Hierarchische Simulationsmodellierung von Distributionszentren

Die Herausforderung

von Dusan Sormaz und Mandvi Malik (Ohio University)

Vorgestellt auf der Wintersimulationskonferenz 2017

Die Kommissionierung ist der teuerste Vorgang in einem Vertriebszentrum. Aufgrund des hohen Arbeitsaufwands bei der Kommissionierung sind die mit der Arbeit verbundenen Kosten hoch. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Simulationsmodell zu erstellen, das den Managern von Distributionszentren hilft, ihren Durchsatz durch Optimierung der Mitarbeiterkonfiguration zu prognostizieren. Die Forschung verwendet einen hierarchischen Ansatz, um ein Simulationsmodell zu erstellen. Das Simulationsmodell ist in kleine Teilmodelle unterteilt. Die Teilmodelle sind völlig unabhängig voneinander. Die Teilmodelle können kombiniert werden, um verschiedene vollständige Modelle zu erstellen. In dieser Untersuchung werden die Teilmodelle verwendet, um ein Simulationsmodell für ein reales industrielles Vertriebszentrum zu erstellen. Das Modell wird dann vierundzwanzig Stunden lang ausgeführt, und die Ergebnisse werden mit dem flachen Simulationsmodell desselben Vertriebszentrums verglichen.

Einleitung

Die Simulation hat sich zu einer wirksamen Technik entwickelt, die von Unternehmen der Lieferkette als Entscheidungshilfe eingesetzt wird [1]. In der Lieferkette bietet die Simulation viele Vorteile, da sie bei der Identifizierung von Engpässen und der Durchführung von Experimenten helfen kann, um das Risiko von Änderungen zu minimieren [2]. Ziel dieser Forschung ist es, ein Simulationsmodell zu erstellen, das für verschiedene Modelle von Distributionszentren wiederverwendet werden kann. Das Modell wird mit Simio [3] erstellt.

Es gibt zwei Ansätze zur Lösung eines Problems in Simio. Der erste Ansatz besteht darin, ein Modell zu erstellen, in dem die Logik des Entitätsflusses für jedes Objekt separat durchgeführt und für jedes ähnliche Objekt wiederholt wird. Dieses Modell wird als flaches Simulationsmodell mit Standardobjekten bezeichnet. Ein zweiter Ansatz ist ein hierarchischer Ansatz, bei dem das Problem in mehrere kleine Teilprobleme unterteilt wird. Beim hierarchischen Ansatz wird eine Bibliothek von Teilmodellen erstellt. Die Teilmodelle werden als Objekte verwendet, um ein umfassendes Modell zu erstellen. Die Teilmodelle können wiederverwendet werden, um ein weiteres Modell zu erstellen. In der vorliegenden Arbeit wird ein hierarchischer Ansatz verwendet. Die Vorteile der Erstellung eines Simulationsmodells mit einem hierarchischen Ansatz gegenüber einem flachen Simulationsmodell sind folgende [4]:

• Es können alle Optionen zur Lösung eines Problems einbezogen werden, was bei einem flachen Simulationsmodell nicht möglich ist,
• Die Validierung und Verifizierung erfolgt schneller und ist zuverlässiger, da die Logik auf kleinen Teilmodellebenen getestet wird,
• Modifikationen des Modells sind schneller möglich,
• Durch mehrere Modelle und verschiedene Ansätze für den Modellentwurf können wir in Zukunft bessere Modelle erstellen.

Für unsere Studie bietet die Anwendung des hierarchischen Ansatzes folgende Vorteile:

• Low-Level-Modelle können für verschiedene Konfigurationen von Distributionszentren wiederverwendet werden,
• Komponentenmodelle können für andere Auftragseingangsstrategien verwendet werden,
• Die Verifizierung der einzelnen Komponentenmodelle ermöglicht eine schnellere Modellentwicklung.

Die Lösung

Methodik

Um ein Simulationsmodell für ein Distributionszentrum zu erstellen, müssen zunächst mögliche Teilmodelle für die Kommissioniervorgänge in einem Distributionszentrum erstellt werden. Diese Untersuchung konzentriert sich auf die Zonenkommissionierstrategie. Bei der Zonenkommissionierung wird ein Mitarbeiter einer Zone zugewiesen und entnimmt die Artikel aus seiner Zone. Ein Auftrag kann Artikel in mehreren Zonen enthalten. Bei der Entwicklung des Modells wurde davon ausgegangen, dass das Distributionszentrum in mehrere Zonen unterteilt ist. Es gibt Ebenen im Verteilzentrum, die mehrere Zonen enthalten. Es gibt Türme, die sich aus mehreren Ebenen zusammensetzen. Ein Behälter mit einem Barcode kommt nur dann in einen Turm, wenn in diesem Turm Artikel zu kommissionieren sind. Die Kommissionierung wird in den Zonen von den Mitarbeitern durchgeführt. Es gibt Förderbänder, um die Behälter von einem Ort zum anderen im Distributionszentrum zu transportieren.

Die möglichen Teilmodelle sind Zone, Ebene, Turm, Zwischengeschoss, Versand und Ankunfts-Teilmodell. In diesem Papier werden die grundlegenden Teilmodelle beschrieben. Diese werden im Folgenden definiert:

• Zonen-Submodell: Ein zweiseitiges Zonensubmodell wird mit zwei Servern erstellt. Die im Zonensubmodell definierte Logik sieht vor, dass ein Behälter vom zentralen Förderer zu einer Zone geleitet wird, wenn in dieser Zone Artikel zu kommissionieren sind. Die Behälter werden als übergeordnete Entität modelliert, die einzelne bestellte Artikel trägt, und jeder Artikel hat Eigenschaften, die seinen Standort im Verteilzentrum definieren. Die folgenden Eigenschaften wurden erstellt: Zonenstandort, Kommissionierzeit und Zonenarbeiter. Die Kommissionierzeit und die Eigenschaft der Arbeiter werden im vollständigen Modell definiert.
• Ebenen-Submodell: Ein Ebenen-Submodell wird durch die Kombination mehrerer Zonen-Submodelle erstellt. Dieses Modell erbt alle Eigenschaften des Zonensubmodells. Hier wird die Eigenschaft Zonenstandort definiert, die einer Zone in einer Ebene eine Identifikationsnummer zuweist.
• Turm-Submodell: Ein Turm-Submodell wird durch die Kombination mehrerer Ebenen erstellt. Der hier definierte Ebenenstandort ist derselbe wie der Zonenstandort. Die Logik eines Behälters, der zu einer Ebene in einem Turm kommt, wird in diesem Modell definiert. Es wird eine Eigenschaft Turmstandort erstellt. Abbildung 1 zeigt die Schritte zur Erstellung eines Turm-Submodells.
• Kommissionierturm-Submodell: Ein Kommissionierturm-Submodell wird durch die Kombination mehrerer Türme erstellt. Die Logik der Einheit/Behälter, die einen Turm betreten, wird in diesem Modell definiert. Die Eigenschaft des Turmstandorts wird ebenfalls in diesem Modell definiert.
• Ankunftsmodell: Das Ankunftsmodell wird erstellt, um die Zuweisung von Aufträgen zu Behältern zu modellieren. Es definiert die Anzahl der Artikel in einem Behälter unter Verwendung einer empirischen Verteilung und die Politik der Rangfolge der Kommissionierreihenfolge der Artikel. Dieses Modell wird in der Regel anhand historischer Daten konfiguriert. Diese Modelle werden in das in Abbildung 2 dargestellte Top-Level-Modell eingebaut und im nächsten Abschnitt erläutert.

Die geschäftlichen Auswirkungen

Fallstudie

Nach der Erstellung der Teilmodelle wurde ein vollständiges Simulationsmodell eines Vertriebszentrums in Columbus, Ohio, erstellt (Abbildung 2). Eine flache Simulation wurde von Sormaz et. al [5] für dasselbe Distributionszentrum erstellt. Das Distributionszentrum hat drei Türme. Jeder Turm hat drei Ebenen und jede Ebene hat acht Zonen. Außerdem gibt es eine Zwischenetage mit sechs Zonen. Die vollständige Simulation wurde durch die Kombination der Teilmodelle Kommissionierturm, Zwischengeschoss, Versandturm und Ankunft erstellt. Die Eigenschaften, die in diesem Modell definiert wurden, sind die Kommissionierzeit, die Anzahl der Mitarbeiter und die Verpackungszeit.

Ergebnisse

Das hierarchische Modell wurde vierundzwanzig Stunden lang ausgeführt, und die Ergebnisse wurden mit dem flachen Simulationsmodell aus [5] für dasselbe Distributionszentrum verglichen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des flachen Simulationsmodells und des hierarchischen Modells. Die Ergebnisse sind vergleichbar. Daher ist das Modell gültig.
Tabelle 1: Simulationsergebnisse des flachen Simulationsmodells und des hierarchischen Simulationsmodells (HM)

Schlussfolgerung

Das vorgestellte hierarchische Modell hilft dem Personal von Distributionszentren bei der Vorhersage des Durchsatzes, indem es die Mitarbeiterpopulation konfiguriert. Die Erstellung von Komponentenmodellen ermöglichte eine einfachere Überprüfung der Modelllogik, da jedes Teilmodell unabhängig getestet wurde, bevor es in das Modell auf höchster Ebene eingesetzt wurde. Das Simulationsmodell ist derzeit auf die Kommissionierung beschränkt und soll in Zukunft auch auf andere Vorgänge im Verteilzentrum angewendet werden. Durch den Aufbau eines hierarchischen Modells konnte die Modellimplementierungszeit um 40 % reduziert werden.