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近年來,隨著電子商務的蓬勃發展,物流技術和倉儲能力的需求也在不斷增加。企業的物流管理水平直接影響著企業的市場競爭力,而倉儲管理中的出入庫效率又是物流管理中的關鍵環節之一。為了更加有效地管理自動化立體倉庫,提高整體作業效率,就要求對貨位分配進行優化,對堆垛機揀選作業路線進行優化,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,從而提高企業效益。自動化立體倉儲系統(Automated Storage and Retrieval System,AS/RS)作為現代物流倉儲系統的核心,在現代化物流發展中發揮了巨大作用,它在醫藥業、鋼鐵業、煙草業、電子商務業等制造業和日常生活中得到了廣泛應用[1,2]。自動化立體倉儲作為倉儲物流系統的中心環節,其運行效率和成本成為人們科學研究的熱點,也是加快企業生產節奏、推動企業節能減排的有效途徑。從目前的調查和研究來看,我國很大一部分物流企業尚未建立起自動化立體倉庫,甚至未能將其提到日程上來。而從國內的部分擁有自動化立體倉儲的企業調查研究來看,也存在以下問題:自動化立體倉庫操作過程的半自動化、員工業務水平不高;自動化立體倉庫的智能化程度不高,對貨架、貨位的優化不夠;入庫叉車和堆垛機運行效率不高,設備之間缺乏協同運作;任務動態調度優化不夠,貨物入庫和出庫未考慮訂單狀態等。本文就目前國內自動化立體倉儲使用過程中存在智能化程度不高,對貨架、倉儲貨位的優化欠缺這一問題加以分析和研究,提出相應的解決方案、建立相應的仿真優化模型、對比優化前后企業自動化立體倉儲的作業效率。

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。倉儲即包含有靜態物品的儲存,也可包含動態的物品的存取、保管和控制等過程[3,4]。倉儲應該具備倉庫的基本功能,可以對物質進行存放和提取;其次,倉儲應該對操作對象有一定的管理功能,如進出貨物數量、進出貨物頻次、操作損壞處理等;按照倉儲的經營主體來劃分,可以將倉儲分為企業單位自營倉儲、個體專用倉儲和政府設立戰略型倉儲等;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、運輸轉換倉儲等[5]。倉儲是連接生產、運輸、銷售配送的中轉環節。倉庫的布局是影響倉儲調度效率的重要因素,倉庫布局的好壞將直接影響倉儲管理的便利性,可持續性。

現代物流的發展是立體倉庫的出現與發展的前提,其是與工業、科技等發展相適應的。現代化大生產越來越促使工業生產社會化、專業化、集中化,生產的高度機械化、自動化必然要求物資的供應分發及時、迅速、準確。這就促使立體倉庫技術得到迅速的發展,與之匹配的貨架也就應運而生,貨架泛指存放貨物的架子,用于存放成件物品的保管設備。貨架按其發展歷程分為傳統貨架和新型貨架。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,企業生產和倉儲過程中,通常均是按照基本行或者是按照基本列來隨機存放貨物如圖1所示。

圖1 堆垛機存取貨物路徑選擇  下載原圖

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

因此本文立足基本的層格式貨架,考慮到堆垛機前進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。現假設:堆垛機前進和托舉的步驟一致(向前行進一個單位的同時可以向上托舉一個單位高度);x代表堆垛機存取位置為(x0,y0)的貨物行進時所處的臨時位置;y代表堆垛機存取位置為(x0,y0)的貨物抬舉時所處的臨時位置,則貨物存取路徑為:

堆垛機存取貨物所用的時間T與其所處的臨時位置之間的關系:

式中:T為堆垛機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,但在r2路徑下,堆垛機無法實現非步進式抬升。r1與r3相比較,r3在未托舉狀態下先進行水平移動,更容易被接受,安全性也更高。

在實際生產和倉儲過程中,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先模型就很有必要。

如果堆垛機存放貨物時,儲位隨機選擇,那么貨物出入庫的平均時間(期望值):

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

圖2 隨機出入庫堆垛機等效運行時間  下載原圖

現假設:往一個貨架(規格為10×20)存儲100個貨物,隨機作業的堆垛機的期望作業時長為2 265個時間單位。考慮單個貨架的貨位模型:假定貨架為m層n列,貨位標號為l,第i個標號擁有的貨位數量為numl(i):貨位標號:l(x,y)=max(x,y),每個標號i下擁有的貨位數量為:

待入庫作業量為ST,則貨物入庫貨架數量與貨架標號之間必須滿足:

通過儲位優化后,堆垛機的作業時長為 ;單貨架貨位標號示意圖見圖3。

圖3 單貨架貨位標號示意圖  下載原圖

對比運行結果如圖4所示。

圖4 單貨架儲位優化作業時間運行結果  下載原圖

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

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

圖5 多貨架倉儲貨位等標號示意圖  下載原圖

令叉車在相鄰貨架之間的行進時間為t1,轉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)貨位標號為:

假定倉庫擁有S個貨架,貨架規格為m層n列,待入庫作業量為ST,則貨物入庫模型為:

每個貨架標號num l(i)下擁有的貨位數量為:

假設,在一個擁有5個貨架的倉庫中,每個貨架規格為10×20,現欲存儲250個貨物:

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

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

多貨架儲位優化作業時間運行結果如圖6所示。

圖6 多貨架儲位優化作業時間運行結果  下載原圖

對比運行結果就能清晰地發現,所研究的儲位選擇優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現,如果讓入庫的任務量保持不變,增加貨架的長度(列),這樣會增加貨位隨機存儲所用時間,而不會改變這種儲位優化算法下的作業時間。也就是說,該儲位分配優化方法能夠較好地適應倉儲資源的微調,算法具備魯棒性。