快速分揀線的自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔡 苗，高長(zhǎng)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(guān)鍵字：快速分揀線；自動(dòng)補(bǔ)貨；ABC分類法；品項(xiàng)分配；作業(yè)調(diào)度

0 引言

現(xiàn)代物流系統(tǒng)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)物流設(shè)備主要有立體倉(cāng)庫(kù)、分揀線、補(bǔ)貨線、復(fù)核線。一般由設(shè)備的機(jī)械部分、電氣自動(dòng)控制部分和計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)組合而成。自動(dòng)分揀系統(tǒng)能有效地解決人工分揀所帶來(lái)的效率低下、錯(cuò)誤率高等問(wèn)題，能連續(xù)大批量地分揀，并且揀選準(zhǔn)確率高、誤差低，用工量少、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。在快消品、圖書(shū)、醫(yī)藥、食品、煙草等行業(yè)有著大量的應(yīng)用實(shí)例。物流中心為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀系統(tǒng)的高效作業(yè)目標(biāo)，分揀區(qū)所需的庫(kù)存就要求能及時(shí)補(bǔ)上，因此，物流中心為自動(dòng)分揀系統(tǒng)采取自動(dòng)補(bǔ)貨作業(yè)方式是應(yīng)勢(shì)所趨。自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)是快速分揀線的一個(gè)重要組成部分，為自動(dòng)分揀系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供有力保證，是自動(dòng)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(duì)于自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，主要聚焦在根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行性能按照項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，沒(méi)有考慮分揀線體實(shí)際的揀選情況和揀選貨位的品項(xiàng)分配情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)配置，也沒(méi)有根據(jù)相關(guān)物流設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度。存在補(bǔ)貨不及時(shí)，會(huì)造成分揀線停機(jī)，補(bǔ)貨過(guò)早，會(huì)造成貨物擁堵，分揀周邊無(wú)地存放。因此設(shè)計(jì)一套高效的補(bǔ)貨系統(tǒng)具有十分重要意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

某集團(tuán)配送中心物流系統(tǒng)是由自動(dòng)入庫(kù)托盤(pán)輸送、線托盤(pán)立體庫(kù)、箱式碼垛入庫(kù)線、箱式庫(kù)、流利條電子標(biāo)簽快速分揀線、往復(fù)式補(bǔ)貨線、復(fù)核打包線、箱式返空線、外復(fù)核分揀線等功能區(qū)域構(gòu)成，產(chǎn)品載具為周轉(zhuǎn)箱。涵蓋了從生產(chǎn)入庫(kù)、調(diào)撥入庫(kù)、自動(dòng)備貨補(bǔ)貨出庫(kù)、揀選、復(fù)核打包、裝箱貼標(biāo)、外復(fù)核、裝車(chē)發(fā)貨等配送中心全業(yè)務(wù)流程。本文著重描述自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)。

如圖1所示，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)也是分揀系統(tǒng)的一部分，但是由于其設(shè)備完全獨(dú)立，功能完整，因此可以單獨(dú)進(jìn)行研究。本文所描述的自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)主要由托盤(pán)立體庫(kù)、雙工位箱式立體庫(kù)，箱式補(bǔ)貨輸送線、流利條式電子標(biāo)簽快速分揀線、快速往復(fù)式雙工位補(bǔ)貨車(chē)、箱式返空線等物流設(shè)備組成。用塑料周轉(zhuǎn)箱作為產(chǎn)品載具，每個(gè)流利條貨格可存放3個(gè)相同批次產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)箱；箱式立體庫(kù)具備幾萬(wàn)個(gè)雙伸位貨位，每個(gè)貨位存放一個(gè)周轉(zhuǎn)箱，箱式立體庫(kù)的雙工位高速堆垛機(jī)，速度快，出庫(kù)效率高，主要用于快速補(bǔ)貨；每個(gè)托盤(pán)可碼放多個(gè)周轉(zhuǎn)箱，托盤(pán)立體庫(kù)具備幾千個(gè)托盤(pán)貨位，用于產(chǎn)品備貨。托盤(pán)立體庫(kù)和箱式立體庫(kù)的結(jié)合使用，既滿足了快速補(bǔ)貨效率要求，又滿足了客戶的存貨要求。

補(bǔ)貨管理系統(tǒng)按照ABC分類法，分析當(dāng)天訂單品項(xiàng)結(jié)構(gòu)，為每個(gè)流利條貨格進(jìn)行品項(xiàng)分配，當(dāng)貨格內(nèi)的周轉(zhuǎn)箱小于其設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)生成箱式立體庫(kù)補(bǔ)貨任務(wù)，箱式堆垛機(jī)將周轉(zhuǎn)箱從貨位上取下送至箱式補(bǔ)貨輸送線。如果箱式立體庫(kù)沒(méi)有所需產(chǎn)品的庫(kù)存，自動(dòng)生成托盤(pán)立體庫(kù)補(bǔ)貨任務(wù)，托盤(pán)堆垛機(jī)將托盤(pán)從貨位上取下送至拆垛工位，拆垛機(jī)器人拆分出補(bǔ)貨任務(wù)所需周轉(zhuǎn)箱，托盤(pán)上的剩余周轉(zhuǎn)箱也被拆垛機(jī)器人拆分開(kāi)，入箱式立體庫(kù)暫存，便于下次補(bǔ)貨時(shí)快速出庫(kù)。補(bǔ)貨系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

如何保證每條分揀線每個(gè)揀選區(qū)域不缺料，補(bǔ)貨任務(wù)又不擁堵。本文從分揀線上貨格品項(xiàng)分配、補(bǔ)貨作業(yè)調(diào)度兩個(gè)方面優(yōu)化，對(duì)補(bǔ)貨系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 優(yōu)化揀選貨位的品項(xiàng)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(shí)別造成大多數(shù)問(wèn)題的少數(shù)重要原因。該法則認(rèn)為：相對(duì)來(lái)說(shuō)數(shù)量較小的原因往往造成絕大多數(shù)的問(wèn)題或者缺陷。此法則也稱為二八原理，即百分之八十的問(wèn)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(guò)考量企業(yè)庫(kù)存物資的數(shù)量、品種的多少及價(jià)值，把企業(yè)庫(kù)存物資劃分成A、B、C三大類，對(duì)每一類物資分別采取與之相宜的管理策略。在上世紀(jì)六十年代，H.F.Dickie最早將這種思想應(yīng)用于庫(kù)存管理，并稱其為ABC分類法。ABC分類法是企業(yè)控制物流庫(kù)存成本的一種經(jīng)濟(jì)合理、性價(jià)比很高的庫(kù)存管理方法。在企業(yè)庫(kù)存管理中，應(yīng)用ABC分類法符合“抓住關(guān)鍵的少數(shù)”及“突出重點(diǎn)”的原則，以此做好庫(kù)存的分類管理，提高企業(yè)庫(kù)存管理效率，減少資金占用，降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本。

2）ABC分類法在流利條貨格品項(xiàng)分配上的應(yīng)用

項(xiàng)目初期，在流利條貨格品項(xiàng)分配方面采取的策略是固定貨格固定產(chǎn)品，沒(méi)有對(duì)訂單結(jié)構(gòu)分析，按照產(chǎn)品編碼順序在貨格上一字排開(kāi)。采用這種策略運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)每天總會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)貨不及時(shí)、補(bǔ)貨擁堵的現(xiàn)象。為了徹底改變這些情況，多次分析訂單結(jié)構(gòu)，歸納總結(jié)訂單特點(diǎn)，使用ABC分類法優(yōu)化品項(xiàng)分配。

ABC分類法在品項(xiàng)分配上的關(guān)鍵是分析當(dāng)天訂單品項(xiàng)結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)箱中存放的數(shù)量也一樣。實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為4個(gè)步驟：

（1）收集每種產(chǎn)品的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依據(jù)訂單結(jié)構(gòu)，搜集訂單產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）處理這些數(shù)據(jù)，得出訂單的ABC分類表。假設(shè)以產(chǎn)品數(shù)量作為ABC分類指標(biāo)。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(jì)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(jì)算出訂單所有產(chǎn)品的累計(jì)比率。

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

（4）根據(jù)上步分析的結(jié)果，制定三類產(chǎn)品的重點(diǎn)管理策略。針對(duì)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(jié)果、流利條貨格數(shù)量、揀選頻次，設(shè)置兩個(gè)及兩個(gè)以上的貨格，并且這類產(chǎn)品在每個(gè)揀選口均勻分布，優(yōu)選選擇補(bǔ)貨距離最近的貨格。

B類產(chǎn)品：同樣根據(jù)ABC分析結(jié)果，在每個(gè)揀選口優(yōu)先選擇補(bǔ)貨距離次遠(yuǎn)的貨格。

C類產(chǎn)品：根據(jù)ABC分析結(jié)果，在每個(gè)揀選口優(yōu)先選擇補(bǔ)貨距離最遠(yuǎn)的貨格。得出每個(gè)揀選區(qū)域的品項(xiàng)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(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目，反復(fù)測(cè)試，補(bǔ)貨效率有所提高，A類產(chǎn)品補(bǔ)貨效率由332箱/時(shí)提高到356箱/時(shí)；BC類產(chǎn)品補(bǔ)貨效率由206箱提高到218箱/時(shí)。解決項(xiàng)目初期補(bǔ)貨系統(tǒng)采用固定貨格固定產(chǎn)品存在的問(wèn)題，提高了流利條貨格品項(xiàng)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(rèn)可。

2.2 優(yōu)化補(bǔ)貨任務(wù)調(diào)度

1）補(bǔ)貨流程

一條補(bǔ)貨任務(wù)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(bǔ)貨作業(yè)流程

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

（2）從箱式庫(kù)出庫(kù)，箱式堆垛機(jī)將周轉(zhuǎn)箱從貨位取下送至箱式補(bǔ)貨輸送線；

（3）箱式補(bǔ)貨輸送線將周轉(zhuǎn)箱經(jīng)過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的箱式補(bǔ)貨輸送線運(yùn)送至分揀線邊的補(bǔ)貨站臺(tái)；

（4）雙工位穿梭車(chē)將周轉(zhuǎn)箱從補(bǔ)貨站臺(tái)輸送至流利條貨架上的目的貨格；

（5）如果從托盤(pán)出庫(kù)，托盤(pán)堆垛機(jī)將托盤(pán)從貨位取下送至拆垛工位；

（6）拆垛機(jī)器人拆分出本次補(bǔ)貨任務(wù)所需周轉(zhuǎn)箱，并將這些周轉(zhuǎn)箱輸送至箱式補(bǔ)貨輸送線上，重復(fù)(3)和(4)步驟；

（7）拆垛機(jī)器人繼續(xù)拆分托盤(pán)上的剩余周轉(zhuǎn)箱，并將這些周轉(zhuǎn)箱輸送至箱式立體庫(kù)入庫(kù)端，周轉(zhuǎn)箱入箱式庫(kù)暫存，以便下次補(bǔ)貨。

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

3）優(yōu)化補(bǔ)貨任務(wù)的產(chǎn)生

每個(gè)流利條貨格只綁定一個(gè)品項(xiàng)，按照項(xiàng)目初期規(guī)劃，每個(gè)貨格的最小庫(kù)存小于1箱時(shí)發(fā)起補(bǔ)貨任務(wù)，沒(méi)有對(duì)當(dāng)天訂單品項(xiàng)進(jìn)行分析，沒(méi)有分析出當(dāng)天哪些品項(xiàng)的庫(kù)存消耗量大，因此產(chǎn)生的補(bǔ)貨任務(wù)不合理，造成了補(bǔ)貨線的擁堵。后來(lái)采取優(yōu)化措施，先利用ABC分類法分析單天訂單結(jié)構(gòu)，得出當(dāng)天的ABC分類表，按照比表分別設(shè)置每種產(chǎn)品在分揀區(qū)的安全庫(kù)存。比如A類產(chǎn)品，所在貨格的庫(kù)存剩余2箱時(shí)，管理系統(tǒng)就發(fā)起補(bǔ)貨任務(wù)；而B(niǎo)、C類產(chǎn)品，貨格庫(kù)存剩余1箱時(shí)，管理系統(tǒng)才發(fā)起補(bǔ)貨任務(wù)。同時(shí)管理系統(tǒng)全面考慮每一個(gè)揀選區(qū)域，對(duì)每個(gè)揀選區(qū)域都有發(fā)起補(bǔ)貨任務(wù)，避免了某個(gè)揀選區(qū)域補(bǔ)貨任務(wù)的集中。

4）優(yōu)化補(bǔ)貨堆垛機(jī)作業(yè)調(diào)度

從補(bǔ)貨任務(wù)的產(chǎn)生流程可以看出，補(bǔ)貨任務(wù)的產(chǎn)生是隨機(jī)的，且是獨(dú)立的。在一段時(shí)間內(nèi)，補(bǔ)貨任務(wù)有很多個(gè)。箱式堆垛機(jī)/托盤(pán)堆垛機(jī)的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于補(bǔ)貨任務(wù)個(gè)數(shù)，如何在眾多個(gè)補(bǔ)貨任務(wù)中挑選出最優(yōu)解，系統(tǒng)從以下幾個(gè)方面考慮：箱式堆垛機(jī)是左右雙工位雙伸位的，在周轉(zhuǎn)箱入庫(kù)時(shí)考慮雙伸位的完美匹配度，相同批號(hào)的產(chǎn)品盡量放入同一側(cè)雙伸位貨位中，減少由同一側(cè)雙伸位貨位放置產(chǎn)品不一樣而造成的搬庫(kù)機(jī)率。系統(tǒng)進(jìn)行箱式庫(kù)出庫(kù)作業(yè)調(diào)度時(shí)，首先考慮補(bǔ)貨任務(wù)的生成時(shí)間，生成時(shí)間越早的說(shuō)明要料越急切；其次在產(chǎn)生時(shí)間相差不大的補(bǔ)貨任務(wù)中挑選在同一側(cè)雙伸位貨位中的，減少左右雙工位雙伸位堆垛機(jī)在水平、垂直、前后三個(gè)方向的動(dòng)作，節(jié)省出庫(kù)時(shí)間；再次統(tǒng)計(jì)出整條箱式補(bǔ)貨線上每個(gè)揀選區(qū)域的任務(wù)數(shù)，如果某個(gè)揀選區(qū)域的任務(wù)數(shù)過(guò)多，即使它的補(bǔ)貨任務(wù)產(chǎn)生時(shí)間很早，也暫緩這個(gè)揀選區(qū)域的補(bǔ)貨任務(wù)的執(zhí)行，以免由于它的任務(wù)數(shù)過(guò)多擁堵其他揀選區(qū)域的補(bǔ)貨周轉(zhuǎn)箱；最后還需考慮設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，比如箱式補(bǔ)貨線有沒(méi)有故障、雙工位補(bǔ)貨車(chē)有沒(méi)有故障、分揀線有沒(méi)有故障，記錄每個(gè)物流設(shè)備故障的發(fā)生時(shí)間、故障分類及詳細(xì)內(nèi)容，按照故障分類，預(yù)測(cè)故障持續(xù)時(shí)間，如果故障持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，暫停某個(gè)揀選區(qū)域或每條分揀線的補(bǔ)貨任務(wù)執(zhí)行。托盤(pán)堆垛機(jī)出庫(kù)作業(yè)調(diào)度和箱式庫(kù)類似，除了需考慮上述幾點(diǎn)外，還需要拆除機(jī)器人、拆垛工位設(shè)備的狀態(tài)。

2.3 優(yōu)化補(bǔ)貨車(chē)作業(yè)調(diào)度

周轉(zhuǎn)箱到達(dá)分揀線邊的4個(gè)補(bǔ)貨站臺(tái)后，接下來(lái)是由往復(fù)式雙工位補(bǔ)貨車(chē)完成周轉(zhuǎn)箱從補(bǔ)貨站臺(tái)到目的貨格的搬運(yùn)。三條分揀線并行分揀，相互無(wú) 合性，每條分揀線對(duì)應(yīng)一臺(tái)往復(fù)式雙工位補(bǔ)貨車(chē)，往復(fù)式雙工位補(bǔ)貨車(chē)只考慮一條分揀線。由于補(bǔ)貨任務(wù)的產(chǎn)生是隨機(jī)的、獨(dú)立的。補(bǔ)貨任務(wù)可以看成是服務(wù)對(duì)象，雙工位補(bǔ)貨車(chē)看成服務(wù)機(jī)構(gòu)，因此補(bǔ)貨任務(wù)的執(zhí)行符合排隊(duì)論的管理思想，如何運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求出補(bǔ)貨任務(wù)等待時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度等因素的概率分布，尋求能夠達(dá)到滿足自動(dòng)分揀線補(bǔ)貨效率要求的最少補(bǔ)貨車(chē)數(shù)，且補(bǔ)貨車(chē)運(yùn)行效率最高，是補(bǔ)貨車(chē)作業(yè)調(diào)度的關(guān)鍵。

系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)貨車(chē)的作業(yè)調(diào)度，首先利用排隊(duì)論的管理思想，遵循先到先服務(wù)，考慮補(bǔ)貨任務(wù)目的貨格的庫(kù)存情況，對(duì)補(bǔ)貨任務(wù)進(jìn)行排序。還要關(guān)注補(bǔ)貨車(chē)的特點(diǎn)，補(bǔ)貨車(chē)是前后雙工位的，可以搬運(yùn)兩個(gè)周轉(zhuǎn)箱，同時(shí)將兩個(gè)周轉(zhuǎn)箱放入流利條貨格，即同時(shí)執(zhí)行兩條補(bǔ)貨任務(wù)。從4個(gè)補(bǔ)貨站臺(tái)上，優(yōu)先挑出相鄰列同層補(bǔ)貨任務(wù)，在這種情況下，補(bǔ)貨車(chē)的取、放、行走動(dòng)作只需動(dòng)作一次就可完成兩條補(bǔ)貨任務(wù)；然后挑選相鄰列不同層的補(bǔ)貨任務(wù)執(zhí)行，補(bǔ)貨車(chē)的取、行走也只需動(dòng)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(bǔ)貨任務(wù)。按照以上調(diào)度原則，減少了補(bǔ)貨車(chē)在放貨時(shí)空跑、多跑的幾率，不僅提高了補(bǔ)貨效率，還為企業(yè)節(jié)約了電量。

3 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了基于訂單品項(xiàng)ABC分類法的流利條揀選貨格品項(xiàng)分配優(yōu)化策略、堆垛機(jī)作業(yè)調(diào)度策略與補(bǔ)貨車(chē)調(diào)度策略聯(lián)合應(yīng)用的補(bǔ)貨任務(wù)調(diào)度優(yōu)化，并將研究成果實(shí)際應(yīng)用于某集團(tuán)配送中心項(xiàng)目上，解決了項(xiàng)目中存在的補(bǔ)貨擁堵、揀選區(qū)缺料、堆垛機(jī)作業(yè)不均衡等問(wèn)題，提高了補(bǔ)貨效率7%左右，使得整個(gè)揀選作業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行流暢。