快速分揀線的自動補貨系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化設計

蔡 苗，高長勇，王麗麗，馬洪澤，洪 騰

（北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

關鍵字：快速分揀線；自動補貨；ABC分類法；品項分配；作業(yè)調(diào)度

0 引言

現(xiàn)代物流系統(tǒng)的自動分揀系統(tǒng)物流設備主要有立體倉庫、分揀線、補貨線、復核線。一般由設備的機械部分、電氣自動控制部分和計算機信息系統(tǒng)組合而成。自動分揀系統(tǒng)能有效地解決人工分揀所帶來的效率低下、錯誤率高等問題，能連續(xù)大批量地分揀，并且揀選準確率高、誤差低，用工量少、工人勞動強度低等優(yōu)點。在快消品、圖書、醫(yī)藥、食品、煙草等行業(yè)有著大量的應用實例。物流中心為了實現(xiàn)自動分揀系統(tǒng)的高效作業(yè)目標，分揀區(qū)所需的庫存就要求能及時補上，因此，物流中心為自動分揀系統(tǒng)采取自動補貨作業(yè)方式是應勢所趨。自動補貨系統(tǒng)是快速分揀線的一個重要組成部分，為自動分揀系統(tǒng)的正常運轉提供有力保證，是自動分揀系統(tǒng)高效作業(yè)的必要前提，是物流中心不可缺少的環(huán)節(jié)。目前對于自動補貨系統(tǒng)的設計和優(yōu)化，主要聚焦在根據(jù)設備的運行性能按照項目經(jīng)驗參數(shù)進行設置，沒有考慮分揀線體實際的揀選情況和揀選貨位的品項分配情況等進行實時配置，也沒有根據(jù)相關物流設備的實際運行狀態(tài)進行調(diào)度。存在補貨不及時，會造成分揀線停機，補貨過早，會造成貨物擁堵，分揀周邊無地存放。因此設計一套高效的補貨系統(tǒng)具有十分重要意義。

1 系統(tǒng)構成

某集團配送中心物流系統(tǒng)是由自動入庫托盤輸送、線托盤立體庫、箱式碼垛入庫線、箱式庫、流利條電子標簽快速分揀線、往復式補貨線、復核打包線、箱式返空線、外復核分揀線等功能區(qū)域構成，產(chǎn)品載具為周轉箱。涵蓋了從生產(chǎn)入庫、調(diào)撥入庫、自動備貨補貨出庫、揀選、復核打包、裝箱貼標、外復核、裝車發(fā)貨等配送中心全業(yè)務流程。本文著重描述自動補貨系統(tǒng)。

如圖1所示，嚴格來說，自動補貨系統(tǒng)也是分揀系統(tǒng)的一部分，但是由于其設備完全獨立，功能完整，因此可以單獨進行研究。本文所描述的自動補貨系統(tǒng)主要由托盤立體庫、雙工位箱式立體庫，箱式補貨輸送線、流利條式電子標簽快速分揀線、快速往復式雙工位補貨車、箱式返空線等物流設備組成。用塑料周轉箱作為產(chǎn)品載具，每個流利條貨格可存放3個相同批次產(chǎn)品的周轉箱；箱式立體庫具備幾萬個雙伸位貨位，每個貨位存放一個周轉箱，箱式立體庫的雙工位高速堆垛機，速度快，出庫效率高，主要用于快速補貨；每個托盤可碼放多個周轉箱，托盤立體庫具備幾千個托盤貨位，用于產(chǎn)品備貨。托盤立體庫和箱式立體庫的結合使用，既滿足了快速補貨效率要求，又滿足了客戶的存貨要求。

補貨管理系統(tǒng)按照ABC分類法，分析當天訂單品項結構，為每個流利條貨格進行品項分配，當貨格內(nèi)的周轉箱小于其設定值時，自動生成箱式立體庫補貨任務，箱式堆垛機將周轉箱從貨位上取下送至箱式補貨輸送線。如果箱式立體庫沒有所需產(chǎn)品的庫存，自動生成托盤立體庫補貨任務，托盤堆垛機將托盤從貨位上取下送至拆垛工位，拆垛機器人拆分出補貨任務所需周轉箱，托盤上的剩余周轉箱也被拆垛機器人拆分開，入箱式立體庫暫存，便于下次補貨時快速出庫。補貨系統(tǒng)的系統(tǒng)架構如圖2所示。

如何保證每條分揀線每個揀選區(qū)域不缺料，補貨任務又不擁堵。本文從分揀線上貨格品項分配、補貨作業(yè)調(diào)度兩個方面優(yōu)化，對補貨系統(tǒng)進行研究。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 優(yōu)化揀選貨位的品項分配

1）ABC分類法概述

ABC分類法的核心思想就是帕累托法則，用于識別造成大多數(shù)問題的少數(shù)重要原因。該法則認為：相對來說數(shù)量較小的原因往往造成絕大多數(shù)的問題或者缺陷。此法則也稱為二八原理，即百分之八十的問題是百分之二十的原因造成的。ABC分類法是一種分析方法，通過考量企業(yè)庫存物資的數(shù)量、品種的多少及價值，把企業(yè)庫存物資劃分成A、B、C三大類，對每一類物資分別采取與之相宜的管理策略。在上世紀六十年代，H.F.Dickie最早將這種思想應用于庫存管理，并稱其為ABC分類法。ABC分類法是企業(yè)控制物流庫存成本的一種經(jīng)濟合理、性價比很高的庫存管理方法。在企業(yè)庫存管理中，應用ABC分類法符合“抓住關鍵的少數(shù)”及“突出重點”的原則，以此做好庫存的分類管理，提高企業(yè)庫存管理效率，減少資金占用，降低企業(yè)經(jīng)營成本。

2）ABC分類法在流利條貨格品項分配上的應用

項目初期，在流利條貨格品項分配方面采取的策略是固定貨格固定產(chǎn)品，沒有對訂單結構分析，按照產(chǎn)品編碼順序在貨格上一字排開。采用這種策略運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)每天總會出現(xiàn)補貨不及時、補貨擁堵的現(xiàn)象。為了徹底改變這些情況，多次分析訂單結構，歸納總結訂單特點，使用ABC分類法優(yōu)化品項分配。

ABC分類法在品項分配上的關鍵是分析當天訂單品項結構，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)量確定A、B、C類產(chǎn)品。每種產(chǎn)品尺寸包裝尺寸一樣，在周轉箱中存放的數(shù)量也一樣。實現(xiàn)過程分為4個步驟：

（1）收集每種產(chǎn)品的基礎數(shù)據(jù)。依據(jù)訂單結構，搜集訂單產(chǎn)品的相關數(shù)據(jù)。

（2）處理這些數(shù)據(jù)，得出訂單的ABC分類表。假設以產(chǎn)品數(shù)量作為ABC分類指標。首先查詢出每種產(chǎn)品的數(shù)量，其次按照數(shù)量由大到小排序，再次計算出每種產(chǎn)品數(shù)量所占訂單總產(chǎn)品數(shù)量的比率；最后計算出訂單所有產(chǎn)品的累計比率。

（3）根據(jù)ABC分類表確定分類。設定A類產(chǎn)品數(shù)量比率在0～65%之間；設定B類產(chǎn)品數(shù)量比率在65%～90%之間，設定C類產(chǎn)品數(shù)量比率在90%～100%。

（4）根據(jù)上步分析的結果，制定三類產(chǎn)品的重點管理策略。針對每類產(chǎn)品分別采取以下管理策略：

A類產(chǎn)品：根據(jù)ABC分析結果、流利條貨格數(shù)量、揀選頻次，設置兩個及兩個以上的貨格，并且這類產(chǎn)品在每個揀選口均勻分布，優(yōu)選選擇補貨距離最近的貨格。

B類產(chǎn)品：同樣根據(jù)ABC分析結果，在每個揀選口優(yōu)先選擇補貨距離次遠的貨格。

C類產(chǎn)品：根據(jù)ABC分析結果，在每個揀選口優(yōu)先選擇補貨距離最遠的貨格。得出每個揀選區(qū)域的品項分配，如圖3所示。

按照ABC分類方法制定產(chǎn)品管理策略之后，應用于實際項目，反復測試，補貨效率有所提高，A類產(chǎn)品補貨效率由332箱/時提高到356箱/時；BC類產(chǎn)品補貨效率由206箱提高到218箱/時。解決項目初期補貨系統(tǒng)采用固定貨格固定產(chǎn)品存在的問題，提高了流利條貨格品項分配的自由度及靈活性，滿足了客戶的生產(chǎn)要求，得到了客戶的認可。

2.2 優(yōu)化補貨任務調(diào)度

1）補貨流程

一條補貨任務從產(chǎn)生到完成，需要經(jīng)歷如圖4所示的主要流程。

圖4 補貨作業(yè)流程

（1）管理系統(tǒng)根據(jù)流利條貨格的品項分配及庫存消耗情況，生成補貨任務；

（2）從箱式庫出庫，箱式堆垛機將周轉箱從貨位取下送至箱式補貨輸送線；

（3）箱式補貨輸送線將周轉箱經(jīng)過長長的箱式補貨輸送線運送至分揀線邊的補貨站臺；

（4）雙工位穿梭車將周轉箱從補貨站臺輸送至流利條貨架上的目的貨格；

（5）如果從托盤出庫，托盤堆垛機將托盤從貨位取下送至拆垛工位；

（6）拆垛機器人拆分出本次補貨任務所需周轉箱，并將這些周轉箱輸送至箱式補貨輸送線上，重復(3)和(4)步驟；

（7）拆垛機器人繼續(xù)拆分托盤上的剩余周轉箱，并將這些周轉箱輸送至箱式立體庫入庫端，周轉箱入箱式庫暫存，以便下次補貨。

從上述流程可以看出，在整個補貨任務的生命周期要經(jīng)歷幾個重要階段：補貨任務的產(chǎn)生、箱式堆垛機作業(yè)調(diào)度、托盤堆垛機作業(yè)調(diào)度、補貨車作業(yè)調(diào)度。本文從這幾個方面分別闡述所做的優(yōu)化工作。

3）優(yōu)化補貨任務的產(chǎn)生

每個流利條貨格只綁定一個品項，按照項目初期規(guī)劃，每個貨格的最小庫存小于1箱時發(fā)起補貨任務，沒有對當天訂單品項進行分析，沒有分析出當天哪些品項的庫存消耗量大，因此產(chǎn)生的補貨任務不合理，造成了補貨線的擁堵。后來采取優(yōu)化措施，先利用ABC分類法分析單天訂單結構，得出當天的ABC分類表，按照比表分別設置每種產(chǎn)品在分揀區(qū)的安全庫存。比如A類產(chǎn)品，所在貨格的庫存剩余2箱時，管理系統(tǒng)就發(fā)起補貨任務；而B、C類產(chǎn)品，貨格庫存剩余1箱時，管理系統(tǒng)才發(fā)起補貨任務。同時管理系統(tǒng)全面考慮每一個揀選區(qū)域，對每個揀選區(qū)域都有發(fā)起補貨任務，避免了某個揀選區(qū)域補貨任務的集中。

4）優(yōu)化補貨堆垛機作業(yè)調(diào)度

從補貨任務的產(chǎn)生流程可以看出，補貨任務的產(chǎn)生是隨機的，且是獨立的。在一段時間內(nèi)，補貨任務有很多個。箱式堆垛機/托盤堆垛機的個數(shù)遠遠小于補貨任務個數(shù)，如何在眾多個補貨任務中挑選出最優(yōu)解，系統(tǒng)從以下幾個方面考慮：箱式堆垛機是左右雙工位雙伸位的，在周轉箱入庫時考慮雙伸位的完美匹配度，相同批號的產(chǎn)品盡量放入同一側雙伸位貨位中，減少由同一側雙伸位貨位放置產(chǎn)品不一樣而造成的搬庫機率。系統(tǒng)進行箱式庫出庫作業(yè)調(diào)度時，首先考慮補貨任務的生成時間，生成時間越早的說明要料越急切；其次在產(chǎn)生時間相差不大的補貨任務中挑選在同一側雙伸位貨位中的，減少左右雙工位雙伸位堆垛機在水平、垂直、前后三個方向的動作，節(jié)省出庫時間；再次統(tǒng)計出整條箱式補貨線上每個揀選區(qū)域的任務數(shù)，如果某個揀選區(qū)域的任務數(shù)過多，即使它的補貨任務產(chǎn)生時間很早，也暫緩這個揀選區(qū)域的補貨任務的執(zhí)行，以免由于它的任務數(shù)過多擁堵其他揀選區(qū)域的補貨周轉箱；最后還需考慮設備的實際運行狀態(tài)，比如箱式補貨線有沒有故障、雙工位補貨車有沒有故障、分揀線有沒有故障，記錄每個物流設備故障的發(fā)生時間、故障分類及詳細內(nèi)容，按照故障分類，預測故障持續(xù)時間，如果故障持續(xù)時間過長，暫停某個揀選區(qū)域或每條分揀線的補貨任務執(zhí)行。托盤堆垛機出庫作業(yè)調(diào)度和箱式庫類似，除了需考慮上述幾點外，還需要拆除機器人、拆垛工位設備的狀態(tài)。

2.3 優(yōu)化補貨車作業(yè)調(diào)度

周轉箱到達分揀線邊的4個補貨站臺后，接下來是由往復式雙工位補貨車完成周轉箱從補貨站臺到目的貨格的搬運。三條分揀線并行分揀，相互無 合性，每條分揀線對應一臺往復式雙工位補貨車，往復式雙工位補貨車只考慮一條分揀線。由于補貨任務的產(chǎn)生是隨機的、獨立的。補貨任務可以看成是服務對象，雙工位補貨車看成服務機構，因此補貨任務的執(zhí)行符合排隊論的管理思想，如何運用數(shù)學方法求出補貨任務等待時間、排隊長度等因素的概率分布，尋求能夠達到滿足自動分揀線補貨效率要求的最少補貨車數(shù)，且補貨車運行效率最高，是補貨車作業(yè)調(diào)度的關鍵。

系統(tǒng)對補貨車的作業(yè)調(diào)度，首先利用排隊論的管理思想，遵循先到先服務，考慮補貨任務目的貨格的庫存情況，對補貨任務進行排序。還要關注補貨車的特點，補貨車是前后雙工位的，可以搬運兩個周轉箱，同時將兩個周轉箱放入流利條貨格，即同時執(zhí)行兩條補貨任務。從4個補貨站臺上，優(yōu)先挑出相鄰列同層補貨任務，在這種情況下，補貨車的取、放、行走動作只需動作一次就可完成兩條補貨任務；然后挑選相鄰列不同層的補貨任務執(zhí)行，補貨車的取、行走也只需動作一次；最后執(zhí)行不是相鄰列但同層的或者不是相鄰列也不同層的補貨任務。按照以上調(diào)度原則，減少了補貨車在放貨時空跑、多跑的幾率，不僅提高了補貨效率，還為企業(yè)節(jié)約了電量。

3 結語

本文闡述了基于訂單品項ABC分類法的流利條揀選貨格品項分配優(yōu)化策略、堆垛機作業(yè)調(diào)度策略與補貨車調(diào)度策略聯(lián)合應用的補貨任務調(diào)度優(yōu)化，并將研究成果實際應用于某集團配送中心項目上，解決了項目中存在的補貨擁堵、揀選區(qū)缺料、堆垛機作業(yè)不均衡等問題，提高了補貨效率7%左右，使得整個揀選作業(yè)系統(tǒng)運行流暢。