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仓库订单的设计与控制：文献综述

摘要

订单拣选长期以来被确定为几乎每个仓库最劳动密集和昂贵的活动;订单拣选的成本估计为仓库总运营费用的55％。订单拣选的表现不佳可能会导致服务不佳，仓库运营成本高，从而导致整个供应链。为了有效运行，订单挑选过程需要得到鲁棒设计和最佳控制。本文给出了手工订单处理设计和控制中典型决策问题的文献综述。我们专注于最优（内部）布局设计，存储分配方法，路由方法，订单批处理和分区。这一领域的研究近来发展很快。然而，上述领域的组合几乎没有被探索。订单采摘系统的实际发展带来了新的研究方向。

关键词：订单拣货;仓库管理;后勤

1引言

随着越来越多的公司寻求降低成本并提高其仓库和配送中心的生产率，采购业务受到越来越多的关注。订单拣选 - 响应特定客户要求从存储（或缓冲区）检索产品的过程是手动系统仓库中最劳动密集型的操作，以及具有自动化系统的仓库中非常资本密集型的​​操作（Goetschalckx和Ashayeri 1989，Drury 1988，Tompkins等人2003）。由于这些原因，仓储专业人员将采购订单作为提高生产力的最高优先领域。

制造业和分销业最近的几个趋势使得采购设计和管理变得更加重要和复杂。在制造业方面，可以实现更小的批量，使用点交付，订单和产品定制以及减少周期时间。在配送物流中，为了服务客户，公司倾向于接受延迟订单，同时在紧张的时间窗口内提供快速及时的交货（因此订单拣货的时间可以缩短）。许多较小的仓库被更少的大型仓库所取代，以实现规模经济。在这些大型仓库中，日常采购量很大，可用的时间窗口很短。为了更好地响应客户，许多公司采取了推迟策略（Van Hoek 2001），导致分销中发生的各种增值活动（如套装，贴标，产品或订单组装，定制包装或码垛）中心，必须在订单拣选过程中进行安排和整合。仓库还涉及从客户处理产品，材料和产品运输工具，以便将其重新分配给其他客户，回收商和原始设备制造商（De Koster等，2002）。

采购订单的组织立即影响到配送中心，从而影响供应链的业绩。在订单发放到仓库和到达目的地所需的时间之间，准确性和完整性都有错误的机会，更不用说时间流失还有改善的余地。行业已经提出了创新的解决方案，使得每个人每小时可以获得高达1,000次的生产效率。科学也在迅速发展。在过去的几十年里，许多论文都出现在学习拣选过程中。研究了新问题，开发了新的模型。然而，实践和学术研究之间存在差距，因为并不是所有新的拣选方法都已经被研究，布局，存储分配，订单聚类，订单发放方法，选择器路由和订单积累的最佳组合在一定程度上被解决了只要。本文系统地概述了这些最新的学术文献发展。我们通过关注最优（内部）布局设计，存储分配方法，路由方法，订单批处理和分区等方式来构建订单处理流程设计和控制中的典型决策问题。研究人员几乎没有受到关注。实践创新也带来了新的研究挑战。

2仓库和订单拣货

根据ELA / AT Kearney（2004）的说法，仓储在2003年约占调查公司物流成本的20％（其他活动是增值服务，管理，库存成本，运输和运输包装）。仓库显然是公司物流系统的重要组成部分。它们通常用于在原点和消费点之间和之间存储或缓冲产品（原材料，在制品，成品）。如果主要功能是缓冲和存储，则使用“仓库”一词。如果附加分配是主要功能，则通常使用“分配中心”一词，而如果存储几乎不起作用，则经常使用“转运”，“交叉”或“平台”中心。当我们专注于从库存中选择订单时，我们在整篇文章中使用“仓库”一词。 Lambert等人（1998）指出，全球有超过75万个仓库设施，包括最先进的专业管理仓库，以及公司的仓库和自营设施。仓库通常涉及大量投资和运营成本（例如土地成本，设备设备，劳动力等）。那么为什么存在仓库？根据Lambert等人（1998）他们为公司的使命做出了贡献

bull;实现运输经济（例如结合运输，全集装箱装载）。

bull;实现生产经济（例如生产生产政策）。

bull;利用优质购买折扣和远期购买优势。

bull;支持公司的客户服务政策。

bull;满足不断变化的市场条件和不确定性（如季节性，需求波动，竞争）。

bull;克服生产者和客户之间存在的时间和空间差异。

bull;完成与所需客户服务水平相称的最低总成本物流。

bull;支持供应商和客户的即时程序。

bull;在每个订单（即合并）上为客户提供混合的产品而不是单一产品。

bull;临时存放要处理或回收的材料（即逆向后勤）。

bull;为转运提供缓冲区（即直接交货，交叉对接）。

在一些特殊情况下（如精益生产，“虚拟”库存，交叉对接），可以减少供应链中的存储功能。但是，在几乎所有供应链中，原材料，零部件和产品库存仍然需要存储或缓冲，这意味着需要仓库，并在公司的物流成功中发挥关键作用。

2.1仓库

接收活动包括从运输承运人卸载产品，更新库存记录，检查以确定是否有任何数量或质量不一致。搬运和搬运涉及将货物转移到仓库。它还可以包括重新包装（例如，到箱子的整个托盘或标准箱）和物理运动（从接收码头到这些区域之间的不同功能区域，从这些区域到运输码头）。订单拣选是大多数仓库的主要活动。它涉及为一组客户订单获得适当数量的正确产品的过程。如果已经批量挑选订单，则将所选订单累积/分类为个人（客户）订单是必要的活动。在这种情况下，拾取过程完成后，拾取单元必须按客户订单分组。在采摘后，订单通常必须在正确的单位负载（例如托盘）上进行包装和堆放。当接收到的产品直接转移到运输码头时进行交叉对接（短暂停留或可能需要服务，但很少或不需要订单）。

2.2订单挑选

订单拣选涉及对客户订单进行聚类和调度的过程，将订单上的库存分配到订单，向订单发放订单，从存储位置挑选商品和处理所选物品。客户订单由一定数量的订单行，独特产品或库存单位（SKU）的每一行组成。大多数仓库采用人类进行订单拣选。其中，选择器到零件系统，其中订单选择器沿走道行走或驱动以选择项目，是最常见的（De Koster 2004）。我们可以区分两种选择器到零件系统：低级采购和高级采购。在低级订单系统中，订单选择器在存储通道上行进时，从存储架或仓（仓储仓库）中选择要求的物料。其他订单采摘系统采用高储存架;订单拣选者前往采购起重车或起重机的拣选地点。起重机自动停在适当的选择位置前方，并等待订单选择器执行选择。这种类型的系统被称为高级别或人手选择系统。

部件到选择器系统包括自动化存储和检索系统（AS / RS），主要使用通道起重机来检索一个或多个单元负载（托盘或箱;在后一种情况下，系统通常称为小型负载）并把它们带到选择位置（即仓库）。在这个位置，订单选择器需要所需的件数，之后再次存储剩余的负载。这种类型的系统也称为单元负载或通道结束订单 - 系统。自动起重机（也可以是存储和取回（S / R）机器）可以在不同的工作模式下工作：单，双和多个命令循环。单指令周期意味着负载从仓库移动到机架位置或从机架位置移动到仓库。在双命令模式下，首先将负载从仓库移动到机架位置，然后从机架检索另一个负载。在多个命令循环中，S / R机器有多个梭子，可以在一个周期内拾取和分离多个载荷。例如，在四个命令循环中（Sarker和Babu 1995描述），S / R机器将两个存储负载离开仓库，存储并返回两个检索到的负载。其他系统使用模块化垂直升降模块（VLM）或转盘，也可向订单选择器提供单位负载，负责采购数量。

放置系统或订单分发系统由检索和分发过程组成。首先，必须检索项目，这可以以部件到选择器或选择器到部件的方式完成。其次，将带有这些预先选择的单元的运营商（通常是一个箱子）提供给一个订单选择器，它们将它们分配到客户订单上（“将它们放在客户纸箱中”）。如果在短时间内不得不选择大量客户订单行（例如在亚马逊德国仓库或花卉拍卖会），系统将会特别受欢迎，并且可以平均每个订单选择时间大概选择500个订单管理良好的系统（De Koster 2004）。新开发的系统表明，每个拾取时间最多可以处理1000个处理单元。

在本文中，我们专注于采用人类的低级别，选择器到零件的采购系统（每条路线有多个选择）。这些系统在全球仓库中占绝大多数采购系统（根据作者的经验：西欧采购系统的80％以上）。令人惊讶的是，学术选拔文献更多地侧重于高层次挑选和AS / RS系统。虽然不是本文的主题，但我们将简要介绍一些后一种文学类型。

真正的采购订单系统的设计往往很复杂，因为影响设计选择的外部和内部因素很大。根据Goetschalckx和Ashayeri（1989），影响订单选择的外部因素包括营销渠道，客户需求模式，供应商补货模式和库存水平，产品的整体需求以及经济状况。内部因素包括订单系统的系统特征，组织结构和运营策略。系统特征包括机械化水平，信息可用性和仓库维度（见图3）。与这些因素有关的决策问题在设计阶段常常引起关注。组织和业务政策主要包括路由，存储，批处理，分区和订单发放模式五个因素。图3还显示了采购系统的复杂程度，通过轴问题在轴系中的表示距离到原点来衡量。换句话说，一个系统越远离原点，系统越难设计和控制。

2.3订单拣选目标

订单拣选系统的最常见目标是根据诸如劳动力，机器和资本等资源限制来最大化服务水平（Goetschalckx和Ashayeri 1989）。服务水平由各种因素组成，如订单交货时间的平均和变动，订单完整性和准确性。订单拣选和服务水平之间的关键链接是，可以更快地检索订单，它可以越快地发送给客户。如果订单错过其运送时间，则可能需要等到下一个运送期。此外，短订单检索时间意味着处理订单的更改的高度灵活性。因此，最小化订单检索时间（或拣货时间）需要任何订单拣选系统。

虽然各种案例研究表明，旅行以外的活动也可能大大有助于采购订单的时间（Dekker et al。2004，De Koster et al。，1999a），旅行往往是主要的组成部分。据Bartholdi和Hackman（2005）的说法，旅行时间是浪费的。它花费劳动时间，但不增加价值。因此，这是第一个改进的候选人。

对于手动拣选系统，旅行时间是旅行距离的增加函数（参见例如Jarvis和McDowell 1991，Hall 1993，Petersen 1999，Roodbergen和De Koster 2001a，b，Petersen and Aase 2004） 。因此，旅行距离通常被认为是仓库设计和优化的主要目标。在采购文献中广泛使用了两种类型的旅行距离：采摘旅游的平均旅行距离（或平均旅游长度）和总行程距离。然而，对于给定的拾取负载（一组订单），最小化平均巡视长度相当于最小化总行驶距离。显然，最小化平均行驶距离（或相当于总行程距离）只是许多可能性之一。另一个重要目标是最小化总成本（可能包括投资和运营成本）。在仓库设计和优化中经常考虑的其他目标是：

bull;最小化订单的吞吐时间

bull;最大限度地减少整体吞吐时间（例如完成一批订单）

bull;最大限度地利用空间

bull;最大限度地利用设备

bull;最大限度地利用劳动力

bull;最大限度地提高所有项目的可访问性

公司在战术或操作层面对不同时间范围内的订单拣选系统进行设计和控制决策（Rouwenhorst et al。2000）。这些级别的常见决定是：

bull;存储系统的布局设计和尺寸（战术层面）

bull;将产品分配到存储位置（存储分配）（战术和操作级别）

bull;分配订单以挑选批次并将通道组合成工作区（批处理和分区）（战术和操作级别）

bull;订单选择器路由（路由）（操作级别）

bull;按顺序排序所选单位，并对订单的所有选择进行分组（订单积累/排序）（操作级别）

在实现上述目标时，各级作出的决定是相互依存的。例如，某些布局或存储分配对于某些路由策略可能表现良好，但对于其他路由策略来说则差。然而，在一个模型中包括所有决策（具有明显不同的决策层面）

3布局设计

在订单拣选的背景下，布局设计涉及两个子问题：包含订单拣选系统的设施布局和订单拣货系统中的布局。第一个问题通常称为设施布局问题;它涉及到哪里定位各个部门（接收，采摘，存储，分拣和运输等）的决定。这通常是考虑到部门之间的活动关系来进行的。共同的目标是最小化处理成本，这在许多情况下由行进距离的线性函数表示。我们参考Tompkins等人（2003）对几种有效的布局设计程序进行了描述，并对Meller和Gau（1996）进行了一般性文献综述。此外，Heragu等（2005）给出了区域大小和产品分配方式的模型和启发式。在本文中，我们关注第二个子问题，这也可以称为内部布局设计或通道配置问题。它涉及块数量的确定以及采摘区域每个块中通道的数量，长度和宽度。共同的目标是在符合给定的一组约束和要求的布局中找到关于某个目标函数的“最佳”仓库布局。再次，最常见的目标函数是旅行距离。

低级手动订单系统的布局设计文献不丰富。早期出版物虽然着重于单位负荷，但是由Bassan等人（1980年）。他们比较两个不同的平行通道布局来处理（包括旅行）和布局成本。 Rosenblatt和Roll（1984）利用分析和模拟方法，研究仓库的内部布局对存储策略的影响（即如何将产品分配给存储位置）。 Rosenblatt and Roll（1988）研究了随机需求和不同服务水平对仓库布局和存储容量的影响。最近，Roodbergen（2001）提出了一种非线性目标函数（即，每条路线选择的平均行进时间和挑选过道），用于确定最小化平均值的随机存储仓库（包括单个和多个块）的通道配置旅游长度。考虑到最小化平均旅游长度作为主要目标，Caron等人（2000）考虑了基于COI的存储分配下的2-块仓库（即一个中间交叉通道）（参见第4节关于存储分配方法的讨论），而Le-Duc和De Koster（2005

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