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目前,我國(guó)第三方物流企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)管理中的入庫(kù)管理、出庫(kù)管理、卸車驗(yàn)貨、庫(kù)存管理等幾個(gè)物流環(huán)節(jié)發(fā)展很不同步。其中出庫(kù)管理、卸車驗(yàn)貨以及庫(kù)存管理的水平已經(jīng)比較先進(jìn),但是倉(cāng)儲(chǔ)管理中的入庫(kù)管理相對(duì)比較落后。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大約80%的第三方物流倉(cāng)儲(chǔ)中心,在入庫(kù)管理時(shí)還做不到科學(xué)準(zhǔn)確的貨位優(yōu)化,只能憑借管理人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行擺放貨物、選擇貨位,導(dǎo)致入庫(kù)管理作業(yè)效率低下。

大量實(shí)證研究表明,我國(guó)第三方物流企業(yè)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)作效率低下的最根本原因是貨位安排不夠科學(xué)。貨位安排的不合理可以直接導(dǎo)致揀貨效率低下、增加工作量,進(jìn)而影響到倉(cāng)儲(chǔ)中心的備貨效率和即時(shí)響應(yīng)時(shí)間。因此,對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)該從貨位優(yōu)化入手,即在貨物倉(cāng)儲(chǔ)過程中,根據(jù)貨物性質(zhì)(周轉(zhuǎn)率、重量、大小)對(duì)不同的貨物選擇不同的存放位置,以達(dá)到節(jié)省貨物存儲(chǔ)成本的目的[1]。

本文在對(duì)大量倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化文獻(xiàn)的研究與分析的基礎(chǔ)上,得出影響第三方物流企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)成本的影響因素,進(jìn)而根據(jù)影響因素構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,提出了一種合理的求解函數(shù)。最后通過普遍認(rèn)可的遺傳算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于第三方物流企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化的研究很多,而且絕大部分是從貨位優(yōu)化角度進(jìn)行研究。倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的核心即貨位,貨物擺放的位置好壞直接關(guān)系到貨物周轉(zhuǎn)需要花費(fèi)的時(shí)間以及人力成本等,所以倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化分析也集中在貨位優(yōu)化上。

目前按照目標(biāo)不同,可以把倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化分為五種:第一種,滿足可視化管理要求的倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化;第二種,達(dá)到倉(cāng)庫(kù)空間利用率最大化目標(biāo)的倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化;第三種,以節(jié)省物流成本,降低設(shè)備使用率為目的的倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化;第四種以實(shí)現(xiàn)最小庫(kù)存為目的的倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化;第五種,以提高作業(yè)效率為目標(biāo)的倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化。

上述五種貨位優(yōu)化目標(biāo)都有其一定的適應(yīng)情況,并不是任何企業(yè)都適合可視化管理、倉(cāng)庫(kù)空間利用率最大以及最小庫(kù)存等目標(biāo),我們將這五種優(yōu)化目標(biāo)按一定的適應(yīng)情況進(jìn)行分類,見表1。

表1 倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化目標(biāo)及適應(yīng)情況  下載原圖

表1 倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化目標(biāo)及適應(yīng)情況

從表1我們可以看出,以節(jié)省物流成本、降低設(shè)備使用率為目標(biāo)的貨位優(yōu)化是最適合第三方物流企業(yè)的。而以節(jié)省物流成本、降低設(shè)備使用率為目標(biāo)的倉(cāng)儲(chǔ)貨位優(yōu)化的理論依據(jù)是物流成本管理學(xué)說。物流成本管理,就是通過成本控制來管理物流。其管理的直接對(duì)象是物流而不是成本,是通過成本來間接進(jìn)行物流管理的方法。這類軟件以EXE Technologies Inc.公司的EXE Optimize為代表,該軟件的原理是把降低物流設(shè)備的使用率作為依據(jù),來優(yōu)化貨位。通過減少貨物出入倉(cāng)庫(kù)的次數(shù)以及行走路線長(zhǎng)度,降低物流設(shè)備搬運(yùn)貨物的次數(shù)及距離,從而降低倉(cāng)儲(chǔ)成本[2]。

貨位優(yōu)化是指通過給每一個(gè)貨物安排一個(gè)合理的擺放位置,確立一個(gè)最優(yōu)的空間分配方式。貨位優(yōu)化的目的就是通過貨位的優(yōu)化盡量減少貨位在倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)出所花費(fèi)的時(shí)間和人力成本,它需要根據(jù)不同的貨架類型和調(diào)度設(shè)備特征、貨物類別和特征、倉(cāng)庫(kù)布局以及人工成本等因素來選擇最佳的貨位布局。因此貨位優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃問題,但是總體遵循一個(gè)原則,即整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)貨物周轉(zhuǎn)成本最低[3]。

通過對(duì)已有文獻(xiàn)的研究并結(jié)合第三方物流企業(yè)實(shí)際情況,本文認(rèn)為第三方物流企業(yè)貨位優(yōu)化需要考慮的影響因素主要包括:貨物的周轉(zhuǎn)率、貨物類別、貨物重量。除了這三個(gè)因素以外,還有貨物存儲(chǔ)的一些特殊要求,但是這個(gè)不應(yīng)該在本次優(yōu)化研究中考慮[4](特殊情況可以特殊處理)。

因此,根據(jù)以上三個(gè)影響因素,我們可以建立三個(gè)目標(biāo)函數(shù):

F1:貨物的周轉(zhuǎn)量最小,即盡量減少貨物進(jìn)出的量。

F2:貨架穩(wěn)定性最高,即貨架所載貨物重心最低。

F3:物以類聚,即同種類別的貨物距離最近、離散度最小。

優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立遵循兩個(gè)原則:一是提高作業(yè)效率;二是滿足特殊限制條件。而滿足限制條件與提高作業(yè)效率必須在同一狀態(tài)下同時(shí)達(dá)到,因此,該優(yōu)化模型是一個(gè)多目標(biāo)的決策問題。

P:貨物的周轉(zhuǎn)率

W:托盤中貨物的重量

(x,y,z):貨物在貨架中的位置坐標(biāo),即(排,列,層)

Vx:傳輸帶的傳輸速度

Vy:堆垛機(jī)縱向移動(dòng)的速度

Vz:堆垛機(jī)垂直上升運(yùn)動(dòng)的速度

S:貨物至出入口距離

T:貨物從貨位移至出口所需時(shí)間

其中根據(jù)實(shí)際情況我們假設(shè)Vx:Vy:Vz=1:5:1。

根據(jù)上文建立的目標(biāo)函數(shù),我們結(jié)合變量進(jìn)行量化。

(1)F1:貨物的周轉(zhuǎn)量最小,即盡量減少貨物進(jìn)出的量。建立目標(biāo)函數(shù)如下:

其中:x1、x2、y1、y2、z1、z2分別代表排、列、層的下限和上限:

Pxyz是指存儲(chǔ)在貨位(x,y,z)上的貨物的周轉(zhuǎn)率。

(2)F2:貨架穩(wěn)定性最高,即貨架所載貨物重心最低。倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中,除了要提高貨物運(yùn)作的效率,還要考慮貨架的安全及穩(wěn)定性。因此,為了使貨架的受力情況良好,裝載貨物的時(shí)候遵循“上輕下重”的原則。所以,保證貨架穩(wěn)定性的問題等同于貨架所載貨物的整體重心最低,即每排貨架上的總重心最低,目標(biāo)函數(shù)表示如下:

其中:Wxyz是指存儲(chǔ)在貨位(x,y,z)上的貨物的重量。

(3)F3:物以類聚,即同種類別的貨物距離最近、離散度最小。根據(jù)同類貨物就進(jìn)擺放的原則,我們假設(shè)第三方物流企業(yè)倉(cāng)庫(kù)中有M種貨物,即分為M族。第i(i=1,2,…,m)族貨物里有Ni個(gè)物品,每個(gè)物品的位置用三維空間坐標(biāo)表示為(xi,yi,zi),Ni個(gè)同類物品的坐標(biāo)向量組合表示為:

①同類貨物內(nèi)部離散度衡量:各類物品的均值向量坐標(biāo)qi為(i=1,2,…,Ni):

我們將衡量每族物品的類內(nèi)離散度的值定義為此族中的每個(gè)物品到qi的距離之和,即:

則m族物品的類內(nèi)離散度表示為:

②同類貨物內(nèi)部離散度衡量:所有m族物品的中心qi(i=1,2,…,Ni)的均值坐標(biāo)向量表示為:

我們將衡量所有物品類中心到Qj的離散度的值定義為每類的中心到Q的距離之和,即:

綜合考慮同類物品之間離散度以及不同類物品之間離散度,即類內(nèi)離散度和類間離散度,我們認(rèn)為應(yīng)該確定的優(yōu)化目標(biāo)是:同類物品盡量擺放在一起,即同類物品類內(nèi)離散度最小;不同類物品均勻擺放于倉(cāng)庫(kù)中,并且離倉(cāng)庫(kù)入口距離之和最近,即不同類物品類間離散度最大,而且最小。

所以目標(biāo)函數(shù)如下:

(4)綜上所述,根據(jù)式(3)(4)(5)(13)我們的多目標(biāo)函數(shù)可以表示為如下形式:

通過國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的研究和對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)遺傳算法在解決非線性決策問題表現(xiàn)出的穩(wěn)健、高效以及普遍使用性,且非常適合本文所要解決的問題。因此,本文采用遺傳算法來進(jìn)行求解,應(yīng)用適應(yīng)性權(quán)重方法詳細(xì)的進(jìn)行討論,具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(1)初始化。根據(jù)實(shí)際情況確定種群中個(gè)體的表達(dá)方式,就是把要求的解編碼成基因串。在遺傳算法中如何描述需要解決的問題的可行解,需要一種轉(zhuǎn)換方式,我們稱之為編碼。編碼即把一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題的可行解依照一定的編碼方式一一對(duì)應(yīng)到遺傳算法中可識(shí)別的可搜索空間中。這是運(yùn)用遺傳算法前必須做好的準(zhǔn)備工作,也是關(guān)鍵性的一步。目前國(guó)際上流行的編碼方式有很多種,通常采用編碼方法有二進(jìn)制編碼、浮點(diǎn)數(shù)編碼以及格雷碼編碼等,本文采用比較簡(jiǎn)單的二進(jìn)制編碼方式。

①采用一維染色體編碼,根據(jù)物品的從屬關(guān)系進(jìn)行編碼。在基于貨物的表示方法中,基因的位置代表貨物,基因的值代表該貨物存放的貨位。然后將每條基因分為n段(n為該區(qū)域內(nèi)貨物的總數(shù)),每段用二進(jìn)制來表示,代表要儲(chǔ)存貨物的貨位坐標(biāo)(排,行,列),然后再轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制。因此,基于貨物來表示的編碼式如圖1。

圖1 基于貨物的編碼式  下載原圖

②確定種群規(guī)模M的大小。

③生成種群規(guī)模為M的初始種群。初始種群的產(chǎn)生意味生成了M個(gè)初始的貨物擺放方案。遺傳算法采用并行全局隨機(jī)搜索方法,對(duì)一維染色體編碼的確定我們采用隨機(jī)分配的方法,隨機(jī)生成數(shù)量為M的初始個(gè)體。然后將產(chǎn)生的個(gè)體編碼轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制形式,檢查一下坐標(biāo)是否在限定的范圍之內(nèi),以及是否有重復(fù)。如果有不滿足條件的個(gè)體則重新生成,直到滿足為止。

(2)對(duì)初始種群進(jìn)行評(píng)級(jí)。對(duì)初始種群的目標(biāo)函數(shù)值和適應(yīng)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(3)對(duì)產(chǎn)生的后代進(jìn)行選擇、雜交和變異操作,產(chǎn)生新的個(gè)體。

①確定選擇方法,然后進(jìn)行選擇操作。由于初始種群所產(chǎn)生的貨物擺放方案一般都不是理想方案,需要使用進(jìn)一步的遺傳操作來優(yōu)化。本文采用最優(yōu)選擇方法來進(jìn)行操作。

②確定PC,進(jìn)行交叉操作。

③確定Pm,進(jìn)行變異操作。

(4)評(píng)價(jià)。對(duì)生成的新一代個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算其目標(biāo)函數(shù)值及適應(yīng)值。

(5)Pareto集。根據(jù)計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)值和適應(yīng)值,得出該代群體中的最優(yōu)個(gè)體并記錄下來,實(shí)施最優(yōu)保留策略,更新Pareto集。

(6)終止。如果迭代次數(shù)小于規(guī)定迭代次數(shù),轉(zhuǎn)到第三步。

(7)輸出最優(yōu)解。得到最優(yōu)解并輸出,即最優(yōu)的貨位系統(tǒng)布局。

本文在已有的對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)貨位系統(tǒng)優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步以第三方物流企業(yè)為例,探究適合國(guó)內(nèi)第三方物流企業(yè)的貨位優(yōu)化模型和實(shí)現(xiàn)方法。本文中優(yōu)化模型的建立主要考慮了貨物的周轉(zhuǎn)率、貨物重量、貨物種類三個(gè)因素,也是影響倉(cāng)儲(chǔ)貨位選擇的最主要因素,但是也存在一定的不足,比如沒有將貨物的儲(chǔ)存要求和倉(cāng)庫(kù)類型考慮在內(nèi),這還需要進(jìn)一步的研究。