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智能倉儲作為智能物流的重要組成部分,成為現代倉儲物流的發(fā)展趨勢。智能倉儲的效率主要受貨位分配的影響,通過優(yōu)化貨位分配,可提升存儲空間利用率,縮短出/入庫的作業(yè)時間和距離,加快貨物周轉,且可保持貨架的穩(wěn)定性,提升智能倉儲系統的工作效率。

存儲效率高低的關鍵在于貨位分配的策略優(yōu)化,國內外學者對貨位分配進行了深入系統的研究。Roodbergen等[1]疏理歸納出常用的貨位分配策略;商用領域智能倉儲系統的貨位分配方法主要有以下幾種:貨位固定分配[2]、貨位隨機分配、貨位分類分配[3]、貨位分類隨機分配[4]、貨位共享分配等。算法方面,現有文獻[5,6]大多采用遺傳算法、模擬退火等智能優(yōu)化算法,極大地縮短了計算時間。由此可知,國內外學者運用系統工程的思想,構建智能倉儲系統的數學模型,并通過仿真實驗進行驗證[7];對智能倉儲分析與決策較多使用運籌優(yōu)化方法[8]。商用智能倉儲貨位分配的發(fā)展為應急物流智能倉儲的發(fā)展提供了基礎。

由于應急物資調用頻率小,國內外應急物資較少采用智能倉儲系統,因此應急物流智能倉儲領域的貨位分配研究也較為欠缺[9,10]。部分區(qū)域電力部門的應急物資儲備倉庫中引入物聯網技術,構建電力應急物資儲備智能倉儲系統[11],大幅度提升了倉儲自動化水平和物資出/入庫效率,減少了物資人為損壞和丟失,提升了搶險保障能力。

相比而言,應急物流領域智能倉儲方面的研究較少,而特定災情應急物資智能倉儲關鍵技術的研究還未見公開發(fā)表,特別是目前防汛抗旱物資倉儲還未采用智能倉儲系統,這方面的研究也相對較少,但是對商用物流行業(yè)的智能倉儲關鍵技術,尤其對智能倉儲系統中的存儲策略的研究已經相對成熟。防汛抗旱應急物資倉儲管理中呈現出物資種類少、數量多,少批次、多批量,搶險出庫時效性和響應時間強約束等特點,以往針對商業(yè)物流的智能倉儲研究成果在解決防汛抗旱物資儲備時針對性不足,防汛抗旱應急物資智能倉儲方面的技術研究與實踐亟待展開。

本文根據防汛抗旱物資及其智能倉儲特性,圍繞出庫效率和貨架穩(wěn)定性多目標,建立防汛抗旱物資貨位分配模型,運用權重法將多目標優(yōu)化問題變成單目標優(yōu)化問題,最后采用MATLAB軟件實現所有算法的求解。

常用的存儲策略及其特性、優(yōu)點、缺點對比見表1。

表1 不同類型存儲策略對比     下載原表

防汛抗旱物資存儲策略必須與貨位分配原則有機結合起來才能決定物資存儲作業(yè)模式。為了科學合理地進行防汛抗旱物資的存儲作業(yè),在進行防汛抗旱物資貨位分配時需要遵循以下原則。

(1)調用頻率高的物資放在出口近處,調用頻率低的物資放在出口遠處。防汛抗旱物資入庫的時效性要求不高,但出庫時效性要求極高,因此主要考慮出庫效率,對入庫效率不予考慮。

(2)質量大的物資放在下層,質量小的放在上層。

(3)大型物資放在下層,小型物資放在上層。

(4)分巷道存放。防止因某巷道堵塞,影響出庫效率。

(5)加快周轉,就近入/出庫。

(6)物資相關性,同類物資就近存放。相關性大的物資在搶險時往往被同時調用,應盡可能存放在相鄰位置。

綜合以上存儲策略以及貨位分配原則,考慮防汛抗旱物資的特點,建議采用分類定位存儲策略。鑒于防汛抗旱物資具有種類少、數量多、存取頻率低、出庫時效性和響應時間強約束等特點,目前防汛抗旱物資多采用分類存儲策略,先對物資進行分類,再結合物資之間的相關性、使用頻率等特點,進行定位儲存。防汛抗旱物資的分類存儲策略對提升防汛抗旱物資出庫效率和保障能力至關重要。

防汛抗旱物資包括機油、救生衣、帳篷、操舟機、手提強光巡查燈等;物資規(guī)格涉及物資的長、寬、高和質量,為了簡化問題,將一定數量的單類物資根據其尺寸組合為該物資標準托盤組,各類物資標準托盤組的長、寬、高及質量均滿足貨架限制條件。

本文以單排貨架為研究對象,在優(yōu)化模塊中建立多層貨架坐標系(見圖1),以作業(yè)車在出/入庫臺的起始位置為原點O(0,0),X軸為貨架長軸方向,Y軸為貨架垂直方向,貨架每列和每層分別為X軸和Y軸方向上的1個單位長度,確定貨位位置為P(i,j)。

定義主要變量和參數如下:設倉庫貨架貨位共有m列n層,則物資所處貨位坐標為P(i,j)(0≤i≤m,0≤j≤n);防汛抗旱物資種類數r;第k類防汛抗旱物資質量(單個托盤組質量)Wk(0≤k≤r);第k類防汛抗旱物資調用頻率pk(0≤k≤r),即一定時間內出庫總次數,等于出庫次數除以時間;tij為叉車搬運第i列第j層貨位上的貨品所用的時間;vx和vy分別為穿梭車或叉車的水平和垂直運行速度;L和H為一個貨位的長度和高度;定義決策變量xijk,當第k類防汛抗旱物資存放在P(i,j)時,xijk=1,否則xijk=0(0≤k≤r)。

圖1 作業(yè)路徑坐標系   下載原圖

在對物資進行分類的基礎上,將不同類型物資進行分庫區(qū)存放,并在不同庫區(qū)進行貨位分配,基于貨位分配的原則,構建以下模型。

(1)根據上輕下重的原則,倉庫貨架共有n層m列,設地面層為第一層,離出口最近的列為第一列,貨位分配優(yōu)化目標是每個托盤上物資的質量與其所在層的乘積之和S最小,得到出庫時間最短優(yōu)化目標函數為

minS=∑i=1m∑j=1n∑k=1rWkxijk(i?1)minS=∑i=1m∑j=1n∑k=1rWkxijk(i-1) (1)

(2)根據就近出庫、加快周轉的原則,使各個貨位上物資搬運時間之和T最小,也就是使所有物資的調用頻率和揀選此物資時叉車運行時間乘積之和最小,由此得到貨架穩(wěn)定性優(yōu)化目標函數為

minT=∑i=1m∑j=1n∑k=1rtijxijkpkminΤ=∑i=1m∑j=1n∑k=1rtijxijkpk (2)

基于權重法,根據出庫時間最短、貨架穩(wěn)定性兩個目標函數的重要性程度確定融合模型的權值α、β(0≤α≤1,0≤β≤1,α+β=1),將出庫時間最短、貨架穩(wěn)定性兩個目標函數融合,建立最終倉儲優(yōu)化多目標模型,即

貨位分配是一類組合多目標優(yōu)化問題,多目標優(yōu)化問題的求解往往可以分為兩種:一是利用權重法、最大最小法、約束法和目標規(guī)劃等方法對多目標進行量化處理,獲得唯一可行解;二是基于人工智能的多目標優(yōu)化算法進行優(yōu)化,如多目標遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等。

基于防汛抗旱物資倉庫的特點,運用權重法將多目標問題轉化為單目標問題,考慮到兩個目標具有相同的重要性,將兩個目標均賦給權重0.5,則目標函數變?yōu)?

等式兩邊各乘以2,可以得到最終的貨位分配多目標優(yōu)化模型為

根據貨架離出口的距離和搬運高度的劃分,最佳儲位指位于智能倉儲靠近地面20%的區(qū)域和靠近出口20%的區(qū)域。這些區(qū)域具有易存儲、路徑短、機械運行損耗小的特點。智能倉儲系統主要由物資存儲搬運系統和倉庫管理系統組成。物資存儲搬運系統包括貨架、出/入庫臺和倉儲作業(yè)裝備。

采用多層貨架,密集架形式排列,各貨架具有作業(yè)獨立性,為便于研究,本文以單排貨架為研究對象,貨架高度為H′,長度為L,分為m列n層,貨位數為n×m個,各貨位規(guī)格相同,貨位高度為h′,長度為l,則H′=n×h′,L=m×l。

物資存取系統是由穿梭車系統和叉車組成的,貨架外有一個出/入庫臺。車輛往往直接駛入防汛抗旱倉庫進行裝卸作業(yè),這里只考慮物資從出/入庫臺到具體貨架的過程。

單次存取只使用一臺穿梭車,負責一排貨架的作業(yè)任務。開始時,穿梭車位于出/入庫臺固定起始位置,從起始位置計時開始,到完成一次存(取)貨物作業(yè)回到起始位置結束計時,這一作業(yè)流程的時間定為一個作業(yè)時間。作業(yè)車類型包括穿梭車和叉車,穿梭車負責水平方向上的作業(yè),叉車負責垂直方向上的作業(yè)及叉取作業(yè)。作業(yè)車速度包括穿梭車空載最大速度vx1、穿梭車負載最大速度vx2、穿梭車水平加速度ax、叉車垂直速度vy、叉車叉取速度vf,可參照叉車基本作業(yè)參數取值或者取經驗值。

穿梭車的運行分為穿梭車自身在貨架水平方向的運動和借助叉車所進行的貨架垂直方向運動,負載和空載速度不同,穿梭車啟動和制動過程中存在線性的加、減速階段,加、減速度相等,當加速度上升到最大時,以最大速度保持勻速運動。倉庫貨架參數見表2。

表2 倉庫貨架參數 導出到EXCEL

建立多層貨架坐標系,X軸為貨架長度,Y軸為貨架高度,貨物存儲在貨位內。對于固定的貨架,穿梭車和叉車的搬運系統運行至各個貨位的時間可以根據運動學規(guī)律進行計算,從而建立時間最小模型,可以得出每個貨位存取貨物所用的時間。

以二維坐標標記貨位位置,x為列坐標,y為層坐標,以穿梭車在出/入庫臺的起始位置為原點O(0,0),穿梭車從O點向貨位P(i,j)運動并返回,完成一次作業(yè)路徑。

水平運行距離:Lx=il (6)

垂直運行距離:Hy=(j-1)h (7)

將水平運行時間分為tx1和tx2,tx1為空載前往貨位時間,tx2負載返回時間;垂直運行時間為ty。時間最小模型假設穿梭車的運動為勻加速運動,達到最大速度vy1保持最大速度勻速運動,穿梭車在到達目標貨位前的運動為勻減速運動。這里要考慮到穿梭車運行路程較短時達不到最大速度的狀態(tài)和運行路程足夠其達到最大運行速度的狀態(tài)。

水平方向上,當運行距離過短時,穿梭車達不到最大速度vx1就需以原速度進行勻減速運動;當運行距離足夠長時,穿梭車進行加速,達到最大速度vx1后勻速運行,然后再勻減速運動。返回時,穿梭車運動狀態(tài)同上,但負載貨物達不到空載最大速度vx1,只能達到負載最大速度vx2。

垂直方向上,叉車從出/入庫臺上抬升穿梭車時以vy作勻速運動。依據表2中的相關參數數據可計算出作業(yè)時間,即

ty=Hyvyty=Ηyvy (10)

在穿梭車運動過程中,根據目標貨位位置,先在垂直方向提升到相應貨層,再在水平方向進行作業(yè),穿梭車的單次作業(yè)總時間為

T=tx1+tx2+ty+tf (11)

以3層、10列為例,得到穿梭車到達每個貨位的作業(yè)時間見表3。

表3 貨位作業(yè)時間 導出到EXCEL

s

以江蘇省水利防汛物資儲備中心鎮(zhèn)江分中心倉庫省級防汛抗旱物資智能倉儲區(qū)貨位分配為例進行實證分析。

在儲存物資的選擇上,根據近年來江蘇省防汛抗旱物資儲備中心的物資調用種類和數量等情況,結合倉庫大小與貨架安排,選出了機油、救生衣、帳篷、操舟機、手提強光巡查燈等5種物資。它們的使用頻率較高,形狀較規(guī)則,適合放置在多層貨架上,具體的儲備量見表4。

表4 存儲物資規(guī)格及數量 導出到EXCEL

根據江蘇省水利防汛物資儲備中心鎮(zhèn)江分中心拆建工程總平面布置圖可知,倉庫內部存儲庫的最小長、寬分別為30、18 m,故智能倉儲區(qū)的長不應超過30 m,寬不應超過18 m。由于目前倉庫的具體位置還未確定,因此將智能倉儲區(qū)的尺寸設為30 m×18 m,面積為540 m2,這樣可以適用于倉庫內部任意區(qū)域。

防汛抗旱物資具有存儲的種類少、批量大、物資笨重、不宜人工搬運、出庫頻率低、出庫時效性要求高等特點。根據這些特點,可以選擇的貨架有托盤式貨架、貫通式貨架、穿梭式貨架、懸臂式貨架等幾種類型。

該案例中智能貨架的貨位規(guī)格初步確定為1.5 m×1.1 m×1.5 m。表5列出了幾種貨架的優(yōu)缺點。

表5 貨架類型分析 導出到EXCEL

托盤式貨架和貫通式貨架均需要配備叉車,穿梭式貨架需配備穿梭車和叉車。倉庫空間利用率排序為智能存取立體庫貨架>穿梭式貨架>貫通式貨架>托盤式貨架,總估價排序為智能存取立體庫貨架>穿梭式貨架>貫通式貨架>托盤式貨架。穿梭車單價為10萬元,500 m2的倉庫可配備2～3臺。貨架為定做,規(guī)格為1.5 m×1.1 m×1.5 m,不同類型的貨架每貨位價格不等,其中托盤式貨架價格最低。叉車需要3～4輛,考慮到防汛倉庫的低使用率,可租賃叉車,既可節(jié)省成本,又避免了資產閑置,租賃價格每臺每年約為0.5萬元。若要購買叉車,電動叉車經濟環(huán)保,并且較柴油叉車要窄,滿足巷道作業(yè)要求,可選擇電動叉車,每臺價格為6～8萬元。

托盤常見規(guī)格在不同國家有不同標準,我國最常見的托盤規(guī)格是1 200 mm×1 000 mm,這也是歐式托盤的常見規(guī)格之一。木質類平托盤造價較低且耐用,較適用于防汛抗旱物資的需求,價格約為35～60元。

在存放物資時,還需考慮托盤承載物資的合理性,包括達到托盤80%的表面積利用率、承載物資的重心高度不應超過托盤寬度的2/3。一般而言,物資在托盤上的高度不能超過1 200 mm。各類物資的數量及堆垛安排見表6。這些物資是放置在穿梭式貨架上的,發(fā)電機和拖車式水泵是平放在地面上的,如未來有更多物資,可以在上層增加穿梭式貨架。物資堆垛示意見圖2。

表6 物資數量及堆垛安排 導出到EXCEL

圖2 物資堆垛示意   下載原圖

根據現有智能倉庫的面積和物資存儲的要求,對倉庫的內部布局進行設置,見圖3。

圖3 平面布局   下載原圖

A、B區(qū)均為智能貨架區(qū);C區(qū)為特殊物資區(qū)域,用普通貨架和懸臂式貨架,如帳篷撐桿和數量極少的物資;D區(qū)為待放區(qū)域,可以作為補充或者添加物資區(qū)域,如發(fā)電機、拖車時水泵等物資。A區(qū)平面面積約為11 m×18 m=198 m2,B區(qū)平面面積約為12.1 m×7.5 m=90.75 m2,C區(qū)平面面積約為10 m×1.2 m=12 m2,D區(qū)平面面積約為12 m×6.5 m=78 m2;空白區(qū)為巷道,中間巷道寬為6 m,其余巷道寬為3 m左右。上方為入庫口,下方為出庫口,出入口兩側可以設置臨時分揀區(qū)。若一次性出庫量較大,可以將上方的入庫口作為臨時出庫口使用,提升防汛抗旱物資的調用效率。此外,若倉庫受現實條件限制,出入口也可合二為一。

基于貨位分配模型以及防汛倉庫的物資調用記錄等信息,可將操舟機、救生衣、帳篷、機油和巡查燈分為一類,發(fā)電機、拖曳式水泵等分為一類。將適合存放在智能倉庫的物資大致分為3個類別:Ⅰ為操舟機、救生衣、帳篷;Ⅱ為機油、巡查燈和帳蓬撐桿;Ⅲ為發(fā)電機、拖曳式水泵及其他未來需要放進智能倉庫的物資。Ⅰ類物資使用頻率最高且量極大;Ⅱ類物資使用頻率較高,量極少;Ⅲ類物質使用頻率較低,物資量較少且體積、質量都較大,不易移動。

按照類別來進行貨位區(qū)安排,結合物資數量與貨架的貨位數,Ⅰ類物資的貨位區(qū)安排在A區(qū)和B區(qū),其中:救生衣放在A區(qū),操舟機和帳篷放在B區(qū)。Ⅱ類物資機油、帳篷撐桿和手提式巡查燈,考慮帳篷與撐桿的相關性,安排在C區(qū)。Ⅲ類物資中發(fā)電機與拖曳式水泵單獨平層依次排列放在D區(qū)。

貨物按照貨位分配原則分區(qū)定位存放,能在調取物資時快速精準找到物資,迅速進行出庫,提升效率,也方便進行檢查、盤點、養(yǎng)護。

按照不同貨架類型可將貨架布局具體分為兩大類,第一類為托盤式貨架,需要較多的巷道,空間利用率整體較低;第二類為密集式貨架,有貫通式貨架、穿梭式貨架和智能存取立體庫,巷道少,空間利用率高。

托盤式貨架的具體貨位見圖4,單層貨位數即A、B區(qū)的貨位數(合計90),設置為5層。

圖4 托盤式貨位(單位:m)   下載原圖

第二類密集式貨架,貫通式貨架、穿梭式貨架和智能立體貨架均可按照此方式布置,貨架放置的方式為橫放式,利用主干道保障救生衣物資進出庫的分流,單層貨位數為176,貨架層數為4層,一共704個貨位,貨位平面見圖5。

圖5 密集式貨架(單位:mm)   下載原圖

C區(qū)放置帳篷桿的部分,整個區(qū)域為5 m×1.2 m。10桿成捆放置一個貨架,貨位上下距均為0.5 m,高為3 m,一共12個貨位。右邊是普通貨架,貨位規(guī)格為1.4 m×1.0 m×1.5 m,單層有5個貨位,一共4層,放置機油、巡查燈等量極少的物資,方便存取。D區(qū)空余空間為78 m2,用于存放未來增加的物資,或滿足其他需求。

對此貨位優(yōu)化模型在Matlab軟件中進行編程,運行后可以得到總目標函數值h隨迭代次數的變化曲線,見圖6。

由圖6可知,通過不斷的函數迭代,總目標函數值h隨迭代次數的增大而不斷減小,直到迭代次數達到170代以后,總目標函數值h基本上不再變化,此時目標函數基本達到收斂,最終結果為1.44×105。

圖6 函數值h隨迭代次數變化曲線   下載原圖

根據上述模型,基于遺傳算法對模型進行優(yōu)化,使用Matlab求解,可以得出鎮(zhèn)江智能倉庫存儲物資使用密集式貨架在各區(qū)的貨位分配結果,見表7。

表7 貨位分配簡化表示結果 導出到EXCEL

本文詳細介紹了防汛抗旱物資智能倉儲原則、貨位分配策略,建立了防汛抗旱物資貨位分配的多目標優(yōu)化模型及其簡化方法,并以江蘇省水利防汛物資儲備中心鎮(zhèn)江分中心倉庫省級防汛抗旱物資智能倉儲區(qū)貨位分配為例進行實證分析?；贛atlab編程得到優(yōu)化的貨位分配策略,取得了較好的效果,可為有效提升防汛抗旱物資倉儲效率和管理水平、減少洪旱災害損失提供借鑒。