基于訂單網格化聚類方法的醫藥自動揀選系統與電子標簽揀選系統的比較研究

沈長鵬，鄒 霞，吳耀華（山東大學，山東 濟南 250061）

SHEN Chang-peng,ZOU Xia,WU Yao-hua (Shandong University,Jinan 250061,China)

0 引言

訂單揀選消耗了配送中心內的主要勞力，決定著對下游客戶的服務水平，是配送中心內部最重要的作業流程[1]。和綜合型配送中心相比，醫藥配送中心的訂單具有品相多，數量小、揀選工作量大的特點，因此，選擇合適的訂單揀選系統對于提高醫藥配送中心的訂單揀選效率、提高客戶服務水平，有著至關重要的作用。

醫藥配送中心的揀選方法可以分為人工揀選、半自動化揀選和自動化揀選。其中，半自動化揀選主要采用電子標簽的揀選形式，而全自動揀選主要采用醫藥自動揀選系統。目前，醫藥自動揀選系統在我國醫藥物流中心開始廣泛應用。較人工揀選方式以及電子標簽揀選方式，自動揀選具有需要人員少，行走距離短，揀選速度快，差錯率低等特點。目前，國內自主研發和生產醫藥自動揀選系統不多，典型代表為瀑布式盒裝品快速分揀系統。該系統為山東蘭劍物流科技公司結合國內外藥品拆零揀選的發展經驗，針對各揀選系統的優勢與劣勢，研發了瀑布式盒裝品快速分揀系統，將電子標簽揀選與A字機揀選理念相結合，是一個基于自動化揀選的盒裝品快速分揀系統。

本文通過重點研究自動揀選系統與電子標簽系統，對二者在揀選效率及補貨效率等指標進行對比和分析。結果證明，基于訂單網格的醫藥自動揀選系統的揀選效率是電子標簽揀選系統的3.05倍，而補貨效率是電子標簽揀選系統的3.5倍。

1 醫藥自動揀選系統

目前，國際上研究醫藥揀選系統的有CaputoA C.Caputo and Pelagagge P M.[2]，對醫藥自動揀選系統的相關參數的上限等問題進行了研究，并利用仿真方法進行優化，同時利用多項決策原則建立專家決策系統，適應了訂單隨機性特點即訂單特征發生變化下應采取何種應對措施。

本文研究的醫藥自動揀選系統是遵循A-frame工作原理設計的，其特點是同層串行揀選，多層并行揀選。單臺揀選機由儲貨通道、揀選機構、自動輸送設備、擋板、基座以及密封罩等組成 （由于商業保密性需求，同時為了說明問題，這里用字母參數代替具體參數）。如圖1，2所示。

儲貨通道是放置藥品的貨架，這種貨架具有一定的傾斜角度α，藥品利用重力可以順利滑至貨架另一端。每層具有X個通道，共有Y層。同層儲貨通道長度相同。通常一個揀選單機具有512個儲貨通道。為了簡化計算，本文假設所有通道長度相同。

揀選機構在電機的作用下將藥品從儲貨通道彈射出來，完成揀出動作。同層的揀選機構受同一個光電計數器控制，因此同一時刻同層只能有一個通道揀選機構動作，不同層揀選機構可以并行揀選。每次彈射藥盒的時間一定。

自動輸送設備將彈射出來的藥品輸送至周轉箱處，進行人工裝箱、復核。整套揀選系統共用一條輸送帶。系統如圖3所示。

2 訂單網格化聚類

2.1 作業策略

訂單揀選系統實際應用時可采用不同的作業策略，作業策略不同則所需的訂單揀選時間也不同。因此訂單揀選系統比選時，各系統均須在相同條件下選擇各自最優的策略再進行比較。與訂單揀選系統相關的作業策略包括分區、分批、倉儲、布局、路徑、合單及揀選等[3]，其中布局、路徑、合單及揀選與配送中心和訂單揀選系統的具體尺寸密切相關，在系統選擇階段沒有各類具體尺寸的前提下，重點應考慮的策略是分區、分批和倉儲策略。

2.2 基于訂單網格化的分區和分批策略

分區策略是指將揀選區劃分為很多區，每個區指派一名揀選員負責本區的揀選工作。常用的分區策略包括串行分區和并行分區，并行分區，即各區的揀選員同時揀選一個或一批訂單行，各自的揀選完成后再開始下一個或下一批訂單行的揀選。分批策略是指將多個訂單行合并為一個批次，在一個行走過程中完成本批所有訂單行的揀選。

分區策略和分批策略本質上都是對訂單表的聚類，分區是將物品聚類到一個區內，分批是將訂單行聚類到一個批次內。應用分區和分批策略后，訂單表可以被劃分為M行N列的網格，如圖4所示。

本文用（m,n ）表示第m行第n列的網格，即第m批訂單行和第n個物品分區，其中1≤m≤M，1≤n≤N。同時，定義i∈｛1,2,…,I｝表示每個訂單行的序號，j∈｛1,2,…,J｝表示每個物品的序號。

3 系統作業時間建模

3.1 訂單揀選作業時間構成

根據某些調查，訂單揀選時間可分解為行走、尋找、揀取、安裝及其他等時間[4]，如表1所示。

表1 訂單揀選作業時間構成

對于電子標簽揀選系統，訂單揀選作業時間包括行走、尋找、撿取和其他活動。

3.2 電子標簽系統的一維單元化網格的作業時間

本文選擇實際應用最多的循環模式作為電子標簽揀選系統的應用策略，即揀選人員根據電子標簽指示，將一個存貨單元從存儲位運至揀選位，然后返回儲存位，將下一個存貨單元從貨架上獲取。

電子標簽揀選系統在一維網格m,（）n 中的作業時間為：

式中，t（m,n）——網格（m,n）的揀選時間，ZN（n）——第n個區內物品的品種數，tTCR（m,k）——揀選人員在第m批訂單行、第k次行程取貨時的行走時間，tR（m,k）——在倉儲位取貨的時間，tTC（m,k）——揀選人員從取貨位到揀選位的行走時間，tE（m,k）——揀取物品的時間，tTCB（m,k）——揀選人員從揀選位返回取貨位的行走時間，P（m,k）——物品被揀選的位置，L0——每物品倉儲位的長度，vC——揀選人員行走速度，tR0——每類物品的取貨時間，N（m,n）——（m,n）內的物品品種數，tE——

0每個物品的揀取時間，Q（m,n）——（m,n）內的物品個數。

3.3 二維系統的總體作業時間

3.3.1 基于空間填充線的二維系統

利用空間填充線可將一維的單元化網格連接為二維或三維系統[5]。本文以二維系統為研究對象，醫藥自動分揀系統系統采用并行分區策略后的二維系統布局，如圖6所示。

3.3.2 二維作業時間模型

基于訂單網格的醫藥自動揀選系統系統采用并行分區策略，各分區可以有兩種并行作業模式：一種是所有分區全部完成某批訂單行的揀選后再開始下一批訂單行的揀選，另一種是本分區完成某批訂單行的揀選后就開始下一批訂單行的揀選。本文選用前一種作業模式，具體模型如圖7所示。

由模型知，每一批訂單行的累積作業時間為：

4 實際數據驗證

某醫藥物流配送中心日均揀選量為3.5萬盒，藥品種類3 000多項，共有揀選人員60名，醫藥銷售旺季，日均揀選量達到8萬盒。該物流中心原來采用電子標簽系統，現對系統升級，采用醫藥自動揀選系統。我們對所有品項進行EIQ分析，確定適合醫藥自動揀選的品項，然后選取一天訂單數據，訂單個數43，訂購量3.6萬盒，進行驗證。部分訂單數據如表2所示。

表2 部分原始訂單數據

下面分別用自動揀選系統和電子標簽系統進行揀選。

4.1 揀選時間

（1）若采用電子標簽進行揀選，實際揀選時間為15 244秒，即4.3小時，揀選速度為每秒2.4盒。

表3 部分品項編號

（2）采用醫藥自動揀選系統進行揀選，揀選時間為5 012秒，即1.4小時，即揀選速度為每秒7.3盒。

4.2 補貨勞動強度

（1）電子標簽揀選，每次揀選操作需行走貫穿整個巷道，即14米。

（2）醫藥自動揀選系統在補貨環節的行走距離僅為單機設備的寬度3.28米，在此距離內，通過氖燈和LED屏的提示進行近距離補貨，作業強度大大降低。

4.3 其它要素比較

設備高度可以達到2.5-4米，充分的利用了立體空間，占地面積小。以5 000個品規藥品為例，瀑布式盒裝品快速揀選系統占地約25米*7米，而電子標簽占地54米*14米。采用重力式的存儲滑道，零盒拆零單機滑道數目288道，通過對業內近萬種包裝尺寸的綜合分析，設備采用55mm作為基礎模數，只設計三種寬度的滑道就滿足所有盒裝品的尺寸。

另外，和電子標簽揀選系統相比，自動揀選系統的可靠性更高。

4.4 兩種方法結果比較

表4 兩種揀選方法結果比較

5 結束語

基于訂單網格的醫藥自動揀選系統大大提高了藥品流通企業訂單揀選的效率，提高了補貨效率，降低了勞動強度和人力成本，提高了作業的準確性，保證了更優質的服務，逐步實現 “高效率、低成本、優服務”的目標。

[1]BURINSKIENE A.Order picking process at warehouses[J].International Journal of Logistics Systems and Management,2010,6(2):62-78.

[2]Caputo A C.Pelagagge P M.Management criteria of automated order picking systems in high-rotation high-volume distribution centers[J].Industrial Management&Data Systems,2006,106(9):1359-1383.

[3]KOSTER R D,LE D T,ROODBERGEN K J.Design and control of warehouse order picking:A literature review[J].European Journal of Operational Research,2007(182):481-501.

[4]FRAZELLE E H.World-Class Warehousing[Z].Logistics Resources International,Atlanta,GA,1996.

[5]HUA W,ZHOU C.Clusters and filling-curve-based storage assignment in a circuit board assembly kitting area[J].IIE Transactions,2008(40):569-585.?