葉可欣,周 靖
(1.新鄉(xiāng)學院管理學院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠,浙江 杭州 311608)
隨著電力企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,傳統(tǒng)模式下的倉庫管理模式由于利用率較低等問題已經(jīng)不能很好地勝任電力企業(yè)倉儲管理的需要[1]。自動化立體倉庫又稱為自動倉儲,極大地提高了物流整體運行效率,在物流活動中有著舉足輕重的地位[2-4]。對貨位進行有效分配至關重要,合理的揀選路徑可以節(jié)約時間、提高效率、同時降低揀選過程中設備所消耗的能量,進而降低成本。
貨位分配就是考慮貨物貨架的實際性質,給出入庫貨物分配合理儲位,達到倉儲利益最大化的目的。文獻[6]以倉儲用途為標準進行區(qū)位劃分,將倉庫分為5大區(qū)模塊;文獻[7]利用不同的倉庫水平位置,按照貨物流通速度、出入庫頻率高低劃分區(qū)位;文獻[8]將倉庫入料作為參數(shù),建立數(shù)學模型用來尋取最優(yōu)貨位;文獻[9]在研究不規(guī)則空間的自動倉庫系統(tǒng)貨物分配策略的基礎上,構建了貨位優(yōu)化的數(shù)學模型。文獻[10]在研究倉庫信息化、現(xiàn)代化的過程中,引入了自動化分配的概念,將建模指標確定為貨位的動態(tài)分配
本研究基于某電力企業(yè)立體倉庫,將貨物出入庫效率、存儲貨物之間的相關性以及保證貨架的穩(wěn)定性作為優(yōu)化目標進行研究,建立貨位分配的優(yōu)化模型,并引入多目標遺傳算法對優(yōu)化模型進行求解,從而能有效提高倉庫作業(yè)效率。
貨位分配就是考慮貨物、貨架的實際性質、貨物出入庫頻率等因素,給出入庫貨物分配合理儲位,以降低倉儲作業(yè)成本,從而達到倉儲利益最大化的目的。
貨物入庫和出庫的分配主要分為兩種情況:入庫時的貨位分配和出庫時貨位的選擇分配。前者根據(jù)入庫的貨物情況選擇適當數(shù)目的貨位進行擺放,后者根據(jù)出庫的貨物情況,將不同位置的同類貨物進行出庫操作。倉儲過程中貨物的合理分配一般遵循以下幾個原則:
(1)先入先出原則。同一種類型的貨物必須滿足先進入倉庫的要先出庫這一原則,這樣才可以減少貨物在倉庫中積壓的時間,并安排入庫頻率高的貨物置于離出入庫口較近的貨位,從而使貨物的存儲更加方便,讓貨物出入庫的效率得到普遍的提高。
(2)穩(wěn)定性原則。即將貨物合理均勻分配在貨架上,輕物安放在貨架的上層,重物放置在貨架的下層,實現(xiàn)貨架“上輕下重”,從而保證貨架穩(wěn)定性。
(3)相關性安放原則。若貨物之間存在一定的相關性,把需要同時出庫的貨物將其放在相近或是相鄰的貨位??紤]貨物自身的性質應謹慎安排貨位,如特殊類型貨物要放在特殊的位置并且盡量安放在一起。
根據(jù)某電力企業(yè)倉庫實際情況,進行模型簡化。描述如下:假設在某個倉庫區(qū)域中,該倉庫共有a排立體貨架,且每排為b列c層。因此,位于第ak排bk層ck列的貨架可表示為:(ak,bk,ck)(ak=1,2,…,a;bk=1,2,…,b;ck=1,2,…,c),坐標(0,0,0)表示倉庫的入口。圖1為本研究貨架俯視效果圖。
圖1 貨架俯視效果圖
從貨架俯視圖中可以將貨位進行優(yōu)化,針對此問題作以下假設:
(1)已知每種零件存放的種類,并且相同體積的容器其質量分布均勻;
(2)每種零部件的周轉率已知;
(3)一種零部件對應一個貨位;
(4)立體倉庫采用單端出入庫方式;
(5)每種貨位單元格的長寬高以及巷道寬度均為定值l0;
(6)僅考慮揀選時間,不考慮零部件存取耗費的時間。
根據(jù)假設,(a,b,c):貨架共有a排、b列、c層;(x,y,z):貨物在第x排,第y列,第z層的坐標;Vx:堆垛機在巷道上取送相應貨物水平方向的平均速度;Vy:堆垛機沿另一水平方向的平均移動速度;Vz:堆垛機沿垂直方向的平均移動速度;l0:長度、寬度、高度相同的貨架單元格;n:所有貨物共n類;k:貨位上存放的是第k類貨品;pk:第k類貨品的周轉率;mk:第k類貨品的質量;nxyzk:k在每個貨位的取值不定;nxyz:存儲在(x,y,z)貨位坐標上的第k類貨物的數(shù)量。
在倉儲管理的時候,必須要對每一個入庫的貨品進行嚴格地檢查,執(zhí)行嚴格的出入庫管理。實際貨物物流的過程中,每天都會有大量的貨物進出倉庫,因此合理利用好倉庫空間,協(xié)調好管理人員之間的關系,提升貨物出入庫效率是倉儲管理中急需解決的一個問題。想要提升貨物出入庫的效率,首先就要把時間作為一個重要的考慮因素:將貨物出入庫的實際時間作為衡量標準,推算出貨物出入庫位置合理的距離公式。
在現(xiàn)代的倉儲管理中,貨品上架和下架基本都是由堆垛機完成的,而堆垛機在豎直方向和水平方向上移動速度是不同的。對于大部分倉庫而言,堆垛機的速度大致是差不多的,盡管堆垛機在實際獨立取送貨物中有著x軸和y軸兩個不同的速度,但是它們的平均速度大致相同。假設(xk,yk,zk)是貨位的坐標,用k表示擺放在貨位的第k類貨品,那么X,Y,Z方向上的移動平均速度表示為Vx,Vy,Vz,l0為貨架單元格長寬高,并且都是已知的常量,假設堆垛機3個方向的平均速度Vx、Vy、Vz是不變的,可以推導出提高出入庫效率模型公式:
重心低的物體具有較好的穩(wěn)定性,為了降低貨架的重心,將貨品按照“上輕下重”的原則放置,以此來增強貨架的穩(wěn)定性。將貨架的重心設置為第二個計算因子,將貨架的重心降到最低就是貨物擺放所要達到的最優(yōu)目標。
根據(jù)排列層的樣式,首先設計倉庫貨架布局,計算每排每列貨架的重心。為了求取整個貨架重心的最優(yōu)解,首先需將每排的所有列進行加權,然后再將所有排整體求和。對該目標函數(shù)進行推導,得到貨架中心。整個倉庫的貨架穩(wěn)定性函數(shù)模型如下:
要實現(xiàn)倉儲管理的現(xiàn)代化,就必須使倉庫在有限的空間內放置更多的貨品,在探求貨品存放最優(yōu)模式時,不僅要考慮布局倉庫貨位對空間的占用,還要注意貨品擺放的序列。根據(jù)倉庫貨位放置的貨品來確定第k類貨品(ak,bk,ck)中心坐標位置。根據(jù)不同實際情形,建立單獨的目標函數(shù)模型。聯(lián)立后如式(3)所示:
式中,每個貨位單元格的長度l0,第k類(k∈[1,n])貨品的周轉率pk,第k類貨品的質量mk,貨位分類存放時第k類貨品的中心點坐標為(ak,bk,ck),該坐標第k類貨品的存放數(shù)nabck。
本文基于多目標遺傳算法建立一系列效用函數(shù)與目標函數(shù)之間的相關聯(lián)系,借助效用函數(shù)關聯(lián)多個目標,在效用函數(shù)的協(xié)調下,使得多目標優(yōu)化向單目標優(yōu)化轉化,便于最優(yōu)化運算求解[12,13]。對于貨物優(yōu)化問題,可將貨物坐標標識為基因,染色體即為貨物坐標的排序序列,多條染色體可組成一組有效種群解,從而在種群基礎上搜尋多目標規(guī)劃問題的最優(yōu)解。
根據(jù)實際倉庫情況,貨架的排和列數(shù)小于32,層數(shù)小于8。對貨位的編碼:貨位編號由6位數(shù)組成,編號是從010101到323208,倉庫貨位前面兩位編號表示排,中間兩位編號表示列,最后兩位編號表示層,這種編號前兩位和中間兩位阿拉伯數(shù)字不能超過32,最后兩位不能超過8。編號編碼表如表1所示。
表1 貨位編號
實際操作中,需要按照不同的編碼方法進行編碼,同時又想把不同編碼方法得到的參數(shù)結果連接在一起,則常要在GA編碼方式中利用參數(shù)級聯(lián)編碼方式,目的是在不改變原來編碼的基礎上依次將它們按照順序連在一起,從而得到整個參數(shù)的編碼。綜上分析采用5∶5∶3編碼方式對參數(shù)解碼。解碼過程顧名思義則將其按照5∶5∶3這樣比例進行拆分開來,例如二進制編碼串為X:1000101111100,可以將二進制編碼串拆分成3個子串,并分別將3個子串進行解碼:10001轉換為十進制是X1=16+1=17;01111轉換為十進制是X2=8+4+2+1=15;100轉換為十進制是X3=04。因此,可以求出二進制編碼解碼為(171504)。
在進行貨位優(yōu)化方面,首先考慮初始種群的設定,因此在整個倉庫中,貨位和貨物是相互對應的關系。一旦貨位確定下來,貨物的位置也就相應的確定下來。在用二進制編碼時,就不用擔心生成的是不是0或1,倉庫中總會使貨物與貨位有著匹配的關系,然后將每個產(chǎn)生的貨位編號連接起來即可構成一個初始個體。為了更加合理有效地對貨位進行分配,在盤點一些短期或長期儲存的貨物時要盡可能的采用貨位優(yōu)化方式,更要在貨物剛要入庫上架的時候運用進來。
基于某實際倉庫算例,具體需要優(yōu)化的數(shù)據(jù)參數(shù)如表2進行設定,利用MATLAB程序對貨位進行分配優(yōu)化。表2中的參數(shù)建立在倉庫2排6列4層分類的固定貨架,在它的基礎上,分別設置了水平方向和垂直方向的恒定速度,單位長度為定值的貨架。通過初步設置以及接下來的數(shù)據(jù)樣本導入,為整個貨位分配優(yōu)化及仿真運行提供了準備。
表2 優(yōu)化仿真參數(shù)
對于不同類貨物單位質量、倉庫存貨數(shù)量,可以在企業(yè)物資部門出入庫訂單信息中查詢到。零部件的周轉率是通過數(shù)據(jù)計算得到的,即現(xiàn)有倉庫樣本存量與初始入庫樣本量的比值。由于上述中涉及到貨物之間的相關性,需要對貨位的中心坐標進行設定,表3給出了初始存儲貨位坐標和中心坐標零部件初始數(shù)據(jù)。
表3 待優(yōu)化零部件初始數(shù)據(jù)
仿真結果分析:選取零部件重量和周轉率作為數(shù)據(jù)樣本,在優(yōu)化過程中將周轉率數(shù)據(jù)以百分百數(shù)值代入優(yōu)化程序,如周轉率為0.56的零部件實際代入優(yōu)化求解程序的數(shù)值為56。運用MATLAB對程序進行優(yōu)化處理,其結果追蹤如圖2所示:
圖2 目標函數(shù)解結果追蹤
通過目標函數(shù)仿真運行追蹤解可知,目標函數(shù)在尋找最優(yōu)解時,它們在收斂時的優(yōu)越性是不一樣的,但基本上都找到了在該領域內的優(yōu)解。由于多目標優(yōu)化在權重系數(shù)靈活性的變化下,通過線性組合轉化為單目標優(yōu)化進行求解,通過圖2單目標優(yōu)化追蹤解比較分析,迭代次數(shù)在100以內基本上趨于穩(wěn)定。
表4 目標函數(shù)值對比
從表4中可以看出,經(jīng)優(yōu)化后的零部件的出庫效率、貨架重心最低、貨物相關性等性能都得到一定程度上的改善,3個目標降低率分別為:18.20%、33.46%、12.22%。
為了更加直觀地觀察貨位優(yōu)化后的實際效果,根據(jù)貨位坐標,利用MATLAB模擬出優(yōu)化前后貨位分配狀態(tài)的三維模擬圖,圖3為優(yōu)化前后的貨位分配狀態(tài)。
圖3 優(yōu)化前后貨位分配狀態(tài)
對優(yōu)化前后的貨位分配狀態(tài)進行對比發(fā)現(xiàn):貨位進行優(yōu)化前,優(yōu)化區(qū)域內的貨位分配雜亂無序,布局不合理,經(jīng)過貨位優(yōu)化后,貨位的分配都盡可能地靠近倉庫出入口和貨架低層,貨位分配的布局變得有序合理,這就使得貨位分配方案在滿足提高零部件出庫效率的基礎上,降低了貨架的重心,提高了貨架的穩(wěn)定性。
針對物資倉庫存在的諸多實際問題,基于某電力企業(yè)倉庫實際情況,進行貨位分配模型建模與優(yōu)化算法設計,建立了貨位分配優(yōu)化模型并引入相應的算法和改善的算法。根據(jù)貨位多目標優(yōu)化模型實際需要,采用改變權重系數(shù)來解決該問題。最后利用MATLAB軟件驗證經(jīng)過優(yōu)化后的貨位模型具有較好的適用性和合理性,充分證明了本研究優(yōu)化策略的可靠性。