基于備件流速的自動(dòng)化備件倉(cāng)庫(kù)研究

文/劉海清 王 勇 羅春龍 黃奧博 蓋雪瑩

一、項(xiàng)目背景

方案針對(duì)不同流速的備件，指定相應(yīng)的庫(kù)存策略，并選擇合適的備件進(jìn)入自動(dòng)化立庫(kù)，以使整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)集成系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)效率均為最優(yōu)值

某主機(jī)廠售后零部件倉(cāng)庫(kù)分為閣樓區(qū)、高位區(qū)、地面區(qū)。閣樓區(qū)的存儲(chǔ)SKU、出庫(kù)項(xiàng)次占整體的80%，而備、驗(yàn)、發(fā)等環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度為零，為勞動(dòng)力密集型作業(yè)?，F(xiàn)倉(cāng)庫(kù)凈可用高度為8.5m，閣樓區(qū)現(xiàn)僅使用6.0m，30%的空間存在浪費(fèi)。

隨著人力成本和土地成本的上升，人口紅利、土地優(yōu)勢(shì)將逐漸消失，以日益成熟的自動(dòng)化設(shè)備來(lái)代替人工，已是必然趨勢(shì),而兼顧出入庫(kù)、存儲(chǔ)、分撥、密集存儲(chǔ)等的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)集成系統(tǒng)是最佳選擇。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)集成系統(tǒng)的作業(yè)瓶頸是由堆垛機(jī)的效率決定的 ，在現(xiàn)有倉(cāng)庫(kù)8.5m最高可用高度限定的情況下，堆垛機(jī)的出入庫(kù)作業(yè)效率便由巷道長(zhǎng)度相關(guān)。故基于經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)滿足性考慮，并非所有的閣樓區(qū)備件均可考慮進(jìn)入立體倉(cāng)庫(kù)，需要針對(duì)備件的流速、體積，篩選出最適合的備件進(jìn)入自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。

基于上述問(wèn)題，針對(duì)不同流速的備件，指定相應(yīng)的庫(kù)存策略，并選擇合適的備件進(jìn)入自動(dòng)化立庫(kù)，使得整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)集成系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)效率均為最優(yōu)值。

二、方案設(shè)計(jì)

方案基于某主機(jī)廠備件倉(cāng)庫(kù)布局現(xiàn)狀及作業(yè)流程，擬用自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)及其輔助設(shè)施設(shè)備替代人工完成整托/整箱備件的入庫(kù)、出庫(kù)、轉(zhuǎn)運(yùn)、分撥等作業(yè)。通過(guò)作業(yè)流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、入庫(kù)備件選擇、設(shè)備數(shù)量選擇、現(xiàn)場(chǎng)布局等完成整個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的方案設(shè)計(jì)。

圖1：整體方案作業(yè)流程

圖2：產(chǎn)品庫(kù)存組成

圖3：備件生命周期及產(chǎn)品需求曲線

（一）作業(yè)流程設(shè)計(jì)

整體方案作業(yè)流程總計(jì)12個(gè)環(huán)節(jié)，從收貨入庫(kù)直到最終發(fā)貨裝車、容器返空，如圖1所示。

1.到貨驗(yàn)收：與現(xiàn)有倉(cāng)庫(kù)收貨方式相同，人工點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)收貨確認(rèn)。

2.商品化包裝：與現(xiàn)有倉(cāng)庫(kù)包裝方式相同，根據(jù)包裝指示票進(jìn)行包裝，但入立庫(kù)備件統(tǒng)一區(qū)域包裝。

3.包裝緩存：包裝完成后，放入存儲(chǔ)膠箱中，并將膠箱號(hào)與備件進(jìn)行綁定，以便系統(tǒng)識(shí)別入庫(kù)，然后集中存放于A框中，等待叉車轉(zhuǎn)運(yùn)。

4.轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)：叉車將待轉(zhuǎn)運(yùn)A框轉(zhuǎn)運(yùn)至立庫(kù)入庫(kù)區(qū)。

5.人工搬上輥道：叉車司機(jī)將待入庫(kù)膠箱搬上入庫(kù)輥道。

6.入庫(kù)輸送移載：道口通過(guò)掃描膠箱條碼，識(shí)別膠箱中待入庫(kù)備件信息，系統(tǒng)安排庫(kù)位，移栽機(jī)將膠箱移載至對(duì)應(yīng)入庫(kù)巷道口。

7.堆垛機(jī)入庫(kù)存儲(chǔ)：堆垛機(jī)從入庫(kù)巷道口叉取整個(gè)膠箱，根據(jù)系統(tǒng)安排庫(kù)位將膠箱放置于指定貨格，完成上架存儲(chǔ)，并更新庫(kù)存信息。

8.出庫(kù)輸送移載：系統(tǒng)根據(jù)用戶訂單按波次截單并合單，根據(jù)線路裝車順序?qū)Σù蝹浼判虺鰩?kù)，堆垛機(jī)叉取膠箱放置于出庫(kù)巷道口，移載機(jī)及輥道配合輸送至人工揀貨區(qū)。

9.人工按單揀貨：根據(jù)波次訂單信息，揀貨員先集中取貨進(jìn)行播種方式，將貨物分撥至對(duì)應(yīng)的播種墻內(nèi)，待單個(gè)網(wǎng)點(diǎn)播種完成后，合箱貼標(biāo)。

圖4：備件篩選邏輯

圖5：（R,S）補(bǔ)貨策略模型

圖6：堆垛機(jī)-效率-巷道深度關(guān)系曲線圖

表1：設(shè)備數(shù)量及需求

10.傳送分撥：合箱后備件搬上發(fā)貨傳輸輥道，通過(guò)掃描箱號(hào)標(biāo)簽信息，分撥至對(duì)應(yīng)道口。

11.發(fā)貨掃描：分撥完成備件與其它區(qū)域備貨完成備件一同發(fā)貨掃描，等待裝車。

12.人工裝車：末端根據(jù)線路配送順序，司機(jī)進(jìn)行排序裝車。

（二）設(shè)備選擇

根據(jù)方案規(guī)劃的作業(yè)流程，對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)及其輔助設(shè)備進(jìn)行如下選型，以滿足其所需實(shí)現(xiàn)功能的要求。

1.掃描設(shè)備：掃描槍、紅外線掃描儀

2.移載設(shè)備：頂升移載機(jī)

3.存取設(shè)備：?jiǎn)紊煳浑p立柱堆垛機(jī)

4.存儲(chǔ)設(shè)備：立體倉(cāng)庫(kù)貨架

5.存儲(chǔ)容器：1/2長(zhǎng)小料盒

6.分撥輸送設(shè)備：交叉分揀輸送線

（三）最優(yōu)備件選擇

通過(guò)分析備件的流速及波動(dòng)情況，得到其庫(kù)存量及其庫(kù)位需求，從而決定了巷道的規(guī)格，結(jié)合堆垛機(jī)在不同巷道規(guī)格下的作業(yè)效率，最終得到既能滿足庫(kù)位需求亦可滿足堆垛機(jī)出庫(kù)效率需求的可進(jìn)入到立體倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)的最佳流速備件。

1.庫(kù)存組成：在越來(lái)越重視客戶服務(wù)成本的當(dāng)今，為防止需求波動(dòng)帶來(lái)的缺貨成本，通常會(huì)對(duì)備件設(shè)置一定的庫(kù)存，而庫(kù)存通常由在庫(kù)庫(kù)存和周期庫(kù)存組成，如圖2，而倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的備件庫(kù)存通常不低于安全庫(kù)存。

2.庫(kù)存決定因素：不同流速、波動(dòng)情況的備件所需要的庫(kù)存決定了在庫(kù)的庫(kù)存量，汽車售后零部件在市長(zhǎng)達(dá)15年的時(shí)間內(nèi)，分別經(jīng)歷導(dǎo)入期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期，其產(chǎn)品需求量曲線隨著時(shí)間變化如圖3，而備件不同生命周期的市場(chǎng)需求量又由季節(jié)波動(dòng)、地域需求、消費(fèi)習(xí)慣、汽車保有量、意外事故、消費(fèi)引導(dǎo)等多種因素決定。

3.備件類型的選擇：針對(duì)上述產(chǎn)品的需求特性，故篩選出介于導(dǎo)入期與衰退期之間的閣樓區(qū)備件作為考慮放入立庫(kù)存儲(chǔ)的備件，此部分備件需求相對(duì)穩(wěn)定，一定時(shí)間內(nèi)的庫(kù)存數(shù)量固定，其篩選邏輯如圖4。

圖7：不同尺寸下容器對(duì)應(yīng)的備件出庫(kù)頻次最優(yōu)效益曲線圖

圖8：現(xiàn)場(chǎng)布局示意圖

4.庫(kù)存量S的確定：隨著倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的導(dǎo)入，對(duì)庫(kù)存的盤(pán)點(diǎn)均為實(shí)時(shí)連續(xù)的記錄，故針對(duì)連續(xù)型盤(pán)點(diǎn)、需求相對(duì)穩(wěn)定的備件，采用（R,S）補(bǔ)貨模型，即當(dāng)庫(kù)存消耗即將到達(dá)安全庫(kù)存R時(shí)，訂購(gòu)批量產(chǎn)品Q，補(bǔ)充到最大庫(kù)存量S需求，如圖5 。

相關(guān)參數(shù)如下：

產(chǎn)品月需求標(biāo)準(zhǔn)差：

訂購(gòu)提前期標(biāo)準(zhǔn)差：

日均需求數(shù)量：

采購(gòu)提前期：

庫(kù)存周期：Z

安全系數(shù)：K（99%的服務(wù)水平對(duì)應(yīng)K值=2.33，90%服務(wù)水平對(duì)應(yīng)K值=1.64）

故安全庫(kù)存

以前標(biāo)牌為例，月需求標(biāo)準(zhǔn)差：=429.6，訂購(gòu)提前期標(biāo)準(zhǔn)差：=0.00176，日均需求數(shù)量： =17.65個(gè)，采購(gòu)提前期：T=7天，庫(kù)存周期：Z=22天

安全系數(shù)：N=2.33，最終得到其?安全庫(kù)存SS為24個(gè)，最大庫(kù)存數(shù)量為S=535個(gè)。

5.庫(kù)位需求數(shù)量N的確定：

選用的存儲(chǔ)容器尺寸為L(zhǎng)*W*H

備件的包裝SNP尺寸為l*w*h

故容器存儲(chǔ)SNP數(shù)量

6.堆垛機(jī)最優(yōu)效率T m d的確定：

相關(guān)參數(shù)如下：

巷道高度：G

巷道深度：P

堆垛機(jī)水平最大速度：VX

堆垛機(jī)垂直最大速度：Vy

堆垛機(jī)水平加速 度：

堆垛機(jī)垂直加速度：

堆垛機(jī)伸叉用時(shí)：tf

系統(tǒng)信息傳輸用時(shí)：

則復(fù)合作業(yè)堆垛機(jī)單次作業(yè)用時(shí)：

Tmd=MAX(9P/5Vx+2Vx/ax+Vy/ay+4tf+2ta，9G/5Vy+2Vx/ax+Vy/ay+4tf+2ta）

當(dāng)P/Vx =G/Vy時(shí)，堆垛機(jī)作業(yè)效率最高。

7.最優(yōu)流量備件確定：

已知巷道深度P：巷道高度G=9:5時(shí)，堆垛機(jī)作業(yè)效率最高。

此時(shí)單巷道高位貨架的庫(kù)位數(shù)量為；

已知單個(gè)備件庫(kù)位需求數(shù)量；

則當(dāng)多種備件的庫(kù)位需求數(shù)量與巷道庫(kù)位數(shù)量相等，且堆垛機(jī)出庫(kù)效率滿足備件出庫(kù)頻次需求時(shí)，堆垛機(jī)效率最高，且能滿足巷道內(nèi)所有備件的出入庫(kù)存儲(chǔ)需求。即需滿足如下方程組：

注：Ri為備件單波次出庫(kù)數(shù)量，T0為單波次出庫(kù)揀貨時(shí)長(zhǎng)，備件為單波次整托出庫(kù)，分揀完成后還需進(jìn)行整托入庫(kù)作業(yè)，堆垛機(jī)需要在波次內(nèi)完成所有整托的出入庫(kù)作業(yè)。

三、方案在某主機(jī)廠備件庫(kù)的運(yùn)用研究

（一）備件庫(kù)存設(shè)定

根據(jù)上文中提到的備件篩選邏輯，剔除新上市備件、呆滯件及貴重品，得到需求相對(duì)穩(wěn)定，可考慮進(jìn)入自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的備件?？傆?jì)從28565種閣樓備件中，篩選得到10889種備件。

（二）庫(kù)位需求數(shù)量設(shè)定

初定選擇長(zhǎng)1/2小料盒（L＊W＊H=450 ＊100＊ 180mm）作為統(tǒng)一的存儲(chǔ)容器。根據(jù)上文中的庫(kù)位數(shù)量需求邏輯，得到不同流速下備件的庫(kù)位需求數(shù)量。

安全系數(shù)：K=2.33，最終得到其安全庫(kù)存SS為24個(gè)，最大庫(kù)存數(shù)量為S=535個(gè)。

同樣前標(biāo)牌為例，SNP=1，容器最大存儲(chǔ)數(shù)量為120個(gè)，得到其庫(kù)位需求數(shù)量N=5個(gè)。

（三）巷道最優(yōu)效率確定

某主機(jī)廠備件倉(cāng)庫(kù)巷道高度：G=8.5m

得到不同巷道深度下的堆垛機(jī)效率如圖6。

可知，當(dāng)巷道深度為28.5m時(shí)，堆垛機(jī)的復(fù)合作業(yè)效率最高為185托/H。

（四）最優(yōu)流量備件確定

根據(jù)最優(yōu)備件流速確定公式及圖7，得到了不同尺寸容器對(duì)應(yīng)的最優(yōu)效益指標(biāo)，可知以1/2小料盒為容器時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最佳。

此時(shí)得到803種最優(yōu)可入立庫(kù)備件，出庫(kù)頻率均≥0.8次/天，平均備貨項(xiàng)次為3249項(xiàng)/天，堆垛機(jī)出入庫(kù)效率為5466托/天。

總計(jì)需求2個(gè)堆垛機(jī)，2排貨架，共16000個(gè)庫(kù)位。

（五）設(shè)備數(shù)量需求的確定

最終設(shè)備數(shù)量及需求如表1所示。

（六）現(xiàn)場(chǎng)方案流程及布局

根據(jù)上述設(shè)備數(shù)量需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，并確定了作業(yè)流程，如圖8。

四、總結(jié)

本文在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)導(dǎo)入前，為得到最佳經(jīng)濟(jì)性方案，需要基于備件流速設(shè)置庫(kù)存策略，確定庫(kù)位數(shù)量需求，從而得到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的巷道尺寸。

根據(jù)機(jī)械設(shè)備復(fù)合作業(yè)效率測(cè)算公式，得到巷道尺寸與巷道堆垛機(jī)出入庫(kù)作業(yè)效率的計(jì)算公式，并得到設(shè)備的最優(yōu)作業(yè)效率組合。

最終根據(jù)巷道尺寸需與滿足堆垛機(jī)巷道最優(yōu)作業(yè)效率組合尺寸像匹配的要求，篩選出可進(jìn)入自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的備件流速閾值。

并將此理論測(cè)算公式在某主機(jī)廠備件倉(cāng)庫(kù)的閣樓存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行運(yùn)用，得到日均出庫(kù)次數(shù)＞0.8次的備件805種，需求堆垛機(jī)數(shù)量2臺(tái)，巷道尺寸為H=8.5m,L=28.5m，庫(kù)位數(shù)量16000個(gè)設(shè)備數(shù)量需求，最終根據(jù)設(shè)備數(shù)量需求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布局及流程設(shè)計(jì)，輸出一個(gè)完整的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性方案。