基于MATLAB仿真的A公司仓储中心出库作业货位和拣选路径优化研究
【摘要】 随着计算机信息化和机械化技术的飞速发展，仓库管理作业方式也从手工作业的传统方式向机械化作业方式转变。立体仓库是集现代物流技术和仓储技术为一体的产物。它具有占地面积小、管理成本低、存储空间大、作业响应速度快等优点，已成为现代企业物流管理系统的重要组成部分。货位优化和拣选路径优化就是以提高仓储作业效率和节约仓储成本为目标，考虑仓储设备、货物、客户需求等各方面的问题和因素，规划货物的出入库路径和拣选作业，以提高空间利用率和货物出入库作业效率为目的，降低货物在搬运过程中不必要的损耗，降低库存成本，实现缩短货物出入库作业搬运距离和作业时间的目的，并提高仓储空间利用率。构建货位优化系统不仅可以为企业提供生产和运输准备，更能提高物流中心仓库作业效率，更好的实现企业对物流成本控制。随着主机厂的生产规模不断扩大，A公司仓储中心需要适时调整仓库管理模式来适应此变化，目前A公司仓储中心面临的主要问题为库存利用低、作业效率低，以及库存布局存在问题等。仓储中心现在急需要一种货位管理策略来解决目前遇到的问题。本文以A公司仓储中心新建立体仓库库区为研究对象，探讨货位优化在仓储中心的可行性。首先简要描述货位优化的相关理论；然后，通过对仓储中心货位管理现状的描述与分析以及对公司仓储中心的仓储管理现状以及零部件特点的分析，并根据仓储中心货位管理目标，确定以提高仓储管理效率为目标的货位优化模型，通过建模的方法将优化问题转化为可量化的数学模型，采用MATLAB软件设计算法求解最优解，并对优化前后零部件出入库作业时间进行对比分析，验证本文货位优化模型的有效性。本文通过对仓储中心拣货作业现状的分析，并根据仓储中心拣选作业的目标，确定和以拣货作业路程最短为目标的拣选路径优化模型，并利用遗传算法对优化问题进行求解；最后，选用MATLAB软件设计算法求解最优解，并对优化后结果进行分析，验证拣货路径优化模型的有效性。
第1章 绪论
1.1研究背景与意义
1.1.1研究背景
随着生产力的不断提高，生产物流日渐成为企业物流系统的重要组成部分，挖掘生产物流的潜力，提高生产系统的总体效益成为企业物流系统的重要标志之一[1]。仓储是通过仓库对货物的数量和质量进行管理与控制的活动，作为物流系统的子系统，其在企业物流系统中起着缓冲、调节和平衡的作用。
随着信息技术的广泛应用和经济的快速发展，仓储管理也在逐渐完善其技术管理模块和信息化管理过程。机械自动化管理方式逐步取代传统的手工作业管理方式，立体仓库也应运而生，并逐渐成长为提高公司物流系统作业效率的重要手段。立体仓库是集现代物流技术、仓储技术、机械化技术为一体的产物，它具有空间利用率大，准确率高，管理水平高，货物的破损率减少，作业效率高，人工成本低，环境适应力强等优点，可以有效提高物料调节水平，有效地对接生产与库存两个模块，加快物资的周转率，降低仓储成本，已成为现代企业物流管理系统的重要组成部分。仓储在物流系统的重要性越来越高，如果企业希望提高系统的总体效益，就应该从仓储环节的优化问题着手，提高企业的资金周转率、降低物流成本以及提高经济效益。
企业现代化生产规模不断扩大，仓库俨然成为物流系统中一个核心和枢纽，是企业物流系统实现物流合理化的关键。由于立体仓库的不断发展和应用，立体仓库的硬件设备和控制技术已经相当完善。20世纪50年代初，立体仓库在美国出现，1959年美国在立体仓库安装了由人驾驶的巷道式堆垛机，提高了作业效率和空间利用率。到20世纪中期，日本开始大力发展物流行业并引进了立体仓库。据不完全统计，美国共建立立体仓库20000座，日本共建立立体仓库38000多座，德国拥有立体仓库10000多座，英国建立立体仓库4000多座，前苏联也拥有立体仓库1000多座[2-4]。
我国的第一座立体仓库于1974年由机械部北京起重运输机械研究所建立[5]。90年代我国部分厂商通过与国外厂家合作已经可以进行自主研发。随着立体仓库在我国的不断发展，据中国仓储协会仓储设施与技术应用委员会调查得知，截止2012年底，我国国内建成立体仓库近1300多座，共生产了580台不同规格型号的有轨巷道堆垛机产品。立体仓库的累积总产值超过58亿元人民币。在役的立体仓库超过1200座。目前建立的立体仓库规模平均货位数在1万个左右，平均高度在20米以上，而且现在建立的立体仓库系统更加复杂，设备数量和种类越来越多，应用领域范围也越来越广，主要应用于机械、航空航天、化工、电子、医药、烟草、物流配送中心、机场、港口等领域[6]。
立体仓库存储设备以固定货架最为广泛，因为同一货架的不同货位上的货物可能在质量和包装上存在很大的差别，为保证货架的稳定性，需要使质量较大的物品尽可能存储在货架的底层，即货架的重心应尽可能低。同时，，由于货物之间存在相关性，需要将具有相关性的货物存放在相邻或者较近的货位上，又由于不同物品的存取频率不同，而对不同货位上的物品进行存取的时间和路径也是不同的，因此货位是动态变化的，那么对于货位的管理也应该是动态的。当货架上货物的质量、存取频率或货物相关性等因素发生较大变化时，就需要重新调整货位分配，以保证货架的稳定性、空间利用率和提高存取效率。动态优化的货位分配和货位管理是目前和未来仓库管理系统的核心竞争力，可以通过动态的货位管理来减少货物搬运的时间、缩短货物的搬运路径、降低仓库中货物搬运的成本以及提高出入库的效率。
仓库管理由于沿袭了多年的管理习惯，通常凭借经验将货物放置在设备或人员可到达的最近货位，而没有综合考虑因仓库内部因素和货物本身属性或设备等因素的变化而引起的货物的动态变化和客户需求等问题，故造成空间利用率低、出入库作业速度慢、存储效率低以及货架不稳定等问题。货位优化管理是根据不同货品的特性，确定适合它的存储方式，依据这种存储方式为货物分配存储空间，从而提高空间利用率、节约劳动力、降低成本以及为客户提供更快捷、更准时的服务。
目前的汽车制造领域，立体仓库也已投入使用，并且成为我国日前汽车行业最普遍的仓储管理设备。立体仓储的使用可以使众多复杂多样的零部件的管理更加有序和规模化。由于近几年汽车制造业零部件成本渐渐提高，企业利润空间越来越小，物流中心也日渐变成降低成本的重要环节，对汽车零部件物流成本的控制成为企业的第三利润来源。
..............................
1.2国内外研究现状
1.2.1我国汽车行业零部件仓储现状
随着我国汽车行业的高速发展，汽车物流已成为企业物流系统的重要组成部分，主要包括对整车的仓储和运输，以及对零部件的仓储、配送和运输等环节，零部件的仓储和配送管理直接关系着主机厂的正常生产。近几年汽车物流也成为物流系统中涉及面最广、技术复杂度最高的领域之一。
汽车制造企业一般都建立属于自己的零部件供应基地或中转库，但企业对零部件的管理效率却很低，往往只使用了供应基地的20%的库存量，存在资源过剩的现象，高的管理费用使企业纷纷将物流外包。汽车行业为保证选择满意的物流企业作为合作伙伴，提高企业的核心竞争力。因此，一种适应于中国汽车制造企业的物流模式产生了，汽车制造企业将自身的物流仓储部分离出来，形成以第三方物流为经营模式的“仓储中心”。保证可以向主机厂提供高质量的零部件，并能包揽整车的配送和零部件仓储等业务。
汽车行业的生产模式大部分是以主机厂为核心的JIT模式，由于主机厂生产车型的多样性，汽车行业仓储只能依靠高库存来保证主机厂的JIT生产模式，加重的仓储中心的运作成本[8]，由于汽车行业仓储的管理成本过高，大部分汽车制造企业都采用第三方物流或自营物流和第三方物流结合的方式，将仓储外包为第三方物流企业来节约运作成本。
物流企业只要按照主机厂的要求来对物流活动进行管理和组织就可以在很大程度上满足主机厂在零部件配送及整车物流等方面的需求。而大部分第三方物流企业只注重其自身的成本和利润，而忽略了对物流效率及其他方面问题的关注。物流企业的大多数仓库都是采用租赁的方式，而非企业自身建立，造成这些仓库的库存利用率上处于较低水平，不仅影响物流企业的作业效率和利润率，同时间接影响主机厂的生产成本。
由于汽车零部件种类的多样性和包装的复杂性，使其与其他物流企业仓储管理相比，汽车零部件的仓储管理更显得困难。同时为保证生产准时稳步地进行，汽车主机厂要求汽车仓储中心准时地配送零部件，并且要求仓储中心运作模式要与主机厂的生产节拍一致，加大了对汽车仓储管理的难度。在配送过程中，仓储中心需要将零部件拆包并码放在适当的托盘器具上，当汽车零部件的种类较多时，拆包和码放过程就成为了仓储管理的瓶颈环节。由于汽车零部件入库时间和数量的不确定性，这就需要汽车仓储中心预留部分操作人员和设备，来完成零部件的入库操作。本文基于这种背景下，以某汽车制造企业的仓储中心为研究对象，分析企业货位管理现状，针对管理模式和方法的不足进行优化，达到提高作业效率的目的，为企业的货位管理提供一定的参考。
..............................
第2章 相关理论与方法
2.1货位优化概述
2.1.1货位管理
货位管理是指对仓库存储货物的货位进行的规划、分配、使用和调整等一系列工作。货位管理主要包括仓库布局、货位分配、和货位优化3个部分[59]。
2.1.1.1货位分配策略
货位分配方式是指分配仓库未使用的货位如何存放商品。传统的货位分配方式主要有四种：1)固定货位存储；2)自由货位存储；3)分类存储；4)分类随机存储。固定货位存储就是事先规划好货物的货位，每一种货物都有其固定的货位，即使在缺货状态时也不能存放其他货物。固定货位存储可以减少货物之间的相互影响，由于货物的储备定额都是按照货物的最大储备量来计算，需要大量的货位来存储货物，增加了仓库的货位空间。自由货位存储也称随机存储，即货位可以储存任何货物，只要有货位空间，入库的货物即可存放。随机存储可以提高空间利用率，保证每一个货物都有货位进行存储，但随机存储容易使同种货物存放在两个不相近或不相关的货位上，增加出入库管理方面的困难，容易导致出入库作业效率低下等问题。分类存储是指将货物按一定的分类方式加以分类，每一类货物都有固定的货位区域，分类存储是将分类和定位存储相结合的一种存储方式，具有定位存储的部分缺点。分类随机存储指每一类货物都有固定存放区域，但在同一区域内每个货位的分配是随机的。
随着货位管理的不断发展，货位存储模式还有共享储放和货品—货位耦合分配。共享储放是指将不同的货物存放在同一个货位空间，优点是节省存储空间和搬运时间，但同时也加大了管理难度和拣选难度。共享储放策略适合货位较少或区域较小的仓库；货品—货位耦合分配是一种较复杂的分配策略，需要先对货位和货物分别进行分区，形成货位区域和货物区域，并将具有对应优先级的货位区域和货物区域进行耦合，通过此种方式完成货物的分区分配[60]。这种分配策略可以根据货物需求频率的高低来决定存放区域和货位，缩短了货物出入库的时间。
2.1.1.2货位分配原则
1)与随机货位存储或共同存储相配合，其主要是靠近出口原则；2)与固定货位存储或分类存储相配合，主要包括周转率最低原则、相关性原则、同一性原则、类似性原则、互补性原则、先入先出原则、面对通道原则、产品尺寸原则、重心最低原则、物品特性原则、位置明确原则和叠高原则。良好的货位存储方式与分配原则相结合使用，可以缩短拣货距离，降低成本，提高作业效率。
货位管理的作业流程。首先要对仓库进行整体布局，然后为待入库的货物分配货位，当仓库运作一段时间之后，可能出现货物存储比较零散或者仓储作业效率低等状况，这时就需要对货位进行调整；货位调整后，会有部分货物的货位仍不合理，这时就需要对货位进行优化。本文主要是对货位优化进行研究。
...........................
2.2拣选路径优化概述
2.2.1拣选作业的概述
2006年我国在国家标准《物流术语》（GB/T 18354-2006）中对拣选的定义为：按订单或出库单的要求，从储存场所拣出物品的作业[63]。
拣选作业过程分为准备订单、寻找货物和拣取货物过程。拣选作业流程如图2.1所示：
拣选作业的流程主要包括：
1.准备订单。拣选作业开始之前，需要根据订单的要货信息生成拣选货物的信息。通常情况下，在接到订单后可以根据计算机系统生成拣选单以及对应的货位。拣选人员可按照拣选单上的信息进行拣货作业。
2.寻找货物。拣选人员可以按照拣货单上的货位信息找到储存货物的位置，每个企业都有自己的规范的货位标签，从而方便拣选人员查找货位。在寻找货物过程中，所要拣选的货物应保证能被拣货员找到，通常寻找货物的方式为有“人至货”和“货至人”两种不同方式，拣选货物过程中行走时间在整个过程中所占时间比例较大，也是企业需要重点注意和优化的环节。
3.拣取货物。货物经过运输设备运送到拣货区后，拣货员需要根据拣选单上的货物的信息进行拣选，拣选过程需要保证货物的品种和数量与拣选单上的信息一致。通常是通过拣货员或保管员的人工识别或电子标签等方式进行确认，确认货物的品种和数量主要是为了提高拣选的准确率，更好的提高物流中心的服务水平。
2.2.2拣选作业策略
物流中心每天需要处理大量订单，由于每张订单的信息都是不同的，物流中心可通过拣选策略来保证将不同的订单进行处理，针对不同类型的订单采用不同的拣选策略，可有效提高拣选作业的效率。拣选作业策略主要包括以下几种：
1.单订单拣选策略
单订单拣选即以单张订单为单位进行拣选作业的过程。此种策略相应速度快，拣货员不需要进行分类操作，只需要根据订单信息进行货物的拣选即可，而且对紧急订单不敏感，所发生紧急情况，可以紧急插入订单，不会影响整体的拣选作业。但此种策略需要拣货员逐一根据订单进行寻找货物、拣选货物等操作，会使设备和人力的利用率下降，总的行走距离较长，增加拣选成本。
2.批次拣选策略
批次拣选策略是将一定数量的订单合并为一个批次订单，拣货员可以根据批次订单进行货物的品种和总量的拣选，然后再根据每张订单的信息，将拣选的货物进行二次分拣。批次拣选策略可以通过整合多张订单，有效地减少拣选行走距离，提高拣选效率，而且在二次分拣过程中，还可以进行细致性的检验，防止出现缺货的现象，提高拣选作业的准确性，但在一定程度上，增加了拣选作业的时间。
3.波段拣选策略
波段拣选是根据订单的特点，将订单分类进行拣选。拣货员可以根据订单的信息，例如存放区域、线路、响应时间、保管员等来分割和组合订单。可以根据订单的紧急响应时间分类，将所有紧急订单作为一个批次进行拣选；还可以根据订单货物的品种和数量，将订单分为多样多量或多样少量。波段拣选策略往往是与单订单拣选策略或批量拣选策略相结合使用的，同时也具有响应结合策略的特点。可以通过结合使用来有效的提高拣选效率。
............................
第3章A公司仓储中心仓储管理现状分析....................................19
3.1仓储中心概况.....................................19
3.2仓储中心现状及问题分析.............................................20
3.2.1仓储中心现状分析...............................................20
3.2.2仓储中心相关参数...............................................21
3.2.3仓储中心问题分析...............................................22
3.3仓储中心存在的问题................................................23
3.4仓储中心货位优化的目标.............................................23
3.5仓储中心拣选路径优化的目标..........................................24
第4章 仓储中心高架立体仓库货位优化..........................................25
4.1货位优化模型的建立...............................................26
4.1.1模型的描述和假设..........................................26
4.1.2建立货位优化模型...........................................27
4.2货位优化仿真过程................................................29
4.2.1基础数据收集...............................................30
4.2.2仿真结果分析...............................................30
第5章 基于遗传算法的仓储中心高架立体仓库拣选路径优化
通过第三章对A公司仓储中心实际情况的分析，发现仓储中心目前的拣货作业较缓慢，迫切需要实施拣货路径优化，以提高零部件的出库效率和减少拣货作业过程的时间。可将出库时间可以简单的看作是评价零部件出库效率的一种方式。
本文在借鉴前人研究的基础上，本文通过建立数学模型来解决仓储中心拣选路径优化的问题，以拣选路程最小为拣选路径优化的目标，通过将目标进行量化，解决仓储中心拣货作业的实际问题。
5.1货位优化模型的建立
5.1.1模型的描述和假设
在现在的研究中，大部分学者利用遗传算法解决优化问题。拣货路径优化可以从根本上提高拣货作业效率，减少拣货作业过程的时间。 在分析模型目的和特征的基础上，对模型进行描述和假设。
1.仓储中心在生成拣选订单过程中，有一种或者多种零部件合并为一批的订单，需要通过一个高位叉车进行拣选。
2.需要拣选的零部件的总容量和质量不会超过高位叉车的最大承载重量和最大拣选能力。
3.仓储中心的存储区的货架为双排型连接，并且为水平排列。
4.拣选路径忽略垂直方向上的位移。
5.已知所要拣选的零部件的品种和货位位置。
5.1.2建立拣选路径优化模型
本文的拣选路径优化以拣选路程最短为目标，通过减少拣选路程，提高拣选作业效率。假设高位叉车一次需要拣选N种零部件，根据上文的描述和假设建立拣选路径优化目标函数如下。
其中Dij表示拣选所行走的总距离；Yij为决策变量，如果在拣选完i零部件后立即拣选j零部件则取值为1，否则取值为0。
..............................
第6章 结论与展望
6.1研究结论
本文通过对A公司仓储中心仓库管理现状以及仓储管理实际情况进行分析，找出仓储管理中存在的问题，提出了以出入库效率最大的货位优化目标和以拣选距离最短的拣选路径优化目标，建立相应的优化模型，仿真后结果显示出入库作业时间普遍减少，提高了出入库作业效率；
并利用遗传算法对拣选路径优化模型进行求解，仿真后结果显示拣选距离大大减少，减少了不必要的行走距离，提高了拣选作业的效率，从而达到提高仓储作业效率的目的。为仓储中心货位优化管理提供可参考的建议。本文的主要工作如下：
1.本文对我国汽车仓储管理现状以及国内外货位优化和路径优化研究现状进行分析，并对仓储货位优化管理和拣选作业进行说明，详细阐述了相关理论的定义、原则、方法等，并重点对遗传算法的定义、发展过程、原理及操作过程进行阐述。
2.本文以A公司仓储中心为研究对象，针对仓储中心货位管理现状和拣选作业现状进行分析，找出存在的问题，提出货位优化目标和拣选路径优化目标。
3.本文以货物相关性和出入库作业效率最高为货位优化目标，构建货位优化数学模型。并利用MATLAB软件对货位优化模型进行仿真求解，并对货位优化前后结果进行对比分析，结果显示优化后的出入库作业时间小于优化前的出入库作业时间，验证了模型的可行性和有效性。
4.本文以拣选距离最短为拣选路径优化目标，构建拣选路径数学模型，确定了基于遗传算法的拣选路径优化模型，采用S-shape策略、混合策略和遗传算法三种方法对拣选路径进行优化，并利用MATLAB软件对基于遗传算法的拣选路径优化模型进行仿真模拟，对优化后结果进行对比分析，结果显示利用遗传算法进行优化的结果要优于其他方法，能有效提高拣选作业效率。
..............................
[1] 王凯. ABC分类法在配送中心货位优化中的应用研究[J]. 华章. 2014(06)
[2] 李小笠,刘桂芝,杨文亮. 基于嵌套分区算法的立体仓库货位分配优化[J]. 计算机工程与应用. 2014(02)
[3] 邓爱民,蔡佳,毛浪. 基于时间的自动化立体仓库货位优化模型研究[J]. 中国管理科学. 2013(06)
[4] 弭宝福,徐梅,王福林,矫健,张待娣. 交叉概率对遗传算法运算速度影响的测试与分析[J]. 数学的实践与认识. 2013(22)
[5] 自动化立体仓库应用及发展展望[J]. 物流技术与应用. 2013(04)
[6] 吴伟云,乐天. 遗传算法中的选择算子的述评[J]. 福建电脑. 2012(06)
[7] 伊双清,邓焱,潘飞宇. 汽车制造行业零部件仓储与配送WPSPI模式研究[J]. 物流工程与管理. 2011(02)
[8] 别文群,李拥军. 遗传算法在立体仓库货位优化分配中的研究[J]. 计算机工程与应用. 2009(29)
[9] 骆雪,陈国璋. 自动化立体仓库在物流工程中的应用及发展[J]. 江西建材. 2009(01)
[10] 俞雷霖,叶卫东,陆志强,夏军权,奚立峰. 基于混合禁忌搜索算法的自动化立体仓库的货位分配与优化研究[J]. 制造业自动化. 2008(12)
本文编号：11732
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/wuliuguanlilunwen/11732.html
