卷煙倉儲作業(yè)流程優(yōu)化方法與仿真

安樹科，徐良杰，錢良輝

（1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

1 引言

從當(dāng)前煙草物流管理現(xiàn)狀來看，卷煙倉儲常常存在全程動態(tài)追蹤難、儲存位置不確定、周轉(zhuǎn)率不高、數(shù)據(jù)采集和倉儲作業(yè)繁瑣等問題。為了改善倉儲管理，提高倉儲作業(yè)效率，我國也在大力研究和發(fā)展相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，基于高新技術(shù)的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化以及貨位分配方法的相關(guān)研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的熱切關(guān)注。

針對倉儲流程優(yōu)化問題，國內(nèi)外學(xué)者做了許多研究，提出了具體的改善措施，并做了案例分析。譚慧[1]和張兵[2]等通過RFID技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計了倉儲作業(yè)流程方案,并說明了RFID倉儲管理系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能。Hadi-Vencheh等[3]基于層次分析的ABC分類法的研究，有效的控制庫存，能夠確定合理的訂貨策略。Ribino等[4]通過研究自動化倉庫在特定因素影響下的行為，從而確定改進(jìn)倉庫績效決策的指標(biāo)，為后期改善方案提供支持。

針對立體倉庫的貨位分配優(yōu)化問題，學(xué)者們一般通過建立優(yōu)化分配模型，確定優(yōu)化目標(biāo)，實現(xiàn)庫位或者庫存的最優(yōu)[5-6]。Fan等[7]考慮了一種單一產(chǎn)品的庫存和倉儲決策，其考慮了倉庫的規(guī)模與動態(tài)的貨物批量之間的關(guān)系。張貴軍等[8]提出了一種基于精英多策略的貨位分配優(yōu)化方法，考慮了貨物重量、出入庫頻率和出入庫時間等因素建立了貨位分配優(yōu)化模型。另外，還有許多學(xué)者通過建立多層規(guī)劃模型來研究貨位分配問題，其主要區(qū)別在于優(yōu)化目標(biāo)的選取有所不同，例如：Jing等[9]考慮將項目分組和貨位分配分別作為上下層優(yōu)化目標(biāo)；鄂曉征等[10]考慮將作業(yè)效率和貨架穩(wěn)定性和安全性作為優(yōu)化目標(biāo)；彭小利等[11]考慮將異品種分區(qū)、重物低放、相關(guān)品近放作為優(yōu)化目標(biāo)。

國內(nèi)外學(xué)者針對倉儲優(yōu)化和貨位分配做了大量的研究，但是在流程優(yōu)化方案的實施方面并未做深入的量化研究，在庫位分配方面的研究一般是結(jié)合某品類物品的特性建立優(yōu)化模型。卷煙由于其包裝、重量等規(guī)格都是一致的，因此其貨位分配問題有別于其他貨物的分配，并且以往貨位分配時忽略了叉車和堆垛機(jī)對倉儲效率的影響。因此本研究將采用層次分析法分析卷煙倉儲過程中存在的問題，結(jié)合RFID技術(shù)、卷煙分類和貨位分配法等方法優(yōu)化卷煙倉儲流程，最后通過Flexsim仿真驗證優(yōu)化效果。

2 基于層次分析法的作業(yè)流程排序方法

卷煙由于其產(chǎn)品特殊性，產(chǎn)銷統(tǒng)一調(diào)配，因而具有獨(dú)立的物流系統(tǒng)，其中物流中心作為物流系統(tǒng)中很重要的一個環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)卷煙的倉儲和統(tǒng)一調(diào)配工作。在入庫環(huán)節(jié)當(dāng)前一般通過零散到達(dá)和整盤到達(dá)相配合。在整個倉儲過程中將涉及到叉車、傳送帶、堆垛機(jī)、貨架等眾多環(huán)節(jié)，選擇關(guān)鍵堵塞點(diǎn)做出優(yōu)化不僅能夠提高倉儲的效益而且能夠最大程度的降低優(yōu)化成本。

層次分析法是一種將問題分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次的分析決策方法，其可以根據(jù)咨詢專家組的意見確定相應(yīng)的權(quán)重大小，進(jìn)而靈活準(zhǔn)確地得到待解決問題的方案順序，因而也適用于倉儲作業(yè)流程問題分析?；趯哟畏治龇ǖ淖鳂I(yè)流程問題分析步驟如下：

（1）設(shè)定：目標(biāo)層為流程優(yōu)化環(huán)節(jié)；準(zhǔn)則層以工作效率、吞吐量和信息化水平為優(yōu)化環(huán)節(jié)方案選擇的準(zhǔn)則；方案層包含具體備選優(yōu)化方案：叉車、堆垛機(jī)、貨架、入庫形式和包裝環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型

（2）構(gòu)建準(zhǔn)則層中各要素的相對比較矩陣。根據(jù)各要素對倉儲管理性能的重要性采用1-9的矩陣元素標(biāo)度確定相對權(quán)重，構(gòu)建判斷矩陣A（各標(biāo)度數(shù)值均采用走訪相關(guān)專家和物流中心管理人員的意見并取平均值）。其中各標(biāo)度數(shù)值均采用走訪相關(guān)專家和物流中心管理人員的意見并取平均值而得到。

從判斷矩陣看出卷煙倉儲管理指標(biāo)的重要性程度排序依次是工作效率、吞吐量和信息化水平。計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量分別為：λmax=3.018 3，W（1）T=（0.915 7,0.348 5,0.200 0）。對A進(jìn)行一致性檢驗，求得一致性比率CR=0.016＜0.1,通過一致性檢驗。

（3）構(gòu)建各準(zhǔn)則要素對不同備選方案的判斷矩陣，確定各備選方案在相應(yīng)準(zhǔn)則條件下的權(quán)重（標(biāo)度值亦采用專家推薦值）。判斷矩陣分別為 B1、B2、B3。比較矩陣的一致性比率值均小于0.1，通過一致性檢驗。

（4）求解各備選方案在不同準(zhǔn)則下權(quán)重矩陣的最大特征向量，將各特征向量組成矩陣W（2）。備選方案的權(quán)重向量W如式（1）所示。

其中：

W(1)為準(zhǔn)則層判斷矩陣的特征向量；

W(2)為方案層各判斷矩陣特征向量組成的矩陣。

經(jīng)計算得權(quán)重向量W=(0.591 5,0.432 4,0.892 0,0.546 4,0.181 4)。權(quán)重向量中的值與各評價方案相對應(yīng)，即權(quán)重排序依次為：貨架＞叉車＞入庫環(huán)節(jié)＞堆垛機(jī)＞包裝環(huán)節(jié)，權(quán)重值的大小代表在流程優(yōu)化時的優(yōu)先順序，因此本文擬結(jié)合RFID技術(shù)綜合優(yōu)化貨架、叉車、堆垛機(jī)以及入庫環(huán)節(jié)。

3 基于RFID技術(shù)與ABC分類法的儲位優(yōu)化分配模型

針對層次分析法研究得到的優(yōu)化選擇方案，在入庫環(huán)節(jié)托盤全部采用RFID電子標(biāo)簽記錄當(dāng)前托盤存儲情況，儲位前端裝RFID電子標(biāo)簽記錄當(dāng)前貨架存儲情況，叉車和堆垛機(jī)安裝RFID讀寫器?；谝陨细纳?，結(jié)合改進(jìn)的R-R模型，研究儲位分配優(yōu)化建模方法。

3.1 RFID電子標(biāo)簽內(nèi)容設(shè)計

（1）托盤RFID電子標(biāo)簽。記錄該托盤從出廠到拆盤整個流程的信息，RFID電子標(biāo)簽需要滿足能夠多次讀寫的要求。托盤RFID記錄的內(nèi)容包括：電子標(biāo)簽編號、卷煙名稱、規(guī)格、數(shù)量、出廠時間、入庫時間、出庫時間等。

（2）儲位前端電子標(biāo)簽。記錄貨架各儲位的卷煙出入庫和在庫情況。儲位前端RFID記錄的內(nèi)容包括：托盤電子標(biāo)簽編號、托盤儲位、上下架時間等。

3.2 優(yōu)化分配模型

本文在Ramanathan[12]的貨物分類R-R模型基礎(chǔ)上，考慮不同儲存策略下單品種貨物的數(shù)量、權(quán)重等，結(jié)合叉車和堆垛機(jī)對儲位分配的影響，提出了基于ABC庫存分類方法的儲位優(yōu)化分配模型，即品種少且需求量大的卷煙優(yōu)先儲存于外側(cè)貨架的底部，反之儲存于內(nèi)部貨架的頂部。

（1）優(yōu)化模型建立

其中：

（1）si表示在M種貨位分類下，第i類卷煙的庫位值;

（2）Q為卷煙類別總數(shù)；M為分類標(biāo)準(zhǔn)總數(shù);

（3）Wij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的權(quán)重大?。?/p>

（4）yij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的周轉(zhuǎn)率；

（5）Xij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的叉車行走距離，λij為對應(yīng)的權(quán)重;

（6）Tij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的堆垛機(jī)行走距離，βij為對應(yīng)的權(quán)重。

計算所有Q種卷煙的最優(yōu)庫存值，需要對模型重復(fù)運(yùn)行Q次，最后根據(jù)Q各值的大小對儲位做動態(tài)劃分。根據(jù)優(yōu)化模型可知，卷煙在貨位選擇時不僅考慮了其周轉(zhuǎn)率和重要程度(優(yōu)先級別)，還添加了叉車和堆垛機(jī)行走距離對倉儲效率的影響，使貨架的儲存效果更好。

4 基于Flexsim的仿真評價方法

本部分?jǐn)M采用Flexsim軟件以日吞吐量、叉車?yán)寐屎投讯鈾C(jī)行走距離為優(yōu)化評價指標(biāo)對前述模型方法進(jìn)行驗證評價。通過對優(yōu)化前后倉儲系統(tǒng)做仿真分析，進(jìn)而驗證優(yōu)化效果。

4.1 仿真背景

本文以某煙草公司物流中心做仿真優(yōu)化研究，該公司物流中心最大庫容7 500件（箱），當(dāng)前日平均分揀量3 498件?，F(xiàn)做以下假設(shè)：

（1）不考慮設(shè)備的故障問題，每日工作時間為AM 7：00-PM 19：00，共計12h，仿真時間為一周。

（2）在貨物配送和儲存時，每15件卷煙包裝成一托盤，每件含有25條卷煙。

（3）通過調(diào)查該公司的到貨時間以及日均分揀量計算得知，托盤貨物到達(dá)的時間間隔服從均值為17.8s的正態(tài)分布。

（4）傳送帶的速度為1m/s。

4.2 仿真建模

基于Flexsim首先構(gòu)建倉儲作業(yè)系統(tǒng)的各個實體模型，根據(jù)作業(yè)流程順序關(guān)系建立起各個實體之間的邏輯關(guān)系，再構(gòu)建各實體的數(shù)據(jù)模型。卷煙倉儲物流系統(tǒng)仿真模型架構(gòu)如圖2所示。

圖2 卷煙倉儲物流系統(tǒng)仿真模型架構(gòu)

4.3 仿真輸出結(jié)果

（1）物流中心吞吐能力分析。物流中心的吞吐能力主要體現(xiàn)在仿真過程中其出入庫的數(shù)量。通過仿真得到優(yōu)化前后物流中心出入庫情況統(tǒng)計見表1。

表1 優(yōu)化前后物流中心吞吐能力（單位：托）

當(dāng)前狀態(tài)下，總共進(jìn)入物流中心完成入庫的有2 004托貨物，以每托15件計算，即30 060件貨物；完成出庫復(fù)核并裝車離開的貨物總數(shù)為1 890托，即28 350件，整個一周時間總的吞吐量為58 410件，吞吐能力為8 344件/天。同理，優(yōu)化后的模型在運(yùn)行期間，總共完成入庫的有2 212托貨物，即33 180件卷煙；完成出庫復(fù)核并裝車離開的貨物總數(shù)為2 089托，即31 335件，其吞吐能力為9 217件/天。

（2）叉車?yán)寐省７抡婺Ｐ椭泄灿?輛叉車，在整個作業(yè)過程中優(yōu)化前后工作效率狀態(tài)如圖3所示（左側(cè)為優(yōu)化前，右側(cè)為優(yōu)化后）。從圖中可以看出，優(yōu)化前兩輛叉車?yán)寐史謩e為75.23%和87.63%，平均設(shè)備利用率在81.43%，優(yōu)化后它們的工作效率分別增加至90.81%和92.51%，平均設(shè)備利用率達(dá)到91.7%。

圖3 優(yōu)化前后叉車?yán)寐?/p>

（3）堆垛機(jī)行走距離。仿真模型中一共采用了三臺堆垛機(jī)，分別負(fù)責(zé)兩側(cè)貨架的存取貨物。如圖4所示，左側(cè)為當(dāng)前狀況下三臺堆垛機(jī)的總行走距離分別是35.1km、34.9km和37.1km，右側(cè)為優(yōu)化后的堆垛機(jī)總行走距離，約100.3km。

4.4 結(jié)果分析

通過仿真數(shù)據(jù)對比優(yōu)化前后效果，得到改善前后的對比效果分析表，見表2。

（1）配送中心吞吐能力。由立體倉庫的入庫量和出庫量的變化可以看出優(yōu)化效果很明顯。其中優(yōu)化后倉儲系統(tǒng)日吞吐量為9 217件，較優(yōu)化前的日吞吐量8 344件/日，方案提升約為10.5%。

圖4 優(yōu)化前后堆垛機(jī)行走距離

表2 煙草配送中心優(yōu)化前后效果分析表

（2）叉車的利用率和行走距離。分析數(shù)據(jù)得知，優(yōu)化后兩輛叉車的工作利用率提高到了91.7%左右，較優(yōu)化前方案的81.4%提升了10.3%，且相互之間的負(fù)荷較為均衡。

（3）堆垛機(jī)的行進(jìn)總距離。經(jīng)過優(yōu)化，立體倉庫三臺堆垛機(jī)總的行進(jìn)距離為100.3km，以一周4 301托的吞吐量計算，平均每托盤出入庫作業(yè)堆垛機(jī)的行走距離為23m，較之當(dāng)前堆垛機(jī)行走距離27.5m優(yōu)化了8%。

5 結(jié)論

本文以當(dāng)前卷煙物流中心運(yùn)行現(xiàn)狀展開研究，采用層次分析法找出當(dāng)前倉儲作業(yè)流程的權(quán)重并進(jìn)行排序；引入RFID技術(shù)對倉儲作業(yè)流程進(jìn)行信息化管理，其中基于ABC分類法建立了儲位優(yōu)化分配模型；借助Flexsim軟件對優(yōu)化前后作業(yè)流程分別進(jìn)行仿真，對比分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案的確可以提升物流管理效率，降低成本。

本研究保留了物流中心大部分的硬件設(shè)施，在管理方法上提出了一些改進(jìn)，起到了提高效率、降低成本的優(yōu)化效果，可以為類似倉儲物流系統(tǒng)優(yōu)化研究提供思路和方法；后續(xù)研究還可以針對分揀、配送、信息管理等環(huán)節(jié)分別進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提升物流倉儲的作業(yè)能力。