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文献综述：仓库订单拣货的设计与控制
摘要
对于大多数仓库来说，订单拣货一直被认为是劳动最密集和成本最高的一项活动，订单拣货的成本估计占仓储总运营成本的55%。在订单拣货中，任何表现不佳的行为都会为该仓储带来不如人意的服务和高昂的运作成本，并常常会影响整个供应链的运行。为了达到高效运营的效果，需要对订单拣货程序进行优化设计与控制。本文主要是给出一个关于人工订单拣货程序方面存在的典型决策问题的文献综述，主要集中在最佳的（国内的）布局设计、储存分配方法、路线规划方法、订单批量处理和分区。近些年，在这方面相关的调查增长迅速，但以上这些领域的联结部分还很少有人去调查。订单拣货系统在实践中的发展会带来一个新的调查方向。
关键词：订单拣货；仓储管理；物流
- 引言
正如很多企业在他们的仓库和配送中心寻找方法来降低成本和提高产量一样，拣货作业的检索量也开始增多。订单拣货-来自仓库（或者缓冲区）对于特定顾客要求的产品检索程序-是人力系统仓库中劳动最密集的操作，在自动化系统中则是资本最密集的操作（Goetschalckx and Ashayeri 1989, Drury 1988, Tompkins et al. 2003）。基于以上原因，库存专家认为订单拣货是对提高生产量最有影响的一部分。
近些年在制造业和配送业的趋势使得订单拣货设计和管理变得越来越重要与复杂。制造业向更小批量、定点配送、订单和产品定制化发展，同时生产周期也在减小。在配送物流方面，为了更好地服务顾客，尽管需要在短时间内提供快速和及时的配送，企业往往会接受延迟订单（这样订单拣货的时间就变得更短了）。为了实现规模经济，一些较小的仓库会被较大的仓库所取代。在这些大仓库中，日常拣货量大且可用时间短，为了对顾客负责，很多企业会采取一个延期策略，该策略会带来很多增值活动（如装备、贴标签、产品或订单集合、定制包装或者是托盘化运输），这些活动主要发生在配送中心并且这些活动在订单拣货程序中是要合理安排和归类的。仓库活动还包括产品维修，材料和为了从客户产品的运营商重新分配给其他客户、回收者和原设备生产商（De Koster et al., 2002）。
订单拣货的组织会即刻影响配送中心的绩效从而影响供应链的绩效。在订单被发送至仓库和到达目的地期间，在精确度和完成度上很有可能会发成错误，更不用说时间的流失了。但这还有提升的空间，工厂提出创新的解决方案，使得生产力提升至1000单人/时是可能的。科学也正在快速进步，在过去的几十年里，很多文章就已经开始研究订单拣货程序了。研究新问题，发展新模式。但在实际和学术研究中还是存在一定的差距，因为并不是所有新的拣货方法都已经被研究了，并且布局、存储任务、订单聚类、订单发放方法、拣货路径和订单合流之间的结合只是被提出了一小部分。本文基于最近学术文献对相关问题的发展提出了一个系统的观点，通过聚焦最佳的（国内的）布局设计、储存分配方法、路线规划方法、订单分批和分区，我们在订单拣货处理的设计和控制上构建了一个典型的决策问题。一些区域并没有得到研究者的注意，实践中的创新也会带来新的研究挑战。
本文思路如下：在下一部分，我们主要是间接地描述仓库的任务和功能，同时给出一个订单拣货系统的观点。在第3到8部分，我们主要是回顾最近在订单拣货处理的设计与控制、聚焦于布局设计、储存任务、配料、拣货员路线和订单合流方面的文献。在第8部分，我们总结和讨论了潜在的研究方向。
- 仓库与订单拣货
根据ELA/AT Kearney (2004)，在2003年调查企业的物流成本中，仓库占物流成本的20%（其他活动包括增值服务、管理、仓储成本、运输和运输包装）。仓库成为企业物流系统的一个重要组成部分，经常被用来储存处在起点和消费端的货物（原材料、在制品、成品）和缓冲产品。对于“仓库”这一术语，如果它的主要功能是储存货物，则我们直接称作仓库，若为配送，则称为配送中心，不然就是转运中心、换装中心或者是平台中心。由于我们主要是聚焦于存货的订单拣货，我们在文中主要是指仓库。Lambert等人（1998）称世界上有750,000个仓库，包括技术发展水平、专业的仓库管理，还有企业的仓库和自由的设备。仓库通常需要很高的投资和运营成本（如土地成本、设备设施、劳动力等），因此，仓库存在的意义是什么？根据Lambert等人（1998）的说法，他们为许多企业的目标作出了贡献，如
- 获得运输经济（如联合运输、整箱货装货）；
- 获得产量经济（如存货式生产策略）；
- 利用批量购货和预购折扣；
- 支撑企业的顾客服务策略；
- 满足不断变化和不稳定市场的需求（如季节性需求、需求浮动、竞争）；
- 克服产品与客户之间存在的时间差和空间差；
- 实现以最低的物流总成本、同等的顾客服务水平完成同量的服务需求；
- 支持供应商与顾客的即时要求；
- 给顾客提供一系列的而不只是单一的服务（也就是合并）；
- 为材料的配送和回收提供暂时储存服务（也就是回收物流）；
- 为转运提供储存位置（也就是直达配送、直接换装）；
在一些特殊的情况（如精实生产、虚拟销售、直接换装）下，储存在供应链的作用会被削弱一些。但是，在大多数供应链中，原材料、零配件和产品储存任然需要储存。也就是说，在企业物流过程中，仓库任然是被需要的并且起到很大的作用。
仓库流程
表1显示了仓库中典型的功能区和生产线，仓库主要活动有：接收、转运、分发、订单拣货/分拣、累积/分拣、直接换装和运输。
表1 典型仓库功能与流水线 （Tompkins等人，2003）
收货活动包括从运输工具上卸下货物、上传存货记录、检查货物是否有数量或质量上的问题。转运和储存包括到达产品到存储区的转运，这还可能包括重新包装（如整件货物拆成小票货或者是标准箱）和物流移动（从接收点到不同的功能区，在这些区域之间，从这些区域到运输点）。订单拣货/选择在大多数仓库中是主要的活动，它包括了获得正确的数量和产品的顾客订单的程序。如果订单已经是批量的，那么把很多订单分拣成独立（按顾客）订单的聚累/派发是很有必要的。在这种情况下，拣选的过程是以顾客订单成组分类。拣货完成之后，订单往往会以一个装载单位打包（如一个托盘）。直接换装是指收到的货物直接被转运到装运台（可能需要短暂的停留和服务，但是没有订单拣货）。 订单拣货
订单拣货包括顾客订单的分类和安排程序、安排库存货物从库存位置到订单线、把订单释放到下一部门、从存贮位置拣选物品和拣选物品的安排。顾客订单包括订单线，每条线路都是对应唯一产品或者是以一定的数量成单元存储的货物。在表1中，订单线路按产品数量和库存单位的产品承运人、托盘拣选、整箱拣选和散装拣选分离。在仓库中有很多不同类型的订单拣选系统，但在同一个仓库中往往使用的是同一套系统，如在表1中的三个局域。表2根据仓库中是使用人工还是自动设备来区分订单拣选系统，仓库雇佣工人主要是为了拣选订单。在这些拣货员到零部件系统中，订单拣货员走或者是开车到拣选物品前是最常见的 (De Koster 2004)。我们可以把拣货员到零配件系统分为两类：低水平拣货和高水平拣货。在低水平拣货系统中，订单拣货员从存货货架或者是容器（箱子-架子存储）上拣选需要的货物。高水平的订单拣货系统使用高级的存储货架，订单拣货员处在升降机或吊机平板上直接到达拣货位置。吊机在合适的拣货位置前会自动停止并等待拣货员拣货，这种类型的系统被称为高水平或人-夹板的订单拣货系统。
零部件到拣货员系统包括自动存储和拣取系统，该系统大多使用通道受限的吊车来分拣一个或多个装卸单元（托盘或者是容器；如果是容器的话，一般称之为小装卸）并把他们带至拣选区（如一个储存处），在这里拣货员会把需要的货物数量拿出来，之后剩余的物品会被再次储存起来。这种系统类型也会被称为成组装运或是通道末端订单拣货系统。自动吊车（也包括存储和分拣机器）可以在不同运营模式下工作：单指令循环，双指令循环和多指令循环模式。单指令循环模式是指货物从仓库到货架位置或者是从货架到仓库。双指令循环模式是指货物先从仓库运往货架，然后从货架上分拣出另一个货物。在多指令循环系统中，自动拣选机器不止有一个梭子，还能够在一个循环中拣取和放下多件货物。例如，在一个四指令循环系统（Sarker and Babu 在1995年描述）中，自动拣货系统挟带两件存储货物离开仓库，又带回两件分拣货物并将之存储。其他系统则使用模块化的垂直起降模块或者是同样提供单元装载到负责拿取正确数量的订单拣货员的行李传送带。
交付系统或者是订单分配系统（见表2）包括检索程序和分配程序。首先，以零部件到拣货员或拣货员到零部件方式检索物品条目。其次，随着这些提前拣选好的货物单元的载体（一般是一个容器）会被送至负责把他们分配到顾客订单的拣货员那（把它们装入顾客纸箱中）。在短时间窗内要拣选大量顾客订单线路（如在亚马逊德国仓库或花卉拍卖市场）的情况下，交付系统是极其受欢迎的，在有效的管理系统中（De Koster 2004），每个订单拣货员平均每小时能拣选500件货物（对于小货物而言）。新的发达系统能够能够做到每小时1000件货物。
图2也显示了一些订货员到零部件系统的组织变体，基本的变体包括批量拣选和按订单拣选。在批量拣选情况下，拣货员拣取多个顾客的物品，很多区中的变体是存在的，如拣选多样订单随着拣货员即时整理，或者是在拣货程序完成后进行整理而发生变化。其他基本的变体就是区域拣货，也就是说逻辑上的存储区被分为多个部分（可能是一个托盘存储区也可能是整体仓库），每个部分都有不同的订单拣货员。按拣选策略分，区域还可划分为两种类型：串行分区和同步分区，这取决于订单拣选是从一个区域拣选完再到另一个区域还是两个区域同时平行拣选。对于一个常见的目标（例如，在固定的时间以固定的负载工具出发）来说，如果订单拣选需在在多个仓库区域进行，那么我们就使用波浪拣选这一术语。一般（但不是必要）来说这是与批量拣选相关联的，批量的大小取决于拣选整批货物要求的时间，经常是30分钟到2个小时（参考Petersen 2000）。拣货员在他们负责的区域内持续拣货，只有前一个人完成了所有的拣选工作，下一个拣货员才开始拣选。自动拣货和机器拣货仅仅在特殊情况（如高价值，小体积和易坏的物品）下使用。
表2 订单拣货系统分类（参考De Koster 2004）
本文献主要探讨低水平、拣货员到零部件人工拣货（及每条路线多次拣选）系统，这些系统在世界范围的仓库中形成了主要的拣货系统（基于作者的经验：在西欧超过80%的订单拣货系统均为此类）。令人惊讶的是，学术上的订单拣货文学主要是关注高水平拣货和自动拣选系统，尽管没有与本文献相关的主要观点，我们也会在后文中简要的提到一些相关的文学。
由于影响决策选择的内外部因素范围十分广泛，因此实际中的订单拣选系统往往会非常复杂。根据Goetschalckx 和 Ashayeri (1989) 的观点，外部因素会影响到订单拣选的选择，包括市场渠道、顾客需求模型、供应商补货模型和库存水平，产品的整体需求和经济水平。内部因数包括系统特征、组织和订单拣选系统的运营策略。系统特征包括机械化水平、信息的可得性和仓库利用率（见表3），决策问题与这些影响决策水平的因素相关联。组织和运营政策包括5个主要因素：路线规划、存储、货物批量、区域划分和订单发放模式。图3页显示了订单先选系统的复杂水平，该水平是在中心系统到原始系统中的问题的代表距离。也就是说，与原始系统关联越小，系统就越难设计和控制。
表3 订单拣选系统的复杂性（参照Goetschalckx and Ashayeri 1989）
订单拣选目标
最常见的订单拣选系统目标是在如劳动力、机械水平和资本限制下使服务水平最大化(Goetschalckx and Ashayeri 1989)。服务水平由很多因素组成，如订单配送的平均时间和多样性，订单的整体性和精确度，在订单拣选和服务水平之间一个很重要的连接是订单拣选越快，货物就能够越快运输至顾客。如果一个订单错过了它的运输时间，它就很可能要等到下一个运输时期才能运输。同样，在处理晚期订单改变中，短时间的订单检索意味着高度的灵活性。因此，对于任何一个订单拣选系统来说最小化订单检索时间（或者是拣货时间）都是必要的。
图4显示了在一个典型的拣货员到零部件仓库的订单拣选时间的组成，即使很多案列研究证明了本质上很多活动所占订单拣选时间要比运输时间多，但运输时间还是属于决定性因素(Goetschalckx and Ashayeri 1989)。根据Bartholdi 和 Hackman (2005)，他们认为运输时间是浪费的，因为它花费了劳动力时间但却没有创造增值。因此，这是第一个可以改善的候选活动。
表4 订单拣选时间的典型分配（Tompkins 等人. 2003)）
对于人工拣选的订单拣选系统来说，运输时间随运输距离的增加而增加（如参照 Jarvis and McDowell 1991, Hall 1993, Petersen 1999, Roodbergen and De Koster 2001a,b, Petersen and Aase 2004）。因此，在仓库设计和优化中，运输距离常常被认为是一个可以优化的基本目标。在订单拣选文献中，有两种类型的运输距离被广泛采用：拣货路程的平均运输距离（或者是平均路程长度）和总运输距离。然而对于给定的拣选货物（一系列订单），最小化平均路程长度等同于最小化总运输距离。
显然，最小化平均运输距离（或者说是总里程距离）仅仅是很多可能目标中的一种，另一种重要的目标是总成本最小化（这可能包含投资成本和运营成本）。在仓库设计和优化中常常被考虑的目
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