機(jī)支持富士的IntaxSquare膠片，機(jī)背上還有一塊2.7英寸的方形顯示屏，機(jī)身共有黑色和米色可選。不過相比前作，SQ20的售價更低，同時還支持4倍變焦（Instax系列中首例）。全新的Instagram風(fēng)格的濾鏡效果可以應(yīng)用在照片上，新加入的視頻功能對于即時成像相機(jī)來說也非常新穎，但被限制在800x800像素的15秒視頻能力只是聊勝于無。不過，你至少能從中選擇一幀畫面進(jìn)行打印這一點(diǎn)在某種程度上提升了即時成像相機(jī)的瞬間捕捉能力。

表3 訂單組合情況

該配送中心以人工揀選為主，共有分揀人員5人，分揀能力為1箱/人，訂單到達(dá)的時間間隔服從ex?ponential（0,90,1）指數(shù)分布，訂單類型服從 duniform（1,n）的均勻分布（n為訂單數(shù)量）。

為了便于對比品類、訂單數(shù)量、初始庫存對分揀策略的影響，先以配送量比較大的蘋果、葡萄和梨這三種產(chǎn)品作為參照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，再在此基礎(chǔ)上改變品類和訂單情況來模擬品類、訂單的差異對分揀策略的影響，具體情況見表4。

表4 三種仿真實(shí)驗(yàn)

在分揀方式上，該配送中心還是采用比較原始的不分區(qū)、按單分揀的策略，即根據(jù)訂單到來的順序安排空閑的分揀人員對訂單進(jìn)行分揀。根據(jù)實(shí)際的分揀系統(tǒng)布局，運(yùn)用Flexsim對訂單分揀系統(tǒng)建立模型，模型布局見圖2。

圖2 配送中心分揀區(qū)布局圖

2.2 實(shí)體對象及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)配送中心的實(shí)際情況，F(xiàn)lexsim建模與仿真的實(shí)體設(shè)計參數(shù)見表5。

表5 模型中的Flexsim實(shí)體

以參照實(shí)驗(yàn)為例，主要實(shí)體對象的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

發(fā)生器：設(shè)置3種類型果品到達(dá)的時間間隔分別為 exponential（0,2,1）和 5，并以黃、紅、黑三種不同的顏色相區(qū)分。訂單發(fā)生器的FlowItem Class選擇Pallet（托盤），到達(dá)的時間間隔設(shè)置為expo?nential（0,9,1）。

貨架：貨架以箱為單位，在OnEntry觸發(fā)器中，選擇 Close and Open Ports，將 Action 設(shè)置為 closeinput，將 Condition 設(shè)置為 content（current）≥200；在 OnExit觸發(fā)器中，選擇Close and Open Ports，將Action設(shè)置為 openinput，將 Condition 設(shè)置為 content（current）<100，并在Flow選項(xiàng)卡勾選“Use Transport”復(fù)選框。

合成器：將Combiner Mode設(shè)置為Pack，將Pro?cess Time設(shè)置為90，并在Send To Port（發(fā)送至端口）選擇Value By Case進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。建立一個三行六列的全局表，表示訂單組合內(nèi)容，并在Combiner的OnEntry觸發(fā)器中選擇Update Combiner Component List，把更新的數(shù)據(jù)來源設(shè)置成剛剛建成的全局表。

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置完成后，重置（Reset），在相同的條件下分別運(yùn)行四種分揀策略對應(yīng)的模型，見表1。選取一個工作日，運(yùn)行8 h后，輸出仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)。策略I（不分區(qū)按單）和策略IV（分區(qū)并行）的運(yùn)行結(jié)果見圖3、圖4，其他兩種策略下的仿真模型與之類似。

圖3 策略Ⅰ的運(yùn)行結(jié)果圖

圖4 策略IV的運(yùn)行結(jié)果圖

基于上述四種分揀策略下三種仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行結(jié)果，得到不同策略下分揀員的平均搬運(yùn)量，進(jìn)而得到不同分揀策略下分揀員的平均空閑率、平均負(fù)載率，見表6。分揀員的平均空閑率體現(xiàn)了分揀人員分揀作業(yè)的整體空閑狀況，是衡量分揀人員工作效率的一個重要指標(biāo)。平均負(fù)載率是分揀人員在貨架與合成器之間往返行進(jìn)過程中裝載產(chǎn)品的時間占整個仿真時間的百分比，也是衡量分揀人員工作效率的一個指標(biāo)。

表6 分揀人員的仿真結(jié)果

四種不同分揀策略下的分揀量見表7。

表7 不同分揀策略下的分揀數(shù)據(jù)

由表6和表7可知，以參照實(shí)驗(yàn)一為例進(jìn)行分析，在不分區(qū)的策略下，對比策略I和策略III，并行分揀策略的分揀量要高于按單分揀策略的分揀量，在其分揀人員的作業(yè)情況中，策略III的平均搬運(yùn)量也高于策略I；在平均空閑率指標(biāo)中，策略III的空閑率較小，負(fù)載率更高。因此，在這兩種策略的對比中，應(yīng)選取不分區(qū)并行的策略，可有效提高分揀效率。同理，在分區(qū)策略下，對比策略II和策略IV，也能得到訂單并行處理的分揀策略更具有優(yōu)勢。

在按單處理的策略下，對比策略I和策略II，不分區(qū)策略處理的訂單數(shù)和箱數(shù)均高于分區(qū)策略，從分揀人員的工作情況來看，分區(qū)策略下分揀人員的平均搬運(yùn)量僅為不分區(qū)策略的68%，平均負(fù)載率為不分區(qū)策略的65%，平均空閑率約為不分區(qū)策略的一倍。綜合來看，不分區(qū)策略下，分揀人員的工作效率更高，空閑時間更多，在其他條件相同時，不分區(qū)策略更具有優(yōu)勢。同理，在并行策略下，對比策略III和策略IV，也能得到同樣的結(jié)果。

綜合對比四種分揀策略，策略III的分揀量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三種策略，從分揀人員的工作情況來看，策略III的平均搬運(yùn)量也高于其他三種策略，在平均空閑率指標(biāo)中，策略III的空閑率最小。因此在四種策略中，策略III的工作效率更高。

實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三仿真分析結(jié)果也能得出相同的結(jié)論，需要注意的是，該模型經(jīng)過一定的簡化，實(shí)際情況中，人員設(shè)備的空閑時間不僅取決于分揀策略，還受到訂單到達(dá)時間、訂單的種類數(shù)量等多種因素的影響。因此分揀策略的選擇還需要綜合考慮各種因素，根據(jù)分揀系統(tǒng)的實(shí)際情況及時作出相應(yīng)地調(diào)整。

4 結(jié)論

分揀作業(yè)是配送中心內(nèi)部作業(yè)的核心環(huán)節(jié)，分揀策略的選擇與設(shè)計對分揀效率有著至關(guān)重要的影響。因此必須重視分揀作業(yè)的優(yōu)化，以提升配送中心快速分揀的能力。特別是對于具有時鮮性的林果產(chǎn)品而言，提高其分揀能力，對于南疆特色林果產(chǎn)品快速出疆、助力脫貧具有更重要的意義。

根據(jù)某配送中心揀貨出庫的作業(yè)流程以及現(xiàn)有的四種分揀策略進(jìn)行建模仿真，并構(gòu)建了三種實(shí)驗(yàn)以便于對比品類、訂單差異和庫存狀態(tài)對分揀策略的影響，得出：

在不分區(qū)/分區(qū)策略下，并行處理的分揀策略，其訂單處理量、分揀箱數(shù)以及分揀人員的平均搬運(yùn)量均優(yōu)于按單處理的分揀策略；在平均空閑率指標(biāo)中，并行分揀策略的空閑率更低，負(fù)載率更高，分揀人員的工作效率更高。綜合來看，在其他條件相同時，訂單并行處理的分揀策略更具有優(yōu)勢。

在按單/并行策略下，以實(shí)驗(yàn)一為例，不分區(qū)策略處理的訂單數(shù)和箱數(shù)分別是分區(qū)策略156%和147%，從分揀人員的分揀效率來看，不分區(qū)策略下分揀人員的平均搬運(yùn)量為分區(qū)策略的146%，平均負(fù)載率為分區(qū)策略的155%，平均空閑率卻約為分區(qū)策略的一半。綜合來看，不分區(qū)策略分揀量更大，空閑時間更少，工作效率更高。

在四種分揀策略中，以實(shí)驗(yàn)一為例，策略III（不分區(qū)并行）的分揀量分別是策略一、策略二和策略四的145%、214%和148%；分揀員的平均空閑率卻僅為策略一、策略二和策略四的2.6%、1.5%和2.4%。綜合來看，策略III（不分區(qū)并行）不論是在分揀量方面還是在分揀員的工作效率方面，均優(yōu)于其他三種分揀策略。

需要注意的是，文中的仿真模型經(jīng)過了適當(dāng)?shù)暮喕?，而且在?shí)際生產(chǎn)中，影響分揀效率的因素有很多，分揀策略也遠(yuǎn)不止文中提到的四種方案，對于不同的實(shí)際分揀系統(tǒng)，其適用的分揀策略也會有所改變。因此就需要相應(yīng)的分揀管理人員根據(jù)實(shí)際情況，及時通過仿真選擇合適的分揀策略，達(dá)到優(yōu)化分揀效率的目的。

運(yùn)用Flexsim軟件對現(xiàn)有的典型揀選策略進(jìn)行建模仿真，模擬對比基本分揀策略的優(yōu)劣及特征，能夠?yàn)楹罄m(xù)分揀策略的進(jìn)一步優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。