通道式自动分拣系统的配置优化研究
SlottingOptimizationforDispenser-BasedAutomatedOrderPicking
System
【作者】刘鹏；【导师】吴耀华；
【作者基本信息】山东大学，系统工程，2011，博士
【摘要】随着社会经济的不断发展,配送中心内部多品种、小批量、高时效的货物拣选需求日益增多。在已有的拣选技术中,通道式自动分拣系统最适合处理多品种、小批量订单货物的快速分拣,能够在提高分拣准确率及分拣效率的同时降低人员劳动强度,目前已逐渐开始应用于烟草、医药等行业的配送中心。通道式自动分拣系统是一类由多种不同吞吐量的通道式分拣设备组合而成的自动分拣系统。该系统的使用虽然可以提高分拣效率,但同时需要增加较多的设备固定投资、人员补货成本并占用一定的空间。因此,设计者和使用者都希望找到一种优化的配置方式,在保证分拣效率的前提下,最小化这种系统的设备投资、人员成本及占地面积。通道式自动分拣系统的配置优化问题包括通道配置优化、品项配置优化、品项分配优化三个子问题。其中,通道配置优化指确定通道的最优长度、最优数量；品项配置优化指确定采用通道式自动分拣系统进行分拣的品项(品项优选、确定品项与通道的对应关系(品项拆分优化和确定品项占用通道的数量(通道配比优化；品项分配优化指确定品项的最优布局。同时,配送中心所需要处理的品项数量往往较多,这使得配置优化问题的求解变得更加复杂,亟需一种定量且快速的计算方法,帮助设计者和使用者做出决策。已有的研究工作往往只在人工补货模式下解决了通道式自动分拣系统配置优化问题的一个方面或者仅仅针对通道式自动分拣系统的一个组成部分进行了配置优化的研究,提供的方法也多为定性的分析方法,无法提供一个全面且易于实践应用的解决方案。基于此,本文提出通道式自动分拣系统的配置优化问题,并综合运用订单分析、排队理论、聚类分析、迭代优化方法等工具,从自动补货和人工补货两个角度对实际规模的问题进行了全面的研究和探讨。在研究该问题过程中,本文的主要内容与研究成果如下：1.基于订单分析的自动补货通道配置优化。首先全面分析了由两种自动补货通道组成的通道式自动分拣系统的工作原理；其次从品项单订单需求量和订货总量两个角度对原始订单数据进行了深入分析,引入“虚拟通道”的概念,将通道配置优化问题拆分成两个子问题,提出了一种“先集中、后拆分”的两阶段方法。第一阶段,假设一个品项仅占用一个较长的虚拟通道,且通道的长度不受限制。在此基础上,根据订单的订单品项数量(Entry-Item-Quantity,EIQ分析,在模盒循环补货和穿梭车往复补货两类自动补货模式下,分别求解了每个品项对应虚拟通道的最优缓存量。第二阶段,根据实际设备的参数,以设备成本和场地成本之和最小为目标,建立了整数规划模型,将虚拟通道拆分成多个实际的拣选通道。某地市级卷烟物流配送中心的实际应用案例表明,采用本章提出的通道配置优化方案,能够在满足订单需求的基础上有效降低占地面积和设备投资成本,提高配送中心的场地及设备利用率。2.模盒循环补货模式下的品项分配优化。主要研究模盒循环补货模式下,如何求解满足补货需求的最少模盒数,以及能够提高模盒工作效率、减少模盒运行过程中停滞时间的品项分配优化方法。求解过程分成两个阶段：第一阶段,假设模盒能一直不停滞地补货,利用排队论模型求解满足补货需求的最少模盒数,通过实例验证,模盒从原来的42个减少到25个,在满足补货需求的基础上充分提高了模盒的利用率,大大降低了设备投入；第二阶段,考虑模盒在补货过程中会出现停滞的环节,采用“先聚类、后排序”的方法,先将补货请求产生时间接近的品项进行聚类,再按照品项订货总量排序,得到品项分配的优化方案。利用仿真平台IMHSSim/Animation对品项分配优化前后的方案进行补货过程的仿真,结果表明品项分配通过先聚类后排序的优化后,补货过程中模盒的停滞时间得到了有效地降低,这也使得第一阶段求解出的最少模盒数在实际应用中更具有参考价值。3.人工补货模式下的品项配置优化。在全面分析DAOPS-2PD-MR系统补货模式的基础上,考虑安全库存,提出了补货成本的估计方法。基于扩展的流模型,以某种类型的通道式分拣设备的总补货
成本最小为目标,以每个品项分配该类设备的通道数为参数,考虑场地约束,建立了非线性规划数学模型,求解高吞吐量分拣设备和低吞吐量分拣设备的通道配比优化问题,并采用数学归纳法进行了证明。同时,为了确定每类分拣设备通道所占的最优空间,讨论了通道式自动分拣系统快速拣选区缓存空间资源的最优配比问题。最后,考虑通道式自动分拣系统的总体补货成本,解决了品项拆分优化子问题。根据通道式自动分拣系统的固有特点,设计了基于流量序列的启发式算法,有效降低了求解大规模问题的时间复杂度。实例分析证明,相比传统的
