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使用仿真方法提高现实世界中配送中心的性能
取自：IFAC-PapersOnLine 49-12 (2016) 1874–1879
贝赫纳姆·巴赫拉米**侯赛因**贝罗尼克·利米尔
根特大学工业系统工程与产品设计系，根特，比利时
比利时根特市根特大学商业信息与运营管理系
摘 要
我们假设有一个配送中心，仓库分为领料（预置）区和储备区。 在这种配置中，最迫切需要分配的物品或者快速分配的物品被存储在领料（预置）区域中，而储备区域将货物存放在托盘或批量存放。 在前方区域的最方便的地点放置足够的库存，导致较少的路程和更少的库存。 本文提出了一种减少前进区域排放量的方法，同时减少总行驶距离，并讨论了为实际配送中心开发的模拟模型的结果。
关键词：仓库；拣选；预置储存区；仿真
- 绪论
仓储是在任何物流系统中都非常重要。仓库是供应链中处理入站功能的节点，包括：接收和准备用于存储的产品，将进入的产品转移到存储位置，从相关位置挑选客户的订单，以正确的单位负载（例如纸箱）打包订单并向目的地发送要求（科斯特等人，2007）。
根据Frazelle（2001）的说法，在所有的仓库活动中，订单拣选，被称为从其存储地点检索所需的SKU以完成客户订单的操作，占公司仓库总营运成本的约50％。 因此，寻求改进这些操作的方法已经引起了这方面的研究的深入。
自动订单拣选系统和手动拣货系统是可在仓库中观察到的两种常见系统。在自动订单拣选系统中，从存储位置检索货物的功能是完全自动化的，而人工拣货系统则使用人员从其库存地点挑选产品（海恩和施密德，2013）。零件到拣选设备和拾取器到零件是手动订单拣配的两种分类类型。零件到拾取器是那些雇用自动存储和检索系统（AS / RS）进行拾取过程的系统。在这种系统中，起重机从其存储位置检索单元负载（例如，托盘），并且在通常位于通道末端的工作站处脱离该检索到的单元负载。该工作站的操作人员从单元负载中获得所需的产品数量，而AS / RS将剩余的负载放回存储架。在拣选设备到零件中，操作人员沿着走道行走或行驶（在适当的车辆上），以便在多个站点上选择物品。在这样的系统中，操作者可以从他/她直接访问的箱子中检索物品（低水平拣选），或者通过起重机（高水平拣选）可以从高存储机架中挑选物品。科斯特等人 （2007）指出，所有西欧仓库中有80％以上的零件采购系统都采用低水平拣选。
随着电子商务的兴起，大多数仓库现在面临着新的市场趋势，迫使他们改进操作系统。特别是仓库面临新的挑战，例如在24小时内填写客户订单，并将相当数量的较小的物品直接运送给个人客户。因此，仓库必须更频繁地更快地向客户提供大量的低容量物品，从而减少了采购和订单履行操作的时间（加格里亚蒂等人，2008）。因此，很明显，配送中心（DC）的最优价值主张有其仓库设计和运营的改进。通常，直接从批量存储中挑选大量物品（片选）通常是低效的，原因如下：首先，使用深层托盘架的仓库的拣选操作在可及性和提取方面不方便，需要更多的时间和精力来选择。第二，在许多情况下，从大面积的拣选导致拣选区之间无效的行驶，最后还增加了托盘空间中相当大的间隙，并导致在存储位置破碎托盘的数量。（顾等人，2010）解决这个问题的一个策略是将存储区域分为两部分：高密度堆放货物的储备区（散装区域），例如封存的托盘，预置区域（拣选区域），其中高需求的产品少量存储在易于到达的区域，例如：重力流动架可以快速取回物品。这种配置的重要优势是它加快了拣选的过程。但是，缺点是需要从预留区域和预置区域更频繁的补充。一方面，他的补充任务必须非常精确，它应该保证预置区域中的所有位置都有足够的物品可以挑选（准备挑选），另一方面，它不能干扰拣选过程。因此，补货和拣货功能之间的良好平衡将不仅导致拣货过程中明显的节省，而且增加了客户的满意度。 本文研究了一个实际配送仓库的运营情况，存储和运送近16000种鞋类。这项研究的目的是为了说明一种减少拣选数量以及拣选区域行进距离的方法。
本文的提示组织如下。第2章概述了相关文献。在第3部分中，将详细描述介绍研究的案例。在第4章中定义仓库问题。在第5节中提出解决方案。第6章解释了模拟研究及其结果，第7章总结了本文。
- 文献综述
哈克曼等人（1990）是第一批考虑了预置储备区域的研究人员之一。在其论文中研究的自动化存储和检索系统的前向区域中的库存单位的分配以及它们相应的数量。后来，Frazelle等（1994）通过考虑预置区域的大小作为决策变量来扩展其模型。顾等人（2010）提出了预置储备问题，其中预置区域的大小是决策变量，并通过使用分支和约束算法解决了问题。（范登伯格等人，1998）考虑了仓库空闲和繁忙期间预置区域的单位负荷补给。他们得出结论，在空闲期间补充物品可以减少忙碌期间的补充数量。（加格里亚蒂等人，2008）研究的采用预置储备配置的拣选式仓库。在他们的论文中，技术人员在发生缺货时负责补货。作者开发了一些分配和补充操作，以减少预置区域的空缺。弗里斯等人 （2014）还提出了三个补充政策，其中预置区，根据优先顺序进行排序，以最大限度地减少缺货量。此文提出了一种解决方案，以减少预置区域的停车数量，同时降低总行驶距离。
- 案例描述
本文研究的仓库是零件拣选系统的低水平拣选设备。它采用预置储备配置，用于一天内不断同时执行的拣选和存储功能。在以下各章节中，详细的描述仓库的各个细节，包括：仓库布局、存货转让、订单拣选和库存补货政策。
3.1 拣选区布局
拣选区域分为5个模块，每个模块包含许多足够宽的拣选通道，订单拣选设备可以相互通过。运营商能够在两个方向的过道内移动，不允许在过道内改变方向。在前面和后面的模块有交叉通道，操作员可以从一个拣选通道切换到另一个拣选通道。布局结构由74个平行拣选通道组成，其中46个通道两侧有货架，28个货架在侧通道存放物品。过道的每一侧都有一定数量的货架，即5个货架（模块1，模块2），4个货架（模块3，模块4）和6个货架分别用于第5个模块。每个货架包含3个级别，每个级别上有22个弹性插槽（尺寸可调），因此每个货架上有66个存储位置。总共有39732个存储位置可以存储16250个不同的物品（图1）。存储位置的尺寸（W-D-H）为20cm-40cm-70cm。 弹性槽被定义为如果一些槽的宽度不够，则槽可以放大到2倍（图2）。
图一 仓库布局
图二 货架正面图
3.2 储存分配策略
在目前的状态下，仓库采用专门的存储策略。根据此政策，库存上的所有库存都有固定位置。应用这种存储策略是因为它易于实施，并且仓库的控制非常简单，因为项目总是存储在同一位置并被选中，并且拣选设备和补货程序都熟悉产品位置。根据仓库管理系统（WMS），它不断控制每个位置的库存水平，为了避免缺货，营业额小的物品（在这种情况下占总库存单位的66％左右）使用2个槽。然而，分类为高需求的产品获得3个插槽（占总库存单位的34％）。因此，从16250个项目总数来看，10750个库存单位数量分类为小型营业额，占用23000个槽位（正常尺寸为20000个，大型库存单位为3000个）。专门用于快速营业额的物品的数量为5500，涉及16500个槽位。 每个插槽可容纳6个单位（全箱）。因此，前方的每个库存单位的比例分别为12个单位的小型转换去和18单位的高需求区。应该提及，为了便捷的补充预置区，补充操作总是在完整的纸箱中进行。
3.3 拣货和补货操作
仓库采用成批拣选政策。当大量的客户订单被分组到预定的运输计划（称为批次）时，采用这一术语，即所有请求的物品必须在相应的批次中被挑选和运送。每组批次通常是由一组订单拣选者同时挑选的批次数和单次订单的组合（曼街等，2001）。在研究的仓库中，一个批次持续2小时，按批次顺序释放。每批次的需求信息在该批次的开始处可用。这意味着在一个批次中，对下一批次的需求被收集并分组在选择列表中。在批次的开始点，订单拣选设备收到其选择列表，其中描述了应该访问存储位置的顺序以及每个库存单位请求的对应数量。订单选择器从起始站开始，他们收集选择列表以及购物车，穿过拣选区域并从不同的槽中检索物品。路径策略基于分析策略，其中拣选设备进入包含库存单位的通道，从一个交叉通道中选择并从相对的过道离开，并且跳过不带选择的通道。（潘和吴，2012）。在完成所有选择后，他们进入分类平台，物品被丢弃以进行分拣和运送过程（分拣），然后他们开始一个新的拣选。
当拣选设备从存储位置检索物品时，位置上的数量减少，库存需要补充。仓库遵循（s，S）政策，当拣选区域的每个木材库存水平低于s，即6个单位时，WMS产生补货请求，以将现有库存恢复为12或18个单位的S级。在目前情况中， WMS触发补货请求后，它将被放置在等待的补货清单中，该列表中包含所有请求的货物以备货，基于先入先出的规则。然后在批量区域处理列表，其中所请求的物品从托盘架收集并且位于主带式输送机上。由WMS引导的主要皮带输送机在分拣区域的分输送机之间分配库存。辅助输送机的库存量由补充设备挑选，并被放置在相关的位置。
- 定义问题
在这项研究中研究的仓库是一个大型的分销中心，它收到零售商以及在网上订购产品的电子商务客户的大量订单。因此，销售面积大幅度扩大，仓库必须处理越来越多的订单，不仅对零售商而且还面向个人消费者的地方。经理认为，客户满意是至关重要的，仓库希望客户订单的交货时间不到12小时。因此，由于拣选区域的快速和方便的访问，仓库中所有类型的产品都可用于拣选区域是非常重要的。如前所述，仓库使用专用存储，并在拣选区域中为每个库存单位投放2或3个插槽，以避免缺货。然而，在实践中，经常发生的是，订单拣选设备必须从某个位置选择一个库存单位，而该库存单位的数量不足导致缺货的发生。目前的存储策略也不能随着需求的快速变化而迅速适应。仓库的另一个挑战是，由于小订单的增加，运营商应该在拣选区域内更多地收集物品，从而导致花费更多的时间进行拣选操作，这对订单交货时间有负面影响。仓库经理打算减少经营者的步行距离以及库存数量，同时所有物品必须在拣选区域准备就绪，并且由于运营商已经熟悉物品位置，公司不太可取。该解决方案还应能够快速响应客户需求的变化。
- 解决方案
为了解决上述情况，提出了一种综合方法，其通过将批次中的高需求物品分配给拣选区域中的最方便的位置来减少步行距离，并且同时使所有产品存在于所属拣选区域中的库存数量最小化，仍然专注于预置区域和存储策略。新的逻辑与目前公司通过仿真使用的逻辑相比较。
根据新的逻辑，拣货区域的所有地点都分为2类，即锁定位置和灵活位置。 锁定位置支持所有产品可用并准备选择原则的想法。然而，灵活的位置是那些没有固定的库存单位分配的位置，它们用于在批次中具有高需求的物品。这种位置支持将最有利空间归因于实际高需求物品的原则。根据新提出的方法，库存上的每个物品都有2个锁定位置。锁定的位置可以存储6个单位（一个完整的纸箱），其等于先前逻辑中的槽的容量，而不是为每个库存单位分配2或3个槽，在新的逻辑中，每个库存单位获得2个锁定位置。通过应用该策略，放宽了许多插槽，这些插槽被定位在拣选区域的最下面的灵活位置，靠近分拣平台（图3）。为了提高补充灵活位置的效率，重力流动货架被实现为它们位于副输送机周围的储存位置而每个位置可以恢复2个完整的纸箱，这意味着12个单位的库存单位可以存放在灵活的位置。锁定位置的补充从插槽的正面执行，但灵活的位置从后侧填充。
图三 建议仓库布局
向这些地点分配订单是基于以下过程：在批次中，所有订单中的每个库存单位的所有请求数量在下一批次的时间内出现，总结在一个任务列表中。之后，定期检查每个位置的现有库存水平的WMS监控在分配列表中记录的那些库存单位的锁定位置的单位数。如果库存单位的单位数量足以满足所有相关订单，则WMS将从相关的锁定位置分配所有请求的数量。否则，请求的数量被分配为从锁定位置和灵活位置选择。在研究的仓库中，如前所述，存储操作始终通过完整的纸箱（完整纸箱包含6个单位）完成，WMS遵循相同的政策来分配订单到位置。当锁定位置的单位数量不足以达到某一批次的订单时，WMS将所请求的数量分配给锁定和灵活位置，方式是这些位置的补货功能基于完整的纸箱。在灵活位置的能力不足以满足订单的情况下，该系统将更灵活的位置用于此类订单。以下示例演示了逻辑如何执行：
在示例中，在特定批次中的库存订单“A”的订单以及请求的数量列在分配列表中（图4）。在两个示例中，库存单位的锁定位置的库存水平“A”是11个单位。在示例1中，锁定位置中的单位数量足以满足所有订单，因此，WMS将从相关锁定位置分配所有要拣货的订单。在例2中，库存单位“A”的单位数不足，因此，WMS将从灵活位置（3个位置）分配36个单位以满足完整的纸箱规则，并从锁定位置分配4个单位。
图四 分配例子
应该提到的是，由于它必须可用于下一批次，所以在选择它的批次期间必须选择空的灵活位置。锁定地点的补货请求在低于安全库存水平（1个完整纸箱）的确切时刻触发。然而，灵活位置的补货在当前的下一批次中完成，因此，在每个批次的开始，锁定位置和灵活位置包含足够的单位来完成所有的批次顺序。该逻辑通过将所请求的物品动态地投入到锁定和灵活的位置来阻止缺货，并通过将大量需求的产品分配到大多数便利位置来减少订单拣选设备的路径时间。通过应用提出的方法，仓库获得更多的自由和灵活性来回应客户需求中的增长。lt;
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