卷煙倉儲作業流程優化方法與仿真

安樹科，徐良杰，錢良輝

（1.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430070；2.西南林業大學，云南 昆明 650224）

1 引言

從當前煙草物流管理現狀來看，卷煙倉儲常常存在全程動態追蹤難、儲存位置不確定、周轉率不高、數據采集和倉儲作業繁瑣等問題。為了改善倉儲管理，提高倉儲作業效率，我國也在大力研究和發展相關的技術產業，基于高新技術的倉儲系統優化以及貨位分配方法的相關研究受到了國內外學者的熱切關注。

針對倉儲流程優化問題，國內外學者做了許多研究，提出了具體的改善措施，并做了案例分析。譚慧[1]和張兵[2]等通過RFID技術的應用，設計了倉儲作業流程方案,并說明了RFID倉儲管理系統可實現的功能。Hadi-Vencheh等[3]基于層次分析的ABC分類法的研究，有效的控制庫存，能夠確定合理的訂貨策略。Ribino等[4]通過研究自動化倉庫在特定因素影響下的行為，從而確定改進倉庫績效決策的指標，為后期改善方案提供支持。

針對立體倉庫的貨位分配優化問題，學者們一般通過建立優化分配模型，確定優化目標，實現庫位或者庫存的最優[5-6]。Fan等[7]考慮了一種單一產品的庫存和倉儲決策，其考慮了倉庫的規模與動態的貨物批量之間的關系。張貴軍等[8]提出了一種基于精英多策略的貨位分配優化方法，考慮了貨物重量、出入庫頻率和出入庫時間等因素建立了貨位分配優化模型。另外，還有許多學者通過建立多層規劃模型來研究貨位分配問題，其主要區別在于優化目標的選取有所不同，例如：Jing等[9]考慮將項目分組和貨位分配分別作為上下層優化目標；鄂曉征等[10]考慮將作業效率和貨架穩定性和安全性作為優化目標；彭小利等[11]考慮將異品種分區、重物低放、相關品近放作為優化目標。

國內外學者針對倉儲優化和貨位分配做了大量的研究，但是在流程優化方案的實施方面并未做深入的量化研究，在庫位分配方面的研究一般是結合某品類物品的特性建立優化模型。卷煙由于其包裝、重量等規格都是一致的，因此其貨位分配問題有別于其他貨物的分配，并且以往貨位分配時忽略了叉車和堆垛機對倉儲效率的影響。因此本研究將采用層次分析法分析卷煙倉儲過程中存在的問題，結合RFID技術、卷煙分類和貨位分配法等方法優化卷煙倉儲流程，最后通過Flexsim仿真驗證優化效果。

2 基于層次分析法的作業流程排序方法

卷煙由于其產品特殊性，產銷統一調配，因而具有獨立的物流系統，其中物流中心作為物流系統中很重要的一個環節，主要負責卷煙的倉儲和統一調配工作。在入庫環節當前一般通過零散到達和整盤到達相配合。在整個倉儲過程中將涉及到叉車、傳送帶、堆垛機、貨架等眾多環節，選擇關鍵堵塞點做出優化不僅能夠提高倉儲的效益而且能夠最大程度的降低優化成本。

層次分析法是一種將問題分解成目標、準則、方案等層次的分析決策方法，其可以根據咨詢專家組的意見確定相應的權重大小，進而靈活準確地得到待解決問題的方案順序，因而也適用于倉儲作業流程問題分析。基于層次分析法的作業流程問題分析步驟如下：

（1）設定：目標層為流程優化環節；準則層以工作效率、吞吐量和信息化水平為優化環節方案選擇的準則；方案層包含具體備選優化方案：叉車、堆垛機、貨架、入庫形式和包裝環節，如圖1所示。

圖1 層次結構模型

（2）構建準則層中各要素的相對比較矩陣。根據各要素對倉儲管理性能的重要性采用1-9的矩陣元素標度確定相對權重，構建判斷矩陣A（各標度數值均采用走訪相關專家和物流中心管理人員的意見并取平均值）。其中各標度數值均采用走訪相關專家和物流中心管理人員的意見并取平均值而得到。

從判斷矩陣看出卷煙倉儲管理指標的重要性程度排序依次是工作效率、吞吐量和信息化水平。計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量分別為：λmax=3.018 3，W（1）T=（0.915 7,0.348 5,0.200 0）。對A進行一致性檢驗，求得一致性比率CR=0.016＜0.1,通過一致性檢驗。

（3）構建各準則要素對不同備選方案的判斷矩陣，確定各備選方案在相應準則條件下的權重（標度值亦采用專家推薦值）。判斷矩陣分別為 B1、B2、B3。比較矩陣的一致性比率值均小于0.1，通過一致性檢驗。

（4）求解各備選方案在不同準則下權重矩陣的最大特征向量，將各特征向量組成矩陣W（2）。備選方案的權重向量W如式（1）所示。

其中：

W(1)為準則層判斷矩陣的特征向量；

W(2)為方案層各判斷矩陣特征向量組成的矩陣。

經計算得權重向量W=(0.591 5,0.432 4,0.892 0,0.546 4,0.181 4)。權重向量中的值與各評價方案相對應，即權重排序依次為：貨架＞叉車＞入庫環節＞堆垛機＞包裝環節，權重值的大小代表在流程優化時的優先順序，因此本文擬結合RFID技術綜合優化貨架、叉車、堆垛機以及入庫環節。

3 基于RFID技術與ABC分類法的儲位優化分配模型

針對層次分析法研究得到的優化選擇方案，在入庫環節托盤全部采用RFID電子標簽記錄當前托盤存儲情況，儲位前端裝RFID電子標簽記錄當前貨架存儲情況，叉車和堆垛機安裝RFID讀寫器。基于以上改善，結合改進的R-R模型，研究儲位分配優化建模方法。

3.1 RFID電子標簽內容設計

（1）托盤RFID電子標簽。記錄該托盤從出廠到拆盤整個流程的信息，RFID電子標簽需要滿足能夠多次讀寫的要求。托盤RFID記錄的內容包括：電子標簽編號、卷煙名稱、規格、數量、出廠時間、入庫時間、出庫時間等。

（2）儲位前端電子標簽。記錄貨架各儲位的卷煙出入庫和在庫情況。儲位前端RFID記錄的內容包括：托盤電子標簽編號、托盤儲位、上下架時間等。

3.2 優化分配模型

本文在Ramanathan[12]的貨物分類R-R模型基礎上，考慮不同儲存策略下單品種貨物的數量、權重等，結合叉車和堆垛機對儲位分配的影響，提出了基于ABC庫存分類方法的儲位優化分配模型，即品種少且需求量大的卷煙優先儲存于外側貨架的底部，反之儲存于內部貨架的頂部。

（1）優化模型建立

其中：

（1）si表示在M種貨位分類下，第i類卷煙的庫位值;

（2）Q為卷煙類別總數；M為分類標準總數;

（3）Wij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的權重大小；

（4）yij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的周轉率；

（5）Xij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的叉車行走距離，λij為對應的權重;

（6）Tij為第i類卷煙在第j種貨位分類下的堆垛機行走距離，βij為對應的權重。

計算所有Q種卷煙的最優庫存值，需要對模型重復運行Q次，最后根據Q各值的大小對儲位做動態劃分。根據優化模型可知，卷煙在貨位選擇時不僅考慮了其周轉率和重要程度(優先級別)，還添加了叉車和堆垛機行走距離對倉儲效率的影響，使貨架的儲存效果更好。

4 基于Flexsim的仿真評價方法

本部分擬采用Flexsim軟件以日吞吐量、叉車利用率和堆垛機行走距離為優化評價指標對前述模型方法進行驗證評價。通過對優化前后倉儲系統做仿真分析，進而驗證優化效果。

4.1 仿真背景

本文以某煙草公司物流中心做仿真優化研究，該公司物流中心最大庫容7 500件（箱），當前日平均分揀量3 498件。現做以下假設：

（1）不考慮設備的故障問題，每日工作時間為AM 7：00-PM 19：00，共計12h，仿真時間為一周。

（2）在貨物配送和儲存時，每15件卷煙包裝成一托盤，每件含有25條卷煙。

（3）通過調查該公司的到貨時間以及日均分揀量計算得知，托盤貨物到達的時間間隔服從均值為17.8s的正態分布。

（4）傳送帶的速度為1m/s。

4.2 仿真建模

基于Flexsim首先構建倉儲作業系統的各個實體模型，根據作業流程順序關系建立起各個實體之間的邏輯關系，再構建各實體的數據模型。卷煙倉儲物流系統仿真模型架構如圖2所示。

圖2 卷煙倉儲物流系統仿真模型架構

4.3 仿真輸出結果

（1）物流中心吞吐能力分析。物流中心的吞吐能力主要體現在仿真過程中其出入庫的數量。通過仿真得到優化前后物流中心出入庫情況統計見表1。

表1 優化前后物流中心吞吐能力（單位：托）

當前狀態下，總共進入物流中心完成入庫的有2 004托貨物，以每托15件計算，即30 060件貨物；完成出庫復核并裝車離開的貨物總數為1 890托，即28 350件，整個一周時間總的吞吐量為58 410件，吞吐能力為8 344件/天。同理，優化后的模型在運行期間，總共完成入庫的有2 212托貨物，即33 180件卷煙；完成出庫復核并裝車離開的貨物總數為2 089托，即31 335件，其吞吐能力為9 217件/天。

（2）叉車利用率。仿真模型中共有2輛叉車，在整個作業過程中優化前后工作效率狀態如圖3所示（左側為優化前，右側為優化后）。從圖中可以看出，優化前兩輛叉車利用率分別為75.23%和87.63%，平均設備利用率在81.43%，優化后它們的工作效率分別增加至90.81%和92.51%，平均設備利用率達到91.7%。

圖3 優化前后叉車利用率

（3）堆垛機行走距離。仿真模型中一共采用了三臺堆垛機，分別負責兩側貨架的存取貨物。如圖4所示，左側為當前狀況下三臺堆垛機的總行走距離分別是35.1km、34.9km和37.1km，右側為優化后的堆垛機總行走距離，約100.3km。

4.4 結果分析

通過仿真數據對比優化前后效果，得到改善前后的對比效果分析表，見表2。

（1）配送中心吞吐能力。由立體倉庫的入庫量和出庫量的變化可以看出優化效果很明顯。其中優化后倉儲系統日吞吐量為9 217件，較優化前的日吞吐量8 344件/日，方案提升約為10.5%。

圖4 優化前后堆垛機行走距離

表2 煙草配送中心優化前后效果分析表

（2）叉車的利用率和行走距離。分析數據得知，優化后兩輛叉車的工作利用率提高到了91.7%左右，較優化前方案的81.4%提升了10.3%，且相互之間的負荷較為均衡。

（3）堆垛機的行進總距離。經過優化，立體倉庫三臺堆垛機總的行進距離為100.3km，以一周4 301托的吞吐量計算，平均每托盤出入庫作業堆垛機的行走距離為23m，較之當前堆垛機行走距離27.5m優化了8%。

5 結論

本文以當前卷煙物流中心運行現狀展開研究，采用層次分析法找出當前倉儲作業流程的權重并進行排序；引入RFID技術對倉儲作業流程進行信息化管理，其中基于ABC分類法建立了儲位優化分配模型；借助Flexsim軟件對優化前后作業流程分別進行仿真，對比分析發現，優化方案的確可以提升物流管理效率，降低成本。

本研究保留了物流中心大部分的硬件設施，在管理方法上提出了一些改進，起到了提高效率、降低成本的優化效果，可以為類似倉儲物流系統優化研究提供思路和方法；后續研究還可以針對分揀、配送、信息管理等環節分別進行優化，以進一步提升物流倉儲的作業能力。