不规则立体仓库移动式拣选系统设计，本文主要内容关键词为：不规则论文,移动式论文,系统论文,立体仓库论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
doi:10.3969/j.issn.1005-152X.2009.08.021
1 需求分析
仓储拣选作业是企业中最为频繁的作业，一套切实可行的拣选系统将为企业节省较大的拣选成本。许多大型配送中心或制造企业已经采用了自动化立体仓储系统，自动化立体仓库用高层货架储存货物，以巷道堆垛起重机存取货物，并通过周围的装卸搬运设备，自动进行出入库存取作业，自动化立体仓库的出入库批量一般都比较大，一般以托盘为单位，不够一托盘的订货量，人工在备货环节分拆备货。然而，对物流作业的“拆零”需求较多的行业，如网上图书音像销售业、网上商城、医药、化妆品批零行业等，顾客订货商品品种多、批量小使得拣选配货作业工作量大，成本高，主要针对大批量作业的自动化立体仓库却不适用于这种情况。这些行业一般也采用多层货架，但货架或许不是单一的一种，有的货架有三层货位，有的或许有五层，货架长短不一，很难实现全自动拣选，那么开发一套适用的拣选系统，辅助拣选作业人员进行商品拣选以提高作业效率就显得很有意义了。
“拆零”需求较多的行业中的许多企业也已基本实现了信息化管理，使用的ERP系统基本可以覆盖进、销、存等流通环节，能够对企业的物流运作进行很好的管理，但是，大部分ERP系统并没有具体涉及仓储拣选作业，所以，设计一套智能化拣选系统是对ERP系统的很好的补充。
该拣选系统的设计主要有两个方面的要求：第一，要能较方便的实现和ERP系统的融合，与ERP系统的接口设计要简便可靠，要做到在业务流程上切实可行，方便操作、方便编程实现。第二，要实现移动拣选，拣选系统能够根据商品的存放位置及其货架的布局，对订单所需的多种商品计算最优拣选路径及拣选顺序，并把拣选路径传输给手持设备或车载终端，拣选人员可以用手持设备或车载终端按照终端上显示的拣选路径及要拣选的货物操纵小车进行拣选操作以实现拣选路径的最优。
图1 ERP系统产成品出入库流程
一般的ERP系统的产成品出、入库流程见图1。其中入库流程为：生产部门把完工单及产成品送达仓库，仓库依据完工单对送达的产成品进行验收，验收后制作成品入库单以建立库存台账，入库单一般包括入库单编号、产品编号、规格、型号等信息。
出库流程为：生产销售部门依据顾客的销售订单安排采购及生产，仓库依据完成的销售订单装运发货。已完成销售订单一般包括订单编号、客户编号、产品编号、规格、型号等信息。
验收入库一般分两个步骤，第一步是对送达仓库验收区的货物进行验收，第二步是对已经验收的货物上架。第一步进行验收时，仓库管理人员使用ERP系统输入该入库单的验收信息。对于出库流程，ERP系统在出库作业前就已经确定了哪张订单对应的商品可以出库，这些订单的信息在ERP数据库中早有记录，出库操作第一步是从货架上拣选出该订单所需货物，第二步是进行包装并发运给客户。ERP系统在出入库作业中没有就商品入库上架及出库拣选进行优化，本拣选系统就是要在入库的第二步商品上架及出库的第一步商品拣选时介入，对成品入库的上架操作及出库的拣选操作进行优化。对于不涉及产品生产的流通企业，其采购产品入库及商品出库的流程与图1大同小异，也可以使用该拣选系统进行出入库作业的优化。
2 拣选系统总体设计
2.1 系统总体结构设计
本拣选系统为了实现移动拣选，总体上分为两部分，第一部分为运行在管理终端上的模块，第二部分为运行在移动终端上的模块。管理终端是相对固定的一台或几台电脑，在管理终端上可以进行系统初始化、路径优化及拣选车分派等操作。移动终端安装在拣选小车上，通过无线网络与管理终端进行通信，移动终端上只运行拣选模块，该拣选模块能够描绘出拣选小车行走路线图，引导拣选人员沿最优拣选路径行进。
2.2 系统接口设计
本拣选系统要能够和ERP系统很好对接，该拣选系统在进行入库上架及出库拣选时进行优化，此时要上架的入库单及要出库的订单信息在ERP系统中早已存在，ERP系统为该拣选系统提供的接口并不复杂，ERP系统只要允许拣选系统访问其数据库，为拣选系统提供数据库访问接口ODBC即可，拣选系统通过该数据访问接口从ERP系统后台数据库中提取入库单、订单中的信息如商品编号、商品名称、规格、型号、数量、供应商或顾客名称等并将这些数据复制保存入拣选系统后台数据库以备拣选优化所用。
拣选系统与ERP系统的接口设计：第一，要补充产品的实体信息。ERP系统在录入入库单及订单信息时或许没有涉及产品大小、重量等信息，而这些信息在拣选及上架作业时是不可缺少的。所以要设计一个产品规格表，该表包含产品编号、规格型号、大小尺寸、重量等数据。拣选系统依据产品编号可以从该表中查到该产品的尺寸、重量等信息。第二，操作流程接口。在ERP系统打印出入库单或已完成订单后，运行该拣选系统进行上架及拣选优化。具体为：登录拣选系统，输入入库单或已完成订单编号（编号如果是条码形式，则可以直接扫描输入），拣选系统依据入库单或订单编号从ERP系统数据库中把该入库单、订单所包含的信息复制保存入拣选系统后台数据库，而后对该批产品的上架或拣选操作进行优化。
2.3 拣选系统功能设计
该拣选系统主要包括货位初始化模块、上架模块、路径优化模块、订单拣选模块等。其中车载移动终端上只运行订单拣选模块及上架模块。其总体设计如图2所示。
图2 移动式拣选系统总体设计图
(1)货位初始化模块。该模块的功能是初始化仓库平面布置图，确定货位、通道等信息。具体包括确定货位的编号、位置、每个货位货架的层数、货位的大小、货位与通道的邻接关系等信息。
货位初始化模块还要把目前各个货位所摆放的产品信息输入到系统中以实现系统切换。图3为该系统的初始化界面。
图3 仓库货位初始化界面
(2)订单输入模块。输入已完成订单的编号，从ERP系统数据库中提取与该订单对应的产品信息，而后存入拣选系统数据库中。然后就可以运行路径优化模块对该订单所需产品进行拣选备货。
(3)路径优化模块。采用混合遗传算法，对某一顾客订单所订购的产品根据其在仓库中的存放位置，进行拣选作业优化，分派拣选小车，并为每个拣选小车设计最优拣选路径，以达到整体的拣选路径最短。入库上架操作和拣选操作类似，依据入库单所含产品的体积、重量，分派拣选小车进行上架操作。上架操作和拣选操作的路径优化模块是通用的。每个拣选小车的拣选作业或上架作业称为一个作业单，把路径优化模块生成的作业单信息存放在数据库中以供拣选车分派模块和拣选模块使用。
根据拣选路径优化问题的特点，采用简单直观的自然数编码方法，用0表示拣选作业出发点，用1,2,3,4,5,6,7,8,9…表示需拣选的各货位点。设该分拣单共需要拣选车次为K，则存在K条拣选路径，每条拣选路径都始于出发点，也终于出发点，为了在编码中反映拣选的路径，采用了增加K-1个出发点的方法，都用0表示。这样，1，2，…和K-1个0这样的自然数的随机排列就构成一个个体，并对应一种拣选方案。例如，对于一个有7个货位点，用3辆小车完成拣选任务的问题，则可用1,2…7,0,0（0表示出发点）这9个自然数的随机排列，表示拣选方案。如个体120630547表示的拣选方案为：路径1：0-1-2-0，路径2：0-6-3-0、路径3：0-5-4-7-0。共有3条配送路径。个体573004216表示的配送路径方案为：路径1：0-5-7-3-0，路径2：0-4-2-1-6-0，共有2条配送路径。
对于某个个体所对应的拣选方案，要判定其优劣，一是要看其是否满足拣选的约束条件；二是要计算其目标函数值（即各条拣选路径的长度之和）。根据拣选问题的特点所确定的编码方法，隐含能够满足每个货位点都得到拣选的约束条件，但不能保证满足每条路径上各货位点商品量之和不超过拣选小车容量的约束条件。为此，对每个个体所对应的拣选方案，要对各条路径逐一进行判断，看其是否满足上述两个约束条件，若不满足，则将该条路径定为不可行路径，最后计算其目标函数值。对于某个个体j，设其对应的拣选方案的不可行路径数为Mj，（Mj=0表示该个体对应一个可行解），其目标函数值为Zj，则该个体的适应度Fj可用下式表示Fj=1/(Zj+Mj*G)式中：G为对每条不可行路径的惩罚权重，可根据目标函数的取值范围取一个相对较大的正数。
交叉操作采用两点交叉并去除重复基因的方法。交叉时，把个体A的交叉区域追加到个体B的前面，把B的交叉区域追加到个体A的前面，然后分别删除与交配区相同的自然数等到交叉后的个体。变异操作采用了连续多次对换的变异技术，使个体在排列顺序上有较大变化。一旦变异操作发生，则用随机方法产生交换次数J，对所需变异操作的个体的基因进行J次对换，对换基因的位置也是随机产生的。
(4)拣选车分派模块。根据拣选路径优化模块计算得到的所需拣选小车数，查找空闲的拣选车，并向其分派任务。管理终端和移动终端是通过无线网络联系的。
(5)拣选模块。依据分派的作业单（包括需拣选的货物数量、品种、行走路线等信息）生成拣选路线图，执行拣选及上架作业，可以用条形码扫描器来扫描输入拣选的商品。图4该系统的拣选作业界面。
(6)入库单输入模块。输入入库单的编号，从ERP系统数据库中提取与该入库单对应的产品信息，而后存入拣选系统数据库中。而后，就可以运行路径优化模块并分派拣选小车把该批产品上架。
图4 拣选路线图
(7)统计查询模块。统计查询仓库的产品数量，库存产品周转情况、库存资金占用情况，统计拣选小车的工作效率等。
2.4 硬件系统设计
所需的硬件设备有拣选小车（手推车或电动车）、移动终端（便携式计算机或掌上电脑）、管理终端（PC机或服务器）、无线网卡、无线AP等。各车载移动终端和管理终端通过无线网卡连上无线AP构成无线局域网，移动终端在一个拣选作业单完成时，向管理终端发送一个消息，管理终端接到消息后，把其纳入空闲队列，等待为其分派下一个作业单，移动终端从管理终端上把分派给它的作业单信息读取过来，并在移动终端上绘制拣选路径图，引导拣选人员进行拣选作业。
3 结语
拣选作业是企业中比较繁重和费时费力的作业，本文所设计的移动式拣选系统与ERP系统接口可靠、简便易行，解决了拣选路径优化问题，降低了拣选作业的成本，提高了拣选效率，是ERP系统很好的补充，本文所设计的拣选系统适用于多品种、小批量、多批次的出入库作业的情况。