卷烟仓储作业流程优化方法与仿真

从当前烟草物流管理现状来看, 卷烟仓储常常存在全程动态追踪难、储存位置不确定、周转率不高、数据采集和仓储作业繁琐等问题。为了改善仓储管理, 提高仓储作业效率, 我国也在大力研究和发展相关的技术产业, 基于高新技术的仓储系统优化以及货位分配方法的相关研究受到了国内外学者的热切关注。

针对仓储流程优化问题, 国内外学者做了许多研究, 提出了具体的改善措施, 并做了案例分析。谭慧[1]和张兵[2]等通过RFID技术的应用, 设计了仓储作业流程方案, 并说明了RFID仓储管理系统可实现的功能。Hadi-Vencheh等[3]基于层次分析的ABC分类法的研究, 有效的控制库存, 能够确定合理的订货策略。Ribino等[4]通过研究自动化仓库在特定因素影响下的行为, 从而确定改进仓库绩效决策的指标, 为后期改善方案提供支持。

针对立体仓库的货位分配优化问题, 学者们一般通过建立优化分配模型, 确定优化目标, 实现库位或者库存的最优[5,6]。Fan等[7]考虑了一种单一产品的库存和仓储决策, 其考虑了仓库的规模与动态的货物批量之间的关系。张贵军等[8]提出了一种基于精英多策略的货位分配优化方法, 考虑了货物重量、出入库频率和出入库时间等因素建立了货位分配优化模型。另外, 还有许多学者通过建立多层规划模型来研究货位分配问题, 其主要区别在于优化目标的选取有所不同, 例如:Jing等[9]考虑将项目分组和货位分配分别作为上下层优化目标;鄂晓征等[10]考虑将作业效率和货架稳定性和安全性作为优化目标;彭小利等[11]考虑将异品种分区、重物低放、相关品近放作为优化目标。

国内外学者针对仓储优化和货位分配做了大量的研究, 但是在流程优化方案的实施方面并未做深入的量化研究, 在库位分配方面的研究一般是结合某品类物品的特性建立优化模型。卷烟由于其包装、重量等规格都是一致的, 因此其货位分配问题有别于其他货物的分配, 并且以往货位分配时忽略了叉车和堆垛机对仓储效率的影响。因此本研究将采用层次分析法分析卷烟仓储过程中存在的问题, 结合RFID技术、卷烟分类和货位分配法等方法优化卷烟仓储流程, 最后通过Flexsim仿真验证优化效果。

卷烟由于其产品特殊性, 产销统一调配, 因而具有独立的物流系统, 其中物流中心作为物流系统中很重要的一个环节, 主要负责卷烟的仓储和统一调配工作。在入库环节当前一般通过零散到达和整盘到达相配合。在整个仓储过程中将涉及到叉车、传送带、堆垛机、货架等众多环节, 选择关键堵塞点做出优化不仅能够提高仓储的效益而且能够最大程度的降低优化成本。

层次分析法是一种将问题分解成目标、准则、方案等层次的分析决策方法, 其可以根据咨询专家组的意见确定相应的权重大小, 进而灵活准确地得到待解决问题的方案顺序, 因而也适用于仓储作业流程问题分析。基于层次分析法的作业流程问题分析步骤如下:

(1) 设定:目标层为流程优化环节;准则层以工作效率、吞吐量和信息化水平为优化环节方案选择的准则;方案层包含具体备选优化方案:叉车、堆垛机、货架、入库形式和包装环节, 如图1所示。

(2) 构建准则层中各要素的相对比较矩阵。根据各要素对仓储管理性能的重要性采用1-9的矩阵元素标度确定相对权重, 构建判断矩阵A (各标度数值均采用走访相关专家和物流中心管理人员的意见并取平均值) 。其中各标度数值均采用走访相关专家和物流中心管理人员的意见并取平均值而得到。

从判断矩阵看出卷烟仓储管理指标的重要性程度排序依次是工作效率、吞吐量和信息化水平。计算判断矩阵的最大特征值和特征向量分别为:λmax=3.018 3, W (1) T= (0.915 7, 0.348 5, 0.200 0) 。对A进行一致性检验, 求得一致性比率CR=0.016<0.1, 通过一致性检验。

(3) 构建各准则要素对不同备选方案的判断矩阵, 确定各备选方案在相应准则条件下的权重 (标度值亦采用专家推荐值) 。判断矩阵分别为B1、B2、B3。比较矩阵的一致性比率值均小于0.1, 通过一致性检验。

(4) 求解各备选方案在不同准则下权重矩阵的最大特征向量, 将各特征向量组成矩阵W (2) 。备选方案的权重向量W如式 (1) 所示。

其中:

W (1) 为准则层判断矩阵的特征向量;

W (2) 为方案层各判断矩阵特征向量组成的矩阵。

经计算得权重向量W= (0.591 5, 0.432 4, 0.892 0, 0.546 4, 0.181 4) 。权重向量中的值与各评价方案相对应, 即权重排序依次为:货架>叉车>入库环节>堆垛机>包装环节, 权重值的大小代表在流程优化时的优先顺序, 因此本文拟结合RFID技术综合优化货架、叉车、堆垛机以及入库环节。

针对层次分析法研究得到的优化选择方案, 在入库环节托盘全部采用RFID电子标签记录当前托盘存储情况, 储位前端装RFID电子标签记录当前货架存储情况, 叉车和堆垛机安装RFID读写器。基于以上改善, 结合改进的R-R模型, 研究储位分配优化建模方法。

(1) 托盘RFID电子标签。记录该托盘从出厂到拆盘整个流程的信息, RFID电子标签需要满足能够多次读写的要求。托盘RFID记录的内容包括:电子标签编号、卷烟名称、规格、数量、出厂时间、入库时间、出库时间等。

(2) 储位前端电子标签。记录货架各储位的卷烟出入库和在库情况。储位前端RFID记录的内容包括:托盘电子标签编号、托盘储位、上下架时间等。

本文在Ramanathan[12]的货物分类R-R模型基础上, 考虑不同储存策略下单品种货物的数量、权重等, 结合叉车和堆垛机对储位分配的影响, 提出了基于ABC库存分类方法的储位优化分配模型, 即品种少且需求量大的卷烟优先储存于外侧货架的底部, 反之储存于内部货架的顶部。

(1) 优化模型建立

其中:

(1) si表示在M种货位分类下, 第i类卷烟的库位值;

(2) Q为卷烟类别总数;M为分类标准总数;

(3) Wij为第i类卷烟在第j种货位分类下的权重大小;

(4) yij为第i类卷烟在第j种货位分类下的周转率;

(5) Xij为第i类卷烟在第j种货位分类下的叉车行走距离, λij为对应的权重;

(6) Tij为第i类卷烟在第j种货位分类下的堆垛机行走距离, βij为对应的权重。

计算所有Q种卷烟的最优库存值, 需要对模型重复运行Q次, 最后根据Q各值的大小对储位做动态划分。根据优化模型可知, 卷烟在货位选择时不仅考虑了其周转率和重要程度 (优先级别) , 还添加了叉车和堆垛机行走距离对仓储效率的影响, 使货架的储存效果更好。

本部分拟采用Flexsim软件以日吞吐量、叉车利用率和堆垛机行走距离为优化评价指标对前述模型方法进行验证评价。通过对优化前后仓储系统做仿真分析, 进而验证优化效果。

本文以某烟草公司物流中心做仿真优化研究, 该公司物流中心最大库容7 500件 (箱) , 当前日平均分拣量3 498件。现做以下假设:

(1) 不考虑设备的故障问题, 每日工作时间为AM 7:00-PM 19:00, 共计12h, 仿真时间为一周。

(2) 在货物配送和储存时, 每15件卷烟包装成一托盘, 每件含有25条卷烟。

(3) 通过调查该公司的到货时间以及日均分拣量计算得知, 托盘货物到达的时间间隔服从均值为17.8s的正态分布。

(4) 传送带的速度为1m/s。

基于Flexsim首先构建仓储作业系统的各个实体模型, 根据作业流程顺序关系建立起各个实体之间的逻辑关系, 再构建各实体的数据模型。卷烟仓储物流系统仿真模型架构如图2所示。

(1) 物流中心吞吐能力分析。物流中心的吞吐能力主要体现在仿真过程中其出入库的数量。通过仿真得到优化前后物流中心出入库情况统计见表1。

当前状态下, 总共进入物流中心完成入库的有2004托货物, 以每托15件计算, 即30 060件货物;完成出库复核并装车离开的货物总数为1 890托, 即28 350件, 整个一周时间总的吞吐量为58 410件, 吞吐能力为8 344件/天。同理, 优化后的模型在运行期间, 总共完成入库的有2 212托货物, 即33 180件卷烟;完成出库复核并装车离开的货物总数为2 089托, 即31 335件, 其吞吐能力为9 217件/天。

(2) 叉车利用率。仿真模型中共有2辆叉车, 在整个作业过程中优化前后工作效率状态如图3所示 (左侧为优化前, 右侧为优化后) 。从图中可以看出, 优化前两辆叉车利用率分别为75.23%和87.63%, 平均设备利用率在81.43%, 优化后它们的工作效率分别增加至90.81%和92.51%, 平均设备利用率达到91.7%。

(3) 堆垛机行走距离。仿真模型中一共采用了三台堆垛机, 分别负责两侧货架的存取货物。如图4所示, 左侧为当前状况下三台堆垛机的总行走距离分别是35.1km、34.9km和37.1km, 右侧为优化后的堆垛机总行走距离, 约100.3km。

通过仿真数据对比优化前后效果, 得到改善前后的对比效果分析表, 见表2。

(1) 配送中心吞吐能力。由立体仓库的入库量和出库量的变化可以看出优化效果很明显。其中优化后仓储系统日吞吐量为9 217件, 较优化前的日吞吐量8 344件/日, 方案提升约为10.5%。

(2) 叉车的利用率和行走距离。分析数据得知, 优化后两辆叉车的工作利用率提高到了91.7%左右, 较优化前方案的81.4%提升了10.3%, 且相互之间的负荷较为均衡。

(3) 堆垛机的行进总距离。经过优化, 立体仓库三台堆垛机总的行进距离为100.3km, 以一周4 301托的吞吐量计算, 平均每托盘出入库作业堆垛机的行走距离为23m, 较之当前堆垛机行走距离27.5m优化了8%。

本文以当前卷烟物流中心运行现状展开研究, 采用层次分析法找出当前仓储作业流程的权重并进行排序;引入RFID技术对仓储作业流程进行信息化管理, 其中基于ABC分类法建立了储位优化分配模型;借助Flexsim软件对优化前后作业流程分别进行仿真, 对比分析发现, 优化方案的确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设施, 在管理方法上提出了一些改进, 起到了提高效率、降低成本的优化效果, 可以为类似仓储物流系统优化研究提供思路和方法;后续研究还可以针对分拣、配送、信息管理等环节分别进行优化, 以进一步提升物流仓储的作业能力。