具有双梭起重机的自动化立体仓库的分解方法外文翻译资料

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具有双梭起重机的自动化立体仓库的分解方法

摘要

自动化立体仓库（AS / RS）在当今的分销和生产环境中变得至关重要，但仍然需要为其配备更有效的操作控制策略。根据使用AS / RS的公司遇到的真实情况，本文研究了一种具有双梭式起重机的小型AS / RS，其中必须调度一组仓储请求，使得优先等待时间最小化。双梭式起重机较少受到学术的关注，因此形成必须解决的新问题。小型AS / RS问题通过将其分解为位置分配和排序问题的方式来解决。引入不同的启发式策略来进行分配，而一般的数学模型和有效的分支和绑定过程被提出用于优化序列。此外，还开发了能够解决较大实例的快速元启发式算法。生成一组具有不同特性的基于真实世界的基准以评估所提出的方法。很少实例证明了在合理的计算时间内找到唯一的最佳序列。实验结果证明了启发式分解方法的有效性。很少实例证明了在合理的计算时间中找到最佳序列的唯一性。实验结果证明了启发式分解方法的有效性。

关键词：物流 ;自动化立体仓库 ;仓储 ;启发式 ;分解 ;控制策略 ;双梭

1.介绍

自动化立体仓库（AS / RS）是一种仓储系统（Van den Berg＆Zijm，1999），其中存储和检索活动由完全独立于操作者干扰的起重机（存储/取回机器）执行。AS / RS的主要组件是机架，起重机，通道，输入输出位置和拣选位置（Roodbergen＆Vis，2009）。自1960年以来，在分销和生产环境中，自动仓储系统已被用于存储和检索产品。在过去几十年中，这样的系统的实现已经大量增加，因为它们相对于非自动化系统具有若干优点。实施这些系统的公司对所获得的改进感到满意（Kulwiec，2006 ）。MHI（2016），美国最大的物料搬运，物流和供应链协会详细介绍了AS / RS系统的以下优势：减少浪费的仓储空间高达85％，将劳动力需求减少高达三分之二，延长订单关闭时间，个人和部门的问责制，增强的产品安全性，由于方便地向运营商交付而增加的人体工程学，提高至99.99％的精度水平，增加吞吐量能力，通过回收浪费的空间和劳动产生新的活动，最终消除了走路，搜索，提升，弯曲和扭曲活动的时间。

设计AS / RS涉及两种类型的决策（Gagliardi等人，2012 和 Roodbergen和Vis，2009）：物理设计和控制策略。布局和使用的设备由物理设计确定。这个决定需要高资本投资（Azzi等人，2011 和 Howard Zollinger，2001）。因此，从一开始就正确地设计它是至关重要的，因为短期的变化几乎是不可能的。控制策略的应用必须要管理系统，以获得最大的盈利能力。排序存储和检索请求是最重要的策略之一。公司必须确定执行存储和检索请求的顺序，以便最大化AS / RS系统的性能。性能度量可以不同：每个请求的旅行时间，每个时间段处理的请求的数量，处理一定数量的请求所需的总时间，起重机的等待时间或者要存储/检索的请求的等待时间（ Roodbergen＆ 2009）。

AS / RS可以根据要处理的物品的尺寸和体积，存储和检索方法以及堆装起重机和人工的相互作用来分类。这种类别的示例包括单元负载AS / RS，深通道AS / RS，小型AS / RS，联机AS / RS，物品自动检索系统和垂直升降存储模块（Vasili，Tang，和Vasili，2012）。

小型AS / RS系统对于小零件订单拣选是常见的，例如在电子和制药行业。除了自动起重机之外，小型载荷系统还包括拣选器（人或机器人）。存储架由存放小零件的盒组成。将盒子带到拣选器以取回小物件，并随后返回到机架中的位置（Mahajan，Rao和Peters，1998）。负责启发这项研究的真正问题的主要特征是：

1）机架和走道。有两个在中间具有通道的机架（参见图1中的左图 ）。机架是固定的和单层深度，因此意味着每个负载都可以通过堆垛机起重机访问。过道有一个堆垛起重机，不能离开其指定的过道（过道捕获）。存储单元是均匀的，每个存储单元保持有一个盒子。

图1. 在小型AS / RS中拣选区域位置过道两端（左）和外侧（右）

2）起重机。小型AS / RS的堆垛起重机（SC）具有两个梭子，但不是标准的AS / RS系统，其中每个起重机只有一个梭子。起重机的停留点是其驻留或停留在系统空闲时的位置。所研究的系统的驻留点是输入-输出区域。当系统工作时，起重机驻留在其最后访问的位置，而在标准AS / RS问题起重机中开始和结束在输入/输出区域的所有路线。

3)输入输出位置。有一个输入和一个输出区（I / O）。输入区域用于从系统外部引入满箱并且容量有限时。在删除空输出区域，用于故障或过期的盒子时。当盒子到达输出区域时，它自动离开系统。输出区域的功能不同于标准AS / RS问题，它用于满足客户的要求。在这项研究中，客户要求在拣选区是满意的。

4)采摘区。具有小型AS / RS系统的仓库应用“产品对人”原则（Mecalux，2014）：位于机架上的箱子由堆垛起重机自动处理，将它们带到操作员的岗位，在那里他们获取产品的所需单位。随后盒子返回到机架。被移除的物品由拣选器在小容器中引入。这些容器被拣选并交付给客户。拣选区域位于机架的每个通道末端或外侧（图1）。位于机架外侧的分拣区代表本研究所处理的具体情况。工人可以轻松地访问这些区域，这些区域可以具有不同的尺寸。

该问题的目标是在双梭小型AS / RS系统中的请求的有效调度，其中这样的请求动态地到达系统。每个请求都有自己的发布时间，以及由公司分配的优先级。最终，该任务包括对于一组请求，确定它们的处理序列，同时将盒子定位在架子或拣选区域中，使得总的优先等待时间最小化。

本文提出了各种精确和元启发式方法来调度双往返小型AS / RS系统。第2节回顾了AS / RS问题的解决方法，特别是小型系统的解决方法，第3节介绍了研究的系统。第4节描述了一种分解方法，其中在解决对请求排序的问题之前首先解决给库位分配位置的问题，以便最小化总加权等待时间。为第一阶段开发了准确的和启发式的过程，而只为第二阶段开发了确切的过程。精确的过程只能解决优化小方面，因此已经开发了启发式算法来解决实际大小的实例。这个元启发式在第5节中描述。第6节和第7节介绍了计算结果和结论。

2. 文献综述

Roodbergen和Vis（2009）和Vasili等（2012）提供了对AS / RS系统的良好介绍。Han，McGinnis，Shieh和White（1987）指出对给定请求列表进行优化排序的问题是非确定性多项式难题。因此，文中描述的确切方法只用一组限制性假设来解决AS / RS问题。AS / RS系统的基本版本是每个过道有一个起重机，起重机只能一次运输一个单元负载（单梭）。机架是固定的和单层深度。该AS / RS类型被称为单个单元-负载通道AS / RS。检索和存储列表不断更改。执行检索时，将从列表中删除检索，而动态发生的新的检索和存储请求被添加。Hanetal（1987）提出了两种方法来处理这个动态问题：静态排序和动态排序。在静态排序中，选择表示最紧急存储和检索请求的模块，并且当它们完成时，选择下一个模块。动态排序会在向其添加新请求时重新请求整个请求列表。本文考虑静态排序，因此审查的重点是采用这种方法的文件。

调度问题涉及为每个请求做出两个决定：分配最终位置并且决定请求将在序列中的哪里被处理。大多数已发表的研究通过假设专用位置来解决前述问题，其中每种产品类型分配一个固定位置，因为该产品的补充总是发生在那里（Roodbergen和Vis，2009）。第二个问题通过在构造开始和结束于I / O区域的起重机循环之前首先将存储移动与输送移动配对来解决。存储请求在FCFS（先到先送）顺序中满足。Bartholdi和Hackman（2016）讨论了将产品分配到产品的其他方法。

Lee和Schaefer（1996）假设S / R机器以双周期（DC）模式运行。起重机从I / O区域获取负载并运往其存储位置，然后在最终返回到I / O区域之前检索新负载的另一位置，从而完成该循环。这代表了 Han（1987）等人研究的相同问题，他们设计两个类型的启发式方法的问题，因为精确的方法有非常高的计算成本。考虑到这一研究， Lee和Schaefer（1996）提出了一个精确的方法和一个新的启发式。他们将问题作为分配的一个变量，并引入了匈牙利方法和排序算法与检查和破解算法的组合。

Lee和Schaefer（1997）也研究了精确存储的排序方法。他们为静态和动态情况设计了几种方法。对于静态情况，他们将排序问题定义为一个赋值问题，并应用现有算法来最佳地解决问题。相比之下，为动态情况开发了动态排序方法，从而每当事件发生时应用静态方法。

Van den Berg和Gademann（1999）对考虑具有专用存储器的AS / RS中的块排序方法对存储/检索请求进行排序感兴趣。他们的目标是找到一个最小化总时间的路线，相当于推销员问题。他们演示了如何在多项时间内解决专用存储策略下的特定排序情况。

Gagliardi，Renaud和Ruiz（2014）使用单一穿梭机来研究单位荷载AS / RS的测序策略，并采用 Han等（1987）和Lee和Schaefer(1996)的算法。提出了一种数学模型（SMM）来同时解决排序和存储位置问题。这些对AS / RS性能有显着的积极影响。

Hachemi，Sari和Ghouali（2012）开发了一种逐步优化方法，对于每个双循环，确定项目的存储位置和要检索的项目的位置，同时最小化DC时间。他们假设一个初始的双周期是已知的。

Mahajan等人（1998）研究了在小型AS / RS中的序列检索和存储请求的问题。当前检索请求成为未来的存储请求，因为在分拣项目后，负载将返回到系统中。因此，重新形成问题，使得仅存在检索请求的队列，导致较不复杂的问题。在过道的末端只有一个分拣机。检索请求被重新排列，因此连续的请求位于彼此的附近。最近的启发式请求相互靠近。

所有上述研究假设起重机一次只能移动一个负载，没有拣选区域，FCFS顺序中满足存储请求，并且只有一个I / O位置，每个起重机移动开始和结束于I / O位置，从而使它们能够在起重机周期框架内工作。

Azzi（2011）等人的关于双梭式起重机的研究专注于开发一种新的计算输送时间的方法，考虑双重和四重循环。模拟研究验证了所提出的方法。Xu，Shen，Yu和Huang（2015）还开发了一种基于四重循环的双梭式起重机的计算输送时间的方法，比较单深和双深存储货架的效率。

其他研究涉及不同类型的系统，例如Yu和Koster（2012），其中对联系（多深）存储系统调查单元负载检索请求的顺序。而在Lerher（2016），考虑了双深穿梭系统的传输时间模型。

然而，循环的概念不适用于研究的问题有两个主要原因。首先，起重机可能在I / O区域开始，但是在移动箱子之后，起重机保持在其当前位置，同时等待新的请求，而不是返回到I / O区域。第二，必须确定请求序列而不知道它们各自的或分拣区目的地，而同时使得双梭在其为空时或在满载时连续存储移动时执行连续的检索移动。因此，起重机在此小型载荷中移动AS / RS可能比标准双循环复杂得多。

3.系统描述，假设和符号

本文考虑的小型AS / RS包括一个通道，其具有由双梭式起重机服务的机架。仅考虑拾取区域所在的机架那面。机架由单元格组成，每个单元格由其行和列标识，从左下角开始。

4.分解方法

在小型AS / RS系统中的调度请求涉及回答两个问题：每个请求必须存储在何时何地。在提出的分解方法中，分别的和按照顺序回答这些问题。问题分为两个子问题。第一个是分配问题，目标是确定每个请求的最佳存储位置。第二个是排序问题，其中知道请求的起点和目的地，必须确定最佳的存储和检索移动序列。

4.1.位置分配问题

在位置分配问题中，必须以这样的方式选择目的地，使得在对请求排序之后，确定高质量的最终解决方案。已经设计了用于这种分配的两种方法。第一种方法顺序地分配位置，而第二种方法同时进行所有分配。

4.1.1.顺序位置分配

这种方法首先根据一些标准C1对请求进行排序。然后，对于每个请求，根据标准C2选择来自所有那些可能的位置。

C1--排序请求。由于该目标是最小化总的加权等待时间，两个最重要的请求特性是优先级和发布日期t。因此，请求通过非递增优先级排序，并使用非递减发布日期来打破关系。

C2--分拣位置。使用每个可能的目的地的两个关键特征：

bull;从原始的请求到该目的地的传播时间：Tpd

bull;从目的地到其他所有请求的起点的平均行驶时间

两个权重w和w，分配给这些特性。选择的递送位置是最小化等式：

第6.4节讨论如何为权重w和w选择适当的值

4.1.2.同时位置分配

为了同时分配位置，问题被表达为可以在多项式时间中求解的典型分配问题（Munkres，1957）。分配成本与顺序分配中的相同，当请求针对相同的位置竞争时，同时分配的主要优点体现出来，这通常在请求可用的存储位置时很少发生。

4.2.排序问

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