配送中心多区并行拣货系统投产顺序优化研究_安宇欣.pdf

Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2023，59（7）电商订单具有多品种小批量及随机性的特点，为提高拣选效率，电商配送中心一般以集合单为拣选单位，采用批次拣选作业模式，即批量下单订单合单（合成集合单）集合单分割（按分拣区分割）各区并行拣选合单播种分类打包的生产工艺。集合单可根据SKU及存储逻辑区分为单件集合单、多非集合单、多合集合单，而每类集合单的拣选工艺流程不同，且每个工艺环节均可同时处理多个任务，因此需要对集合单的投产序列进行优化，以保证拣选作业的连续性，提高整个系统的生产效率。针对订单排序的研究主要集中在生产企业，围绕装配流水线投产问题构建优化模型，蒋艳等1设计了改进遗传算法对混装线投产排序问题进行了有效求解。Mansouri2以生产效率和计划数量为目标，构建了多目配送中心多区并行拣货系统投产顺序优化研究安宇欣，王转北京科技大学 机械工程学院，北京 100083摘要：随着电商行业的快速发展，配送中心拣选作业系统与工艺越来越复杂，当批次订单下达后，如何在减少排队的前提下尽量缩短完工时间，已经成为企业提高拣选效率、降低物流成本的重点问题。考虑到当前大型配送中心拣货系统多数采取多区并行拣选策略，且不同结构的订单工艺流程各不相同，以最小化完工时间及最小化集合单排队等待时间为双层优化目标，针对拣货系统从拣选到打包出库的全工艺流程，建立了基于多区并行拣选的拣货系统集合单投产顺序优化模型；围绕求解多目标问题，设计了基于快速非支配排序遗传算法的多目标求解方法，并引入数字仿真方法进行适应度值的计算；最后通过实证分析，证明了算法的有效性。结果表明，该集合单投产顺序优化方法对于提高配送中心拣货系统作业效率具备良好的实用价值。关键词：拣货系统；投产顺序；多区并行拣选；多目标优化；配送中心文献标志码：A中图分类号：TP39doi：10.3778/j.issn.1002-8331.2111-0042Research on Optimization of Production Sequence of Multi-District Parallel Picking System inDistribution CenterAN Yuxin,WANG ZhuanSchool of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,ChinaAbstract：With the rapid development of e-commerce industry,picking operation system and process of distributioncenter become more and more complex.When batch orders are issued,how to shorten the completion time as much aspossible under the premise of reducing queuing has become a key problem for enterprises to improve picking efficiencyand reduce logistics costs.Considering that most of the current picking systems in large distribution centers adopt multi-zone parallel picking strategy,and the order process of different structures is different,the two-layer optimization objectiveis to minimize the completion time and the waiting time of collection single queue,aiming at the whole process of pickingsystem from picking to packing out of the warehouse.An optimization model of collection single production sequence ofpicking system based on multi-zone parallel picking is established.To solve the multi-objective problem,a multi-objectivesolution method based on fast non-dominated sequencing genetic algorithm is designed,and digital simulation method isintroduced to calculate the fitness value.Finally,the effectiveness of the algorithm is proved by empirical analysis.Theresults show that the optimization method has good practical value for improving the operation efficiency of pickingsystem in distribution center.Key words：picking system;production sequence;multi-region parallel picking;multi-objective optimization;distribu-tion center作者简介：安宇欣（1998），女，硕士研究生，研究方向为物流系统规划；王转（1964），通信作者，女，副教授，研究方向为物流系统规划、配送与配送中心、自动化物流系统及设备、供应链物流管理，E-mail：。收稿日期：2021-11-03修回日期：2021-02-25文章编号：1002-8331（2023）07-0328-093282023，59（7）标遗传算法求解混流装配线投产排序问题。随着电商物流的迅速崛起，电商拣货场景中的订单排序问题得到了广泛关注，黄敏芳等3基于JIT装配流水线思想，提出了分批与排序两阶段启发式优化方法，为订单拣选和包装作业流程的优化提供了理论指导。张晓清4针对双深位多层穿梭车系统出库订单排序优化问题，建立了考虑到货策略的系统出库时间模型，并采用改进的模拟退火算法进行了求解。经检索，在电商拣货系统相关研究中，多数订单排序问题只考虑拣选这一个作业环节，且只针对某种特定的拣货系统进行优化，田彬等5为提高四向车系统拣选效率，用改进耦合度订单排序贪婪算法优化批量订单拣选时间；夏德龙等6以货到人系统订单拣选作业为对象，用改进K-means聚类算法优化拣选顺序。而本文既考虑了配送中心订单作业全流程中前后工序的相互约束和不同种类订单的工艺流程，也考虑了多任务并行处理的情况。在电商拣货系统订单排序问题的研究中，最小化任务完工时间是提高生产效率最直接的优化目标，周丽等7以拣选总时间最少为目标，建立了订单拣选顺序优化的数学模型，运用遗传算法证明了其优化效果。但单目标优化对于实际问题的考虑不够全面，李腾等8以所有任务的总时间最短为目标，考虑了AGV调度时的排队等待时间最少，更好地解决了“货到人”拣选系统的任务调度问题。因此本文根据企业实际需求选择了以完工时间最少、排队等待时间最少为双层优化目标，通过多目标求解经典智能算法快速非支配排序遗传算法（fast non-dominated sorting genetic algorithm，NSGA）进行求解，验证模型优化效果。目前关于配送中心的订单排序研究大多仅以拣货系统拣选环节为研究对象，较少有学者以拣货系统从下单到出库的整体环节最优进行研究，且同时考虑最小化完工时间与各工序排队时间的文献并不多见。基于此，本文将结合生产线投产排序的思想，建立多区并行拣货策略下的集合单投产顺序优化模型，设计多目标求解方法，通过生成合理的拣货执行序列，进一步丰富拣货系统投产序列优化的相关理论与方法，拓展电商拣货系统优化的研究范畴。1多区并行拣货生产系统分拣模式分析本文主要研究对象为大型电商配送中心拣货系统，将拣选订单分为单件订单、多非订单和多合订单，单件订单表示每一订单中仅包含一件商品；多非订单表示每一订单中包含多件同一逻辑区的商品，不存在跨区作业；多合订单表示每一订单包含多件商品，且商品存储于多个逻辑区，存在跨区作业。在多区并行分拣策略下，批次订单下达系统之后，首先通过分批技术将不同结构的订单分别合成满足料箱容量限制的集合单，继而开始拣货。其中单件集合单只涉及一个逻辑区，其中的每个订单只包含一件商品；多非集合单同样只涉及一个逻辑区，但其中每个订单均包含两件及以上的商品；多合集合单中每个订单需要拣选的品项均涉及到多个逻辑区。在后续分拣、播种、打包等工序作业中，作业序列均以集合单为最小排序单元，集合单按顺序进入拣货系统，不同结构的集合单分别进入对应的工艺流程，最终打包出库。1.1多区并行拣货生产系统模型本文主要研究对象为大型电商配送中心拣货系统，采取多区并行拣选策略，以集合单为拣选单位，包括拣选、合单、播种、打包4个工序，不同工序之间通过输送线连接，构成一个拣货生产系统，其基本物理模型如图1所示。图1多区并行拣货生产线系统模型Fig.1Multi-zone parallel picking line system model多件打包多件打包播种复核区自动分类区多非集合单多合集合单多件打包 多件打包合单区单件集合单装车出库装车出库装车出库装车出库1234安宇欣，等：配送中心多区并行拣货系统投产顺序优化研究329Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2023，59（7）为快速响应市场需求，制造企业生产组织方式由传统的单一品种装配线改进到装配流水线的生产方式。由于多区并行拣选的复杂性，使得当前大型电商配送中心拣货系统与产品装配流水线具有一定的相似性，其中分拣作业、复核播种、打包作业可对应于产品加工工序，每一集合单对应一种产品，集合单按一定顺序进入系统开始加工。但二者也有不同之处，考虑多区并行分拣的策略，集合单在拣货过程中涉及到任务分割，大大增加了系统投产顺序优化的复杂性。因此本文将大型电商配送中心多区并行拣货系统抽象成一个与实际相近的生产线拣货系统，并将研究重点聚焦于集合单投放顺序优化部分。借鉴大规模生产制造企业的混合装配流水线思想，旨在建立一种基于多区并行分拣的作业方法，通过组织协调大型电商配送中心的订单分拣、复核播种和打包等关键工序，为配送中心工作人员的实际操作提供参考，实现大型电商配送中心拣货系统高效、准确、平衡地运转。1.2多区并行拣货生产系统工艺流程多区并行拣货生产系统的工艺流程由拣选、合单、播种和打包等4个工序构成。其中拣选是以集合单为拣货单位，将集合单按逻辑区进行分割后并行拣选；合单是将各逻辑区拣选的货品按集合单合并，便于前往下一工序；播种是将集合单按订单分箱；打包是将同一订单的商品包装。集合单按订单结构分为单件集合单、多非集合单和多合集合单3种类型，3种集合单的工艺流程不同。1.2.1单件集合单拣货工艺流程单件集合单由多个单件订单合成（图2），每一个单件订单中仅包含一件商品，且所涉及品项均存储于同一逻辑区。其工艺流程较为简单，各逻辑区分别拣选完成后，通过输送线直接送往单件打包区进行打包出库。考虑到单多件集合单打包效率差异较大，因此将分别设置单件打包区和多件打包区。1.2.2多非集合单拣货工艺流程多非集合单