大型物流配送中心的主動式倉儲調(diào)度策略及其性能分析

馬　驪，王銀珠，張　敏，蘇　揚(yáng)

(1.西安財經(jīng)學(xué)院 商學(xué)院， 陜西 西安　710100;2.西安財經(jīng)學(xué)院 管理學(xué)院， 陜西 西安　710100； 3.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安　710054)

一、 引 言

1935年，美國市場營銷協(xié)會對物流做了最早的定義：“物流是包含于營銷之中的物質(zhì)資料和服務(wù)，從生產(chǎn)地到消費地流動過程中伴隨的種種活動”[1]?，F(xiàn)代物流管理概念是隨著商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐步形成和發(fā)展起來的。從最初孤立地看待運輸、倉儲等各個環(huán)節(jié)，發(fā)展到從總成本角度綜合考慮實物分銷中的儲、運各項活動，整合企業(yè)原材料、半成品、產(chǎn)成品的儲運等環(huán)節(jié)的管理，提出一體化物流管理概念，再到20世紀(jì)90年代與供應(yīng)鏈管理思想的結(jié)合，物流理論研究和概念一步步完善起來[2]。物流配送是物流系統(tǒng)的一項十分重要的功能。隨著現(xiàn)代消費的多樣化和個性化的發(fā)展趨勢，物流需求也朝著多品種、小批量方向發(fā)展。在市場的主導(dǎo)權(quán)由處于供應(yīng)鏈上游、中游的原材料供應(yīng)企業(yè)或生產(chǎn)企業(yè)向處于下游的零售企業(yè)或消費者不斷轉(zhuǎn)移的態(tài)勢下，物流服務(wù)需要更加貼近市場，貼近消費者。

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時代，以B2B、B2C、C2C為代表的電子商務(wù)交易規(guī)模越來越龐大，同時也造就了像亞馬遜、阿里巴巴、京東等一批極具影響力的電商。這些電商巨頭在發(fā)展初期由于缺乏規(guī)模支持，不可能自建物流網(wǎng)絡(luò)及其配送體系，只能借助第三方物流實現(xiàn)訂單配送[3]。隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)訂單數(shù)量的激增，第三方物流已成為制約電商配送服務(wù)的瓶頸，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是第三方物流公司服務(wù)水平參差不齊，服務(wù)水平較差的公司在公眾節(jié)假日期間交貨不及時、貨不對版，直接影響電商的信用度和美譽(yù)度；二是多數(shù)第三方物流公司受限于制度體系不完善以及資金和倉儲能力的短缺，導(dǎo)致物流成本偏高，結(jié)果影響電商的利潤[4],第三方物流能力有限，缺少一體化的物流解決方案[5]。目前大的電商集團(tuán)對于前二者已經(jīng)有了很好的應(yīng)對之道。例如，阿里巴巴借助淘寶網(wǎng)和天貓網(wǎng)，京東借助其京東商城，實現(xiàn)了海量商品信息的呈現(xiàn)[6]，借助支付寶和各家銀行的網(wǎng)上銀行平臺，電商均能有效掌控資金流，唯獨物流成為當(dāng)前電商集團(tuán)的一大軟肋，阿里巴巴首席執(zhí)行官馬云曾明確表示消費者的抱怨和投訴絕大部分來自物流[7]。在這種情況下，各大電商開始投入重金打造自己的物流系統(tǒng)和平臺，京東已在北京、上海、廣州和其他幾個省會城市建立7個一級物流中心，此外還建立了25個二級物流中心[8]。阿里巴巴集團(tuán)則表示將以投資加融資1000億元人民幣的模式打造阿里物流體系和阿里物流平臺[9]。

各大電商在打造自身物流體系的過程中，無論采用哪種發(fā)展戰(zhàn)略，倉儲建設(shè)都是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它包括倉儲地點選擇、倉儲面積和倉儲設(shè)備規(guī)劃、倉儲信息管理(有的電商直接稱之為“數(shù)字倉儲”)、倉儲盈利模式分析[10]。如果說海陸空運輸通道是物流網(wǎng)絡(luò)的線路，倉儲則是商品存儲轉(zhuǎn)發(fā)的中間節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)訂單的高峰期，例如，每年“雙十一”的購物狂歡季，倉儲可能會出現(xiàn)“爆倉”情況。如果按訂單高峰期的需求進(jìn)行倉儲購地和倉儲設(shè)備配置，無疑投資巨大，當(dāng)多數(shù)時候場地和設(shè)備都處于閑置狀態(tài)時，電商可能會在很長的時間才能收回投資成本。如果倉儲購地量和倉儲設(shè)備配置過低，倉儲“爆倉”概率增加，直接影響電商物流配送的客戶滿意度。因此倉儲建設(shè)成本和倉儲吞吐量是建設(shè)過程中必須加以平衡的兩個制約因素，而平衡支點則是基于現(xiàn)代倉儲數(shù)據(jù)化和信息化的庫存優(yōu)化管理[11]。

二、國內(nèi)外關(guān)于倉儲物流的研究狀況

(一)國外研究狀況

20世紀(jì)50年代，國外一些大型制造企業(yè)開始引入自動化倉儲系統(tǒng)，當(dāng)時的自動化倉儲系統(tǒng)包括一個多層倉儲貨架、一個或多個堆垛機(jī)、一個或多個系統(tǒng)出入口[12]。多層倉儲貨架極大提高了企業(yè)對空間的利用率，通過計算機(jī)操控完成存貨和取貨減少了工作人員數(shù)量、降低了人力成本，而快速的存貨和取貨加快了物流響應(yīng)速度，縮短了客戶的等待時間。從自動化倉儲系統(tǒng)問世之日起，對倉儲物流的研究主要集中在如何提高其效率，而自動化倉儲系統(tǒng)的設(shè)計和存取策略則被認(rèn)為是影響系統(tǒng)效率的兩個主要因素。Bozer和White研究了自動化倉儲系統(tǒng)中的堆垛機(jī)存儲和檢索貨物所需的時間[13]，Bozer和White的研究表明堆垛機(jī)的取貨時間和倉儲系統(tǒng)的形狀有很大關(guān)聯(lián)，倉儲系統(tǒng)的形狀不同會導(dǎo)致存取貨物的時間有所不同。Roodbergen和Vis則研究了在二維自動化倉儲系統(tǒng)中系統(tǒng)出入口位置不同時倉儲效率的變化[14]，他們的研究討論了四種系統(tǒng)出入口類型，分別是系統(tǒng)的出口和入口同在倉儲貨架的底端同側(cè)位置；系統(tǒng)的出口和入口在倉儲貨架的同側(cè)但在不同的高度；系統(tǒng)出入口同在倉儲貨架的中心位置和系統(tǒng)的出口和入口同在貨架的底端不同側(cè)。Randhawa等人討論了在二維自動化倉儲系統(tǒng)中多個系統(tǒng)出入口在三種操作方式下的效率[15]，他們用仿真的方法來評估三種不同操作方式下的系統(tǒng)效率。

以上這些研究針對的是二維自動化倉儲系統(tǒng)，近年來，隨著土地資源的緊缺和土地價格的上漲，企業(yè)倉儲的占地面積必須合理安排才能控制成本。因此，更高存儲量、更高空間利用率以及更快地響應(yīng)顧客需要的多維度緊致化倉儲系統(tǒng)隨之出現(xiàn)，這些新型的多維度的自動化倉儲系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的二維或單維的自動化倉儲系統(tǒng)[16]。三維緊致化倉儲系統(tǒng)的存儲密度更高，需要的操作人員更少，有多層的倉儲貨架，可以提高存儲的密度從而降低空間的浪費。三維緊致化倉儲系統(tǒng)的設(shè)計對庫存管理、物料管理有很大程度的影響，三維緊致化倉儲系統(tǒng)的設(shè)計問題很復(fù)雜困難。一方面，成本高會影響它的應(yīng)用范圍；另一方面，效率較難提高，如何經(jīng)濟(jì)地設(shè)計三維緊致化倉儲系統(tǒng)使其更加適合于企業(yè)的應(yīng)用成了重點研究問題。

(二)國內(nèi)研究狀況

現(xiàn)階段我國倉儲物流存在的問題也使得電商企業(yè)不得不花巨資自建物流和倉儲系統(tǒng)，前文已論及無論阿里巴巴還是京東，均已投入巨資自建物流平臺和物流體系，這也給眾多從事倉儲物流的研究者提供了研究機(jī)會和樣本，李劼巍以蘇寧電器為研究對象，介紹了其自建倉儲的情況，并據(jù)此分析了倉儲供給和需求的錯位因素[17]。研究同時也提出了改進(jìn)建議。劉瀅以韻達(dá)快遞倉儲經(jīng)營管理模型為對象進(jìn)行了研究，通過管理理論進(jìn)行分析并給出了解決建議[18]。以上這些研究都是根據(jù)現(xiàn)實中的電商企業(yè)為研究對象，通過企業(yè)遇到的問題來分析并給出解決建議。

從國內(nèi)已有的研究也可以看出，現(xiàn)階段我國倉儲物流存在的問題要么反映在倉儲管理上，要么反映在倉儲技術(shù)上，目前更多的共識還是在倉儲技術(shù)層面，如果倉儲技術(shù)足夠先進(jìn)，應(yīng)該就能解決效率方面的問題[19]。因此本文探討一種在倉儲體積既定的情況下，庫存商品的調(diào)度策略及具體調(diào)度算法，以期獲得倉儲吞吐量的最大化，從而提升電商物流體系建設(shè)過程中的倉儲盈利能力。

三、 主動倉儲調(diào)度

目前的倉儲信息管理系統(tǒng)普遍采用無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)實現(xiàn)商品的出庫、入庫管理。RFID是一種無線通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，采用RFID最大的優(yōu)勢在于：讀取數(shù)據(jù)方便快捷、數(shù)據(jù)識別速度快、數(shù)據(jù)容量大。工信部所做的統(tǒng)計表明我國物流企業(yè)在2015年年底已全部實現(xiàn)倉儲入貨和出貨的無線射頻識別和管理。

采用無線射頻識別技術(shù)后，在一件商品按所屬門類已入庫的情況下，通常在出庫之前其存儲地點不再發(fā)生變化，這樣方便工作人員在極短時間內(nèi)就能找到商品的貨架位置。隨著不同商品出庫、入庫流程的加快，這種方式也產(chǎn)生了“倉儲碎片”問題，圖1形象地描述了此問題。

圖1　“倉儲碎片”二維示意圖

圖1中的貨架有9個存儲單位，每個存儲單位的規(guī)格尺寸為1×1，對于圖1a，此時的貨架無法容納任何一個尺寸為2×1的新到商品，其原因在于a中貨架的空閑存儲空間非常分散，這些相對分散的空閑存儲空間我們稱之為“倉儲碎片”，如果將這些分散的“倉儲碎片”重新整合成b、c、d、e所示的更大空閑存儲空間，此時貨架由于不存在“倉儲碎片”，可以再接納2個尺寸為2×1的新到商品，貨架的吞吐量因此較之a(chǎn)得到提升。大型物流配送中心倉儲系統(tǒng)的占地面積通常在幾萬平方米甚至幾十萬平方米的數(shù)量級，對于電子商務(wù)的配送過程而言，一件商品從發(fā)貨方送至客戶手中的配送過程里，商品可能在多個倉庫進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，如圖2所示。

圖2　物流配送流程

借助數(shù)字化倉儲管理系統(tǒng)，一件商品在從發(fā)貨方開始發(fā)送之前，每個倉儲點(圖2的倉儲1、倉儲2、倉儲3)的空間可用情況是已知的，任何一個倉儲點如果“爆倉”，管理系統(tǒng)不會允許發(fā)貨方發(fā)貨，因為這樣可能會加劇“爆倉”倉儲點的貨品擁堵，當(dāng)且僅當(dāng)每個倉儲點可用時，倉儲管理系統(tǒng)才會對發(fā)貨方的發(fā)貨行為放行。而即使貨品從發(fā)貨方發(fā)出到送至客戶的過程中，也有可能因為下一個倉儲點(圖2中的倉儲3)“爆倉”而不得不在上一個倉儲點(圖2中的倉儲2)積壓，結(jié)果連鎖反應(yīng)導(dǎo)致更多的倉儲點“爆倉”?？傊瑹o論在發(fā)貨前還是發(fā)貨過程中，配送鏈中有一個倉儲點“爆倉”，都會直接導(dǎo)致配送過程無法如期按約完成，而且還有可能加劇其他貨物配送的違約。

四、主動倉儲調(diào)度策略及其算法

根據(jù)以上分析，一個倉儲點的主動調(diào)度發(fā)生在有貨品離開倉儲點的時刻，其原因是一旦有貨品離開，該貨品以前占據(jù)的空間就被騰出，被騰出的空間四周都有貨品時，這個被騰出的空間有可能就是“倉儲碎片”，需要通過調(diào)度予以消除。但需要注意的是，“主動倉儲調(diào)度”并非是一旦貨品離開就必須觸發(fā)，這在實際的倉儲管理中完全不可行，只會極大地增加倉儲點的人工和運行維護(hù)成本。本文認(rèn)為必須是倉儲點貨品占據(jù)的空間達(dá)到一定閾值后，貨品的離倉才能啟動“主動調(diào)度”。此外，離倉貨品騰出的空間必須是“倉儲碎片”，也才會啟動主動調(diào)度。在圖3中，假設(shè)離倉貨品騰出的空間表示為空閑空間2，則圖3a的情況需要“主動倉儲調(diào)度”，因為空閑空間1和2都是“倉儲碎片”，而在圖3b的情況下則無需“主動調(diào)度”，因為空閑空間1和2相鄰，二者組合在一起形成更大的空閑空間。

a　　　　　　　　　　 　　　　 b 圖3　主動倉儲調(diào)度執(zhí)行與否的區(qū)別

可見，實行“主動倉儲調(diào)度”需同時滿足以下兩個條件：(1)貨品離倉時倉儲點所有貨品占用空間超過一定的閾值；(2)倉儲點的空閑空間里存在“倉儲碎片”。

貨品占用空間閾值可以用貨品占用總空間和倉儲點存儲量的比值來表達(dá)，閾值設(shè)定則需根據(jù)倉儲點倉庫面積大小、貨品入倉率、貨品出倉率進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)倉庫中一個空閑空間周圍都擺放了貨品時，該空閑空間標(biāo)記為“倉儲碎片”，按此準(zhǔn)則，圖3a中的空閑空間1和2在計算機(jī)里可以分別標(biāo)識成倉儲碎片1和碎片2共兩個倉儲碎片。圖3b中盡管有空閑空間1和空間2的區(qū)別，但在計算機(jī)里倉儲碎片只有一個。

主動倉儲調(diào)度是一個迭代過程，必須有迭代終止條件，否則過多的迭代會導(dǎo)致倉庫中庫存貨品被頻繁移動存放位置，嚴(yán)重影響倉庫正常運行。主動倉儲調(diào)度目的是盡可能地清除“倉儲碎片”，有效增大庫容，但不可能也沒有必要完全清除“倉儲碎片”。迭代終止條件的設(shè)定有多種方法，最簡單的方法是設(shè)定最多迭代的次數(shù)，也可根據(jù)執(zhí)行調(diào)度后倉儲碎片的個數(shù)占未執(zhí)行調(diào)度前倉儲碎片總個數(shù)的百分比來設(shè)定，假設(shè)該百分比為α，φ是小于1的百分比閾值，當(dāng)α≤φ時則可終止當(dāng)前調(diào)度。另外，還可根據(jù)容積比來設(shè)定，由于調(diào)度前后倉庫中空閑空間的容積總量并不變化。假設(shè)此容積總量為V總，容積比ρ可定義為：

則當(dāng)ρ調(diào)度后/ρ調(diào)度前≤φ時可終止當(dāng)前調(diào)度，φ是如前所述的小于1的百分比閾值。

在設(shè)定了啟動和終止條件后，主動倉儲調(diào)度的算法流程為：首先選擇空閑容量最大的兩個倉儲碎片a和b(a的容量大于b)，分別判斷與a相鄰的上、下、左、右?guī)齑尕浧返捏w積是否能被倉儲碎片b接納，如果都不能被接納，標(biāo)記a為不可調(diào)度碎片；如果能被接納，則選取空閑容量最小且能接納a周邊貨品的碎片c，依次把與a相鄰的上、下、左、右?guī)齑尕浧分匦路湃隿的空閑空間里。迭代此過程，直到滿足調(diào)度終止條件為止?？傊{(diào)度時的碎片合并過程是優(yōu)先選擇容量最大的碎片去合并剛好能裝下最大碎片周圍庫存貨品的最小碎片。

主動倉儲調(diào)度完整的算法流程如圖4所示。

圖4　主動倉儲調(diào)度算法流程

五、 性能仿真

為了驗證主動倉儲調(diào)度算法的性能，本文對執(zhí)行此算法和不執(zhí)行此算法的倉儲管理系統(tǒng)進(jìn)行了算法仿真比較。比較的參數(shù)為三個：(1)平均等待入倉貨品量：系統(tǒng)中排隊等待進(jìn)入倉庫存放的貨品數(shù)量；(2)平均等待入倉時間：貨品從開始排隊到進(jìn)入倉庫的等待時間；(3)平均存放時間：貨品從開始排隊進(jìn)入倉庫到離開此倉庫，發(fā)往其他地方的時間。

仿真中假定貨品到達(dá)服從到達(dá)強(qiáng)度為λ的平穩(wěn)泊松過程，入倉存放時間服從參數(shù)為μ的負(fù)指數(shù)分布，倉儲點的存儲強(qiáng)度ρ=λ/μ,仿真過程中要求ρ<1，否則等待入倉貨品將排至無限長。貨品入倉擺放規(guī)則是選擇最接近貨品體積的空閑空間進(jìn)行擺放，主動倉儲調(diào)度算法的終止條件以算法的迭代次數(shù)n作為閾值。倉庫總空間設(shè)為100000，一件貨品的體積在[1,200]之間滿足均勻整數(shù)分布。

圖5顯示了采用不同迭代次數(shù)的主動倉儲調(diào)度算法和不執(zhí)行算法的倉儲系統(tǒng)在不同的貨品到達(dá)率下的平均等待入倉貨品量?？梢钥闯觯S著貨品到達(dá)率λ的增加，等待入倉貨品量都顯著增加，但采用主動倉儲調(diào)度算法后，等待入倉貨品量要比不采用調(diào)度算法的等待量更少，主動倉儲調(diào)度算法中迭代次數(shù)增加，等待入倉貨品量會相應(yīng)減少，當(dāng)?shù)螖?shù)增加到一定值(圖5中n=8)，等待入倉貨品量不再減少，表明倉庫的容量已被優(yōu)化調(diào)整到極限。

圖5　采用不同迭代次數(shù)的主動倉儲 　調(diào)度的等待入倉貨品量

圖6和圖7顯示了采用不同迭代次數(shù)的主動倉儲調(diào)度算法和不執(zhí)行算法的倉儲系統(tǒng)，在不同貨品到達(dá)率下的平均等待入倉時間和平均存放時間，同樣可以看出，采用主動倉儲調(diào)度算法后，等待入倉時間和存放時間都要比不采用調(diào)度算法的等待入倉時間和存放時間更少，而迭代次數(shù)的增加會使入倉等待時間和總的存放時間都相應(yīng)減少，同樣當(dāng)?shù)螖?shù)增加到一定值(圖5中n=8)，這兩個參數(shù)也不再減少，因為圖5中已顯示n=8時，增加迭代次數(shù)不會再減少等待入倉貨品量，顯然，等待入倉時間和存放時間也不會再減少。

圖6　采用主動倉儲調(diào)度后的平均等待入倉時間

圖7　采用主動倉儲調(diào)度后貨品的平均存放時間

圖5、圖6、圖7的仿真結(jié)果都表明主動倉儲調(diào)度算法能有效提升倉儲吞吐量，從而降低貨物入庫的阻塞量和排隊時間。

六、 結(jié)束語

從宏觀的角度來看，我國東部一些省份和沿海港口城市在制定物流發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)上，部分物流項目已經(jīng)投入實際運行。隨著投入運行的物流項目產(chǎn)生出日益增大的經(jīng)濟(jì)效益，一些港口城市和中心城市紛紛將物流業(yè)列為城市的支柱產(chǎn)業(yè)或新興產(chǎn)業(yè)予以支持。典型的如深圳將物流業(yè)確定為今后發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)；上海市原來規(guī)劃成為國際金融與貿(mào)易中心，現(xiàn)又增加了一個國際航運中心，即國際物流中心。物流的蓬勃發(fā)展也使得一些內(nèi)陸省市，如武漢、成都、西安等城市都力爭將物流業(yè)作為今后發(fā)展的重點產(chǎn)業(yè)。

具體到電商企業(yè)或物流企業(yè)，電子商務(wù)的飛速發(fā)展對物流支撐體系的時效性提出了愈加嚴(yán)格的要求和挑戰(zhàn)，出于商業(yè)成熟度和交通便利性的考慮，電商通常會把自己物流網(wǎng)絡(luò)中的倉儲點選擇建設(shè)在一線城市或省會城市。物流的時效性要求倉儲點必須有大規(guī)模的倉庫建設(shè)來接納眾多貨品，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)運分發(fā)。對于一線城市或大多數(shù)省會城市“寸土寸金”的情況，這種時效性要求無疑會大大加重倉儲建設(shè)成本，因此時效性和成本是倉儲建設(shè)和管理中相互制約的矛盾，需要對二者進(jìn)行有效平衡。本文據(jù)此設(shè)計了主動式倉儲調(diào)度策略及算法，其本質(zhì)是盡可能減少“倉儲碎片”，把若干零散的“倉儲碎片”合并成更大的空閑空間。在不盲目擴(kuò)大倉儲建設(shè)規(guī)模的情況下，主動式倉儲調(diào)度算法能有效提升倉儲點的貨物吞吐量，減少貨品等待入倉時間和積壓排隊，也就保證了整個物流網(wǎng)絡(luò)的時效性。通過和現(xiàn)代物流管理信息系統(tǒng)的結(jié)合，主動式倉儲調(diào)度算法在降低倉庫建設(shè)成本和提升物流管理水平等方面都具有良好的實用價值和推廣意義。

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