面向單元貨物存揀一體化作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)能力研究

王成林，范 鑫，張 偉

（北京物資學(xué)院，北京 101149）

面向單元貨物存揀一體化作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)能力研究

王成林，范 鑫，張 偉

（北京物資學(xué)院，北京 101149）

在分析面向單元貨物存揀一體化系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)存儲(chǔ)最大SKU數(shù)、出入庫(kù)能力兩個(gè)主要指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的總體能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)影響系統(tǒng)能力的要素進(jìn)行了分析，同時(shí)利用Flexsim軟件構(gòu)建了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)設(shè)備利用率等進(jìn)行定量分析，為面向單元貨物配送中心的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

單元貨物；存揀一體化；作業(yè)能力；配送中心

1 面向單元貨物存揀一體化作業(yè)系統(tǒng)功能分析

面向單元貨物存揀一體化作業(yè)系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)配送中心面向單元貨物的作業(yè)模式、快速響應(yīng)訂單需求而提出的，是一種基于帶式輸送的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)揀選機(jī)構(gòu)相結(jié)合的自動(dòng)貨物存揀系統(tǒng)，通過帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)與動(dòng)態(tài)揀選機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的運(yùn)行模式，其中動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)由動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元由若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元貨位構(gòu)成。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 面向單元貨物的存揀一體化作業(yè)系統(tǒng)模型圖

該系統(tǒng)是針對(duì)多品種、多批次、小批量、高頻率的物

流作業(yè)要求而研發(fā)的，是一種直接以單元貨物為作業(yè)對(duì)象的新型物流裝備系統(tǒng)，同時(shí)能夠以單元貨物的形式完成存儲(chǔ)、分揀、傳輸?shù)榷喾N作業(yè)功能，并可以和目前以托盤、周轉(zhuǎn)箱為作業(yè)載體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，形成一個(gè)可以滿足配送中心P-C-B（托盤-周轉(zhuǎn)箱-單元形式）多種形式的自動(dòng)化作業(yè)要求的物流系統(tǒng)。

存揀一體化作業(yè)系統(tǒng)的總體能力是其存儲(chǔ)能力、出入庫(kù)能力、訂單完成準(zhǔn)時(shí)性和訂單交付可靠性等方面的綜合反映。系統(tǒng)的總體能力是由許多因素共同決定的，各個(gè)關(guān)鍵因素之間的合理配置是提高系統(tǒng)能力的重要途徑。以下將以系統(tǒng)存儲(chǔ)最大SKU數(shù)、出入庫(kù)能力這兩個(gè)指標(biāo)分析系統(tǒng)的總體能力。

2 系統(tǒng)存儲(chǔ)最大SKU數(shù)的分析

系統(tǒng)存儲(chǔ)最大SKU數(shù)是由系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)單元貨位數(shù)及單SKU占標(biāo)準(zhǔn)單元貨位的數(shù)量決定的。影響系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)單元貨位數(shù)的關(guān)鍵因素主要有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)以及系統(tǒng)的布局形式。通過對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵影響因素的分析，確定它們與系統(tǒng)存儲(chǔ)能力的具體關(guān)系，明確系統(tǒng)的存儲(chǔ)能力。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)與存儲(chǔ)最大SKU數(shù)的量化關(guān)系

機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)：

S1：動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度；

S2：動(dòng)態(tài)揀選機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度（即巷道的寬度）；

X：基礎(chǔ)模數(shù)長(zhǎng)度尺寸；

C：巷道系數(shù)（揀選機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度/存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度）；

設(shè)計(jì)參數(shù)與存儲(chǔ)最大SKU數(shù)的量化關(guān)系為：當(dāng)動(dòng)態(tài)揀選機(jī)構(gòu)的層數(shù)為NH，列數(shù)為Nt時(shí)，單排存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)單元貨位個(gè)數(shù)：Q=NHNtG；當(dāng)總排數(shù)為NL時(shí)，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)單元貨位個(gè)數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)存儲(chǔ)SKU數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)單元貨位個(gè)數(shù)的比列為Z時(shí)，即每個(gè)SKU占Z個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元貨位時(shí)，系統(tǒng)能存儲(chǔ)的最大SKU數(shù)為：

2.2 系統(tǒng)布局對(duì)存儲(chǔ)最大SKU數(shù)的影響分析

2.2.1 系統(tǒng)布局分析。系統(tǒng)的整體布局也是影響系統(tǒng)存儲(chǔ)的最大SKU數(shù)又一關(guān)鍵因素。現(xiàn)針對(duì)不同配送中心的實(shí)際需求，結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)提出了動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元雙巷道作業(yè)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元單巷道作業(yè)、混合式三種不同的布局形式，如圖2所示。

圖2 三種布局形式示意圖

2.2.2 整體布局對(duì)存儲(chǔ)最大SKU數(shù)影響實(shí)證分析。現(xiàn)以某醫(yī)藥企業(yè)為例，將系統(tǒng)運(yùn)用于公司的拆零揀選作業(yè)區(qū)域，該區(qū)域是一個(gè)20m×15m的作業(yè)區(qū)，現(xiàn)擬定系統(tǒng)中單排動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的列數(shù)為10，層數(shù)為3，單個(gè)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元包含的標(biāo)準(zhǔn)單元貨位數(shù)為10，系統(tǒng)存儲(chǔ)SKU數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)單元貨位個(gè)數(shù)的比列為1，即每個(gè)SKU占用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元貨位。單排動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)為600mm× 10，高600mm×3，寬1 200mm。單排動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)共有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元30個(gè),能存儲(chǔ)的最大SKU數(shù)為300個(gè)。三種布局效果如圖3所示，布局的對(duì)比見表1。

圖3 某藥企采用三種不同布局效果圖

表1 三種布局的對(duì)比

3 系統(tǒng)出入庫(kù)能力的計(jì)算

存揀一體化作業(yè)系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)揀選機(jī)構(gòu)作為揀選設(shè)備，系統(tǒng)的出入庫(kù)能力可以用揀選機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)時(shí)間來評(píng)價(jià)，揀選機(jī)構(gòu)單位時(shí)間內(nèi)存揀的單元貨物越多，出入庫(kù)速度越快，系統(tǒng)的出入庫(kù)能力就越強(qiáng)。

3.1 不同布局形式揀選機(jī)構(gòu)的作業(yè)方式

存揀一體化系統(tǒng)中的揀選機(jī)構(gòu)的作業(yè)方式主要由訂單決定，當(dāng)一張訂單中包含多種貨物時(shí)，揀選機(jī)構(gòu)在一個(gè)工作循環(huán)中將會(huì)對(duì)多個(gè)貨位進(jìn)行作業(yè)，完成多個(gè)單元貨物的揀選。

對(duì)于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元雙巷道作業(yè)布局形式，揀選機(jī)構(gòu)單一作業(yè)方式即揀選機(jī)構(gòu)從出入庫(kù)臺(tái)取若干個(gè)單元貨物送到指定的貨位，然后返回巷道口的入庫(kù)臺(tái)（單入庫(kù)）；或者從巷道口出發(fā)到指定的貨位去取若干個(gè)單元貨物送到出庫(kù)臺(tái)（單出庫(kù)）；復(fù)合作業(yè)方式有兩種，方式一是揀選機(jī)構(gòu)A與揀選機(jī)構(gòu)B同時(shí)對(duì)某一貨位進(jìn)行作業(yè)，揀選機(jī)構(gòu)A在貨位出庫(kù)端執(zhí)行出庫(kù)作業(yè)，揀選機(jī)構(gòu)B在貨位的入庫(kù)端執(zhí)行入庫(kù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)“前出后補(bǔ)”的作業(yè)模式，如圖4所示。方式二是揀選機(jī)構(gòu)從出入庫(kù)臺(tái)取若干單元貨物送到指定的若干個(gè)貨位，然后直接轉(zhuǎn)移到指定的出庫(kù)貨位，取出其中的貨物單元，回到出庫(kù)臺(tái)出庫(kù)。

圖4 “前出后補(bǔ)”作業(yè)模式

3.2 不同作業(yè)方式下系統(tǒng)出入庫(kù)能力的計(jì)算

揀選機(jī)構(gòu)單一作業(yè)時(shí)間的計(jì)算：

對(duì)系統(tǒng)的變量設(shè)置如下：

Nt—存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)列數(shù)（m）；

NH—存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)層數(shù)（n）；

tt—揀選機(jī)構(gòu)在貨位之間的移動(dòng)時(shí)間（s）；

ts—揀選機(jī)構(gòu)在出入庫(kù)工作臺(tái)移動(dòng)的時(shí)間（s）；

tij—揀選機(jī)構(gòu)運(yùn)行到某特定貨位的時(shí)間（s）；

tf—被揀選貨物在皮帶上移動(dòng)的時(shí)間；

tp—揀選機(jī)構(gòu)直接由入庫(kù)平臺(tái)運(yùn)行到出庫(kù)平臺(tái)所需時(shí)間；

tt—揀選機(jī)構(gòu)在貨位之間的平均移動(dòng)時(shí)間；

k—揀選機(jī)構(gòu)完成一次出入庫(kù)作業(yè)所操作的貨位數(shù)。

設(shè)揀選機(jī)構(gòu)單次作業(yè)中水平運(yùn)行距離為L(zhǎng)(m)，其中加速、勻速、減速運(yùn)行的距離分別為L(zhǎng)1、L2、L3，提升的總高度為H(n)，提升速度為V4，則下降的總高度也為H(n)，下降的速度為V5，動(dòng)態(tài)貨位處皮帶運(yùn)行速度為VP，執(zhí)行作業(yè)時(shí)存儲(chǔ)單元皮帶總長(zhǎng)度為S，出入庫(kù)運(yùn)行時(shí)間見表2。

表2 出入庫(kù)運(yùn)行時(shí)間表

由此可以推導(dǎo)出系統(tǒng)完成對(duì)一個(gè)貨位出入庫(kù)作業(yè)的平均單循環(huán)時(shí)間計(jì)算公式：

揀選機(jī)構(gòu)多貨位作業(yè)時(shí)間的計(jì)算：

以入庫(kù)平臺(tái)為原點(diǎn)，存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的列方向?yàn)閤軸，層方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系，則貨位的水平距離L是列數(shù)m的函數(shù)，記為L(zhǎng)(m)，高度H是層數(shù)n的函數(shù)，記作H (n)。從貨位{L(mi)，H(ni)}到貨位{L(mj)，H(nj)}的時(shí)間即為tt，則：

揀選機(jī)構(gòu)單一作業(yè)方式的作業(yè)時(shí)間計(jì)算公式為：

設(shè)單一作業(yè)方式下共完成出/入庫(kù)的單元貨物數(shù)為N單一，則單元貨物的平均出/入庫(kù)時(shí)間系統(tǒng)的出入庫(kù)能力為

復(fù)合作業(yè)方式一揀選機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)間的計(jì)算：

設(shè)在該作業(yè)方式下執(zhí)行入庫(kù)單元數(shù)為N1，出庫(kù)的單元數(shù)為N2。

系統(tǒng)的出入庫(kù)能力為：

復(fù)合作業(yè)方式二揀選機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)間的計(jì)算：

完成作業(yè)的單元貨物數(shù)為N復(fù)合，則系統(tǒng)的出入庫(kù)能力為

3.3 基于Flexsim的系統(tǒng)作業(yè)效率影響因素分析

借助Flexsim仿真軟件對(duì)系統(tǒng)的出入庫(kù)能力進(jìn)行分析，以便分析各種因素對(duì)其作業(yè)效率的影響。仿真的數(shù)據(jù)模型是基于配送中心訂單生成的，通過對(duì)訂單的分析確定其具體的分布函數(shù)，從而確定使用的存儲(chǔ)策略。仿真時(shí)以某企業(yè)的訂單數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，訂單中包含的單元貨物的數(shù)量為106件，采用隨機(jī)分布的分布形式。設(shè)備參數(shù)為：揀選機(jī)構(gòu)水平運(yùn)行速度為120m/min，垂直運(yùn)行速度為30m/min，存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)與動(dòng)態(tài)揀選機(jī)構(gòu)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度均為30m/min。

具體仿真步驟：

（1）采用不同的布局形式，在相同的作業(yè)方式下完成訂單的分揀。

（2）相同的布局形式下，采用不同的作業(yè)方式下完成訂單。

（3）相同條件下，改變動(dòng)態(tài)揀選機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，完成訂單。

（4）相同條件下，改變巷道系數(shù)，完成訂單。

（5）相同條件下，改變輔助設(shè)備參數(shù)，完成訂單。

（6）更換不同的訂單數(shù)據(jù)，重復(fù)（1）-（5）。

在不同條件下完成對(duì)訂單的分揀，由訂單完成時(shí)間

及訂單中包含的單元貨物數(shù)量可以得到單元貨物的平均出庫(kù)時(shí)間，從而衡量系統(tǒng)的作業(yè)效率。通過系統(tǒng)仿真最終明確了影響系統(tǒng)作業(yè)效率的主要因素有：系統(tǒng)的布局形式、系統(tǒng)的作業(yè)方式、貨物的存儲(chǔ)策略、設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。通過仿真確定企業(yè)的合理布局形式時(shí)，在效率分析的基礎(chǔ)上，還需分析不同布局形式下各揀選機(jī)構(gòu)的利用率，上述環(huán)境下三種布局形式揀選機(jī)構(gòu)的數(shù)量分別為9,5,7，利用率見表3。最終以系統(tǒng)作業(yè)效率高、揀選機(jī)構(gòu)利用率高的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元單巷道作業(yè)布局為企業(yè)的布局形式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種以單元貨物為作業(yè)對(duì)象的物流裝備系統(tǒng)，并以系統(tǒng)存儲(chǔ)最大SKU數(shù)、出入庫(kù)能力為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)總體能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在適用條件下，該系統(tǒng)所存儲(chǔ)的最大SKU數(shù)是同等規(guī)模重力式貨架的3倍以上，單個(gè)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元貨物的存揀需求，揀選效率提高50%以上，符合配送中心存揀一體化的發(fā)展趨勢(shì)。

表3 三種布局形式下揀選機(jī)構(gòu)利用率

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提前期標(biāo)準(zhǔn)差：

按時(shí)間序列檢查法，如果離合器總泵補(bǔ)充器材滿足器材需求，其供給率需達(dá)到最高值，按99.99%計(jì)算，安全因子為3.72， 則：

由于離合器總泵在該單位屬于常耗器材，離合器總泵的理想庫(kù)存數(shù)量最大值為平均需求量與安全庫(kù)存量的和，即離合器總泵理想庫(kù)存數(shù)量V=ss+Q=8.61+ 32.16=40.76，即41個(gè)。

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Study on Operational Capability of Unit Cargo Oriented Storage-sorting Integration System

Wang Chenglin,Fan Xin,ZhangWei
(Beijing Wuzi University,Beijing 101149,China)

In this paper,on the basis of an analysis of the unit cargo oriented storage-sorting integration system and with the maximum SKU storage and inbound/outbound capacity of the system as the main indexes,we evaluated the overall capacity of the system,studied its influence elements and at the same time,used the Flexsim software to build the simulation model of the system and have a quantitative analysis of the utilization factor of the equipment in the system.

unit cargo;storage-sorting integration;operational capability;distribution center

F224;F253

A

1005-152X(2016)10-0082-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.021

2016-09-05

北京市教育委員會(huì)大學(xué)科技園科技成果轉(zhuǎn)化、物流管理與工程科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

王成林（1979-），男，北京物資學(xué)院產(chǎn)業(yè)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)，博士，碩士研究生導(dǎo)師；范鑫，男，北京物資學(xué)院碩士研究生；張偉，男，北京物資學(xué)院碩士研究生。