基于牌號最優(yōu)分布的成品件煙出入庫策略研究

孫順凱，李 捷，李國瑞，陳海濤，崔浩波，沈苗杰，洪一璐

(1.浙江中煙工業(yè)有限責任公司寧波卷煙廠，浙江 寧波 315500；2.寧波大學信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著煙草商業(yè)市場對卷煙工業(yè)物流[1]效率要求的不斷提高，成品件煙出庫量已經(jīng)達到6 000件/h。但在卷煙工業(yè)現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)、用戶需求個性化、卷煙品牌種類繁多的背景下，成品高架庫的貨位分配現(xiàn)狀嚴重影響了倉儲作業(yè)的效率。為滿足高架庫現(xiàn)代物流的高效率要求，一個行之有效的方法就是根據(jù)一定的貨位分配原則與存儲策略[2]，對高架庫中的件煙托盤的貨位進行優(yōu)化，從而在件煙托盤出庫操作時縮短堆垛機行走時間。李建斌[3]等以零售業(yè)倉儲為研究對象，在出庫時綜合考慮重量、相關(guān)性、體積，結(jié)合出庫頻次因素，對貨位策略建模，并運用啟發(fā)式算法求得最優(yōu)解。但其僅將出庫頻次高的貨物靠近出庫口堆放，未結(jié)合貨物出庫頻次與貨位優(yōu)先級進行綜合分析。為此，本文采用石川圖分析法找出根本原因，以提高成品出庫效率。

1 成品庫流程架構(gòu)

1.1 業(yè)務流程

成品倉儲物流系統(tǒng)主要由倉庫管理系統(tǒng)倉庫管理系統(tǒng)(warehouse management system，WMS) 、倉庫控制系統(tǒng)(warehouse control system，WCS) 、電控、圖像識別系統(tǒng)等組成，設(shè)備包括件煙輸送機、提升機、分揀機、碼垛機器人、直穿車、堆垛機等。

入庫業(yè)務流程如下。封箱機封裝件煙通過輸送機和提升機進入分揀機。分揀機根據(jù)一號工程碼的前六位品牌信息分揀件煙。碼垛機器人識別軟硬包尺寸不同并進行相應的碼垛。30件整托盤碼垛完成后，WMS申請高架庫貨位入庫，WCS給電控分配分段路徑，輸送線、堆垛機等配合完成入庫動作。

出庫業(yè)務流程如下。市場部門在WMS下達出庫單據(jù)，WMS系統(tǒng)根據(jù)成品煙入庫先進先出[4]原則產(chǎn)生出庫任務。堆垛機收到上位下達的任務后進行取放貨動作，WCS給出電控分配路徑，完成件煙托盤在輸送線上的搬運。出庫區(qū)件煙托盤經(jīng)過轉(zhuǎn)彎機旋轉(zhuǎn)90°，以便叉車鏟取托盤完成出庫。

1.2 問題分析

采用魚骨圖方法對影響出庫效率的因素進行梳理，主要對堆垛機的行走路徑、貨位分配、成品出庫頻次[5]這3個關(guān)鍵問題進行建模分析。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，出庫業(yè)務有很高的時效要求，需在短時間內(nèi)完成。入庫業(yè)務則不存在時效限制。因此，從出庫時如何使堆垛機行走路徑[6]最短入手，分析巷道間件煙托盤數(shù)量分配、巷道中件煙托盤堆放位置、件煙牌號出庫頻次3個問題。

①成品庫投入使用后，按照先進先出原則進行出庫，存在出庫總時間過長的現(xiàn)象。由于件煙托盤生成入庫任務時按照遍歷的方式進行入庫，每個巷道入庫的相同牌號任務數(shù)量一樣。在堆垛機故障、設(shè)備故障等造成堆垛機無法出庫時，該巷道的件煙托盤數(shù)量就會增加。在故障排除后，其他巷道完成出庫任務，僅該巷道繼續(xù)執(zhí)行出庫任務。

②巷道中件煙托盤擺放的位置影響堆垛機取放貨速度。堆垛機x軸速度是Vx，y軸速度是Vy，z軸速度是Vz。考慮從堆垛機載貨臺水平x軸、y軸與目標站臺，研究貨位的優(yōu)先級。

③卷煙工業(yè)生產(chǎn)的品牌規(guī)格多，有國內(nèi)銷售、國外銷售、一號工程碼[7]、質(zhì)量追溯碼等的區(qū)別。一般來說，出口煙品牌規(guī)格較長時間堆放與高架庫內(nèi)，流動性較小。如利群(新版)、利群(休閑)、利群(軟長嘴)、雄獅(硬)等牌號，存放時間較短，貨位占用周期短，具有高流動性。

2 策略優(yōu)化

2.1 優(yōu)化出入庫策略

針對現(xiàn)存的單一品牌件煙托盤在高架庫各巷道中分布不均的弊端，WMS在分配巷道時，分別對單一品牌件煙托盤進行數(shù)量比較，選擇數(shù)量最少的巷道作為目標巷道。當存在大于等于2個巷道的品牌托盤數(shù)量相同、且該托盤數(shù)為所有巷道最小時，則按巷道編號大小產(chǎn)生入庫任務。

Min(hi) 1≤i≤n

(1)

式中：h為巷道；i為巷道編號；n為總巷道數(shù)；Min(hi)為任務最少的巷道產(chǎn)生出庫任務。

當兩個及以上巷道單一品牌件煙托盤數(shù)量為最小且相等時，按i巷道編號從小到大分配入庫任務。

2.2 確定件煙牌號占用貨位周期

統(tǒng)計周期內(nèi)各牌號卷煙平均占用貨位周期，如表1所示。

表1 各牌號卷煙平均占用貨位周期

查詢WMS出庫件煙信息，將出庫時間減組盤入庫時間，得到每件煙的占用貨位周期。

(2)

根據(jù)每個月WMS系統(tǒng)對出庫件煙牌號的出庫件煙信息，統(tǒng)計1年內(nèi)該各牌號件煙托盤的平均占用貨位周期。該周期每月更新一次，各品牌不同月份平均占用貨位周期存在較大差異。

2.3 確定貨位優(yōu)先等級

確定堆垛機出庫循環(huán)[9]時間后，假設(shè)堆垛機初始位置在出庫站臺C，則：

(3)

(4)

(5)

式中：Vx為堆垛機X軸勻速運動速度；Vy為堆垛機Y軸勻速運動速度；Vz為堆垛機Z軸勻速運動速度；tx為堆垛機水平位置從貨位到C的時間;ty為堆垛機垂直位置從貨位到C的時間;tz為堆垛機載貨臺貨叉縱向取放貨時間，每個貨位取放貨的Sz都一樣，所以tz為固定值。

堆垛機到達C的取放貨周期T示意圖如圖1所示。

圖1 取放貨周期T示意圖

當tx>ty時，T(x,y,z)=2(tx+tz)。當tx≤ty時，T(x,y,z)=T(x,y,z)=2(ty+tz)。

每個S(x,y,z)對應一個T(x,y,z)。WMS[10]系統(tǒng)

(6)

式中:P為單一牌號所需貨位數(shù)；w為單一牌號排產(chǎn)量；W為總排產(chǎn)量。

WMS根據(jù)生產(chǎn)情況實時分配相應的貨位給各品牌。根據(jù)該件煙牌號的牌號占用周期產(chǎn)生貨位入庫任務，周期越長，分配目標貨位優(yōu)先級越低；反之，分配目標貨位優(yōu)先級越高。

3 應用效果

3.1 試驗設(shè)計

3.2 數(shù)據(jù)分析

策略優(yōu)化前后統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表2可見，優(yōu)化策略后的成品庫不平衡出庫次數(shù)由2.5次降低至0.17次，降幅達93.2%，減少了堆垛機空閑等待時間。堆垛機平均取放周期T由95.7 s降低至86.2 s，降幅達9.9%，堆垛機無效運行時間進一步壓縮，以節(jié)約堆垛機運行能源消耗[11]。平均出庫成品托盤由193.8盤/h提升到243.7盤/h，效率提升了25.7%。

表2 策略優(yōu)化前后結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié)束語

本文針對件煙托盤產(chǎn)生相等數(shù)量的入庫任務，當堆垛機、輸送線、系統(tǒng)等故障時，該策略不能根據(jù)各巷道中牌號數(shù)量，自適應地調(diào)整各巷道中單一牌號托盤數(shù)量情況。對按巷道均分入庫的策略進行研究，通過比較巷道間某一牌號當前的托盤數(shù)量，分配入庫任務目標地址為最少件煙托盤所在巷道。以堆垛機運行時載貨臺的路徑作為研究對象，比較X軸與Y軸方向運行到出庫站臺C的時間T，提出貨位優(yōu)先級的算法：到達出庫站臺時間越短，則優(yōu)先級越高。結(jié)合部分成品件煙貨位占用周期算法，分配在庫周期短的卷煙牌號靠近C的貨位，提高高優(yōu)先級貨位利用率，實現(xiàn)牌號最優(yōu)分布，從而提高成品件煙托盤出庫效率。

經(jīng)過現(xiàn)場的調(diào)試運行，基于牌號最優(yōu)分布的成品件煙出入庫策略實現(xiàn)了自適應調(diào)整各巷道均勻分布功能，以及成品在庫周期與貨位優(yōu)先級統(tǒng)籌協(xié)調(diào)算法。隨著工業(yè)4.0、“中國制造2025”的提出和發(fā)布，該策略必將在各智能倉儲系統(tǒng)得到廣泛的應用。