密集式叉車立體庫的作業管理與貨位分配算法

【信息科學與控制工程】

密集式叉車立體庫的作業管理與貨位分配算法

付曉鋒1,2，張波1，王衛青1

(1.總后建筑工程研究所，西安710032； 2.國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，長沙410073)

摘要：針對密集式叉車立體庫的物資存儲特點和作業模式，給出了與出入庫作業流程相結合的貨位狀態數據管理過程，以出庫作業效率為優化指標實現了貨位分配。通過對“預分配→實名化→已上架”三級入庫作業貨位狀態和“預分配→已下架→已回庫”三級出庫作業貨位狀態的數據管理，實現與倉庫作業管理的協調配合；利用貨架電子標識進行作業導引，實現作業人員快速尋找作業貨位；在入庫作業的制定入庫作業計劃階段采用“托盤組—貨格”耦合策略進行貨位分配，得到的貨位分配方案在不改變原有物資存儲位置的前提下能夠達到最高出庫效率。

關鍵詞：密集式叉車立體庫；貨架電子標識；貨位狀態；托盤組—貨格;耦合貨位分配策略

收稿日期：2014-12-11

作者簡介：付曉鋒(1983—)，男，博士后，工程師，主要從事倉儲裝備技術研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.023

中圖分類號：TP301.6

文章編號：1006-0707(2015)06-0093-04

本文引用格式：付曉鋒，張波，王衛青.密集式叉車立體庫的作業管理與貨位分配算法[J].四川兵工學報，2015(6):93-96.

Citationformat:FUXiao-feng,ZHANGBo,WANGWei-qing.OperationManagementandStorageDistributionOptimizationAssignmentofaHigh-DensityHigh-RackWarehouse[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(6):93-96.

OperationManagementandStorageDistributionOptimization

AssignmentofaHigh-DensityHigh-RackWarehouse

FUXiao-feng1, 2,ZHANGBo1, WANG Wei-qing1

(1.ConstructionEngineeringResearchInstituteofGeneralLogisticsDepartmentofPLA,Xi’an710032,China;

2.CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,

NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract:The rack statuses in inbound and outbound processes of a high-density high-rack warehouse were exhibited and the storage distribution was optimized to achieve the highest efficiency in outbound operation, based on the storage characters and operation mode of the warehouse. To synchronize the data of rack statuses and the steps of operation in the warehouse management system, the division of “crude allocation → pallet-rack match→ loaded into racks” for inbound process and “assignment → unloaded from racks → return residual goods” for outbound process were introduced. To help workers find the given rack quickly and accurately, signal lamps were fixed on the racks to perform as guiders. In the step of make the inbound plan, the method of “mapping from pallet groups to shelves” was employed to optimize the storage distribution, by which the concluded distribution can perform the highest outbound efficiency under the condition of keeping the location of original goods in the warehouse.

Keywords:high-densityhigh-rackwarehouse;signallampsfixedonracks;rackstatuses;palletgroupstoshelves;couplinggoodsallocationpolicy

自動化立體倉庫是現代物流技術、倉儲技術、自動化技術與計算機技術高度集成化的產物，具有存儲容量大、占地面積小、作業快速準確、節約人力等優點，已成為工廠物流、計算機集成制造系統和商業流通領域的重要組成部分[1]，但自動化立體庫的建設成本和維護成本較高，制約了其推廣應用的程度和規模。從降低成本和提高儲存效率的角度出發，近年來出現了重力式、駛入式、穿梭式等多種形式的密集式叉車立體庫[2,3]，這類立體庫采用叉車進行作業，不僅具有較高的存儲空間利用率，而且建設成本和維護成本遠小于自動化立體庫，已經成為立體庫的重要發展方向。

叉車立體庫的作業過程需要人的參與，對作業人員的要求較高。在作業過程中，由作業人員確認作業物資類別、數量和尋找作業貨位，駕駛叉車完成作業任務。為降低物資存儲貨位的管理難度和提高作業貨位尋找效率，其貨位分配通常采用定位存儲策略[4]。這一策略要求貨位按各類物資的最大在庫量設計，限制了儲存區域的平均使用率。同時，定位存儲難以按照物資出入庫周轉頻率來分配物資存儲貨位，導致物資出入庫作業效率較低。

利用貨架電子標識進行作業導引，能夠降低尋找庫位過程對作業人員的依賴[5]。在此基礎上，本文利用倉庫管理系統(WMS)對密集式叉車立體庫的貨位狀態進行管理，并采用“托盤組—貨格”耦合策略分配貨位，提高物資出庫作業效率。

1密集式叉車立體庫作業管理

密集式叉車立體庫作業以整托盤出入庫為主，但也存在零散組、拆盤作業。庫內作業包括散貨組盤、入庫上架、下架出庫、整托拆盤和余貨回庫，其中散貨組盤和整托拆盤作業在理貨區完成。所有作業由倉庫管理系統按照“入庫：制定入庫作業計劃→散貨組盤→入庫上架”和“出庫：制定出庫作業計劃→下架出庫→整托拆盤→余貨回庫”的作業流程進行管理，在入庫上架、下架出庫和余貨回庫階段控制貨架電子標識和其他設備對作業人員進行引導，并及時更新作業貨位的托盤物資信息。

1.1作業過程貨位狀態信息管理

在物資入庫過程中，作業貨位經歷“預分配→實名化→已上架”3個狀態，這3個狀態分別對應入庫作業的制定入庫作業計劃、散貨組盤和入庫上架階段的末狀態，如圖1所示。

圖1　入庫作業貨位狀態數據管理

預分配：在制定入庫作業計劃階段，系統根據待入庫物資的尺寸規格和數量計算所需的存儲空間，并根據待入庫物資的出入庫周轉頻率和庫房內貨位的存儲分類情況，為待入庫物資規劃可用空貨位，即分配貨位；

實名化：在散貨組盤階段，每完成一個托盤組盤，作業人員利用手持終端將托盤信息上傳至系統后，系統將一個可用空貨位實名化為該托盤；

已上架：在入庫上架階段，由作業人員利用叉車將托盤運送至已經實名化的貨位，系統將該貨位的信息更新為貨位內托盤及其裝載物資的信息。

在物資出庫過程中，作業貨位的狀態變化分為2類：若該貨位內的托盤物資全部出庫，作業貨位經歷“預分配→已下架(空貨位)”2個狀態；若該貨位內的托盤物資部分出庫，托盤出庫后還必須進行整托拆盤和余貨回庫作業，作業貨位經歷“預分配→已下架(待回庫)→已回庫”3個狀態。其中，“預分配”對應出庫作業的制定出庫計劃階段的末狀態，“已下架”對應下架出庫階段的末狀態，“已回庫”對應余貨回庫階段的末狀態。

1.2貨架電子標識導引作業

叉車立體庫相對于自動化立體庫最大的不同，在于采用叉車和作業人員代替堆垛機和傳送帶，實現托盤物資的出入庫作業。在自動化立體庫中，堆垛機收到倉庫管理系統的指令后，可按照指令直接到達作業貨位進行作業；叉車立體庫則必須依賴作業人員尋找作業庫位，由人員駕駛叉車到達作業貨位進行作業。顯然，作業人員的指令理解和執行效率難以達到堆垛機的水平，且由于熟悉程度不夠和疲勞等原因作業人員還可能找不到作業貨位或找到錯誤的貨位，導致誤操作的發生。由于受到這些限制，叉車立體庫的貨位分配通常采用定位存儲策略。該策略下每類物資分配固定的存儲位置，存儲區易于記憶，貨位便于尋找[4]。

為提高人員尋找作業貨位的效率和避免誤操作，可在貨架上加裝電子標識對作業人員進行導引，以提高人員的作業效率和準確率[5]。在入庫作業的入庫上架階段，倉庫管理系統根據叉車所運送托盤的信息，點亮對應“實名化”貨位的貨架電子標識；作業人員根據導引提示信息，駕駛叉車運送托盤物資到達該貨位，進行托盤上架作業；作業完成后系統熄滅該電子標識。在出庫作業的下架出庫階段，系統點亮“預分配”貨位的貨架電子標識，作業人員根據導引提示信息駕駛叉車到達該貨位進行托盤下架作業，作業完成后系統熄滅該電子標識(若需進行整托拆盤和余貨回庫作業，該貨位的貨架電子標識提示需進行回庫，完成回庫后再熄滅電子標識)。

通過采用貨架電子標識進行作業導引，將作業人員從尋找作業貨位的繁雜勞動中解放出來，減小了作業過程對作業人員的依賴。由于尋找作業貨位不再是限制作業效率的瓶頸，倉庫管理系統可采用比較復雜的貨位分配策略。

2密集式叉車立體庫貨位分配

對于工業和制造業企業應用的小型立體庫而言，物資出庫效率是進行貨位優化的最重要目標[6]；對于擔負戰略任務和應急響應任務的倉庫而言，出庫效率的重要性顯得尤為突出。在密集式叉車立體庫中，托盤物資的存儲貨位位置直接影響叉車作業距離，存儲高度(貨位層數)影響叉車作業復雜度。通過優化分配貨位，可減小叉車的作業路徑距離，降低叉車存取托盤的復雜度，提高出庫作業效率。

2.1作業效率評價指標

密集式叉車立體庫作業以整托盤出入庫為主(僅有零散的組拆盤作業)，其下架出庫階段的作業效率決定了倉庫的物資出庫效率。為減少叉車運送托盤物資的距離，應將出入庫周轉頻率高的物資存儲在離庫房門較近的貨位；為降低叉車存取托盤物資復雜度，應將出入庫周轉頻率高的物資存儲在層數較低的貨位，盡可能減少作業過程叉車的行駛距離和作業復雜度。忽略叉車的啟動、制動時間，單次下架出庫作業的效率可由作業時間t進行評價

(1)

其中:L為存儲貨位與庫房門的路徑距離;v為叉車平均行駛速率;tb為托盤下架作業時間。

2.2貨位分配策略

常用的倉庫存儲策略有定位存儲、隨機存儲、分類存儲、共享存儲和分類隨機存儲[7-9]，這些存儲策略各有優勢，但都沒有發揮出倉庫管理系統對貨位和物資的存儲規劃能力和動態管理能力。文獻[10]中針對自動化立體庫提出了基于映射的“貨品—貨位”耦合分配策略，分別對貨位和貨品進行排序和分區，形成貨位鏈段和貨品鏈段，將具有對應優先級的貨位鏈段和貨品鏈段進行耦合，從而實現貨位動態分配[11]。

根據密集式叉車立體庫的物資存儲和作業特點，將“貨品—貨位”耦合分配策略改進為“托盤—貨位”耦合分配策略，并進一步簡化為“托盤組—貨格”耦合分配策略，可實現密集式叉車立體庫貨位動態優化分配。

貨位鏈：貨位分配在制定入庫作業計劃階段完成，由于庫房內已儲有一定數量的物資，該階段的貨位包括可用空貨位和已存儲物資的貨位，這些貨位共同組成貨位鏈。密集式叉車立體庫的每個貨格通常包含多個貨位，且要求每個貨格內的所有貨位只能存放同類物資，以便于進行物資出入庫作業。因此，貨位鏈內的可用空貨位包含2種，一種是已經限定物資類別的可用空貨位(所在貨格的部分貨位已經存放物資)，另一種是未限定物資類別的可用空貨位(所在貨格為空，尚未存放物資)。在制定入庫作業計劃時，根據式可求解庫房內所有貨位的作業時間，以作業時間為指標，對貨位進行排序，得到貨位鏈。

托盤鏈：密集式叉車立體庫內的物資均以托盤為集裝單元進行搬運和存儲，以托盤所裝載物資的出入庫周轉頻率為指標[1]，對托盤進行排序，得到托盤鏈。

設密集式叉車立體庫庫房內的貨架共有p列q層貨格，每個貨格內有r個貨位，為達到最高出庫效率，建立目標函數[1]

(2)

其中：fi+(j-1)×p為第i列j層貨格所裝載物資的出入庫周轉頻率；ti+(j-1)×p為該貨格的作業時間。

密集式叉車立體庫有p·q個貨格，貨位鏈長度為p·q·r，托盤鏈的長度m小于貨位鏈長褲，可能為小于p·q·r的任意值。為簡化優化問題的求解，對現有托盤鏈進行補齊：將現有托盤鏈內所有類別物資的托盤數補齊為r的整數倍，得到長度為n·r的托盤鏈。由于每個貨格內的貨位只能存放同類物資，長度p·q·r的貨位鏈可簡化為長度p·q的貨格鏈，長度n·r的托盤鏈可簡化為長度n的托盤組鏈(每個托盤組包含r個裝載有相同類別物資的托盤)。從貨格鏈中選取n個貨格組成子貨格鏈，與托盤組鏈一一對應形成“托盤組—貨格”映射，則式可簡化為

(3)

子貨格鏈選取方法：優先從已存儲物資的非空貨格中選取，若現有非空貨格數小于n個，從貨格鏈中選取作業時間最小的貨格補足。

以庫房內現有托盤物資存儲情況作為限制條件，求解式描述的最優化問題，可得到“托盤組—貨格”映射的對應關系，即得到當前條件下的最優貨位分配。

3實例分析

某庫房內有4層5列的密集式立體貨架，貨架的每個貨格內有6個貨位，該貨架用于存放A、B、C3類物資，其平均出入庫周轉率分別為10托盤/單、8托盤/單、4托盤/單，現儲物資類別和數量如矩陣

(4)

其中：(0,0)表示當前貨格為空；(A,1)表示當前貨格存儲有1托盤A類物資。

貨架左側位于庫房門口，單個貨格寬1.5 m，叉車作業平均行駛速率0.5 m/s，1～4層貨格的托盤下架作業平均時間分別為10 s、15 s、25 s、30 s，由式可求解各貨格的作業時間，如矩陣

(5)

某次任務需入庫A、B、C3類物資各10個托盤，則制定入庫作業計劃時的托盤鏈和補齊后的托盤組鏈如圖2所示。

圖2　托盤鏈補齊形成托盤組鏈

以x表示貨架列編號(最左側為編號1)，以y表示貨架層編號(最底層為編號1)，(x,y)表示貨格編號。根據矩陣和選取進行貨位分配的貨格鏈為{(1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(3,1),(1,3),(3,2),(4,1),(1,4),(2,3),(4,2),(5,1),(2,4),(3,3),(5,2),(3,4)}，其中貨格(1,1)、(1,2)、(1,3)限定存儲物資A，貨格(2,1)、(2,2)、(2,3)、(3,1)、(3,2)限定存儲物資B，貨格(4,1)、(4,2)、(5,1)、(5,2)限定存儲物資C。

以式為目標函數，求解最優解，可得貨格分配結果如矩陣，其中帶線框者為新分配貨格。

(6)

在入庫作業中，作業貨位經歷“預分配→實名化→已上架”3個狀態，矩陣即為制定入庫作業計劃階段的貨位預分配結果；在散貨組盤階段，每完成一個托盤組盤，系統根據矩陣將可用空貨位中作業時間最小的貨位實名化，完成貨位分配；在入庫上架階段，由作業人員將托盤送入貨位后，系統更新貨位信息為托盤物資信息。

4結論

在叉車立體庫中，出入庫作業均需依賴作業人員尋找作業貨位。如果物資存儲貨位變動頻繁，將給作業人員尋找貨位帶來極大困難，因此這類立體庫常常采用定位存儲策略進行貨位分配。采用貨架電子標識可引導作業人員快速尋找作業貨位，為叉車立體庫采用動態貨位分配策略提供了技術條件。

本文針對密集式叉車立體庫的物資存儲特點和作業模式，在利用貨架電子標識引導作業的基礎上，采用適合于密集存儲特點的“托盤組—貨格”耦合策略進行貨位分配，得到的貨位分配方案在不改變物資存儲現狀的前提下能夠達到最高出庫效率，適合于工業制造業企業的小型密集式叉車立體庫和擔負應急響應任務的密集式叉車立體庫。

本文針對密集式叉車立體庫的作業管理流程和貨位分配策略開展研究。在限定單個貨格內只能存放同類物資的條件下，文中的“托盤組—貨格”耦合貨位分配策略對貨位式叉車立體庫和其他存儲形式的叉車立體庫也適用。

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(責任編輯楊繼森)