基于牌號(hào)最優(yōu)分布的成品件煙出入庫(kù)策略研究

孫順凱，李 捷，李國(guó)瑞，陳海濤，崔浩波，沈苗杰，洪一璐

(1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠，浙江 寧波 315500；2.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著煙草商業(yè)市場(chǎng)對(duì)卷煙工業(yè)物流[1]效率要求的不斷提高，成品件煙出庫(kù)量已經(jīng)達(dá)到6 000件/h。但在卷煙工業(yè)現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)、用戶需求個(gè)性化、卷煙品牌種類繁多的背景下，成品高架庫(kù)的貨位分配現(xiàn)狀嚴(yán)重影響了倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的效率。為滿足高架庫(kù)現(xiàn)代物流的高效率要求，一個(gè)行之有效的方法就是根據(jù)一定的貨位分配原則與存儲(chǔ)策略[2]，對(duì)高架庫(kù)中的件煙托盤的貨位進(jìn)行優(yōu)化，從而在件煙托盤出庫(kù)操作時(shí)縮短堆垛機(jī)行走時(shí)間。李建斌[3]等以零售業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)為研究對(duì)象，在出庫(kù)時(shí)綜合考慮重量、相關(guān)性、體積，結(jié)合出庫(kù)頻次因素，對(duì)貨位策略建模，并運(yùn)用啟發(fā)式算法求得最優(yōu)解。但其僅將出庫(kù)頻次高的貨物靠近出庫(kù)口堆放，未結(jié)合貨物出庫(kù)頻次與貨位優(yōu)先級(jí)進(jìn)行綜合分析。為此，本文采用石川圖分析法找出根本原因，以提高成品出庫(kù)效率。

1 成品庫(kù)流程架構(gòu)

1.1 業(yè)務(wù)流程

成品倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)主要由倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)(warehouse management system，WMS) 、倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)(warehouse control system，WCS) 、電控、圖像識(shí)別系統(tǒng)等組成，設(shè)備包括件煙輸送機(jī)、提升機(jī)、分揀機(jī)、碼垛機(jī)器人、直穿車、堆垛機(jī)等。

入庫(kù)業(yè)務(wù)流程如下。封箱機(jī)封裝件煙通過(guò)輸送機(jī)和提升機(jī)進(jìn)入分揀機(jī)。分揀機(jī)根據(jù)一號(hào)工程碼的前六位品牌信息分揀件煙。碼垛機(jī)器人識(shí)別軟硬包尺寸不同并進(jìn)行相應(yīng)的碼垛。30件整托盤碼垛完成后，WMS申請(qǐng)高架庫(kù)貨位入庫(kù)，WCS給電控分配分段路徑，輸送線、堆垛機(jī)等配合完成入庫(kù)動(dòng)作。

出庫(kù)業(yè)務(wù)流程如下。市場(chǎng)部門在WMS下達(dá)出庫(kù)單據(jù)，WMS系統(tǒng)根據(jù)成品煙入庫(kù)先進(jìn)先出[4]原則產(chǎn)生出庫(kù)任務(wù)。堆垛機(jī)收到上位下達(dá)的任務(wù)后進(jìn)行取放貨動(dòng)作，WCS給出電控分配路徑，完成件煙托盤在輸送線上的搬運(yùn)。出庫(kù)區(qū)件煙托盤經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)旋轉(zhuǎn)90°，以便叉車鏟取托盤完成出庫(kù)。

1.2 問(wèn)題分析

采用魚骨圖方法對(duì)影響出庫(kù)效率的因素進(jìn)行梳理，主要對(duì)堆垛機(jī)的行走路徑、貨位分配、成品出庫(kù)頻次[5]這3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行建模分析。在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，出庫(kù)業(yè)務(wù)有很高的時(shí)效要求，需在短時(shí)間內(nèi)完成。入庫(kù)業(yè)務(wù)則不存在時(shí)效限制。因此，從出庫(kù)時(shí)如何使堆垛機(jī)行走路徑[6]最短入手，分析巷道間件煙托盤數(shù)量分配、巷道中件煙托盤堆放位置、件煙牌號(hào)出庫(kù)頻次3個(gè)問(wèn)題。

①成品庫(kù)投入使用后，按照先進(jìn)先出原則進(jìn)行出庫(kù)，存在出庫(kù)總時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象。由于件煙托盤生成入庫(kù)任務(wù)時(shí)按照遍歷的方式進(jìn)行入庫(kù)，每個(gè)巷道入庫(kù)的相同牌號(hào)任務(wù)數(shù)量一樣。在堆垛機(jī)故障、設(shè)備故障等造成堆垛機(jī)無(wú)法出庫(kù)時(shí)，該巷道的件煙托盤數(shù)量就會(huì)增加。在故障排除后，其他巷道完成出庫(kù)任務(wù)，僅該巷道繼續(xù)執(zhí)行出庫(kù)任務(wù)。

②巷道中件煙托盤擺放的位置影響堆垛機(jī)取放貨速度。堆垛機(jī)x軸速度是Vx，y軸速度是Vy，z軸速度是Vz。考慮從堆垛機(jī)載貨臺(tái)水平x軸、y軸與目標(biāo)站臺(tái)，研究貨位的優(yōu)先級(jí)。

③卷煙工業(yè)生產(chǎn)的品牌規(guī)格多，有國(guó)內(nèi)銷售、國(guó)外銷售、一號(hào)工程碼[7]、質(zhì)量追溯碼等的區(qū)別。一般來(lái)說(shuō)，出口煙品牌規(guī)格較長(zhǎng)時(shí)間堆放與高架庫(kù)內(nèi)，流動(dòng)性較小。如利群(新版)、利群(休閑)、利群(軟長(zhǎng)嘴)、雄獅(硬)等牌號(hào)，存放時(shí)間較短，貨位占用周期短，具有高流動(dòng)性。

2 策略優(yōu)化

2.1 優(yōu)化出入庫(kù)策略

針對(duì)現(xiàn)存的單一品牌件煙托盤在高架庫(kù)各巷道中分布不均的弊端，WMS在分配巷道時(shí)，分別對(duì)單一品牌件煙托盤進(jìn)行數(shù)量比較，選擇數(shù)量最少的巷道作為目標(biāo)巷道。當(dāng)存在大于等于2個(gè)巷道的品牌托盤數(shù)量相同、且該托盤數(shù)為所有巷道最小時(shí)，則按巷道編號(hào)大小產(chǎn)生入庫(kù)任務(wù)。

Min(hi) 1≤i≤n

(1)

式中：h為巷道；i為巷道編號(hào)；n為總巷道數(shù)；Min(hi)為任務(wù)最少的巷道產(chǎn)生出庫(kù)任務(wù)。

當(dāng)兩個(gè)及以上巷道單一品牌件煙托盤數(shù)量為最小且相等時(shí)，按i巷道編號(hào)從小到大分配入庫(kù)任務(wù)。

2.2 確定件煙牌號(hào)占用貨位周期

統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)各牌號(hào)卷煙平均占用貨位周期，如表1所示。

表1 各牌號(hào)卷煙平均占用貨位周期

查詢WMS出庫(kù)件煙信息，將出庫(kù)時(shí)間減組盤入庫(kù)時(shí)間，得到每件煙的占用貨位周期。

(2)

根據(jù)每個(gè)月WMS系統(tǒng)對(duì)出庫(kù)件煙牌號(hào)的出庫(kù)件煙信息，統(tǒng)計(jì)1年內(nèi)該各牌號(hào)件煙托盤的平均占用貨位周期。該周期每月更新一次，各品牌不同月份平均占用貨位周期存在較大差異。

2.3 確定貨位優(yōu)先等級(jí)

確定堆垛機(jī)出庫(kù)循環(huán)[9]時(shí)間后，假設(shè)堆垛機(jī)初始位置在出庫(kù)站臺(tái)C，則：

(3)

(4)

(5)

式中：Vx為堆垛機(jī)X軸勻速運(yùn)動(dòng)速度；Vy為堆垛機(jī)Y軸勻速運(yùn)動(dòng)速度；Vz為堆垛機(jī)Z軸勻速運(yùn)動(dòng)速度；tx為堆垛機(jī)水平位置從貨位到C的時(shí)間;ty為堆垛機(jī)垂直位置從貨位到C的時(shí)間;tz為堆垛機(jī)載貨臺(tái)貨叉縱向取放貨時(shí)間，每個(gè)貨位取放貨的Sz都一樣，所以tz為固定值。

堆垛機(jī)到達(dá)C的取放貨周期T示意圖如圖1所示。

圖1 取放貨周期T示意圖

當(dāng)tx>ty時(shí)，T(x,y,z)=2(tx+tz)。當(dāng)tx≤ty時(shí)，T(x,y,z)=T(x,y,z)=2(ty+tz)。

每個(gè)S(x,y,z)對(duì)應(yīng)一個(gè)T(x,y,z)。WMS[10]系統(tǒng)

(6)

式中:P為單一牌號(hào)所需貨位數(shù)；w為單一牌號(hào)排產(chǎn)量；W為總排產(chǎn)量。

WMS根據(jù)生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)分配相應(yīng)的貨位給各品牌。根據(jù)該件煙牌號(hào)的牌號(hào)占用周期產(chǎn)生貨位入庫(kù)任務(wù)，周期越長(zhǎng)，分配目標(biāo)貨位優(yōu)先級(jí)越低；反之，分配目標(biāo)貨位優(yōu)先級(jí)越高。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2 數(shù)據(jù)分析

策略優(yōu)化前后統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表2可見，優(yōu)化策略后的成品庫(kù)不平衡出庫(kù)次數(shù)由2.5次降低至0.17次，降幅達(dá)93.2%，減少了堆垛機(jī)空閑等待時(shí)間。堆垛機(jī)平均取放周期T由95.7 s降低至86.2 s，降幅達(dá)9.9%，堆垛機(jī)無(wú)效運(yùn)行時(shí)間進(jìn)一步壓縮，以節(jié)約堆垛機(jī)運(yùn)行能源消耗[11]。平均出庫(kù)成品托盤由193.8盤/h提升到243.7盤/h，效率提升了25.7%。

表2 策略優(yōu)化前后結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)件煙托盤產(chǎn)生相等數(shù)量的入庫(kù)任務(wù)，當(dāng)堆垛機(jī)、輸送線、系統(tǒng)等故障時(shí)，該策略不能根據(jù)各巷道中牌號(hào)數(shù)量，自適應(yīng)地調(diào)整各巷道中單一牌號(hào)托盤數(shù)量情況。對(duì)按巷道均分入庫(kù)的策略進(jìn)行研究，通過(guò)比較巷道間某一牌號(hào)當(dāng)前的托盤數(shù)量，分配入庫(kù)任務(wù)目標(biāo)地址為最少件煙托盤所在巷道。以堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)載貨臺(tái)的路徑作為研究對(duì)象，比較X軸與Y軸方向運(yùn)行到出庫(kù)站臺(tái)C的時(shí)間T，提出貨位優(yōu)先級(jí)的算法：到達(dá)出庫(kù)站臺(tái)時(shí)間越短，則優(yōu)先級(jí)越高。結(jié)合部分成品件煙貨位占用周期算法，分配在庫(kù)周期短的卷煙牌號(hào)靠近C的貨位，提高高優(yōu)先級(jí)貨位利用率，實(shí)現(xiàn)牌號(hào)最優(yōu)分布，從而提高成品件煙托盤出庫(kù)效率。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試運(yùn)行，基于牌號(hào)最優(yōu)分布的成品件煙出入庫(kù)策略實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)整各巷道均勻分布功能，以及成品在庫(kù)周期與貨位優(yōu)先級(jí)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)算法。隨著工業(yè)4.0、“中國(guó)制造2025”的提出和發(fā)布，該策略必將在各智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。