摘 要

随着社会的发展，物流行业也在进步，传统的仓储形式需要消耗大量人力资源，占用大量成本，已经逐渐成为过去式，自动化立体仓库随着时代的发展而出现，目前已在物流行业的仓储环节中占有重要的位置。为了提高仓库周转效率，物品的分配已经开始引起许多学者的关注。传统仓库管理中常常就近选择货位，这种方法在仓库运作一段时期后很有可能会使货位的分配不合理，仓库效率低下，需要对货位分配进行优化。货位优化即依据不同种类货物的特性，为其分配合适的货位，以实现提升仓库的周转效率的目标。本文将以烟草配送中心的自动化仓库为例，进行货位的分配工作。主要内容如下：（1）分析国内外学者对该问题的研究现状；（2）提出本文的研究方向和求解方案；（3）总结货位分配的分配策略和优化原则；（4）针对本文提出的案例建立相应的数学模型，使用遗传算法作为求解算法，用MATLAB软件对问题进行仿真求解，证明模型和目标函数的有效性；（5）对运行的结果进行了分析并指出本文的不足及进步方向。

关键词：自动化立体仓库，货位分配优化，遗传算法，MATLAB

Abstract

With the development of the society, the logistics industry is also in progress, the traditional warehousing needs to consume a lot of human resources, take up a lot of costs, has gradually become the past, automatic three-dimensional warehouse with the development of The Times, now has an important position in the logistics industry warehousing link. In order to improve the efficiency of warehouse turnover, the distribution of goods has begun to attract the attention of many scholars. In the traditional warehouse management, the nearby location of goods is often chosen. This method is likely to make the distribution of goods position unreasonable and inefficient after the warehouse has been in operation for a period of time. Therefore, it is necessary to optimize the distribution of goods position. Cargo location optimization is to allocate appropriate cargo location according to the characteristics of different types of cargo, so as to achieve the goal of improving the turnover efficiency of the warehouse. This thesis will take the automated warehouse of tobacco distribution center as an example to allocate the cargo space. The main contents are as follows :(1) analyze the research status of domestic and foreign scholars on this issue; (2) propose the research direction and solution scheme of this thesis; (3) summarize the allocation strategy and optimization principle of cargo space allocation; (4) establish the corresponding mathematical model for the case presented in this thesis, use genetic algorithm as the solution algorithm, and use MATLAB software to solve the problem through simulation, to prove the effectiveness of the model and objective function; (5) analyze the operation results and point out the shortcomings and progress direction of this thesis.

Keywords: automated three-dimensional warehouse, Optimization of cargo allocation, Genetic algorithm, MATLAB

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外相关研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3主要内容 4

1.4章节安排 4

第2章 货位分配理论与方法 6

2.1货位存储策略 6

2.2货位优化原则 7

2.3算法分析与选择 7

2.4问题求解思路 9

2.5本章小结 10

第3章 数学模型 11

3.1问题描述与假设 11

3.1.1问题描述 11

3.1.2模型假设 11

3.2目标函数与约束条件 12

3.3建立多目标数学模型 13

3.4本章小结 14

第4章 算法及程序设计 15

4.1权重系数法 15

4.2 适应度函数及遗传算子设计 16

4.2.1适应度函数 16

4.2.2算子设计 16

4.3本章小结 18

第5章 案例仿真结果分析 20

5.1参数设定与录入 20

5.2仿真运行结果及分析 21

5.3经济性分析 23

5.4本章小结 23

第6章 总结与展望 25

6.1总结 25

6.2展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

仓储是现代物流供应链中的重要组成部分，占用大量物流成本，仅次于运输，同时也是库存控制中心和调度中心。它是影响现代物流活动和社会物质生产的重要因素之一。仓储的发展关系到物流和供应链系统的优化。提高系统的运行效率有重要作用。仓储体系连接物流的生产、仓储、运输配送等环节，现代的仓储系统不仅仅是合理安排货物进行存储和管理， 更多的是如何提高存储操作的效率和降低存储成本。近年来，随着中国物流业的迅速发展，传统的储存方式不仅效率低下，而且人力资源成本较高，已经无不适用于当下的物流行业，随着企业的要求不断提高，仓储方式也逐步发生变化，由传统人力手工作业逐渐趋于自动化和无人化，成本也不断降低。自动化立体仓库(AS/RS，Automated Store/Retroactive System)，是一个仓库管理系统，包括高层货架，运输系统，堆垛机，计算机，自动控制系统及其外围设备。可以实现装配单元内的货物的自动访问和控制。为了减少库存，增加商品流通性，仓库的出入库量越来越大，这就需要我们从各个方面提高仓库的出入库能力。由于进入和离开仓库的传统货物依靠经验来放置物品，因此货物通常被放置在最近的空的空间中。未考虑该货物的出入库频次及需求量的变化，可能导致需求量大的货物距离出库口很远等问题，增加堆垛机能耗并降低系统的搬运能力，降低仓库的出入库效率。货位分配问题逐渐成为人们关注的热点，货位分配即根据不同货物的特性，结合当前货架的情况及出入库频率等因素对该货物确定其存储方式，以此实现货物的分类和分区储存。这不仅降低了货物移动成本，还增加了仓库的空间利用率。优秀的位置分配策略和方法可以显着提高AS / RS操作的效率。在实践中，对商品货位的分配是一个复杂的优化问题。存在许多约束条件必须加以考虑，如货物的种类繁多，不同货物的需求不同，仓库中货架的高度，货位的尺寸，堆垛机的规格等。不合理的货位分配将大大减少仓库的空间利用率，降低仓库出入库效率，增加仓库运行的成本，甚至造成不必要的安全隐患。因此，在遵循货位分配基本原则和保证安全的基础上，进行仓库中货位分配的优化，确定不同货物在仓库中的具体位置，增加空间利用率，提高出入库效率，是物流行业致力追求的目标。自上个世纪起，许多研究人员对此类问题进行了大量研究,目前已经获得不少成果，但仍有进步的空间。

1.2 国内外相关研究现状

本文针对自动化仓库的货位分配及优化方法，分析和研究现阶段国内外自动化仓库货位分配优化的研究方法及研究成果，在此基础上提出自己对货位分配优化方法的看法。

1.2.1 国外研究现状

货位分配优化问题的一个重要考虑因素是仓库布局对仓库中拣选操作的影响。Chew等人^[1] 通过将拣货系统设置成排队系统并给出相应的概率函数，分析了拣货系统中的订单按批处理策略和空间分配策略。而普洛斯等人^[2]把仓库的补货任务转化为多目标优化问题，采用新的交叉因子遗传算法获得足够的Pareto最优解。它提供了一种工具来分析空间要求与不同分配原则下的货物取出效率之间的权衡。原理是通过建立存储系统的库存水平的状态分布概率函数，可以计算存储系统空间的减少和存取成本的变化。可以将由不同货位分配策略原理产生的平均的提货成本与由不同货位分配原则产生的相应成本进行比较。Moon^[4]等人针对自动化仓库的存储货量波动很大的问题，提出了相应的货物存储策略。 Heragu等^[5]建立了一个数学模型并提供了一种启发性的算法。他们对仓库进行分区，把仓库分为接收区域，前方区域，保留区域，直接更换区域和交付区域。同时，将仓库内的货物流动分为四类，建立优化模型，并给出启发式算法。Rosenblatt和Eynan^[6]研究了分类存储的存储分配问题，并将商品的最优存储分为几类。结果表明，堆垛机完成同一批作业的运行时间随着货物的分类而增加。还建议将仓库中的货物分类为不超过十类，这可以保证自动化仓库的最高存储效率。Laurentiu^[7]等针对工业生产过程中的货物流动，运用flexsim仿真软件建立模型，模拟分析不同情况下产量和效率，最终选出效率最高下的优化策略；Y^[8]在研究订单选择问题时，引入了考虑最小库存单位的货物位置分配策略，并将其应用于订单批量和库存分配策略的分析，并与全周转率分配策略进行了比较。验证了该模型的可行性。为了解决多人挑选系统的复杂问题，PAN^[9]等以遗传算法为基础，建立了一种启发式算法。通过比较不同存储分配方法及其能力，找到了优于现有的选择系统分配的方法。

1.2.2 国内研究现状

柳赛男等^[10]提出了三种调度策略：库区的分配策略，任务的分配策略和货物位置的分配策略，用于提高自动化仓库的效率。基于库区分布策略，找到了基于映射的货物耦合库区分配策略。贾翌亮，缪立新^[11]分配空货位入库，选择货位入库。通过调整堆垛机运行时间在总行程时间内的权重，依次构造三个优化目标函数。然后使用遗传算法结合模拟退火。为了有利于企业的长远发展，马全伟^[12]将平面仓库中的一部分货架改造为立体货架，将平面货架与立体货架相结合，然后进行了一些相关的计算，并就仓储空间布局针对自动化立体仓库进行了一些研究。姜瑜等^[13]利用动态的研究方法把入库和出库的频率作为货物空间优化数学模型中的动态变化参数，建立了自动仓库入库和出库的调度优化模型。陈月婷，何芳^[14]论述了自动化立体仓库中仓库面积和仓库位置的分配策略，并提出了一个仓库面积优化的数学模型。该模型首先对货架进行扇形分割，使出仓频率较高的货物从出仓口开始放置在出仓位置。邵文华^[15]为解决库位管理方法利用率低的问题，研究了动态库位的管理方法，建立了虚拟实时动态定位模型。实现结果表明，虚拟-实时耦合的动态货位不仅提高了货位的利用率，而且避免了传统动态货位对系统的高度依赖，避免了停电的风险。陈奇^[16]研究了汽车公司对汽车零部件在自动仓库中零部件位置的优化。针对某道路货物集中存放导致订单执行时间的延迟，提出了“次巷道存储”的解决方案。然后建立了多目标优化模型，但优化目标的确定只是个人决策，这是主观的，目标设置可能不合理。李英德、鲁建厦^[17]研究了商品相关性对采摘效率的影响。通过分析横向移动策略下分区拣选和批量拣选的货物相关特性，建立了最小化拣选时间的库位优化的数学模型。提出了一种基于货物相关性的项目区位优化算法。最后，验证了该算法的有效性，且该模型只适用于商品相关性较强的仓库。张懿媛^[18]等 在货物层次优化方法的选择中，根据货物层次布局应当遵循的原则，建立了选择方案的指标体系。先在考虑信息不确定性的前提下，定性指数值以区间数的形式表示，利用混合拓扑法建立目标优化模型。它为解决多目标决策问题提供了一种新的方法。在文中以区间值表示道路库存与产品之间相关性的完成，但区间值是固定的，在随后的求解过程中也依赖于作者的主观经验。邓爱民，蔡佳等^[19]在考虑货物搬运前后的相关数据的前提下，以医药公司为例进行研究。按照自动仓库具有很高的出库和入库效率，类似的货物摆放在一起，货物移动距离最短三个因素，以时间最短为前提，建立多目标优化模型，最后使用遗传算法对案例进行求解，验证其有效性。赵雪峰和贠超^[20]研究了不规则货位的自动化仓储，以提高系统的效率和空间利用率。首先，提出了一种不规则货位优化的数学模型，并提出了一种求解该问题的两级的遗传算法。这种方法为不规则货物的货位优化提供了理论依据和实用方法。曾强和张泽斌^[21]研究了具有负荷约束的自动仓库中的货位的分配问题。首先介绍了货物系的概念，并根据货物系的方法选择货物的分配方法，并初步确定了类似货物的分散程度。在此基础上，建立了具有最短出库时间和最高货架稳定性的货位分配的多目标优化模型。然后，提出了非支配排序的遗传算法并进行求解。黄银娣，吴阿敏^[22]等人对汽车制造企业的仓储系统中的货位分配做出了优化决策。先是根据材料的储存原则，进行数学建模。接下来使用变邻域搜索算法进行MATLAB编程并对案例进行求解，能够在货物入库时，根据材料的特点和生产的需要，得到理想的位置。张晓兰^[23]等。分析了自动化立体仓库动态货位优化的数学模型和约束，设计了一种变权遗传算法，并通过计算得到了一个较好的分配方案。鄂晓征^[24]等针对自动仓库的货位优化问题，为了提高零部件的出库效率和货架稳定性，建立了多目标优化的数学模型，用于货位优化问题。通过设置随机目标权重来优化传统的遗传算法并求解。杨玮^[25]充分考虑了自动仓库货位分配的货架稳定性和仓库效率。使用了多色集理论对存储区进行分区，并使用粒子群算法在相应区域中对货物入库分配库位。 同时，为了避免陷入局部最优，优化结果不理想，在迭代过程中进行了多样性处理，解决了货位优化问题。

综上所述，现有的货位分配优化研究，一部分通过对货物进行分类来设置权重，以提高出库效率和货架稳定性来分配货位，或在此基础上对货架进行分区，以便于分配货位；另一部分通过构建模型将货物分配到货位上进行货位的分配。本文将充分研究前人研究成果，总结经验，在进行货位分配优化时，针对不同货物的出库频率不同来对货物进行分类，并在保证遵循上轻下重原则的基础上进行货位分配，以提高仓储系统出入库效率和货架稳定性。

1.3主要内容

针对自动化立体仓库货位分配优化，本文主要完成了以下内容：

（1）对自动化立体仓库货位分配优化的研究方法及国内外研究现状进行概述，

（2）在查阅资料基础上，总结分析自动化立体仓库的货位分配策略和原则。

（3）确定本文的研究方法和路线之后，对几种常见的启发式算法进行介绍和比较，选择本文将要使用的算法。

（4）以烟草配送中心为案例，结合实际情况，对问题进行假设，建立数学模型，确定目标函数及约束条件，完成自动化立体仓库货位分配优化的多目标数学模型。

（5）进行算法和程序的设计，最后使用MATLAB建模软件进行仿真和优化，对仿真结果进行分析说明其有效性。

（6）总结成果并进行展望。

1.4章节安排

本文章节安排如下：

第1章：绪论。介绍研究背景及国内外现状

第2章：货位分配理论与方法。总结货位分配策略和货位优化原则，分析并选择算法，确定问题求解思路。

第3章：数学模型。对问题进行描述和假设，提出目标函数和约束条件，建立货位分配优化的数学模型。

第4章：算法及程序设计。设计出可以用来求解本文问题的算法和程序。

第5章：案例仿真结果分析。将数据导入MATLAB，运行程序进行求解，并对结果进行分析。

第6章：总结和展望。对本文研究做出总结，提出后续研究方向并进行展望。

货位分配理论与方法

自动化立体仓库是现代物流的仓储环节中出现的一个新事物，应用了当前先进的科学技术。立体仓库设备的使用，可以实现高水平仓库的合理化、存取的自动化和操作的简便性。并能提高空间利用率，促进先进物流体系的形成，提高企业生产管理水平等。合理的货位分配在其中发挥巨大的作用。

2.1货位存储策略

货位分配的策略有定位存储策略，随机存储策略，分类存储策略，分类随机存储策略和共享存储策略五种。

（1）定位存储

定位存储意味着每个货物具有固定的存储位置。货物在存放时不能放到其他货位上，运用这中存储策略时，需要确保每种货物的货位的数量要比该货物预估的最大数量要多。一般适合不同物理、化学性质的需要具有不同的保管存储条件或者避免不同种类货物间产生影响的货物；需要特别重点保管的货物；品种繁多但批次较少的货物的存储。采用定位存储方式可以简化对在库货物的管理，提高仓库的作业效率，减少堆垛机运行的时间。但需要较多的储存空间且会降低空间利用率。

（2）随机存储

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