仓储和MH系统决策模型的设计优化与管理外文翻译资料

 2022-11-04 16:21:19

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仓储和MH系统决策模型的设计优化与管理

1.引言

对于许多公司来说，仓储和物料搬运（MH）基本上是非增值活动。在货架上存储产品或在仓库内移动其货架位置并不添加产品的价值。实际上，仓储和装卸搬运是供应链的重要组成部分，并在提高效率和提高客户满意度方面发挥重要作用。仓储和物料搬运能够满足匹配供应商供应客户需求的目的，同时能够起到调节季节性产品需求，产品整合，产品或包装和产品配送活动的作用。此外，对于某些服务提供商，例如物流/移植公司和第三方物流提供商来说，部分仓储和MH活动，包括个性化包装或修理产品是增值活动，因为他们的客户愿意为这些关键服务付费。

仓储和MH涉及解决生产/分配系统和经济学研究中的大量重要的设计和操作问题。对于企业管理者，从业人员，公共和私人研究（包括学术研究）来说，仓储和MH都是感兴趣的关键话题，因为它们能够影响成本、效率、利润、环境影响、风险、维护、安全和人体工程学。

确定仓库的位置及其设计是在许多供应链设计项目开始时必须解决的战略问题。重点要如何确定仓库的大小，通常根据单位负载/机架类型的存储位置数量来衡量。仓库的大小取决于应用程序和仓库类型，以及在峰值和非峰值时间期间预期的存储和检索事务数量以及其他许多因素。后者取决于供给，需求及其时机。一旦确定了仓库大小，就需要对其占地面积，高度和其他因素做出决定。选择合适的物料搬运设备会对占地面积以及高度决定产生影响，反之亦然。除了尺寸，占地面积和高度确定之外，还必须确定仓库中关键区域的大小，如接收/运输，储备，前进，分期，分拣和交叉对接的规模必须确定。

同样，MH设计的重点是如何选择具体和适当的技术用于将产品移入和移出储备和交叉泊接区域中的存储/分级。一旦为每个区域选择了适当的技术，必须确定所需数量的装置，例如叉式起重车，自主车辆，输送机能力等。

近年来，为了满足客户日益增长的个性化需求，许多公司重新构建了供应链。仓储系统和MH系统在供应链中发挥重要作用，因此重新构建的供应链中仓储和搬运操作的要求大大增加。 客户在订单精确度和响应时间，订单频率，订单数量和订单大小方面的需求随着全球经济和当前需求趋势（例如电子商务）而急剧变化。本文对仓库和MH系统设计和管理的主题进行了讨论，目的是最大限度地降低运营成本和运营时间，同时提高供应链性能。

选择和使用适当的仓储和MH系统可以提高客户服务水平和降低物流成本。例如，在食品工业供应链中，即使当生产工厂和最终需求点（消费者位置）位于遥远的国家时，并且复杂的分销系统涉及多方如分销商，批发商，经销商和其他人时，适当的仓储和MH系统也能保证易腐产品及时到达消费者的位置。仓储和MH的基本任务是在合适的时间将适当的数量的产品在没有损坏或改动的情况下有效地运输到正确的地方。安全、质量、可用性和成本是仓储和MH系统的重要指标。其他指标包括自动化水平，订单拣选系统（尤其是快速增长的电子商务部门），工厂布局，旅行时间，吞吐率，路由，存储分配，存储分配，批处理和分区等等。因此，新型的仓储和物料搬运系统的研究设计是必要的。

本文的主题是在仓储和MH系统中开发和应用先进的模型、解决方案和技术; 即用方法，算法，工具和新技术系来设计管理和优化系统和设备，以及使用有效的软件和硬件解决方案在供应链中移动产品通过生产/分配系统。

本文的其余部分组织如下。第2节强调了该领域最近的一些发展。第3节说明为特殊问题选定的论文的内容。 最后，第4节提出了进一步研究的主要意见。

2. 仓储和MH系统的技术及问题

本节不是作为一个广泛的文献综述。相反，本节只想强调该领域最近或值得注意的一些发展。Gu et al（2007）描述了入境/出境过程并审查了文献，同时根据分析范围，采用的方法和观察仓库的类型对文章进行分类（例如，自动化，常规多通道存储系统）。

通常，为仓储和MH过程开发的模型是非多项式（NP），并且具有大量的真实世界数据要管理。因此，为仓储和MH开发用户友好和永恒的解决方案是基于计算机的应用程序的雄心勃勃的目标。

仓库在支持全球供应链的成功方面发挥关键作用，特别是在许多产品，许多设施（通常位于广泛的地理区域，例如全球），多个决策者和参与者的情况下。 在1990年代和2000年代期间，仓储系统的文献非常广泛，许多关于仓储和MH系统的设计，管理和控制的研究已经被提出。例如由De Koster等人 （2007），Rouwenhorst et al（2000），Gu et al（2007，2010）和Dallari et al（2009）。

Rouwenhorst et al（2000）提出了仓库设计和控制问题的框架和分类方案。 特别地，它们采用三个不同的角度，仓库和类似地MH系统可以被看作：过程，资源和组织，其包括规划和控制过程。主要仓库流程包括接收，存储，拣货（OP）和运输。 关于资源，主要类型是：存储单元，包括手动（拾取器到部分）和自动（部分到拾取器）解决方案的存储系统，其他设备和支持（例如条形码扫描器），计算机系统， MH车辆等。

拣选（OP）系统是一种特殊的仓储系统。OP系统是将大的和相对均匀的供应材料依据客户的需求转换成的小，频繁的输出量。小且频繁的输出量是为了满足客户订单。 一般来说，OP过程是所有手动仓库操作中最劳力密集的活动，特别是对于小于单位负载OP，由于处理的项目形状和大小的可变性。平均而言，OP的成本估计为总仓库运营成本的55％。

OP系统有两种常见的布局类型。第一种类型称为多级拾取，直接从存储位置执行高级拾取，这些存储位置都可通过拾取设备（例如，转塔卡车或订单拾取卡车）访问。另一种称为远期储备，从易于访问的前方区域执行低级拣选，保存大型预留存储区域中的每个产品的大量库存。OP系统中的向前或快速拾取区域是仓库中的区域，其中大多数库存量单位是相当小的量存储，使得大量和多样的在相对较小的区域中，拾取器可以访问库存量单位。在优化快速拣选区域时要解决的主要问题是：

（1）哪些项目要存储在快速选择区？

（2）每个项目要存储多少？

（3）使每个项目的行程、搜索和采集时间最小化的最合适位置在哪里？

在OPS（订单拣选系统）中的两个最重要的问题，是第二和第三个问题，是存储分配和如何确定存储分配的问题。

存储分配问题，即Cahn（1948）提出的如何确定产品到存储位置的分配，这个问题涉及到如何减少拾取时间和成本的方法。存储分配问题由Frazelle和Sharp（1989）形式化的，并被归类为非多项式（NP）硬问题。因此，为了在合理的时间内获得对这个问题的有效解决方案， 已经开发并应用了各种启发式过程。

Bindi等人提出（2009）阐述了OP系统中基于相似性的存储分配策略；Manzini（2012）研究了关于OP系统的设计，管理，控制和优化的方法；Accorsi等（2014）应用了一个集成的决策支持系统来设计和管理存储系统。

OP系统可以被分类为选择器到部分系统，主要由手动活动（例如步行和拾取系统或者板上存储/检索机器）以及部分到拾取器系统支持，其通常使用自动化以将零件容器带到拾取器。一些用于研究基于微型AS / RS的部分选择器系统的分析模型最初由Bozer和White（1990,1996）提出。

大多数自动化仓库在实践中利用四种类型的存储和检索（S / R）设备或系统中的一种。在列出这些之前，重要的是要理解，自动化仓库通常用于高吞吐量应用中，其中产品在存储机架中花费从几天到几周的时间长度。 这种仓库通常具有100英尺高的单深度存储机架，由窄的，正交通道仅与自动存储和检索装置在执行存储和检索功能时移动负载所必需的宽度一样宽。

高层仓库要求S / R装置在三维（x，y和z）中的一个或多个方向上移动，即在水平方向上在正交方向上和在垂直方向方向上，使得它可以访问存储在任何通道或任何水平的任何存储机架上的产品。因此，S / R装置可以被分类为能够在以下维度上移动的装置：

（1）x或y维度没有限制但在z维度上移动有限或没有移动的设备。例如 滚动梯，叉车或包括作业范围限于几层自动配对起重机。

（2）x或y维度及z维度上具有完全移动能力的设备，例如自锁存储和检索起重机。

（3）在x，y和z维度上的完全移动，例如 通道自动存储和检索起重机和使用电梯用于垂直运动的自动车辆存储系统。

典型的自动存储和检索系统（AS / RS）在每个过道都有专用的存储起重机（参见Kouloughli和Sari，2015）。起重机可以自动地存储和检索单元负载，或者起重机上的人可以执行OP。 这种设计通常需要将起重机专用于一个过道。 然而，在过道内，起重机可以在任一侧访问整个存储机架，并且其可以在几分钟内经常地为每个存储或取回请求服务。 单元负载AS / R系统一直是深入研究的主题，有大量关于其设计和操作的论文发表。 然而，只有少数论文集中于为随机到达存储/检索请求的系统的吞吐量性能开发分析/排队模型; 参见例如Bozer和Cho（2005），Hurand Nam（2006）和Ekren等人 （2014）。

Ekren等人（2012）定义了一个有趣的自动化存储系统类是自主车辆存储和检索系统（AVS / RS）。该系统由多个独立的层（层）组成，每层通过位于仓库中多个位置的电梯连接到其他层。 自主车辆能够使用两组独立的电动机在x和y维度上移动，并且使用z维度的升降，即在层之间移动。

关于AVS / RS的讨论可追溯到2002年（Malmborg，2002）。Malmborg（2002）提出了一种模型来估计车辆利用率和周期时间，作为层级AVS / RS中的存储柱、层、车辆和电梯的数量的函数。

AVS / RS的研究区分两种不同的解决方案：所谓的层到层配置和层捕获配置。第一，车辆使用电梯从存储架的一层移动到另一层。在层级捕获配置中，每个车辆专用于单个层，并且电梯仅用于将单元负载移动到目的地。Marchet等人 （2013）确定了与AVS / RS机架设计相关的一些研究配置，主要侧重于具有层到层配置和托盘化单元负载作为处理单元的系统。特别地，Marchet等人 （2013）侧重于层级捕获配置和开发基于成本的模型来确定系统布局并验证分析使用模拟方法。

一些特别关注自动化解决方案的研究提出了用于人工挑选器到产品和自动匹配的产品到选择器的行进时间确定的模型和方法。特别地，Gu et al。 （2010）将这些模型分类如下：（1）单元负载AS / RS（单指令，双指令，多梭）；（2）板载AS / RS；（3）过道AS / RS；（4）转盘和旋转架；（5）传统的多通道系统。

随着MH技术，物流，电子商务和其他因素的发展，仓库的作用变得更加重要。因此，设计师、用户和研究人员已致力于与仓储和MH相关的重要设计和操作问题。 最近的研究问题在下面讨论。

2.1 仓库设计问题概述

2.1.1 仓库布局

仓库的布局取决于许多因素，但主要因素是仓库内各个“部门”的面积。仓库中的三个主要区域是前方，储备和码头。 Heragu et al（2005）提出了一个有效的数学模型，不仅将产品分配到仓库内的三个区域，以最小化存储和处理成本，但在此过程中，它根据每个平均库存量确定仓库的三个区域的大小。Roodbergen et al（2015）确定走道布局（数量主通道，交叉通道，它们的长度）和路由策略。

2.1.2 鱼骨架设计

四十多年前，弗朗西斯和怀特（Francis and White，1974）提供了一个模型来确定一个矩形仓库的尺寸，使建筑成本（作为毫米的函数）和旅行成本最小化。他们提到，如果只将旅行成本最小化，那么根据输入/输出（I / O）点和距离度量的数量，在理论上从圆形到菱形到梯形的形状是可能的。令人惊讶的是，这种讨论最近以鱼骨布局的名义重新出现（见Gue和Meller，2009）。在一些有限的假设（单元负载，随机存储，单I / O点和单指令事务周期）下，Gue和Meller（2009）提出了一个鱼骨布局，并表明它有效地最大限度地减少了20％的差旅费用。该模型不考虑建筑成本。存在一些关于这一主题的后续文件，包括将项目分配到具有鱼骨设计的位置的那些（例如Pohl等人，2011）和其他检查这种和其他布局的效果的后续文件（例如Cardona等人，2012，Ouml;ztuuml;rkog˘luet al。，2014）。

2.1.3 建立分析模型

Bozer（1978）首次提出了自动化仓库的分析设计模型。 随后，这一主题由Ashayeri等人 （1985）和Malmborg（2002）再次提出。 由Malmborg提出的设计概念是在选择和构建最终设计之前开发替代设计思想的过程。在此过程中，仓库设计人员和物料处理系统集成商开发，识别和评估替代仓库配置和相应的物料搬运系统。 选择几个设计来评估每个设计相对于重要的操作性能指标。 这种评估通常通过模拟来完成。通过该过程选择的最终设计被进一步改进，使得实现所需的操作效率并满足所需的客户特定吞吐量要求。

Ekren et al。 （2014）倡导使用分析模型用于设计概念（而不是模拟），因为可以开发和测试数百种替代配置，而不是关键的操作性能测量，而不是模拟可能的少数。事实上，系统集成商可以快速检查数百个初步设计，并将其缩小到几个 - 两个或三个，然后可以通过模拟详细评估。众所周知，分析模型比模拟模型更抽象，后者相对于他们能够表示的现实更详细，但是在设计概念阶段早期采用模拟来分析hundreds是太费时的替代配置。设计师或系统集成商可以考虑完全不同的仓库配置，从具有相对小的占地面积的高层仓库到仅具有几个层级（例如六至八个）的仓库，但是具有更大的足迹，然后将选择范围缩小到较小的集合。如上所述，这些可以通过模拟进一步分析，然后可以选择满足客户要求的最终设计。这个设计过程比传统的设计过程更丰富，因为它允许探索大部分的设计空

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