適用于B2B業(yè)務(wù)的“貨到人”密集存儲(chǔ)布局研究

龔志鋒，陳滔滔，石 超，陳建銀

GONG Zhi-feng,CHEN Tao-tao,SHI Chao,CHEN Jian-yin

（北京科捷物流有限公司，北京 100085）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，電子商務(wù)不斷深入人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)倉儲(chǔ)揀選效率提出了更高的要求，自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用成為提高倉儲(chǔ)物流效率的主流方案，各式各樣的設(shè)備與方案如雨后春筍般不斷涌出[1]。其中，使用類Kiva機(jī)器人的貨到人揀選系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛[2]。此方案大多應(yīng)用于B2C業(yè)務(wù)之中，適用于訂單貨物種類繁多的復(fù)雜揀選場景，可大大提升揀選效率。與此同時(shí)，此方案的倉儲(chǔ)容量較為低下，不能充分利用倉庫的Z軸空間，無法滿足對(duì)倉容具有較高要求的業(yè)務(wù)，例如大批量出入庫的B2B業(yè)務(wù)往往會(huì)選擇普通的橫梁式貨架或自動(dòng)化立體庫[3]。

本文以此種類Kiva機(jī)器人的“貨到人”揀選系統(tǒng)為對(duì)象，以重慶某倉庫為背景，研究一種密集存儲(chǔ)的方案，以改善原方案庫容低下的缺點(diǎn)，使其應(yīng)用能夠不局限于B2C業(yè)務(wù)之中，而能夠在一定程度上滿足某些B2B業(yè)務(wù)的需求，同時(shí)也能夠?yàn)槿蘸笞詣?dòng)化解決方案的研究開拓思路。

1 研究背景

本次研究以重慶某倉庫為背景，該倉存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)主要為移動(dòng)公司的手機(jī)終端以及電話卡，目前使用托盤地堆存儲(chǔ)且每個(gè)庫位都堆疊成雙層來使用，庫房使用率約為90%，處于爆倉狀態(tài)；倉庫日常出貨方式為整托出庫，部分散件出庫，極少拆零，日常出入庫約170托盤。為了提高庫內(nèi)機(jī)械自動(dòng)化水平，縮減人工成本，計(jì)劃使用AGV貨到人揀選系統(tǒng)。

當(dāng)前的類Kiva機(jī)器人的“貨到人”揀選是以智能輪式機(jī)器人為載體，通過將“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式”與“貨到人”模式相結(jié)合的揀選模式[4]。在此模式中，貨物存儲(chǔ)在定制好的物料架之中，并按傳統(tǒng)的單深布局排布，在有訂單任務(wù)時(shí)，機(jī)器人只需將相應(yīng)的物料架運(yùn)至工作人員處，交由工作人員完成揀選。

圖1 “貨到人”存儲(chǔ)區(qū)布局

圖1為類Kiva機(jī)器人“貨到人”模式的常用布局形式，有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）模仿傳統(tǒng)貨架的巷道布局形式，機(jī)器人取貨時(shí)不會(huì)受到非目標(biāo)物料架阻擋的情況。

2）物料架擺放區(qū)域與機(jī)器人通道固定，但物料架可以在劃分好的擺放區(qū)域內(nèi)動(dòng)態(tài)存放，最終可以自然形成熱銷產(chǎn)品靠近工作站的有利布局[5]。

3）機(jī)器人通道數(shù)冗余，可以滿足大量機(jī)器人同時(shí)運(yùn)行而不發(fā)生擁堵。

但與此同時(shí)，此種布局形式存在著一個(gè)最大的弊端，即倉庫空間利用率低下。具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）此布局劃分出了大量的機(jī)器人通道，每兩排物料架之間就有一條機(jī)器人通道，使得機(jī)器人通道占據(jù)了整個(gè)倉儲(chǔ)空間的三分之一以上。

2）此布局并不能夠充分利用倉庫的高度，物料架只能擺放一層[6]。

由于這些短處，導(dǎo)致該模式基本用于倉庫面積大、SKU種類多的B2C業(yè)務(wù)之中，對(duì)于一些業(yè)務(wù)量較小的B2B業(yè)務(wù)也不能夠很好的滿足。

因此本文通過研究密集存儲(chǔ)方案，改進(jìn)原布局方式，提高倉庫空間利用率，以滿足業(yè)務(wù)的需求。

2 密集存儲(chǔ)方案研究

傳統(tǒng)的密集存儲(chǔ)貨架有貫通式貨架、重力式貨架、穿梭式貨架等，它們都有2個(gè)共同的特點(diǎn)，一是采用窄巷道甚至取消了貨架間的巷道；二是充分利用了倉庫的高度，采用多層結(jié)構(gòu)[7]。因此，對(duì)于本次的研究對(duì)象，同樣從此2方面進(jìn)行考慮。

首先，若要往高度方向進(jìn)行擴(kuò)展，則必須搭建閣樓平臺(tái)，導(dǎo)致施工復(fù)雜，同時(shí)額外設(shè)備過多，失去了Kiva模式輕型快捷的優(yōu)勢[8]；那么，對(duì)于另一個(gè)改進(jìn)方向，取消貨架之間的巷道，則是可以大大增加庫位數(shù)量，同時(shí)可存儲(chǔ)的SKU種類減少，SKU深度提高，較為契合B2B業(yè)務(wù)的特點(diǎn)[9]。因此，在總體布局上采用減少巷道數(shù)量的密集存儲(chǔ)方案。經(jīng)過研究與分析，提出以下三種方案。

2.1 整體式布局

本布局將傳統(tǒng)布局中的巷道全部取消，將所有庫位都緊密排布到一起，從而大大提高庫位數(shù)量。具體的布置細(xì)節(jié)如圖2所示。

1）當(dāng)SKU數(shù)少，庫存深度大時(shí)，采用圖2(a)中的形式，每行只存放一類SKU，一側(cè)入庫，一側(cè)出庫，從而滿足先進(jìn)先出的原則。

2）當(dāng)SKU數(shù)并不少時(shí)，采用圖2(b)中的布局，每行存放2類SKU，每種SKU都在同一側(cè)進(jìn)行出入庫操作，此情況下先進(jìn)先出原則無法得到很好的滿足。

本布局最大的優(yōu)點(diǎn)便是充分利用了倉庫的平面面積，使庫位數(shù)量在只有一層的條件最大化；同時(shí)，缺點(diǎn)也同樣明顯，其無法很好的滿足SKU較多的情況，且只有在SKU數(shù)較少時(shí)才能夠滿足先進(jìn)先出原則。

2.2 區(qū)塊式布局

本布局在2.1節(jié)整體式布局的基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分，通過留出少量的機(jī)器人通道將存儲(chǔ)區(qū)域劃分為若干塊，庫位數(shù)量有所減少，靈活性相對(duì)提高。具體布置如圖3所示：

圖2 整體式布局

1）區(qū)塊式布局有了更多的機(jī)器人通道，使存儲(chǔ)區(qū)域的暴露面積增大，出入庫位置增加，從而使出入庫效率大大提高。

2）與2.1節(jié)的整體式布局相同，本布局中，每個(gè)區(qū)塊的每行只存儲(chǔ)1～2類SKU，同樣有同端出入、一側(cè)入一側(cè)出2種形式，但由于劃分了區(qū)塊，使其能夠容納更多種類的SKU。

3）由于進(jìn)行了區(qū)塊的劃分，本布局能夠?qū)⒋鎯?chǔ)的物料按總體的業(yè)務(wù)分類存放或按照商品的ABC熱度分塊存放，能夠更加合理清晰地對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行管理。

圖3 區(qū)塊式布局

本布局吸收了上一布局的優(yōu)點(diǎn)，在犧牲了一定庫容量的同時(shí)，增加了出入庫位置，機(jī)器人的行走路徑更加自由，有利于提升出入庫的整體效率。此外，本布局可容納SKU種類有所提升，且可以更好地按照ABC分類進(jìn)行排布。

2.3 L形布局

本布局在區(qū)塊式布局的基礎(chǔ)上對(duì)庫位的排列進(jìn)行了改進(jìn)，將傳統(tǒng)的直線排列改為L形。

一般情況下，同一SKU的貨物都按照直線進(jìn)行排列，對(duì)于人工出入庫，直線排布條件下尋找貨位最為簡單快捷；而若是采用機(jī)器人出入庫，機(jī)器人可以直接查詢系統(tǒng)中的庫位信息，能夠快速找到對(duì)應(yīng)的貨物位置，因此直線排布的優(yōu)勢被最大限度的縮小。

同時(shí)，如圖4所示，從前兩個(gè)布局中可以看出，存儲(chǔ)塊的四周除了出入庫點(diǎn)外，至少存在1～2條邊僅用于機(jī)器人通行，且整條邊全長都為同一SKU，造成高自由度存儲(chǔ)位置的浪費(fèi)。

圖4 直線排列

為了充分利用每一條邊，采用L形布局。如圖5所示為L形布局的示意圖，此布局有以下特點(diǎn)：

1）與上一布局相同，將存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行了劃分。

2）對(duì)長寬相近的區(qū)塊中的貨物采用L形的排列，而長寬相差較大的區(qū)塊不適合采用L形的排列形式。

3）采用L形排列的區(qū)塊充分利用了四周的每一條邊，沿著邊的方向每個(gè)貨位都能夠存儲(chǔ)不同的SKU，且都為出入庫點(diǎn)，滿足先進(jìn)先出的原則。

4）由于充分利用了區(qū)塊的每一條邊，因此L形布局可存儲(chǔ)的SKU種類數(shù)大大增加，相比區(qū)塊式布局，會(huì)增加接近1倍的SKU數(shù)。而長寬相差較大的區(qū)塊不適合采用此種布局，若強(qiáng)行采用，則SKU數(shù)反而會(huì)下降。

2.4 中心對(duì)稱布局

圖5 L形布局

L形布局考慮到了充分利用存儲(chǔ)區(qū)域的每一條邊并顧及到了先進(jìn)先出的原則，導(dǎo)致每個(gè)SKU占用了2條邊，仍沒有最大化地利用每條邊以區(qū)分不同的SKU，對(duì)于SKU數(shù)更多的業(yè)務(wù)場景，L形布局仍然有所不足。因此，考慮放棄顧及先進(jìn)先出的原則，使每個(gè)SKU僅占用一條邊，從而使存儲(chǔ)區(qū)域沿邊長方向的每個(gè)庫位都能夠存儲(chǔ)不同的SKU。經(jīng)過研究分析，采用中心對(duì)稱式的布局形式，如圖6所示。

1）本布局建立在整體式布局的基礎(chǔ)上，并沒有對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行劃分，去除多余通道，最大化庫容量。

2）存儲(chǔ)區(qū)域從整體上看被2條對(duì)角線切開，分為了4個(gè)三角，每個(gè)三角都由一條條的隊(duì)列構(gòu)成，構(gòu)成類似于正態(tài)分布的形式，每個(gè)隊(duì)列都能夠存儲(chǔ)一個(gè)SKU，沿存儲(chǔ)區(qū)域的周長方向，每個(gè)庫位都可以存放不同的SKU，4條邊都被充分的利用。

圖6 中心對(duì)稱布局

3 布局方案優(yōu)選

布局方案的選擇是一個(gè)較為復(fù)雜的問題，涉及到多種因素的考慮，包括庫容量、出入庫效率、先進(jìn)先出原則等，且其中許多的因素?zé)o法定量的描述。而AHP法可以將復(fù)雜問題分解成各個(gè)組成因素（指標(biāo)），再將這些指標(biāo)按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式確定層次中各個(gè)因素（指標(biāo)）的相對(duì)重要性，最后確定備選方案相對(duì)重要性的總排序，是一種層次權(quán)重決策分析方法。因此采用層次分析法對(duì)布局方案進(jìn)行優(yōu)選[10]。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

首先把需要決策的問題層次化，即根據(jù)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層的結(jié)構(gòu)將問題分解成不同的構(gòu)成要素，形成一個(gè)不相交的層次結(jié)構(gòu)模型。

本次研究中，共提出了整體式布局、區(qū)塊式布局、L形布局以及中心對(duì)稱布局4種方案，對(duì)此，以庫容大小、是否滿足先進(jìn)先出原則、SKU數(shù)以及出入庫效率為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分對(duì)比，從而選出4個(gè)方案中的較優(yōu)者。此外，一旦建立好計(jì)算模型后，日后可以方便地加入新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立好的層次結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 AHP層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

層次結(jié)構(gòu)建立完成后，我們需要根據(jù)目標(biāo)層，對(duì)準(zhǔn)則層的各個(gè)因素賦予相對(duì)的權(quán)重。在大多數(shù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，尤其是復(fù)雜問題的比較中，元素的權(quán)重?zé)o法直接獲得，AHP法所用的導(dǎo)出權(quán)重法為兩兩比較法，通過使用相對(duì)尺度，降低比較不同性質(zhì)因素的困難，從而提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本此計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重時(shí)采用9標(biāo)度法，具體取值規(guī)則如表1所示。其中αij代表指標(biāo)i與指標(biāo)j的相對(duì)權(quán)重，一般取正整數(shù)1～9及其倒數(shù)。

表1 相對(duì)權(quán)重取值規(guī)則

根據(jù)以上取值規(guī)則，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重進(jìn)行打分。本此的研究背景為重慶某倉庫的移動(dòng)業(yè)務(wù)，其當(dāng)前的首要問題是解決爆倉問題，且每日出入庫量并不大，因此各指標(biāo)的重要性為：庫容＞先進(jìn)先出＞SKU數(shù)＞出入庫效率，最終得到判斷矩陣，如表2所示。

表2 準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣

3.3 層次單排序

層次單排序指的是對(duì)于上一層的某個(gè)因素，本層的各個(gè)因素的相對(duì)權(quán)重，即根據(jù)準(zhǔn)則層，對(duì)方案層的各個(gè)方案打分，同樣采用兩兩比較法，具體結(jié)果如下：

表3 方案層對(duì)庫容指標(biāo)的判斷矩陣

表4 方案層對(duì)先進(jìn)先出指標(biāo)的判斷矩陣

表5 方案層對(duì)SKU數(shù)指標(biāo)的判斷矩陣

表6 方案層對(duì)出入庫效率指標(biāo)的判斷矩陣

3.4 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

因?yàn)榭陀^事物具有復(fù)雜性，導(dǎo)致我們?cè)谂袛嗍挛飼r(shí)具有片面性與主觀性，具體表現(xiàn)為我們每次判斷事物的思維標(biāo)準(zhǔn)不可能完全相同。因此，在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，一旦出現(xiàn)混亂且經(jīng)不起推敲的錯(cuò)誤就有可能會(huì)引起決策失誤，所以為了使判斷在總體上保持一致，在對(duì)每一層構(gòu)造判斷矩陣時(shí)都要作一致性檢驗(yàn)。

令：

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值，n為判斷矩陣的階數(shù)，CI為一致性指標(biāo)。

然后，根據(jù)CI與隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的比值得到一致性比率CR，若CR＜0.1，則說明判斷矩陣的不一致程度在容許范圍之內(nèi)。RI的取值具體參考表7[10]。

表7 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

經(jīng)過計(jì)算得到一致性比率，結(jié)果如表8所示。

表8 單層一致性檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各層的各個(gè)矩陣的CR都滿足小于0.1，證明單層一致性檢驗(yàn)通過。

3.5 層次總排序

本節(jié)中需要確定方案層對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)重要性排序，此過程從最頂層的目標(biāo)層開始依次往底層進(jìn)行。

準(zhǔn)則層4個(gè)因素B1，B2，B3，B4，其對(duì)目標(biāo)層的排序?yàn)閎1，b2，b3，b4，方案層4個(gè)因素P1，P2，P3，P4對(duì)準(zhǔn)則層中因素Bj的層次單排序?yàn)閜1j，p2j，p3j，p4j，得到如下匯總表。

表9 層次總排序

對(duì)結(jié)果進(jìn)行層次總排序一致性檢驗(yàn)：

因此，層次總排序通過一致性檢驗(yàn)。

從表9中可以看出，中心對(duì)稱式布局（0.2947）＞整體式布局（0.2862）＞L形布局（0.2518）＞區(qū)塊式布局（0.1674）。因此最終選擇中心對(duì)稱式布局作為最終的評(píng)選結(jié)果。

4 結(jié)論

本文從Kiva機(jī)器人的“貨到人”模式中得到啟發(fā)，研究新的“貨到人”布局模式，增大原模式的庫容量，使其能夠適應(yīng)B2B業(yè)務(wù)模塊，并以重慶某倉庫為研究背景，從設(shè)計(jì)的布局之中評(píng)選出較優(yōu)者，在此研究過程中，得到以下結(jié)論：

1）在布局模式的設(shè)計(jì)過程，以提高庫容量為首要原則，提高SKU數(shù)為次要原則，設(shè)計(jì)了4種方案，但可行的方案絕不僅有這4種，在未來的實(shí)踐研究中仍需不斷探索。

2）在采用AHP進(jìn)行方案優(yōu)選時(shí)，評(píng)選準(zhǔn)則根據(jù)研究背景中的倉庫進(jìn)行選定與打分，當(dāng)將其用于其他倉庫時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3）評(píng)選的方案各有優(yōu)劣，在不同的條件下進(jìn)行打分，往往會(huì)得到不同的評(píng)選結(jié)果。在本研究背景中，當(dāng)前倉庫對(duì)于庫容的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素，因此分?jǐn)?shù)最高的兩個(gè)方案在布局上都是整體式的，將通道數(shù)量減到了最少，而其中中心對(duì)稱式布局在SKU數(shù)等其他因素中同樣有較好的比分，最終分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其余方案。

本次研究為探索性研究，方案的可行性需要通過實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，而層次分析法在今后方案的研究中不失為一種較好的決策方法，優(yōu)化指標(biāo)的選取與打分，使其結(jié)果更加的科學(xué)合理。