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物流中心仓库货位优化系统的研究 |
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| 2007-08-13 |
１ 引言
为了符合当今客户更快速和更时常发生的配送要求，物流中心的拣选作业必须比以前更快而且更有效率。理想的拣选作业的解决方案，是将恰当的设备和一种拣选方法相结合。但是，为了更加有效率地拣选，我们同时也一定要把存货单元放入正确的地方－－即货位优化。 将货品位置最优化，可以减少货物搬运的成本，降低货物在存储过程及搬运过程中的损耗，从而降低物流业务本身的成本，提高收益。不管是对于一个小部分的作业，一个零售店还是一个大的配送中心，正确的货位可以节约时间。时间就是金钱，合理的对仓库进行货位优化是一个相当值得研究的课题；缩短出入库移动的距离、缩短作业时间，甚至能够充分利用储存空间，也是物流配送中心工作的重点。这将有助于使从事物流业务的企业在日趋激烈的物流市场的竞争中站稳脚跟，并最终蓬勃发展。
２ 货位优化概述
货位优化（ｓｌｏｔｔｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ），就是在货品当前位置的基础上基于ＳＫＵｓ和预想不到的变化因素而动态地再配置仓库中货物的货位，以保证货位分布处在较为合理的状态，达到提高拣货效率和降低仓库操作成本的目的。
ＳＫＵｓ因素－－货位优化的内因。即根据货架和货品本身特性的需要而进行货位调整。例如，由于频繁地对某些货物进行存取，这些货箱的重量可能发生较大变化。如果货架出现诸如“上重下轻”等严重的不均衡现象，则可能导致货架变形甚至倾覆。因此应遵循“重物应在下”的原则，保证货架的稳定性。
预想不到的变化因素－－货位优化的外因。即根据货物的流动性进行货位调整。在不同时期，货物的需求品种、需求数量和需求频率可能会有较大变化，而存取不同货位上的货物所花路径和时间的代价是不同的，因而货物的货位不应是一成不变的，应根据外界条件的变化，定期对若干货位进行交换。以医药仓库为例，有些常见病和多发病的发病，存在着明显的季节性，如气管炎多发生在冬季，细菌性痢疾在８、９ 月份多发，脑血管意外多发生在冬季；有些疾病的发病具有地方聚集性，如碘缺乏病、鼻咽癌等在一些地区高发；还有一些无法预料的情况如流行病的爆发和大流行（如２００３年的非典型肺炎）等。这些外界条件的变化，迫切要求医药物流中心不仅要及时调整进药的品种与数量，而且要及时调整仓库内药品货位，以适应以上变化。因此应遵循“常用应易取”的原则对货位进行优化，以提高存取效率。
３ 货位优化的意义
货品在仓库中的初始位置是由货位储存策略配合货位分配原则来确定的。常用储存策略包括：定位存储、随机存储、分类存储、分类随机存储和共享存储等。货位分配考虑的原则是很多的，如专用于仓储的立体仓库，其分配原则包括：货架承载均匀，上轻下重；加快周转，先入先出；提高可靠性，分巷道存放；提高效率，就近入／出库；产品相关性等。
应用货位优化系统的意义在于以下几个方面：
３．１ 将黄金区域给高频拣取的货品，从而最大化拣货效率以及最小化拣货成本。
所谓高频拣取的货品，就是指流动性高的货品。一般而言，库存中的少数货品（Ａ类或者快速流动品）流动性高，且对应了大部分拣货作业。须指出的是，货品的周转率（销售量除以存货量）、拣取频率会由于季节性等其他的原因而发生变化，从而影响货品的流动性。
所谓黄金区域，就是指那些容易搬运、拣货的区域。仓库黄金区域的位置取决于很多因素，比如出货月台位置、订单剖析，以及拣货路程设计。对于自动化的托盘存取系统，仓库黄金区域通常由靠近地面的２０％的区域和靠近出货月台的２０％的区域组成；而对于人力为主的拣货系统，从人类工效学的角度考虑，黄金区域由操作人腰部附近２０％的区域组成，在这个区域内操作人员无须弯腰或翘脚、登高。一般而言，重物应保管于地面上或货架的下层位置，而重量轻的物品则保管于货架的上层位置；若是以人手进行搬运作业时，人之腰部以下的高度用于保管重物或大型物品，而腰部以上的高度则用来保管重量轻的物品或小型物品。在搬动过程中，此原则有利于保证货架之安全性及人手搬运之作业安全性，避免对货架的损坏和对操作人员的伤害。
总而言之，拣货频率最高的区域应该位于最便于拣货的区域，这样能缩短拣选作业中的移动时间，加快拣货作业流程，提高订单的处理效率。
３．２方便补货
基于货品的尺寸和货箱、托盘的标准尺寸来确定存取位置，可以明显减少补货过程所需的劳动。
３．３平衡各工作区的工作量
将拣货量大的货品平均分配在不同拣货区域，避免某区域内的拣货作业拥挤，改善工作流程，缩短对一批订单的总反应时间。
３．４有效的支撑
为了将货品的损害减到最少，在拣选路径上，重的货品在前面，容易磕碰的货品在后。
３．５提高拣货的准确性
相似的产品应该分开，以减少拣取错误的机会。
３．６产品相关性法则
商品相关性大者在订购时经常被同时订购，所以应尽可能存放在相邻位置。可以缩短拣取路程、减少工作人员疲劳和简化清点工作。
４ 货位优化系统的现状
在工业数据和信息公司发表的第７版仓库和物流管理软件目录中，列出了所有的供应链解决方案。其中包括：仓库管理系统 ＷＭＳ ，货位优化ｓｌｏｔｔｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ，负荷建筑物（ｌｏａｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ），装运系统（ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ），堆码管理系统（ＹＭＳ），劳动管理系统（ＬＭＳ），供应链事件管理（ＳＣＥＭ），运输管理系统（ＴＭＳ）和其他类型的仓库相关软件。
目前，世界上各种不同的物流管理公司纷纷推出各自的货位优化软件，我们可以根据是否与ＷＭＳ绑定将其分成以下两类：
第一类，货位优化软件与ＷＭＳ绑定，成为其中的一部分，物流公司以Ｍａｎｈａｔｔａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ公司，ＥＸＥ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司等为代表。Ｍａｎｈａｔｔａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ公司将其应用软件分组构成３个核心区域，即仓库管理系统（ＷＭＳ），贸易伙伴管理（ＴＰＭ）和运输管理系统（ＴＭＳ）。其中ＷＭＳ应用软件组包括四个集成的模块：仓库管理（Ｗａｒｅｈｏｕｓｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ－－ＷＭ），劳动管理（Ｌａｂｏｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ－－ＬＭ），货位优化（Ｓｌｏｔｔｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ－－ＳＯ），记账管理（Ｂｉｌｌｉｎｇ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ－－ＢＭ）。
另一类，货位优化软件与ＷＭＳ分离，可以单独地购买和使用，以ＥａｓｙＰｒｏｆｉｌｅｒ和ＦｌｏｗＴｒａｋ等为代表。与第一类软件相比，ＥａｓｙＰｒｏｆｉｌｅｒ价格低廉且容易操作，专门为小到中规模的仓库而设计。
由此可见，虽然各公司推出的货位优化软件的特点各不相同，但是在功能方面确有共同之处：经过先进的运算法则的使用，能为物流中心推荐最佳的货品位置，满足货位优化的目标。
５ 货位优化系统设计的基本思路
对于一个物流中心而言，货位优化是一个相当艰巨而庞大的工作。设计货位优化系统的基本思路可分为以下几步：
第一步，收集所需的基础信息－－仓库内货位特性资料、货品需求资料和产品文件。相关数据可以从ＷＭＳ（Ｗａｒｅｈｏｕｓｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）或ＥＲＰ（Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ）中获得，分析货品需求的季节性变化规律、ＳＫＵ长期增长／淘汰变化等物流特性资料。货物的流动性可以根据下面的参数来获得：每个品项销售的次数、销售量、销售预测和库存量。如果品项时常改变而且没有任何的历史数据，那么可以使用销售预测来代替历史数据。此外，在周转率低的拣货区选择货架层时，应该选择库存量作为一个重要的指标，而不是它的销售水平。
剖析仓库活动，有助于我们分析货品的历史数据、需求、前置时间、周转率和特别的操作特性等参数，从而为确定合理货位提供参考。
第二步，确定优化的目标和约束。货位优化的最终目标就是降低成本，可以通过提高生产力和将无用的运动减到最少来实现。为此，可以通过平衡操作者的工作量、提高拣货效率、减少补货工作量、缩短拣货距离等作业效率改善指标来评定优化的效果。货位优化的约束，是指货位优化中必须考虑的客观限制条件，如货品重量、货位大小、拣货准确率要求等。在进行货位优化的过程中，必须兼顾提高作业效率和满足限制条件这两个方面。
各目标间的权益是相互矛盾、相互竞争的 目标间的权益冲突是普遍存在的，这一特点是构成多目标问题存在的根本特征。所以，多目标问题，总是以牺牲一部分目标的利益来换取另一些目标利益的改善。这就是多目标问题的基本性质之一。我们可以发现，在货位优化中，满足限制条件就是以损失作业效率为代价换取的。因此，货位优化是一个多目标决策问题。
第三步，算法确定。多目标优化的方法有很多，如何选择合适的算法来保证货位分布处在较为合理的状态，这是货位优化系统设计中最关键的环节。
对于多目标问题的最优解的方法基本可分为以下两类：第一类，根据决策者对问题的理解（给定各目标在问题中的权重、重要程度或目标期望值等偏好），对多目标进行标量化处理，然后应用数学规划法对其进行单目标优化，获得唯一可行解。常用方法有权重法、约束法、最大最小法和目标规划法等。第二类，基于进化算法的多目标优化法，主要算法之一就是多目标遗传算法。其步骤大致可分为：１ 编码，即在进行搜索前先确定解的结构表达；２ 种群的初始化；３ 针对多目标决策问题，构造适应度函数；４ 后代种群的繁殖，利用选择、交叉、变异等遗传算子进行操作；５ 用评价函数对种群进化检测；６ 最优个体转化为最优解。其中，４ 到５ 步循环操作直至得到问题的最优解。
从某种意义上讲，遗传算法特别适合求解多目标优化
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