苏州店加新区仓拣货路径优化研究

摘要: 随着市场经济的不断发展,尤其是物流行业的发展让仓库效率成了当下关注的重点,拣货作为仓库作业中的重要一环,其作业成本在仓库作业总成本中占据很大比重。因此,对仓库的拣货路径进行优化势在必行。本文主要通过对拣货路径的优化来实现提升仓库效益

  摘要:随着市场经济的不断发展,尤其是物流行业的发展让仓库效率成了当下关注的重点,拣货作为仓库作业中的重要一环,其作业成本在仓库作业总成本中占据很大比重。因此,对仓库的拣货路径进行优化势在必行。本文主要通过对拣货路径的优化来实现提升仓库效益的目的。首先,本文介绍了苏州店加新区仓的仓库的布局与拣货模式,分析了新区仓的拣货路径存在绕远问题。针对苏州店加新区仓拣货路径不合理问题,建立旅行商模型,借助LINGO软件辅助计算,从拣货路径优化的角度提高拣货效率形成拣货路径优化方案;对优化设计方案进行评价,证明其科学性,为新区仓的拣货路径优化提供宝贵建议。
  关键词:拣货路径优化;旅行商问题;LINGO

  一、绪论

  (一)研究背景、目的与意义

  1.研究背景
  伴随着信息技术的发展,移动互联网虽然不能完全取代实体,但它依旧是趋势所在,各行各业均能够感受到移动互联网转型的紧张氛围。在互联网+的影响下,零售O2O的发展已然成了势不可挡的潮流,同时也是企业要紧紧抓住的机会。百世店加作为百世集团创新推出的O2O零售服务平台,为了应对上述环境下所产生的——订单的混合、更快速的物流服务等挑战,拥有自己的仓储配送体系成为提高企业竞争力、行业影响力的关键。
  2.研究目的与意义
  拣货作业是指按拣货单的要求,将货物从其存存储场所拣取出来,并放置在规定地点的作业。其作为仓库作业环节中的核心环节之一,对提高整个仓库作业的作业效率,降低整个仓库作业的总成本有着重要作用。
  目前,传统仓库作业仍属于劳动密集型,基本采用人工拣选,即人至物的拣货方式,拣货作业耗费了大量的时间及人力资源。据相关资料显示[1],通常情况下拣货作业在仓库日常总作业工作量中的占比为60%,拣货作业所需时间在仓库作业时间中的占比为30%~40%,拣货作业的成本投入在整个仓库作业成本中的占比为15%~20%。由此可见,拣货作业是苏州店加新区仓在日常运作中亟需优化的重要环节。据调查研究显示[2],拣货人员的行走时间通常占整个拣货过程的50%左右。由路程等于速度乘以时间这一数学公式可知,在固定的行走速度下,行走路径的总长减少,行走的时长则相应缩短,即提高拣货效率的关键就是在一定条件下优化拣货路径。故本文通过优化苏州店加新区仓的拣货路径来提高拣货环节的工作效率,降低拣货作业成本,为仓库带来更高的运营效益。

  (二)国内外研究综述

  拣货路径问题[3]在1959年第一次被提出,是订单分拣过程中衍生出来的数学难题。一直以来,国内外学者对拣货路径问题做出的大量的深入研究,具有重要的理论意义和现实价值。
  1.国外研究现状
  仓库布局和拣货路径两者之间存在一定的联系,科学合理的布局设计能够有效减少拣货路径长度,提高拣货效率。Vsughan和Petersen[4]研究了带有过道的仓库,认为中间过道的设计若处于最优条件下时,仓库拣货将更加灵活,从而缩短拣货路径,但过多的中间过道设计会降低拣货效率。Caron,Marchet及Perego[5]研究了两种不同布局的仓库对拣货路径的影响,第一种将拣货出入口设计在仓库中间,并且拣货通道互相平行;另一种将拣货出人口设计在仓库左下方,并且拣货通道互相垂直。两者对比分析得出仓库布局会对拣货路径长度产生一定影响。Roodbergen和Koster[6]]研究了带有平行通道和不带有平行通道的仓库中的拣货路径问题,比较发现,前者可以明显缩短拣货路径,并且仓库越大这种优势越明显。在拣货路径策略方面,Petersen[7]研究表示拣货路径策略会对拣货行走距离产生很大的影响。Roodbergen和Koster[8]在双区型仓库中采用S型启发策略对拣货路径进行研究。
  2.国内研究现状
  在仓库布局方面,陈立颖[9]对物流中心的人工拣货区进行研究,而且设计了多个出入口。得出若仓库布局发生变化,则货位储位的储位号将随之而变,而且该变化将对拣货路径总长产生影响的结论。刘进平[10]研究发现双区布局的仓库较单区布局的仓库而言,前者更能节省拣货行走距离。在拣货路径策略上,林雨秦和吴佩如[11]采用蚁群算法对物流中心的拣货路径进行优化研究,并将其和穿越策略进行对比,结果表明前者可以得到比后者更短的拣货路径。王宏[12]在双区型仓库拣货路径优化方法的研究中描述了一单一车的拣货路径问题,该问题可视为典型的TSP问题,然后分别采用S型启发式算法、动态规划算法和遗传算法求解该情形下的拣货路径问题并对结果进行综合比较分析。李栋栋[13]采用贪心遗传算法对双区型仓库中的拣货路径进行优化研究。
  3.国内外研究评析
  根据以上国内外对拣货路径优化问题的研究可以发现,国外的研究固然起步较早,但是随着电子商务的不断发展,拣货路径的优化成为解决整个拣货作业瓶颈的关键节点,近年来国内学者对拣货路径问题的研究呈快速增长的趋势。

  (三)研究总要内容及创新点

  1.研究主要内容
  在具体分析苏州店加新区仓的仓库布局及现有的拣货作业模式上,发现其在拣货路径的规划与设计上存在迂回绕远等不合理问题,从路径优化的角度入手,优化其拣货线路,缩短拣货人员的行走路程。
  2.论文创新点
  本文以苏州店加新区仓为例,将拣货路径最短作为目标,建立目标函数,,借助LINGO软件对本文中所构建的优化模型进行求解,得出优化方案,与原方案进行比较得出优化方案的先进性,对新区仓之类的仓储配送企业提高拣货效率,降低物流成本有一定的借鉴意义。

  (四)技术路线

苏州店加新区仓拣货路径优化研究

  二、苏州店加新区仓拣货路径现状及存在的问题

  (一)苏州店加新区仓简介

  1.百世店加概述
  百世店加于2015年成立,是百世集团七大事业部之一,是一个全国性快消品综合服务平台。利用百世软件服务和百世供应链,向厂家提供分销服务,向便利店提供一站式订货服务,旨在提供专业的物流服务,全面优化O2O的零售服务模式。
  2.苏州新区仓概述
  苏州新区仓位于苏州市高新区,仓储面积为4202平方米,隶属于百世供应链下的仓储部,与运输部一起为店加提供仓配一体的服务。新区仓为线下仓,主要经营食品、酒水、日化品等快消商品,为相城区、姑苏区、吴中区、吴江区、虎丘区的加盟便利店提供送货上门的服务。店加平台采取购买满500元的拣货政策,16点前下单次日送达。

  (二)苏州店加新区仓拣货路径的现状

  1.新区仓仓库布局
  新区仓是一个双区型仓库,,仓库参与拣选的库位分布在A区和B区,如图1所示,A区和B区由8条平行的通道组成,而且每条通道的长度均相等,仓储的货物全部放在托盘上,托盘与通道平行排列,分布在通道的两侧,拣货人员可以在通道两边的双向拣取,但8通道除外,只可以在一侧拣取。该仓库还设有横向三条过道1、2和3,与8条通道垂直相连,保证作业人员在进行拣货作业时能够因地制宜,机动地选取所要行走的路线,提高拣货效率。每个库位用[a][b][c]的形式来进行编号,a代表待拣货物所在的库区,取值为A或B;b代表待拣货物所在的通道,取值范围1~8;c代表待拣货物所在的储位,取值范围为1~64,其中1~7通道的托盘按储位号的奇偶性排放在通道两侧。例如:A1-28表示该货物位于仓库A区1号通道第28个储位。
苏州店加新区仓拣货路径优化研究
  以便于模型的求解,把拣选库区中每个托盘的长度和宽度,每条过道及通道的宽度均设为具体数值。设托盘的长度为D1,宽度为D2,过道的宽度为D3,通道的宽度为D4。假设D1为1米,D2为1米,D3为2米,D4为1.5米。拣货人员拉着拣货托盘在通道中间行走,在完成左右两边的拣货作业时所走的路程较短,在求解总的行走路程时忽略不计。
  2.新区仓拣货作业概述
  新区仓采用的是人至物的拣货方式,拣货人员拉着拣货托盘在通道中行走进行拣货作业。拣货人员在拣取货物之前,系统员需将客户订单转换成拣货单,每张拣货单上都包含着分布在不同库位的诸多品项,如图3所示。拣货人员按照拣货单上的信息把货物从相应库位拣出,拣货单上的货物按照库位号排列次序,货物所在库位的库位号构成了一个序列,同时也表示了该拣货单的拣货路径。通常情况下,每张拣货单上的货物安排一辆拣货车一次就可以拣取完成,所以本文只研究单回路的拣货路径问题,不考虑一单多车的情况。
  拣货人员在拣取货物时所消耗的时间通常由拣货人员的行走时间、拣货和停留时间三部分组成。拣货人员行走时间是指拣货人员在拣货过程中各库位之间来来回回的穿梭所花费时间;拣货时间是指拣货人员获取托盘上的货物所花费时间,具体为寻找、核对商品信息、取货、搬上托盘;停留时间是指拣货人员读取下一行拣货信息所花费的时间。
  按照Tompkins[2]的研究,拣货人员行走时间通常占整个拣货作业时长的50%左右,从图3中可以看出要减少整个拣货过程中所用的时间重点是减少拣货人员行走时所耗的时间。而在固定的行走速度下,拣货路径的总长减少,拣货时间则相应减少。
  拣货人员在进行拣货作业时需要在一次拣货操作中拣取完拣货单上包含的所有货物,由于待拣货物所在的库位是固定的,则须要对待拣取的库位进行排序,即根据拣货路径策略安排拣货顺序。因为拣货次序的差异,拣货人员行走的时间和路线长度也会发生相应变化,从而对拣货效率产生影响。
 苏州店加新区仓拣货路径优化研究
  3.新区仓拣货路径现状分析
  根据苏州店加新区仓WMS系统提供的数据,选取一张具体拣货单(如图3所示)的拣货路径为本文的研究对象。1辆拣货车从拣货出入口V0出发,到达指定库位进行拣货,拣货完毕,返回出发点,完成整个拣货作业,现有拣货路径如表1所示。
苏州店加新区仓拣货路径优化研究
  拣货路径通常根据拣货策略来决定,新区仓的拣货路径策略可看作是如图6所示的回转策略,即拣货人员进入通道开始拣货,先沿途拣取一侧托盘上的所需货物,等这一侧托盘上的待拣货物拣完后再拣取另一侧的货物,当该通道内的待拣货物全部拣完后则从进入通道的一端走出,然后再进入下一条相邻的通道开始拣货作业。
苏州店加新区仓拣货路径优化研究

  (三)苏州店加新区仓拣货路径的问题分析

  苏州店加新区仓在采用回转策略来确定拣货路径时,由于每条通道内的行走路线完全由该通道内待拣货物的分布位置来决定,并没有考量到每条通道与过道之间的关联,无法从全局角度对拣货路径进行优化,这样的局限处理极易导致最终的优化效果质量较低。回转策略确定拣货路径时的原则是将仓库中的待拣货物从每个通道中按顺序拣取,拣完一个通道的全部待拣货物后才能去进行下一个相连通道中货物的拣取,并且不允许出现“跨通道”现象,在这个原则的限制下求得的结果与实际中的最优解可能存在较大差距。为了寻找到更优的解,就必须打破上面的规则限制,使问题能从整个解空间中去寻找最优解。
  本文考虑到苏州店加新区仓利用回转策略来设计拣货路径的这一局限性,设计TSP模型并求解,考虑到每个通道内的拣货路径最优情况以及对最终目标的影响,综合以上得出最优方案。

  三、苏州店加新区仓拣货路径优化方法

  苏州店加新区仓采用“摘果式”的拣货模式,一张拣货单上的货物只需要一辆拣货车一个来回即可完成拣货工作,所以新区仓的拣货路径问题可以看作一种特殊的旅行商问题。本文采用旅行商问题的求解方法对苏州店加新区仓的拣货路径进行优化,最终得出优化方案,并对方案的可行性进行分析,最后对优化方案进行模拟运行,得出拣货路径优化前后的情况,进行结果对比分析。

  (一)旅行商问题数学模型简介

  旅行商问题(TravellingSalesmanProblem,TSP)[14]模型是单回路运输问题中最典型的一个模型,同时也是一个典型的NP-Hard问题。一个旅行商从n个城市V1,V2,…,Vn中某一个城市如V1出发,到其他n-1个城市,每个城市都必须访问到并且访问一次最后回到V1,如何安排他的旅行路线使总距离最短,就是旅行商问题。

  (二)建立苏州店加新区仓拣货路径优化模型

  本文以苏州店加新区仓的一张具体拣货单的拣货路径为研究对象,单个拣货车从仓库的拣货出入口拜访11种货物所在库位,每个库位都要被拣选到且只能拣选一次,最后车辆回到原来出发的起点,所选路径的目标是拣货人员完成本次拣货作业所走的路程最短。
  模型构造如下:
  。D=min(++)(i≠j)公式(1)
  =1,i=(1,2,…,n)公式(2)
  =1,j=(1,2,…,n)公式(3)
  s.t.
  ≤∣K∣-1,KV公式(4)
  =0或1公式(5)
  其中,D表示拣货人员一次完成拣货任务所走路径的总长度;(i≤1,j≤n,i≠j)表示库位i到库位j之间的最短直线(待拣货物分布在同一通道)或折线距离(待拣货物分布在不同通道);表示由拣货出入口到库位i的距离;表示拣货时遍历的最后库位到出入口的距离;公式(1)是模型的目标函数,目标值是求行走距离之和的最小值;公式(2)~公式(5)是模型的约束条件,具体含义如下:公式(2)和公式(3)表示拣货单中的每个库位都被拣取且只拣一次;公式(4)表示不存在小回路;公式(5)中当=0表示不经过库位i到库位j这条路径,当=1时则表示经过。

  (三)基于LINGO程序求解苏州店加新区仓的旅行商问题

  1.LINGO简介
  LINGO(LinearInteractiveandGeneralOptimizer)[15]译为“交互式的线性和通用优化求解器”,不仅能够用来求解整数规划,还能够用来求解线性规划等,功能强大,运行速度快,是求解优化模型的最佳选择。
  2.LINGO求解新区仓最短拣货路径求解过程
  (1)收集基本数据
  根据新区仓仓库布局和货物所在的库位,计算出出发点与库位之间的距离,形成距离矩阵,如表2所示。
苏州店加新区仓拣货路径优化研究
  (2)编写LINGO程序
  按照LINGO软件的语言特点,将旅行商问题的目标函数和约束条件编写为以下代码,如图7所示。
苏州店加新区仓拣货路径优化研究
  3.LINGO软件求解苏州店加新区仓旅行商问题结果
  本文采用LINGO11.0软件对苏州店加新区仓旅行商问题建立的模型进行求解,通过1个出发点与11个库位之间的最短路径为材料,求解出理论上的最优拣货路径,然后将拣货路径优化前后的距离进行对比并分析。具体为LINGO软件在事先编写语言代码后,经过1秒的运算得出旅行商的最优解(如图8),即拣货路径的全局最优解。同时也求解出了拣货路径的最优序列(如表3)。
苏州店加新区仓拣货路径优化研究
  通过绘制最短拣货路径的示意图(如图9),发现经过优化后的拣货路径未出现过多绕远的现象,而且打破了回转策略在确定拣货路径的规则限制,出现了“跨通道”拣货。
  根据苏州店加新区仓的拣货路径问题,匹配旅行商问题建立数学模型,基于LINGO程序编写相应的语言代码,计算得出新区仓的最短拣货路径十分符合所要优化的结果,因此求解的结果可以为苏州店加新区仓的拣货路径优化提供参考数据。
苏州店加新区仓拣货路径优化研究
  4.新区仓最短拣货路径下的优化结果分析
  (1)拣货路程的缩短
  将苏州店加新区仓优化后的拣货路径总长与原有拣货路径总长对比发现,优化后的拣货路径总长比优化前的路径总长减少44米,即在原有路程的基础上降低了约20%的里程。这一优化结果表明,利用TSP建模求解能够有效减缩短行走路程,达到优化拣货路径的目的。
  (2)隐形效益的增加
  在固定的行走速度下,行走路程的总长减少,拣货时间相应减少,货物拣取更加及时,发货更加及时,增强了对门店特殊配送要求的应对能力,提高了物流服务质量,带来隐形效益。
  拣货作业是仓库作业的重要组成部分,合理的拣货路径能够提高拣货效率,有利于提升企业在物流服务质量,同时对降低企业物流成本起到重要作用。本文对苏州店加新区仓的拣货路径进行优化后,节约了拣货人员的行走路程,提高了拣货效率,提升了客户服务水平。

  四、结论与展望

  (一)结论

  物流成本的控制对于企业而言是提高自身盈利水平的重要途径,有效的控制物流成本,节约资金,让资金更有效的投入在生产运作、产品研发中,更能促进企业的健康发展,提高企业的市场竞争能力。
  本文主要研究了苏州店加新区仓现有拣货路径存在的问题,即拣货路径存在绕远现象。本文着眼于解决拣货路径的存在的不合理现象,通过科学规划线路,求解最优的拣货路径,解决拣货路径中存在的迂回、绕远等行走不合理问题,从科学规划拣货路径的角度避免了回转策略确定拣货路径时所造成的绕远情况的发生,使新区仓拣货路径选择的更加合理、更加科学。从拣货路径角度,优化拣货、提高新区仓的物流效益,进一步增加新区仓的盈利水平。首先从新区仓现有拣货路径现状入手,判断出新区仓的拣货路径问题是典型的TSP问题,并且通过LINGO所编制的计算机程序求解出新区仓的最优拣货路径要比原有路径更合理,拣货路径的缩短能更进一步提高拣货的时效,降低拣货成本。

  (二)展望

  本文基于新区仓苏州拣货路径现状的TSP模型,对现状下的拣货路径进行了优化,取得一定的优化成果。随着店加事业板块的扩大,各店加仓在各个城市进行布局以对应各个城市的销售需求。如此,每个城市的店加仓库的拣货路径都存在着优化空间,若对每个店加仓库的拣货路径都能进行优化操作,那么店加仓的拣货成本在总体上会取得很大的优化效果,即能够提高物流效率,也能够增强盈利水平。本文采用的旅行商问题模型来进行拣货路径优化仅是从行走路线层面来进行优化,能够取得20%的节约里程,并且这一比例是苏州店加新区仓一单的节省比例,如果扩大推广优化的范围,按月、按年的单量来计算的话,那么这20%的节约里程对于运营效益的提升是很可观的。
  本文的篇幅有限以及受到自身专业水平、学术水平在一定程度上的不足,也存在着许多待改善的地方,希望以后通过更多知识的学习,深入研究与分析新区仓的拣货模式、拣货路径、拣货成本,不断改进,并能够寻求更科学完善的拣货路径的优化方法。
  参考文献
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