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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(yùn)和存儲成本,降低在存儲及搬運(yùn)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(yùn)行效率和成本成為人們科學(xué)研究的熱點(diǎn),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(yùn)行效率不高,設(shè)備之間缺乏協(xié)同運(yùn)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。

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(yùn)輸轉(zhuǎn)換倉儲等[5]。倉儲是連接生產(chǎn)、運(yùn)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。

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。現(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(yùn)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。

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。

圖1 堆垛機(jī)存取貨物路徑選擇  下載原圖

圖1中貨物位置坐標(biāo)為{(x0,y0)|x0>y0};r1,r2,r3,r4為堆垛機(jī)可選擇的貨物運(yùn)送軌跡。

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。現(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:

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:

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<n。

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(shí)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。

在實(shí)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):

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(yùn)行時間如圖2所示。

圖2 隨機(jī)出入庫堆垛機(jī)等效運(yùn)行時間  下載原圖

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:

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:

通過儲位優(yōu)化后,堆垛機(jī)的作業(yè)時長為 ;單貨架貨位標(biāo)號示意圖見圖3。

圖3 單貨架貨位標(biāo)號示意圖  下載原圖

對比運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4 單貨架儲位優(yōu)化作業(yè)時間運(yùn)行結(jié)果  下載原圖

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。

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。

圖5 多貨架倉儲貨位等標(biāo)號示意圖  下載原圖

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:

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:

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

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(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 多貨架儲位優(yōu)化作業(yè)時間運(yùn)行結(jié)果  下載原圖

對比運(yùn)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。