Se proponen modelos de simulación para modelar sistemas de almacenamiento y recuperación de minicargas tipo vehículo lanzadera (SVM-AS/RS). El SVM-AS/RS es un sistema rápido de almacenamiento y recuperación automatizado de minicargas de tipo vehículo lanzadera diseñado para proporcionar funciones de almacenamiento y clasificación, incluido el almacenamiento intermedio de inventario antes del envío, la preparación de pedidos, la clasificación, el paletizado o la fusión. Los sistemas considerados en este estudio constan de vehículos lanzadera ligeros instalados en cada nivel, elevadores de almacenamiento y recuperación, transportadores de capas que conectan los elevadores y los vehículos lanzadera, y transportadores de pasillos de entrada y salida. Para analizar su rendimiento, se realizan modelos de simulación teniendo en cuenta las relaciones de los almacenes y las secuencias de carga. Se destaca que las operaciones AS/RS del sistema mini-load pueden confirmarse mediante experimentos de simulación. Además, los indicadores clave de rendimiento del análisis de simulación pueden utilizarse para comprender y validar su eficiencia y eficacia bajo diferentes disposiciones.
Durante las dos últimas décadas, el mercado del comercio electrónico entre empresas y consumidores (BtoC-EC) se ha hecho inmenso y no tiene precedentes. Dado que las organizaciones utilizan cada vez más diversas formas de marketing en línea, se prevé que el marcado en línea tenga un gran impacto tanto en el comportamiento de los consumidores como en la gestión logística. Las cifras de ventas de BtoC-EC se dispararon recientemente a un total anual de 6,51 billones de yenes, y su escala de mercado se ha expandido durante 17 años consecutivos (Dentsusoken 2017). En la última década, para mejorar la usabilidad de los clientes, la competencia en el servicio de envío rápido basado en destinos de entrega especificados y plazos y fechas de entrega deseados se ha intensificado en la industria del comercio electrónico de Japón. Varios proveedores, entre ellos Amazon Japón, Yodobashi y Rakuten, han proporcionado con éxito un servicio de entrega más rápido dentro de las 3 horas siguientes a la recepción de los pedidos en sus operaciones logísticas en algunas zonas de Japón para satisfacer las necesidades de servicio de entrega más rápida de los clientes.
Cabe destacar que la mejora de la usabilidad de los clientes acortando el plazo desde el pedido de la mercancía hasta la entrega final al usuario es un elemento importante para apoyar la competitividad del comercio electrónico. En este entorno, los proveedores que hacen negocios BtoC-EC se enfrentan a muchos retos a la hora de identificar qué artículo debe recuperarse, desde qué ubicación y con qué rapidez debe enviarse a los clientes para satisfacer un pedido en línea.
En las operaciones logísticas de las empresas de comercio electrónico se requieren funciones flexibles de almacenamiento y clasificación para satisfacer las necesidades de los clientes de un servicio de entrega más rápido. Entre las funciones de almacenamiento y clasificación flexibles se incluyen la acumulación de existencias antes del envío, la preparación de pedidos, la clasificación y la paletización o combinación de cajas de cartón, contenedores y bandejas por grupo o secuencia especificada. Sin embargo, el análisis del rendimiento de un sistema de almacenamiento y recuperación automatizados (AS/RS) es una cuestión compleja para los responsables de logística en un entorno dinámico BtoC-EC.
Las simulaciones se han utilizado tradicionalmente como herramienta de toma de decisiones en operaciones logísticas para garantizar el mantenimiento de la continuidad de las operaciones. Muchos estudios se centran en el modelado de simulaciones para operaciones AS/RS a gran escala. Ha sido necesario modelar y realizar experimentos de simulación para analizar y comparar las posibles alternativas de un AS/RS (Takakuwa 1989; Takakuwa 1994; Takakuwa 1995). Se realizó un análisis de optimización de la rentabilidad de un sistema real de vehículos de guiado automático (AGV) de camión en bucle utilizando una simulación para desarrollar políticas y examinar las especificaciones operativas (Takakuwa 1993). Takakuwa (1996) presentó un método de modelado basado en módulos para generar programas de simulación de sistemas AS/RS-AGV complejos y a gran escala.
Varios estudios describieron AVS/RS de carga unitaria para diseñar y analizar el rendimiento de las operaciones logísticas. Hu et al. (2005) utilizaron la simulación para validar el diseño óptimo de un rack AS/RS rectangular en el tiempo teniendo en cuenta la política de punto de permanencia. Se presentó un modelo de tiempo de ciclo eficiente desde el punto de vista computacional para AVS/RS de carga unitaria que utiliza tecnología de vehículos autónomos para estimar la utilización de vehículos con el objetivo de especificar la gama de perfiles de diseño que justifican una evaluación y validación más exhaustivas basadas en la simulación (Kuo et al. 2007). Goozen et al. (2016) desarrollaron una heurística de programación para asignar tareas a las lanzaderas con el objetivo de minimizar el número de ocurrencias fuera de secuencia y maximizar la capacidad de rendimiento de un sistema completo de lanzaderas itinerantes (FRS). El FRS se ha considerado adecuado para productos de movimiento lento en centros de distribución al por menor y al por mayor. En este trabajo se propone un modelo de simulación para modelar un sistema rápido de AS/RS de minicarga tipo vehículo lanzadera (SVM-AS/RS). Los SVM-AS/RS están diseñados para proporcionar funciones de almacenamiento y clasificación, incluido el almacenamiento intermedio de inventario antes del envío, la recogida, la clasificación, el paletizado o la fusión para manipular cajas de cartón, contenedores y bandejas por grupo o en una secuencia determinada. Los modelos de simulación diferían de los estudios mencionados porque el modelado de simulación se diseñó para considerar específicamente la ubicación del almacenamiento y la asignación de la secuencia de carga. Como medio para confirmar la eficacia de los SVM-AS/RS se utiliza una solución novedosa de apoyo a las operaciones rápidas de mini-load AS/RS para una empresa de comercio electrónico basada en unidades de tiempo de horas y segundos.
Imagen del SVM-AS/RS
En la figura 1 se muestra una vista general del SVM-AS/RS. Los SVM-AS/RS considerados en este estudio constan de varios subsistemas que incluyen vehículos lanzadera ligeros instalados en cada nivel, elevadores de almacenamiento y recuperación, transportadores de capas que conectan elevadores y vehículos lanzadera, y transportadores de pasillo de entrada y salida. Las operaciones de almacenamiento y recuperación de las estanterías se realizan mediante vehículos lanzadera ligeros que sólo pueden desplazarse en sentido horizontal. Las estanterías están conectadas a los elevadores de almacenamiento y recuperación a través de los transportadores de capas. Los transportadores de pasillo de salida están conectados a la zona de comprobación y embalaje.
Cada minicarga entrante se traslada primero a un transportador de pasillo de entrada y, a continuación, es recogida por un elevador de almacenamiento y recuperación antes de ser colocada en un transportador de capas. A continuación, un vehículo lanzadera ligero traslada la minicarga a su estantería de destino. Alternativamente, una minicarga saliente es recogida de su estantería en el sistema por un vehículo lanzadera ligero, luego es transferida al transportador de pasillo saliente a través de un transportador de capas, y finalmente a un elevador de almacenamiento y recuperación.
Los vehículos lanzadera ligeros, así como los elevadores de almacenamiento y recuperación, pueden manipularse de acuerdo con la prioridad y la urgencia de las operaciones. Para las operaciones de recuperación, una carga urgente compuesta por una carga de almacenamiento de alta prioridad recibe un tratamiento preferente sobre las cargas de baja prioridad. Del mismo modo, si las operaciones de almacenamiento tienen mayor prioridad, las operaciones de recuperación, almacenamiento mediante vehículos lanzadera ligeros, tendrán prioridad sobre las operaciones de recuperación; en caso contrario, las operaciones se alternan entre las operaciones de recuperación y las de almacenamiento de forma cíclica.
En general, existen dos métodos de preparación de pedidos en términos de flujos de operaciones esquemáticos: el método de preparación de pedidos por relevos y el método de preparación de pedidos y paletización en paralelo. En el método de preparación de pedidos por relevos no se realizan operaciones de ordenación y clasificación para procesar los pedidos asociados. Por lo tanto, se considera que el método de recogida por relevos es más adecuado para los productos que se mueven con rapidez en el entorno logístico BtoC-EC. En este estudio, los SVM-AS/RS adoptan el método de picking por relevos para realizar funciones de almacenamiento y clasificación antes de cualquier operación necesaria de envío, picking, clasificación, paletizado o fusión.
Para cumplir las expectativas de un servicio rápido de AS/RS basado en unidades de tiempo de horas y segundos, las reglas de asignación de ubicaciones de almacenamiento basadas en los índices de frecuencia de entrada y salida se convierten en un interesante reto a resolver en las operaciones logísticas de las empresas de comercio electrónico. Se consideran dos reglas generales de asignación de ubicaciones de almacenamiento para facilitar las operaciones de los AS/RS y permitir un funcionamiento rápido y eficaz de los SVM-AS/RS.
La primera regla se denomina "Regla de asignación prioritaria" y se muestra en la figura 3. En caso de que las operaciones de salida se concentren en torno a una hora determinada, los almacenes cercanos a los transportadores de capas se asignan y priorizan para las cargas entrantes con el fin de minimizar el tiempo de funcionamiento de las operaciones de salida. En caso contrario, los almacenes se asignan aleatoriamente a partir de las ubicaciones disponibles entre los distintos niveles; esta regla se denomina "Regla de asignación aleatoria basada en el equilibrio de niveles".
La simulación por ordenador es un método que puede utilizarse para describir, analizar y predecir el funcionamiento de un sistema complejo sin supuestos limitantes. El objetivo de este estudio es proponer procedimientos que tengan en cuenta las relaciones entre los almacenes y las secuencias de carga. Como se muestra en la Figura 4, a continuación se detallan los procedimientos para validar y mejorar las operaciones de los SVM-AS/RS:
[Paso 1] Recopilar e introducir la información de diseño, incluido el número de niveles, bahías y bancos, tal y como se describe en la sección 4.2.
[Paso 2] Seleccionar métodos de asignación para los horarios de los vehículos lanzadera ligeros.
[Paso 3] Seleccionar o modificar una regla de asignación de ubicación de almacenamiento en el modelo de simulación.
[Paso 4] Realice un modelo de simulación para observar las operaciones de los SVM-AS/RS.
[Paso 5] Obtenga los resultados de los experimentos de simulación.
[Paso 6] Si el resultado de los KPI del análisis de simulación es aceptable, finalice el procedimiento.
En caso contrario, vuelva al Paso 1, 2 o 3 y ajuste los datos y parámetros necesarios para el Paso 4.
Cabe destacar que los procedimientos propuestos en este estudio pueden ayudar a los responsables de logística a comprender y validar las operaciones de AS/RS en un entorno dinámico de BtoC-EC, confirmando y mejorando así la eficacia de las operaciones de AS/RS que implican minicargas en diferentes disposiciones.
Lógica de simulación
El modelo de simulación de las operaciones AS/RS de SVM-AS/RS se creó utilizando el paquete de simulación Simio (Kelton, Smith y Sturrock 2013). Hay dos tipos esenciales de procesos de flujo de materiales que se realizan normalmente en los SVM-AS/RS considerados en este estudio, es decir, entrantes y salientes, como se muestra en la Figura 5. Cada flujo de proceso contiene una secuencia de actividades que se realizan en el SVM-AS/RS. Cada flujo de proceso contiene una secuencia de actividades realizadas por vehículos lanzadera ligeros instalados en cada nivel, elevadores de almacenamiento y recuperación, transportadores de capas y transportadores de pasillos de entrada y salida. Todas las actividades operativas deben realizarse de acuerdo con la prioridad de las operaciones en el paso 4. Se identifican los flujos de procesos esenciales para poder caracterizar los flujos de operaciones de manipulación de materiales de los SVM-AS/RS.
Las especificaciones del sistema se definen como parámetros, tal y como se muestra en la Tabla 1. Dado que los parámetros enumerados en la Tabla 1 se utilizan como condiciones experimentales para el modelo de simulación, todos los parámetros necesarios deben introducirse en el modelo antes de realizar el modelo de simulación de los pasos 1 a 3.
Para ilustrar los resultados de los modelos de simulación en el Paso 1, se consideran tres tipos de disposiciones para SVM-AS/RS. Los números del banco, la bahía y el nivel correspondientes a los tres tipos son los siguientes:
Tabla 1: Parámetros de los SVM-AS/RS.
|
Elementos |
Parámetros |
| Estanterías Número de bastidores |
360 ( = 2 × 6 × 30 ) 240 ( = 2 × 6 × 20 ) 120 ( = 2 × 6 × 10 ) |
| Vehículos lanzadera ligeros | 6, 6, 6 (unidades) |
| Velocidad | (16,88 m. / seg.) |
| Tiempo de carga | (5,76 seg./unidad) |
| Tiempo de descarga | (3,51 seg./unidad) |
| Almacenamiento y recuperación de elevadores: | |
| Número de elevadores de almacenamiento | 1, 1, 1 (unidades) |
| Números de levantadores de recuperación | 1, 1, 1 (unidades) |
| Velocidad | (11,65 m. / seg.) |
| Tiempo de carga | (1,16 seg./unidad) |
| Tiempo de descarga | (1,05 seg./unidad) |
| Transportadores de capas Número de transportadores de capas entrantes Número de transportadores de capas salientes |
6, 6, 6 (unidades) |
| Velocidad | (14,71 m. / seg.) |
| Transportadores de pasillo Números de transportadores de pasillo de entrada Números de transportadores de pasillo de salida |
1, 1, 1 (unidades) |
| Velocidad | (40m. / seg.) |
| Longitud | 5 ( m. ) |
| Artículos a manipular Número de entradas Número de salidas |
900 (unidades/h.) |
Ahora, se supone que se instala el mismo número de bancos y niveles para ejecutar los experimentos de simulación para el Tipo 1-3 en el Paso 1. Un elevador de almacenamiento y un elevador de recuperación son suficientes en el caso de dos bancos. El número de bancos puede fijarse en 30, 20 y 10, respectivamente.
En la etapa 2, se estudian e ilustran los métodos de asignación de los horarios de los vehículos lanzadera ligeros. A efectos de este estudio, cada experimento de simulación comienza en el punto de una operación de entrada. Cuando se asignan las instrucciones de recuperación, las operaciones alternan entre operaciones de recuperación y de almacenamiento de forma cíclica. En el paso 3, se selecciona la regla de asignación de prioridades en el modelo de simulación. En la etapa 4, se miden y registran las estadísticas de los periodos de operaciones cíclicas según la regla de asignación de almacenamiento seleccionada para las cargas entrantes y salientes. Se realizan 30 simulaciones independientes para cada regla de asignación de almacén y para cada tipo de disposición.
Cuando se realizan comparaciones de indicadores clave de rendimiento (KPI) entre disposiciones alternativas y reglas de asignación de ubicación de almacenamiento, es necesario recopilar los siguientes resultados de salida mediante la ejecución del modelo de simulación:
A partir de los KPI mencionados, se pueden analizar las medidas de rendimiento del diseño del sistema designado, como la capacidad de manipulación y el análisis de los cuellos de botella.
Antes de realizar el análisis de simulación, se puede estimar el número máximo de cargas salientes de recuperación/entrantes de almacenamiento por hora, es decir, I (unidades), mediante la siguiente ecuación
donde
a: tiempo de desplazamiento unidireccional de un elevador de almacenamiento/recuperación desde la posición de base hasta el punto intermedio (s)
b: tiempo de carga en un elevador (s)
c: tiempo de descarga de un elevador (s)
n: número de vehículos lanzadera (unidades)
T: tiempo de funcionamiento (por ejemplo, 3.600 s)
x: tiempo de desplazamiento unidireccional de un vehículo lanzadera desde la posición de base hasta el punto intermedio (s)
y: tiempo de carga de un vehículo lanzadera (s)
z: tiempo de descarga de un vehículo lanzadera (s)
El término (2a+b+c) en el denominador de la ecuación (1) es el tiempo previsto de un viaje de ida y vuelta de un vehículo lanzadera. Además, (2x+y+z) es el tiempo previsto de un viaje de ida y vuelta de un vehículo lanzadera, y se utilizann unidadesde vehículos lanzadera para transportar tanto las cargas salientes de recuperación como las entrantes de almacenamiento. En consecuencia, el tiempo total de procesamiento previsto es ((2(2x+y+z))/n). Por lo tanto, dependiendo de la especificación del sistema AS/RS, el cuello de botella del sistema será un elevador o un vehículo lanzadera. En la ecuación (1), los tiempos asociados a un elevador y a un vehículo lanzadera pueden medirse mediante un estudio de tiempos. En la Tabla 2 se muestra una selección de datos de muestra obtenidos mediante el estudio de tiempos en el Tipo 1.
Tabla 2: Ejemplos de datos obtenidos mediante el estudio de tiempos (Tipo 1: banco: 2, bahía: 30, nivel: 6).
| Transportistas |
Artículos |
Tiempo (s) |
|
|
Elevador |
Tiempo de movimiento unidireccional |
a |
1.03 |
| Tiempo de carga en un elevador |
b |
1.16 |
|
| Tiempo de descarga de un elevador |
c |
1.05 |
|
|
Vehículo lanzadera |
Tiempo de desplazamiento en un sentido |
x |
3.49 |
| Tiempo de carga en un vehículo lanzadera |
y |
5.76 |
|
| Tiempo de descarga de un vehículo lanzadera |
z |
3.51 |
Por otra parte, la simulación es una potente herramienta para analizar el rendimiento de un SVM-AS/RS a gran escala, independientemente de lo grande o complicado que sea el sistema. En los SVM-AS/RS utilizados en un BtoC-EC, los paquetes prioritarios deben situarse en estanterías cercanas a los elevadores de recogida para que puedan recuperarse rápidamente. Por lo tanto, en este estudio, los paquetes se asignan de forma preferente y se colocan en estanterías cercanas a los elevadores de recuperación dentro del AS/RS.
Mediante una simulación, el número medio real de cargas recuperadas y almacenadas por hora refleja la capacidad de los SVM-AS/RS, tal y como se muestra en la Figura 6. El intervalo confidencial del 95% de la media de cargas recuperadas y almacenadas por hora refleja la capacidad de los SVM-AS/RS. En la figura 6 se muestra el intervalo confidencial del 95% de la media del número máximo de cargas de recuperación/almacenamiento salientes para cada tipo. Por ejemplo, las medias del número máximo de cargas salientes de recuperación y entrantes de almacenamiento para el tipo 3 son 658 y 590 piezas, respectivamente. Según la figura 6, el tipo 3 es el más eficiente de los tres tipos en cuanto al número medio de cargas de salida y entrada.
Además, en la figura 7 se muestra el intervalo confidencial del 95% sobre el tiempo medio entre la recuperación y el almacenamiento de cargas para cada tipo. En la figura 7, se observa que los tiempos medios entre las cargas salientes de recuperación y las entrantes de almacenamiento para los tipos 1, 2 y 3 son de 116,81, 159,66 y 233,49 s, respectivamente. El tipo 1 es el más corto de los tres tipos en lo que respecta al tiempo medio entre las cargas salientes de recuperación y las entrantes de almacenamiento.
Se obtienen los resultados del tiempo de espera para recuperar una carga desde el momento de la instrucción de recuperación hasta el momento de finalización de la recuperación de la carga, que pueden utilizarse para examinar tanto la eficiencia como la eficacia de cualquier plan de disposición. Los tiempos de espera resultantes de la simulación para recuperar una carga desde el momento de la instrucción de recuperación hasta el momento de finalización de la recuperación de la carga también pueden utilizarse para estudiar métodos para mejorar la satisfacción de los clientes acortando el tiempo de espera desde el pedido de la mercancía hasta la entrega al cliente. Por lo tanto, el plazo de entrega es una medida de rendimiento importante a la hora de evaluar la trazabilidad de una entrega a un cliente para mejorar la competitividad de una empresa de comercio electrónico.
A partir de la ecuación (1), el número máximo de cargas de salida/entrada por hora para los tipos 1, 2 y 3 es de 664,62, 623,92 y 588,56 s, respectivamente. El tiempo medio entre las cargas de salida y de entrada para los tipos 1, 2 y 3 es de 5,42, 5,77 y 6,12 s, respectivamente. Además, los cuellos de botella de todos los tipos de disposición son los vehículos lanzadera ligeros. Por lo tanto, se constata que la ecuación (1) es eficaz para estimar el rendimiento general de los SVM-AS/RS.
Esta investigación cuenta con el apoyo de la Subvención para Jóvenes Científicos (B) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) (Número de subvención: 17K13801).