基于ECRS原则与动态规划的仓储作业流程优化

2021-09-18 09:54| 发布者: http://www.daoteng56| 查看:

摘要: 为便于定量研究仓储系统的作业流程,将传统ECRS(取消、重排、合并、简化)原则与5W1H(why、what、when、where、who、how)提问相结合的方法改进为ECRS原则+动态规划算法相结合的方法,以某物流企业仓储系统为研究对象,运用Flexsim软件建立仓储作业流程模型,对其作业流程中出现的程序拥堵与资源利用情况进行优化。结果表明:基 ...
随着全球化经济发展趋势放缓,制造业、生产加工业以及服务业面临巨大挑战,企业利润不断压缩,客户要求服务水平有所提高,生产流程工序重复、多余等问题给企业造成大量资源浪费。企业需找到行之有效的方法对生产作业流程进行优化,在服务水平一定的基础上缩减生产成本,提高盈利能力。
流程分析法对企业作业流程优化提供了有效途径。文献[1] 将过程控制与生产过程优化相结合,提出生产过程全流程优化控制;文献[2,3,4,5,6,7] 对企业生产、仓储系统、出库系统等进行分析,基于ECRS原则与5W1H方法对流程进行优化;文献[8] 结合数据挖掘法对流程结构进行改善,对提高组织效率及解决复杂物流系统问题的有效途径进行研究;文献[9] 对货物分配中心进行模拟仿真;文献[10] 对冷链物流配送中心布局不合理问题进行研究。不同研究领域的学者将Flexsim与所研究领域相结合,对机械、锻造、农业、烟草、汽车生产等领域的相关物流系统分别进行实证研究[11,12,13,14,15,16,17,18] 。文献[19] 将动态规划法用于物流系统总体框架的建构;文献[20] 将动态规划法与模拟退火算法相结合,应用于半导体车间内部布局优化。多数研究学者认为流程分析能够有效找出流程中的问题,并通过ECRS原则与5W1H相结合解决问题,但不同企业管理者运用传统5W1H法分析类似的仓储作业流程往往会得出不同的结论,并且定性方法受使用者知识水平、经验等因素影响较大。因此本文引入动态规划算法,将ECRS原则与动态规划相结合,用Flexsim对某物流企业仓储作业系统作业流程建模仿真,对优化方法进行效果验证。

1 仓储系统仿真与流程程序优化

1.1 Flexsim概况

Flexsim仿真软件能够通过3D模型仿真出逼真的实际系统作业场景,实时进行数据收集与分析,用于对操作、流程、动态系统方案进行试验、评估,直观、易懂。
使用Flexsim首先确定研究目的及研究对象,将真实环境中的系统进行分析,清楚其流程、布局等信息。然后进入软件界面对整体系统进行布局,运用正确的连接方式对实体进行连接,根据仓储作业真实流程进行系统参数设置。运行系统,对输出结果进行筛选、分析,为系统优化提供依据。

1.2 流程程序分析法

在工业工程中,流程程序分析法是按照具体作业流程,从起始工序到最终工序,对其中每一个工序进行全面、详细分析,检查是否存在重复、多余及不合理工序。在生产过程中,人们通过不断优化作业流程及减少人、机器、物料等不必要的浪费来提高作业效率,生产管理者主要根据ECRS原则对流程不断进行改善优化。根据系统运行情况考虑取消不必要的、重复的工序及作业或动作,对于无法取消的工序考虑合并,不能取消与合并的工序考虑调整其顺序使其提高效率,以上均不可行时采用简化方式,通过更新设备、使流程更加自动化、现代化,使作业现场布局合理,让工人能缩短动作距离,减少完成一件工作所需的基本动作数量[21]32-33。
ECRS原则相关内容如表1所示。
表1 ECRS原则的相关内容     下载原表
表1 ECRS原则的相关内容
对目的改善适用选择取消原则,对时间、人员配置、地点布局等适用合并与重排,对技术方法的改进则进行一定程度简化[21]33。
传统流程程序的改善是通过5W1H提问方法,对每个工序进行问题筛选。此方法在鉴别工序类型上需耗费大量时间,并且定性方法主要依靠研究者通过自身知识储备及经验对问题进行分析,受研究者知识水平、经验能力等因素制约。不同管理者对相同工序的理解以及问题探寻也存在差异,为减少环境等因素的限制,增加解决方法的科学性及可量化性,采用动态规划算法替代5W1H提问方法,使问题在量化分析情况下,得出具有概括性、普适性及不受背景制约的结论。

1.3 动态规划算法

动态规划的基本思路是将复杂问题简单化处理,将其分解成一系列或同一类型的子问题,按照整体最优逆序求出各子阶段最优决策,然后再顺序求解整个问题最优决策。它能够从全局出发,考虑整体系统最优状态,对作业流程程序进行优化。
在企业管理中,动态规划法一般用来求解最短路径问题、资源规划问题、生产调度问题等,企业管理过程中会出现很多离散型问题,比如决策过程中的时间参量是离散的,或者决策过程是离散的,或者时间参量与决策过程同时为离散型,此类问题非常适合用动态规划法解决[22] 。
动态规划的基本方程为:
式中:fk(sk)为第k阶段的最优值函数;dk为允许决策集合;sk为第k阶段的状态变量;uk(sk)为第k阶段状态处于sk时的决策变量;fk+1(sk+1)为第k+1阶段的最优值函数。

1.4 研究流程

基于ECRS原则和动态规划的仓储系统仿真优化实施步骤如下:
1)确定研究对象,如选择某物流中心的仓储作业系统为研究对象;2)根据选定流程程序绘制流程程序图;3)利用Flexsim对流程进行仿真,找出瓶颈问题及其他问题;4)采用ECRS原则和动态规划方法针对不同问题设计相应改善方案;5)将改善方案运用于流程进行优化;6)利用Flexsim对优化后的流程进行效果评估;7)在实际生产流程中实施改善方案。

2 某物流中心仓储作业流程

某物流中心是国内一家中型民营物流企业,面积约为1 000 m2,员工总人数17人,主营业务产品种类较多,包括服装、鞋、包、化妆品、小型家用电器等,单种商品储存量差异较大。为应对不断增长的仓储需求,提高企业仓储能力,该企业已配置一套现代化仓储作业设备,并将其设置在仓储作业流程中。但该系统在仓储流程中使用效率不高,经常出现机器空转的情况,因此,本文以仓储作业系统作为研究对象,针对降低设备闲置率和降低资金占用及生产成本为目标,对该作业系统进行优化。
选取库存量较大、出入库较频繁的服装、化妆品及小型家用电器3种商品作为储存的主要商品,其仓储系统作业流程主要分入库和出库作业。
1)入库作业。3种不同类型货物到达后,需对货物进行检验,检验合格的货物由叉车搬运到暂存区相应的储位。
2)出库作业。接到出库订单后,由拣货员将需出库的货物放入传送带,输送到暂存区等待出库检验,检验合格后出库。
根据上述作业流程,用连线将相邻工序进行连接,绘制出的仓储作业流程如表2所示,各工序所需时间及次数如表3所示。
表2 仓储作业流程     下载原表
表2 仓储作业流程
表3 各工序实际所需时间及次数     下载原表
表3 各工序实际所需时间及次数

3 Flexsim仿真建模

3.1 模型设计

由于仿真模型是实际系统的抽象描述,不能完全复原实际系统的真实情况,只能反映实际系统的本质属性。该仿真模型简化部分作业流程:
1)假设设备均全新投产,一段时间内不会出现故障及维修;
2)不考虑比例较小的货物类型;
3)不考虑订单等单据交接处理时间及具体交接方法;
4)计算各种指标时不考虑员工休息时间等。
根据表2的具体仓储作业流程设计该系统的仿真流程,如图1所示。
图1 仓储系统仿真流程示意图图1 仓储系统仿真流程示意图   下载原图
 

3.2 参数设置

仿真流程设计完成后,需对参与仿真的每个临时实体设置相应参数。根据企业正常生产数据按一定比例进行参数设置,具体如表4所示。
入库订单设置为托盘,产生托盘的发生器设置产生时间及数量,根据仓库每日接收订单的时间及数量得出,下午2:00后较集中产生出库订单,因此设置发生器属性时,根据1 d内不同的时段分配端口并设置数量;各临时实体设置完成后依次用相应连接方式连接,最后建立仓储系统的仿真模型如图2所示。
表4 Flexsim参数设置     下载原表
表4 Flexsim参数设置
图2 优化前Flexsim仿真模型图图2 优化前Flexsim仿真模型图   下载原图
 

3.3 结果分析

由于该工序作业周期约为60 s,将图2的模型运行30次,设置每次运行时间为1 000 s,运行后将各临时实体产生的数据取均值,优化前各主要设备运行情况如表5所示。
表5 优化前各主要临时实体参数表     下载原表
表5 优化前各主要临时实体参数表
由表5可知:
1)进行检验工作的处理器5使用情况较好,处理器7闲置率较高,为70.27%。承担运输任务的叉车16和18的闲置率分别为89.57%和73.10%。如果通过表5的数据删除设备闲置率较高的处理器7和叉车16,有可能会使系统陷入局部最优而无法确定整体是否最优的境况。
2)除发生器274阻塞以外,该流程中其他工序无阻塞现象,发生器274阻塞的原因可能是参数设置和流程设计不合理。在模型中阻塞表示系统提供的服务满足不了客户需求,生产线每天都处于工作状态,没有多余的生产线满足新的需求,此时有新客户需求时就出现了阻塞。
因此需要将仓储流程进行优化,降低设备闲置率,提高资源利用率。运用动态规划对流程进行阶段划分,不仅能直观了解每一阶段设备的运行情况,同时能保证在整体最优的情况下局部同样处于最优状态。

4 流程程序优化方案设计

4.1 基于ECRS思想的动态规划优化

根据ECRS原则在整体系统运行最优的情况下考虑取消某种闲置率较高的设备、合并某些工序,以提高设备利用率,使资源得到最大利用。运用动态规划方法,以某一种货物的运输路径为主体,将提高设备利用率问题转化为优化货物行走路径问题。
根据图2,将该仿真流程涉及的动态加工处理部分分为6个阶段,第1阶段为处理器5和127入库检验阶段,第2阶段为叉车16和18搬运阶段,第3阶段为入库阶段,选择闲置率最低的货架258作为货架代表进行运算,第4阶段为操作员35进行拣货阶段,第5阶段为合成器146进行合成阶段,第6阶段为处理器7进行出库检验阶段。将表5中各主要设备的闲置率带入式(1),分别计算货物位于各阶段时相应设备的运行情况,即从程序开始运行至货物到达某一阶段为止时,设备的闲置情况为:
1)第6阶段,即k=6,逆序选择处理器7,由表5可知,处理器7的闲置率为70.27%。
2)运行至第5阶段,即k=5,货物进入合成器146,则由式(1)计算第(6+5)阶段设备的闲置率
式中d上标146为选择对象为合成器146。
将第6阶段的设备的闲置率f6(u6(s6))=70.27%代入式(2),把表5中合成器146的闲置率作为d5146(s5,u5(s5))的函数值代入式(2),计算得f5(s5)=70.83%,程序运行至第1~4阶段的计算方法与此相同。
3)运行至第4阶段,即k=4,进入合成器146后,选择操作员35,计算第(6+5+4)阶段设备的闲置率
计算得f4(s4)=134.96%。
4)运行至第3阶段,即k=3,进入货架选择,选择货架258,计算第(6+5+4+3)阶段设备的闲置率
计算得f3(s3)=219.74%。
5)运行至第2阶段,即k=2,出现了2个选择,即叉车16和叉车18,计算第(6+5+4+3+2)阶段设备的闲置率
计算得f2(s2)=min(309.31%,292.83%)=292.83%。
6)运行至第1阶段,即k=1,分别选择处理器5和处理器127,计算第(6+5+4+3+2+1)阶段设备的闲置率
计算得f1(s1)=min(332.06%,363.10%)=332.06%。
因此货物在生产流程中的运行路线应为:处理器5→叉车18→货架258→操作员35→合成器146→处理器7。
以提高整体工序利用率和降低成本为目标,选择删除闲置率较高的叉车16与处理器127,保留所有发生器、所有暂存区、入库检验设备的处理器5、运输叉车18、3个货架(由于不同组合的商品需要放在不同的货架上,并且货架没有对货物进行实际的加工,不影响加工设备的运行情况,因此保留全部货架)、合成器146以及出库检验的处理器7。
通过计算得出的结果不仅能保证系统处于整体最优的情况,同时能够保证系统的正常运行。

4.2 优化后流程

优化后的流程将货物从暂存区移至检验处与检验合并为货物移至检验处检验,将从叉车上卸货与放置货架上合并为从叉车上卸货后自动放入货架,将待拣货工序删除,优化后的仓储作业流程如表6所示,各工序所需时间及次数如表7所示。
表6 优化后仓储作业流程     下载原表
表6 优化后仓储作业流程
表7 优化后各工序所需时间及次数     下载原表
表7 优化后各工序所需时间及次数
将优化后的流程用Flexsim再次仿真,仿真模型如图3所示。
图3 优化后Flexsim仿真模型图图3 优化后Flexsim仿真模型图   下载原图
 

4.3 优化效果评价

从表5计算得出:优化前各设备平均闲置率为58.53%,平均阻塞率89.42%。选择保留利用最高的设备,取消重复且利用率较低的设备,修改设备参数设置,使其更符合实际情况。缩短各设备间的运输距离,合理规划作业空间。同时可以为拣货员配备现代化拣货设备,减少拣货员不必要的拣货动作。将图3的模型同样运行30次,每次运行时间设置为1 000 s。优化后各主要设备的运行情况如表8所示。
表8 优化后各主要临时实体参数表     下载原表
表8 优化后各主要临时实体参数表
从表8计算得知,优化后的总体资源平均利用率为39.81%,比优化前提高18.64%,平均阻塞率为17.13%,降低了72.28%。优化后工作流程得到简化,多个主工序利用率得以提升。入库检验的设备从2台减少到1台;后处理器5闲置率降低32.68%;出库检验效率提高2.18%;进行搬运作业的叉车效率提高54.14%。进行拣货作业的操作员效率提高25.77%。进行订单与货物合成打包的合成器闲置率提高了21.51%,即该设备的利用率降低了21.51%,可能是订货单减少与货物出库量减少导致的,优化后的合成器闲置率提高并不影响整个系统的运行,相反在一定程度上减轻了合成器的工作压力,能够延长机器使用寿命。
优化前整个工序属于M/M/C(顾客源无限单队多服务台)排队系统,优化后简化为M/M/1(顾客源无限的单队单服务台)排队系统,服务台数量减少,使系统的平均停留时间从优化前的24.10 s上升到28.65 s,根据企业相关成本统计资料显示,货物平均停留的时间成本为4元/s,工人与设备每天工作8 h,一个月工作25 d。根据物流成本相关计算方法,计算该程序的运营成本为总的作业成本与货物平均停留成本的总和,优化后的成本比优化前降低7 401.18元/月。优化前后企业主要资源配置情况见表9。
表9 企业主要资源情况表     下载原表
表9 企业主要资源情况表

5 结语

本文将传统的ECRS原则与5W1H提问相结合的定性优化方法改进为ECRS原则与动态规划算法相结合的定量研究方法,该方法能快速准确识别必要程序与非必要程序,从而选择优化工序,在考虑全局最优的情况下对局部进行优化改进。同时结合实例运用Flexsim软件建立仓储作业流程模型,对其作业流程中出现的程序拥堵与资源利用情况进行优化。优化后的方案提高了整个流程的作业效率,减少了设备闲置率,说明该方法在流程优化中是可行且有效的。