日本电子商务行业中穿梭车式微型负载自动仓储系统的仿真建模

挑战

作者：Rie Gaku（圣安德鲁大学）和 Soemon Takakuwa（中央大学）

在 2017 年冬季仿真会议上发表

提出了用于模拟穿梭车式小型负载存储和检索系统（SVM-AS/RS）的仿真模型。SVM-AS/RS 是一种快速穿梭车式迷你型自动存储和检索系统，旨在提供存储和分拣功能，包括发货、分拣、分类、码垛或合并前的库存缓冲。本研究考虑的系统包括安装在每层的轻型穿梭车、存储和检索升降机、连接升降机和穿梭车的层输送机以及进出通道输送机。为了分析该系统的性能，在考虑到存储位置和装载顺序关系的情况下，建立了模拟模型。需要强调的是，小型装载系统的 AS/RS 操作可以通过模拟实验来确认。此外，模拟分析得出的关键性能指标可用于了解和验证其在不同布局下的效率和有效性。

引言

在过去的二十年里，企业对消费者电子商务（BtoC-EC）市场变得空前巨大。随着企业越来越多地使用各种形式的在线营销，在线标记预计将对消费者行为和物流管理产生重大影响。最近，BtoC-EC 的销售额飙升至年度总额 6.51 万亿日元，其市场规模已连续 17 年扩大（Dentsusoken 2017）。近十年来，为了提高客户的可用性，日本电子商务行业基于指定送货目的地和所需送货时间和日期的快速送货服务竞争愈演愈烈。包括日本亚马逊、淀桥物流和乐天在内的一些供应商已成功地在日本部分地区的物流业务中提供了收到订单后 3 小时内的快速送货服务，以满足客户对快速送货服务的需求。

需要强调的是，通过缩短从订购商品到最终送达用户手中的时间来提高客户的可用性，是支持电子商务竞争力的一个重要因素。在这种环境下，从事 BtoC-EC 业务的供应商面临着许多挑战，即如何确定应从哪个地点取回哪件商品，以及应以多快的速度将其运送给客户，以满足在线订单的要求。

电子商务业务的物流运作需要灵活的存储和分类响应功能，以满足客户对更快交货服务的需求。灵活的存储和分拣功能包括发货前的库存缓冲、分拣、分类以及按组或指定顺序码垛或合并纸箱、周转箱和托盘。然而，在动态的 BtoC-EC 环境中，自动存储和检索系统（AS/RS）的性能分析对于物流经理来说是一个复杂的问题。

仿真历来被用作物流运营的决策工具，以确保持续运营。许多研究侧重于大规模 AS/RS 操作的仿真建模。有必要建立模型并进行模拟实验，以便分析和比较自动仓储系统/自动仓库的可能替代方案（Takakuwa，1989 年；Takakuwa，1994 年；Takakuwa，1995 年）。使用仿真技术对一个实际的环形卡车自动导向车（AGV）系统进行了成本效益优化分析，以制定政策和检查操作规范（Takakuwa，1993 年）。Takakuwa （1996 年）提出了一种基于模块的建模方法，用于生成复杂的大型自动导向车（AS/RS-AGV）系统的仿真程序。

一些研究描述了单位负载 AVS/RS，用于设计和分析物流操作的性能。Hu 等人（2005 年）利用仿真验证了考虑到停留点策略的矩形及时自动仓储系统货架的优化设计。该研究提出了一种使用自动驾驶车辆技术的单位负载自动仓储系统/自动仓库计算效率高的周期时间模型，用于估算车辆利用率，其目的是明确设计轮廓的范围，以便进行更广泛的基于仿真的评估和验证（Kuo 等人，2007 年）。Goozen 等人（2016 年）开发了将任务分配给班车的调度启发式方法，目标是最大限度地减少超序发生的次数，最大限度地提高全漫游班车系统（FRS）的吞吐能力。该系统被认为适用于零售和批发配送中心的慢速产品。本文提出了一个仿真模型，用于模拟快速穿梭车式小型自动售货系统（SVM-AS/RS）。SVM-AS/RS 设计用于提供存储和分拣功能，包括出货前的库存缓冲、分拣、分类、码垛或合并，以按组或一定顺序处理纸箱、周转箱和托盘。仿真模型与上述研究不同，因为仿真模型的设计专门考虑了存储位置和装载顺序分配。为了证实 SVM-AS/RS 的有效性，我们采用了一种新颖的解决方案，以小时和秒为时间单位，为电子商务企业的快速小型装载自动仓储系统/自动仓库操作提供支持。

穿梭车式小型装载自动仓储系统/自动仓库系统

SVM-AS/RS 的图像

图 1 是 SVM-AS/RS 的全貌。本研究考虑的 SVM-AS/RS 由多个子系统组成，包括安装在每一层的轻型穿梭车、存储和检索升降机、连接升降机和穿梭车的层输送机以及进出通道输送机。轻型穿梭车只能在水平方向移动，在货架上进行存取。货架通过层输送机与存取升降机相连。出库通道传送带与检查和包装区相连。

SVM-AS/RS 的操作流程

每个入库的小货物首先被移至入库通道输送机上，然后由存取升降机分拣，最后被放置在层输送机上。然后，由轻型穿梭车将小货品运送到目的地货架。或者，由轻型穿梭车从系统中的货架上提取出库的小型货物，然后通过层式输送机转移到出库通道输送机上，最后放到存取升降机上。

轻型穿梭车以及存取升降机可根据操作的优先级和紧急程度进行处理。对于检索操作，由高优先级存储负载组成的紧急负载会比低优先级负载得到优先处理。同样，如果存储操作的优先级较高，那么使用轻型穿梭车进行存储的检索操作将优先于检索操作；否则，检索操作和存储操作循环交替进行。

一般来说，从操作流程示意图来看，有两种拣选方法：接力拣选法和平行拣选与码垛法。在中继分拣法中，没有任何处理相关订单的排列和分类操作。因此，接力分拣法被认为更适用于 BtoC-EC 物流环境中的快速移动产品。在本研究中，SVM-AS/RS 采用了中继分拣法，在进行任何必要的装运、分拣、分类、码垛或合并操作之前执行存储和分类功能。

入库和出库货物的存储位置分配规则

为了满足以小时和秒为时间单位的 AS/RS 快速服务期望，基于入库和出库频率的存储位置分配规则成为电子商务物流操作中需要解决的一个有趣挑战。为了使自动仓储系统/自动仓库的运作更加顺畅，并支持 SVM 自动仓储系统/自动仓库的快速高效运作，我们考虑了两种通用的仓储位置分配规则。

第一种规则称为 "优先分配规则"，如图 3 所示。如果出库操作集中在某个时间段，则会分配靠近层输送机的存储位置，并优先处理入库货物，以尽量减少出库操作的操作时间。否则，将从各层可用位置中随机分配存储位置；该规则被称为 "基于层平衡的随机分配规则"。

程序

计算机模拟是一种可以用来描述、分析和预测复杂系统性能的方法，而无需限制假设条件。本研究的目的是提出考虑到存储位置和负载顺序关系的程序。如图 4 所示，验证和改进 SVM-AS/RS 的 AS/RS 运行的程序详述如下：

[步骤 1] 如第 4.2 节所述，收集并输入布局信息，包括层数、槽数和库数。

[第 2 步] 选择轻型穿梭车时间表的分配方法。

[步骤 3] 在模拟模型中选择或修改存储位置分配规则。

[步骤 4] 执行仿真模型，观察 SVM-AS/RS 的 AS/RS 运行情况。

[步骤 5] 获取仿真结果，进行仿真实验。

[步骤 6] 如果仿真分析的 KPI 结果可以接受，则终止程序。
否则，返回步骤 1、2 或 3，调整步骤 4 所需的数据和参数。

需要强调的是，本研究提出的程序可以帮助物流管理者理解和验证动态 BtoC-EC 环境下的自动仓储系统操作，从而确认和改进不同布局下涉及小批量货物的自动仓储系统操作的有效性。

解决方案

应用

仿真逻辑

使用 Simio 仿真软件包（Kelton、Smith 和 Sturrock，2013 年）创建了 SVM-AS/RS 的 AS/RS 操作仿真模型。如图 5 所示，在本研究中，SVM-AS/RS 通常执行两种基本类型的物料流流程，即入库流程和出库流程。每个流程都包含由安装在每一层的轻型穿梭车、存储和检索升降机、层输送机以及进出通道输送机执行的一系列活动。所有操作活动都必须按照步骤 4 的操作优先级进行。确定了基本流程后，就可以描述 SVM- AS/RS 的物料搬运操作流程。

参数

系统的规格定义为参数，如表 1 所示。由于表 1 中列出的参数被用作仿真模型的实验条件，因此在执行步骤 1 至 3 的仿真模型之前，应将所有必要参数输入模型。

为了说明步骤 1 仿真模型的结果，考虑了 SVM-AS/RS 的三种布局。三种类型的相应库、舱和层的编号如下：

• 类型 1：库：2，湾：30，层：6 = 360（库：2，湾：30，层：6 = 360）：30，级别：6 = 360（机架）
• 类型 2：库：2，区：20，层：6 = 240（机架20，级别：6 = 240（机架）
• 类型 3：库：2，托架：10，级别：6 = 120（机架10，级别：6 = 120（机架）

表 1：SVM-AS/RS 的参数。

现在，假设在步骤 1 中安装了相同数量的库和层，以执行 1-3 型的模拟实验。在两个库的情况下，一个存储升降机和一个回收升降机就足够了。库的数量可分别设置为 30、20 和 10。

在步骤 2 中，考虑并说明了轻型穿梭运输车时间表的分配方法。在本研究中，每次模拟实验都从进站操作开始。分配检索指令后，操作在检索和存储操作之间循环交替。第 3 步，在仿真模型中选择优先级分配规则。第 4 步，根据所选的入库和出库负载的存储位置分配规则，测量和记录周期性操作期间的统计数据。针对每种布局类型的每种存储位置分配规则进行 30 次独立的模拟运行。

业务影响

备选布局和存储位置分配规则的关键绩效指标比较

在对备选布局和存储位置分配规则进行关键性能指标（KPI）比较时，有必要通过执行仿真模型收集以下输出结果：

• 每小时平均出库/入库次数。
• 轻型穿梭车和存取升降机的利用率。
• 从发出取货指令到取货结束的时间。
• 每小时货架利用率。

利用上述关键绩效指标，可以分析指定系统布局的性能指标，如处理能力和瓶颈分析。

在进行仿真分析前，可使用下式估算每小时出库/入库的最大数量，即 I（个）：

其中

a：入库/出库升降机从基点到中点的单向移动时间（秒）
b：装载到升降机上的时间（秒）
c：从升降机上卸载的时间（秒）
n：穿梭车数量（台）
T：运行时间（例如，3600 秒）
x：穿梭车从基地位置到中途站的单向移动时间（秒）
y：穿梭车装载时间（秒）
z：从穿梭车卸载的时间（秒）
公式（1）分母中的 (2a+b+c) 项是升降器往返一次的预期时间。此外，(2x+y+z) 是穿梭车一次往返的预计时间，而n 台穿梭车用于输送出站取货/入站存储货物。因此，预计总体处理时间为（（2（2x+y+z））/n）。因此，根据自动仓储系统的规格，系统的瓶颈要么是升降机，要么是穿梭车。在公式（1）中，升降机和穿梭车的相关时间都可以通过时间研究来测量。表 2 列出了通过对类型 1 进行时间研究获得的部分样本数据。

表 2：通过时间研究获得的部分样本数据（类型 1：库：2，舱：30，层：6）。

另一方面，无论系统有多大或多复杂，模拟都是分析大型自动仓储系统性能的有力工具。在 BtoC-EC 中使用的 SVM-AS/RS 中，优先包裹需要放在靠近回收升降机的货架上，以便快速回收。因此，在本研究中，优先分配包裹并将其放在自动仓储系统内部靠近检索升降机的货架上。

如图 6 所示，通过模拟计算，每小时实际平均取货和存货数量反映了 SVM-AS/RS 的能力。图 6 显示了每种类型的最大出库/入库负载平均数的 95% 保密区间。例如，类型 3 的最大出库检索负载和入库存储负载的平均值分别为 658 件和 590 件。从图 6 中可以看出，就出库检索和入库存储负载的平均数量而言，类型 3 是三种类型中效率最高的。

此外，图 7 显示了每种类型检索和存储负载之间平均时间的 95% 保密区间。从图 7 中可以看出，类型 1、2 和 3 的检索和存储负载之间的平均时间分别为 116.81 秒、159.66 秒和 233.49 秒。在三种类型中，类型 1 的出库检索和入库存储负载之间的平均时间最短。

输出从发出取货指令到取货结束的取货前置时间结果，可用于检查任何布局方案的效率和效果。模拟得出的从发出取货指令到取货结束的取货前置时间，还可用于考虑通过缩短从订购商品到交付给客户的前置时间来提高客户满意度的方法。因此，在评估向客户交付货物的可追溯性以提高电子商务企业的竞争力时，前置时间是一个重要的性能指标。

根据公式（1），类型 1、2 和 3 每小时的最大出库检索/入库装载次数分别为 664.62、623.92 和 588.56 秒。类型 1、2 和 3 的出库检索和入库存储负载之间的平均时间分别为 5.42、5.77 和 6.12 秒。此外，所有类型布局的瓶颈都是轻型穿梭车。因此，公式 (1) 可以有效估算 SVM-AS/RS 的一般性能。

结论

• 本文建立了 SVM-AS/RS 的仿真模型，并利用该模型分析了 SVM-AS/RS 的性能，同时考虑了存储位置和装载顺序的关系。
• 描述了 SVM-AS/RS 的 AS/RS 操作的系统性和灵活性程序，以验证和改进 BtoC-EC 环境下的动态 AS/RS 操作。通过对布局和存储位置的备选分配规则进行关键绩效指标比较，该程序和流程为物流经理提供了重要支持。
• 所建议的程序被应用于 AS/RS 运营建模的实际案例中。结果表明，所提出的程序既实用又强大，可帮助物流经理在不同布局下做出高效决策。
• 在对详细的物料处理操作进行模拟检查之前，还提出了一种估算每小时出库检索/入库存储货物最大数量和寻找系统瓶颈的方法。

致谢

本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）青年科学家补助金（B）（补助金编号：17K13801）的支持。