分拣线自动补货系统调度方法与实例

导语

大家好，我是智能仓储物流技术研习社的社长，你的老朋友，老K。

作者：北自所（北京）科技发展股份有限公司蔡苗等

来源：《制造业自动化》

现代物流系统的自动分拣系统物流设备主要有立体仓库、分拣线、补货线、复核线。一般由设备的机械部分、电气自动控制部分和计算机信息系统组合而成。

自动分拣系统能有效地解决人工分拣所带来的效率低下、错误率高等问题，能连续大批量地分拣，并且拣选准确率高、误差低，用工量少、工人劳动强度低等优点。

在快消品、图书、医药、食品、烟草等行业有着大量的应用实例。物流中心为了实现自动分拣系统的高效作业目标，分拣区所需的库存就要求能及时补上，因此，物流中心为自动分拣系统采取自动补货作业方式是应势所趋。

自动补货系统是快速分拣线的一个重要组成部分，为自动分拣系统的正常运转提供有力保证，是自动分拣系统高效作业的必要前提，是物流中心不可缺少的环节。

目前对于自动补货系统的设计和优化，主要聚焦在根据设备的运行性能按照项目经验参数进行设置，没有考虑分拣线体实际的拣选情况和拣选货位的品项分配情况等进行实时配置，也没有根据相关物流设备的实际运行状态进行调度。

存在补货不及时，会造成分拣线停机，补货过早，会造成货物拥堵，分拣周边无地存放。因此设计一套高效的补货系统具有十分重要意义。

一、系统构成

某集团配送中心物流系统是由自动入库托盘输送线、托盘立体库、箱式码垛入库线、箱式库、流利条电子标签快速分拣线、往复式补货线、复核打包线、箱式返空线、外复核分拣线等功能区域构成，产品载具为周转箱。

涵盖了从生产入库、调拨入库、自动备货补货出库、拣选、复核打包、装箱贴标、外复核、装车发货等配送中心全业务流程。本文着重描述自动补货系统。

如图1所示，严格来说，自动补货系统也是分拣系统的一部分，但是由于其设备完全独立，功能完整，因此可以单独进行研究。本文所描述的自动补货系统主要由托盘立体库、双工位箱式立体库，箱式补货输送线、流利条式电子标签快速分拣线、快速往复式双工位补货车、箱式返空线等物流设备组成。

用塑料周转箱作为产品载具，每个流利条货格可存放3个相同批次产品的周转箱；箱式立体库具备几万个双伸位货位，每个货位存放一个周转箱，箱式立体库的双工位高速堆垛机，速度快，出库效率高，主要用于快速补货；

每个托盘可码放多个周转箱，托盘立体库具备几千个托盘货位，用于产品备货。托盘立体库和箱式立体库的结合使用，既满足了快速补货效率要求，又满足了客户的存货要求。

图1 流利条式快速分拣线、补货工艺简图

补货管理系统按照ABC分类法，分析当天订单品项结构，为每个流利条货格进行品项分配，当货格内的周转箱小于其设定值时，自动生成箱式立体库补货任务，箱式堆垛机将周转箱从货位上取下送至箱式补货输送线。

如果箱式立体库没有所需产品的库存，自动生成托盘立体库补货任务，托盘堆垛机将托盘从货位上取下送至拆垛工位，拆垛机器人拆分出补货任务所需周转箱，托盘上的剩余周转箱也被拆垛机器人拆分开，入箱式立体库暂存，便于下次补货时快速出库。补货系统的系统架构如图2所示。

图2 补货系统的系统架构

如何保证每条分拣线每个拣选区域不缺料，补货任务又不拥堵。本文从分拣线上货格品项分配、补货作业调度两个方面优化，对补货系统进行研究。

二、系统实现

2.1 优化拣选货位的品项分配

1）ABC分类法概述

ABC分类法的核心思想就是帕累托法则，用于识别造成大多数问题的少数重要原因。

该法则认为：相对来说数量较小的原因往往造成绝大多数的问题或者缺陷。此法则也称为二八原理，即百分之八十的问题是百分之二十的原因造成的。

ABC分类法是一种分析方法，通过考量企业库存物资的数量、品种的多少及价值，把企业库存物资划分成A、B、C三大类，对每一类物资分别采取与之相宜的管理策略。

在上世纪六十年代，H.F.Dickie最早将这种思想应用于库存管理，并称其为ABC分类法。ABC分类法是企业控制物流库存成本的一种经济合理、性价比很高的库存管理方法。

在企业库存管理中，应用ABC分类法符合“抓住关键的少数”及“突出重点”的原则，以此做好库存的分类管理，提高企业库存管理效率，减少资金占用，降低企业经营成本。

2）ABC分类法在流利条货格品项分配的应用

项目初期，在流利条货格品项分配方面采取的策略是固定货格固定产品，没有对订单结构分析，按照产品编码顺序在货格上一字排开。

采用这种策略运行一段时间后，发现每天总会出现补货不及时、补货拥堵的现象。为了彻底改变这些情况，多次分析订单结构，归纳总结订单特点，使用ABC分类法优化品项分配。

ABC分类法在品项分配上的关键是分析当天订单品项结构，根据产品数量确定A、B、C类产品。每种产品尺寸包装尺寸一样，在周转箱中存放的数量也一样。

实现过程分为4个步骤：

（1）收集每种产品的基础数据。

依据订单结构，搜集订单产品的相关数据。

（2）处理这些数据，得出订单的ABC分类表。假设以产品数量作为ABC分类指标。

首先查询出每种产品的数量，其次按照数量由大到小排序，再次计算出每种产品数量所占订单总产品数量的比率；最后计算出订单所有产品的累计比率。

（3）根据ABC分类表确定分类。设定A类产品数量比率在0~65%之间；设定B类产品数量比率在65%~90%之间，设定C类产品数量比率在90%~100%。

（4）根据上步分析的结果，制定三类产品的重点管理策略。针对每类产品分别采取以下管理策略：

A类产品：

根据ABC分析结果、流利条货格数量、拣选频次，设置两个及两个以上的货格,并且这类产品在每个拣选口均匀分布，优选选择补货距离最近的货格。

B类产品：

同样根据ABC分析结果，在每个拣选口优先选择补货距离次远的货格。

C类产品：

根据ABC分析结果，在每个拣选口优先选择补货距离最远的货格。得出每个拣选区域的品项分配，如图3所示。

图3 拣选货位的品项分配示意图

按照ABC分类方法制定产品管理策略之后，应用于实际项目，反复测试，补货效率有所提高，A类产品补货效率由332箱/时提高到356箱/时；BC类产品补货效率由206箱提高到218箱/时。

解决项目初期补货系统采用固定货格固定产品存在的问题，提高了流利条货格品项分配的自由度及灵活性，满足了客户的生产要求，得到了客户的认可。

2.2 优化补货任务调度

1）补货流程

一条补货任务从产生到完成，需要经历如图4所示的主要流程。

图4 补货作业流程

①管理系统根据流利条货格的品项分配及库存消耗情况，生成补货任务；

②从箱式库出库，箱式堆垛机将周转箱从货位取下送至箱式补货输送线；

③箱式补货输送线将周转箱经过长长的箱式补货输送线运送至分拣线边的补货站台；

④双工位穿梭车将周转箱从补货站台输送至流利条货架上的目的货格；

⑤如果从托盘出库，托盘堆垛机将托盘从货位取下送至拆垛工位；

⑥拆垛机器人拆分出本次补货任务所需周转箱，并将这些周转箱输送至箱式补货输送线上，重复(3)和(4)步骤；

⑦拆垛机器人继续拆分托盘上的剩余周转箱，并将这些周转箱输送至箱式立体库入库端，周转箱入箱式库暂存，以便下次补货。

从上述流程可以看出，在整个补货任务的生命周期要经历几个重要阶段：补货任务的产生、箱式堆垛机作业调度、托盘堆垛机作业调度、补货车作业调度。本文从这几个方面分别阐述所做的优化工作。

2）优化补货任务的产生

每个流利条货格只绑定一个品项，按照项目初期规划，每个货格的最小库存小于1箱时发起补货任务，没有对当天订单品项进行分析，没有分析出当天哪些品项的库存消耗量大，因此产生的补货任务不合理，造成了补货线的拥堵。

后来采取优化措施，先利用ABC分类法分析单天订单结构，得出当天的ABC分类表，按照比表分别设置每种产品在分拣区的安全库存。

比如A类产品，所在货格的库存剩余2箱时，管理系统就发起补货任务；而B、C类产品，货格库存剩余1箱时，管理系统才发起补货任务。

同时管理系统全面考虑每一个拣选区域，对每个拣选区域都有发起补货任务，避免了某个拣选区域补货任务的集中。

3）优化补货堆垛机作业调度

从补货任务的产生流程可以看出，补货任务的产生是随机的，且是独立的。在一段时间内，补货任务有很多个。

箱式堆垛机/托盘堆垛机的个数远远小于补货任务个数，如何在众多个补货任务中挑选出最优解，系统从以下几个方面考虑：箱式堆垛机是左右双工位双伸位的，在周转箱入库时考虑双伸位的完美匹配度，相同批号的产品尽量放入同一侧双伸位货位中，减少由同一侧双伸位货位放置产品不一样而造成的搬库机率。

系统进行箱式库出库作业调度时，首先考虑补货任务的生成时间，生成时间越早的说明要料越急切；其次在产生时间相差不大的补货任务中挑选在同一侧双伸位货位中的，减少左右双工位双伸位堆垛机在水平、垂直、前后三个方向的动作，节省出库时间；

再次统计出整条箱式补货线上每个拣选区域的任务数，如果某个拣选区域的任务数过多，即使它的补货任务产生时间很早，也暂缓这个拣选区域的补货任务的执行，以免由于它的任务数过多拥堵其他拣选区域的补货周转箱；

最后还需考虑设备的实际运行状态，比如箱式补货线有没有故障、双工位补货车有没有故障、分拣线有没有故障，记录每个物流设备故障的发生时间、故障分类及详细内容，按照故障分类，预测故障持续时间，如果故障持续时间过长，暂停某个拣选区域或每条分拣线的补货任务执行。

托盘堆垛机出库作业调度和箱式库类似，除了需考虑上述几点外，还需要拆除机器人、拆垛工位设备的状态。

2.3 优化补货车作业调度

周转箱到达分拣线边的4个补货站台后，接下来是由往复式双工位补货车完成周转箱从补货站台到目的货格的搬运。

三条分拣线并行分拣，相互无合性，每条分拣线对应一台往复式双工位补货车，往复式双工位补货车只考虑一条分拣线。由于补货任务的产生是随机的、独立的。

补货任务可以看成是服务对象，双工位补货车看成服务机构，因此补货任务的执行符合排队论的管理思想，如何运用数学方法求出补货任务等待时间、排队长度等因素的概率分布，寻求能够达到满足自动分拣线补货效率要求的最少补货车数，且补货车运行效率最高，是补货车作业调度的关键。

系统对补货车的作业调度，首先利用排队论的管理思想，遵循先到先服务，考虑补货任务目的货格的库存情况，对补货任务进行排序。

还要关注补货车的特点，补货车是前后双工位的，可以搬运两个周转箱，同时将两个周转箱放入流利条货格，即同时执行两条补货任务。

从4个补货站台上，优先挑出相邻列同层补货任务，在这种情况下，补货车的取、放、行走动作只需动作一次就可完成两条补货任务；然后挑选相邻列不同层的补货任务执行，补货车的取、行走也只需动作一次；最后执行不是相邻列但同层的或者不是相邻列也不同层的补货任务。

按照以上调度原则，减少了补货车在放货时空跑、多跑的几率，不仅提高了补货效率，还为企业节约了电量。

三、结语

本文阐述了基于订单品项ABC分类法的流利条拣选货格品项分配优化策略、堆垛机作业调度策略与补货车调度策略联合应用的补货任务调度优化，并将研究成果实际应用于某集团配送中心项目上，解决了项目中存在的补货拥堵、拣选区缺料、堆垛机作业不均衡等问题，提高了补货效率7%左右，使得整个拣选作业系统运行流畅。