摘 要
仓储在现代物流系统中处于重要位置，是物流活动的重要支柱之一。自动化立体仓库作为物流系统的核心和枢纽，具有较强的空间利用率和出入库能力，可构建更有效率的物流系统。科学合理的规划布局对提高自动化立体仓库的空间利用率、提高生产效率以及减少库存积压等都具有非常重要的作用，因此，对自动化立体仓库布局规划的研究具有重要的现实意义。
本文以 H 公司 A 仓库作为研究对象，在对 A 自动化立体仓库项目以及原仓库仓储业务分析的基础上，运用回归分析预测法对 A 仓库未来 5 年内的仓储需求量进行预测。同时定位 A 自动化立体仓库的业务功能，进而对 A 自动化立体仓库进行业务流程设计与功能区划分，在确定 A 自动化立体仓库的主要动线进行方向并选择合适的动线模型后，依据各功能区的流程相关顺序采用物流动线布局法对功能区域进行布局最后设计出总体布局图。根据货位分配原则建立数学模型对 A 自动化立体仓库存储区进行货位分配，在确定相关参数初始值的基础上选用多种群遗传算法对模型进行求解并得出货位分配方案。为验证总体布局方案是否可行，从物流效率、布局规划、安全因素以及合理程度四个方面构建 A 自动化立体仓库总体布局方案评价指标体系，并运用层次分析法与模糊综合评价法相结合的综合评价方法对 A 自动化立体仓库总体布局方案进行评价。研究成果对提高 A 仓库的空间利用率以及提升 H 公司的整体竞争能力都具有重要意义。
关键词 : 自动化立体仓库；物流动线布局法；货位分配；遗传算法；层次分析法。
Abstract
Warehousing is an important position in modern logistics system and is one of the important pillars of logistics activities. As the core and hub of the logistics system, the automated three-dimensional warehouse has strong space utilization and storage capacity,which can build a more efficient logistics system. Scientific and reasonable layout planning plays an important role in improving the space utilization rate, increasing production efficiency and reducing inventory overstocking of automated three-dimensional warehouses. Therefore, the research on the layout of automated warehouses has important practical significance.
This paper takes A warehouse of company H as the research object, based on the analysis of A automated warehouse project and the original warehouse warehousing business, the regression analysis method is used to predict the storage demand of A warehouse in the next 5 years. At the same time, the business function of A automated three-dimensional warehouse is positioned, and then the business process design and functional division of A automated three-dimensional warehouse are conducted. After determining the direction of the main moving lines of A automated three-dimensional warehouse and selecting the appropriate moving line model, according to the sequence of the process of each functional area, the Flow line layout method was adopted to lay out thefunctional area and finally designed the overall layout diagram. Based on the principle of cargo space allocation, mathematical model is established to allocate the cargo space in A automated three-dimensional warehouse storage area. On the basis of determining the initial value of the related parameters, the multi-population genetic algorithm is selected to solve the model and get the solution of cargo allocation. In order to verify the feasibility ofthe overall layout scheme, an evaluation index system of the overall layout scheme of A automated three-dimensional warehouse was constructed from four aspects of logistics efficiency, layout planning, safety factors and reasonable degree, and using the Analytic Hierarchy Process and Fuzzy Comprehensive Evaluation of comprehensive evaluation method to evaluate A automated stereoscopic warehouse general layout scheme. The research results are of great significance to improve the utilization rate of A warehouse and enhance the overall competitiveness of H company.
Key words : Automated warehouse ； Flow line layout method ； Storage location assignment；Genetic algorithm；Analytic Hierarchy Process。
第 1 章 绪 论
1.1 研究背景与意义。
1.1.1 选题背景。
随着世界经济一体化和科学技术的飞速发展，物流已经进入一个快速发展的阶段，被认为是企业的“第三利润来源”，因为它不仅可以降低整个供应链的成本，而且可以提高企业的货物运转效率和综合服务水平。作为现代物流重要环节之一的仓储在整个企业的供应链管理中起着十分重要的作用，对仓库进行科学高效的管理不但可以提高货物和生产材料间的转运效率，而且可以加快资金与货物之间的转换速度，在提升企业经济效益的同时更能增强企业的综合实力。第二次世界大战结束后，在工业生产需求亟待满足与技术水平亟待发展的前提下，高度自动化的立体仓库便应运而生。
自动化立体仓库与传统仓库相比，具备存取自动化、高层合理化以及操作简便化等优点，具备很强的出入库能力，它在实现货物的密集存储的同时有效地提高了空间利用率，构建了更为高效的物流系统，节省了大量的人力物力资源，管理上实现了自动化、合理化、统一化以及智能化，是许多货运枢纽、配送中心不可缺少的重要组成部分，也是物流系统实现物流合理化的关键所在。而大多数企业由于条件限制，无法建设自动化立体仓库，因此，一个高效率的自动化立体仓库在企业之间的共享逐渐演变成一种趋势。然而，我国自动化立体仓库的库内布局，仍以人工经验管理为主，忽视了科学的布局方法，缺乏现代化的管理手段，很少利用科学的作业设备，难以在运作的过程中体现物流为“第三利润源泉”的作用。因此，如何有效提高自动化立体仓库的布局水平成为必须要解决的关键问题。
H公司是以综合物流服务为主业，集仓储和运输等相关物流服务于一体的5A级大型综合物流企业，公司现有两个库区库房面积近40000平方米，拥有铁路专用线2公里，年货物吞吐能力超百万吨，业务辐射全国多个省市和地区。H公司原有仓库建于1985年，外立面残破，装卸搬运设备设施老旧，物流效率低下，无法满足H公司业务增长的仓储需求，急需现代化的物流设施及先进设备帮助公司解决仓储需求问题。
因此，公司计划改建原有仓库，因A仓库为公司计划改建的第一个仓库，因此本研究即选取A仓库作为研究对象，对此仓库进行总体布局规划，研究重点为A自动化立体仓库的整体布局与存储区货位的分配。
1.1.2 研究意义。
自动化立体仓库作为连接消费者和生产者之间的纽带，是物流系统中的一个关键环节。自动化立体仓库科学合理的规划布局对提高仓库的空间利用率、物流服务水平、降低企业生产成本以及加快物料流通等都具有重要意义，在一定程度上可以减少员工重复作业，节省搬运移动的次数和劳动强度，解决仓库布局中因功能区域布置的不合理而产生的运力浪费，提高仓库运营安全，避免仓库运营过程中的拥堵、货物混淆、货物错发。本文研究 A 仓库的总体布局不仅可以提高 A 仓库的仓储作业效率，更对 H 公司后续其他仓库的改建有一定的借鉴意义。
1.2 国内外研究现状。
1.2.1 国外研究现状。
上世纪 50 年代美国率先出现了桥式堆垛机立体仓库，自此之后工程师在前人基础上对桥式堆垛机立体仓库进行了技术创新与改进后诞生了巷道式堆垛机。1963 年，美国应用计算机管理技术建成了世界上第一座自动化立体仓库。随后巷道式堆垛机、桥式堆垛机立体仓库开始进入欧美各国并得到广泛应用。日本和德国也开始逐渐涉足立体仓库的研究，迄今为止日本已建成 3.8 万多座自动化立体仓库。国外学者对立体仓库及其布局的研究主要集中在以下几个方面：
(1) 立体仓库建设研究。
国外对于自动化立体仓库建设研究较早，Roberts(1972)在设计立体仓库货架的参数方面提出了以立体仓库建设和运行费用为目标函数的优化模型[1]。Karasawa(1980)以非线性规划模型的研究为背景，将此模型应用于构建自动化立体仓库的货架，大大缩减了自动化立体仓库的总体投资[2]。A.A.斯麦霍夫(1984)以货架的长度和高度作为连续变量建立了货架和货位建设费用函数，并总结出制定仓库货架最佳高度和长度的策略，被称为“斯麦霍夫模型”[3]。Mansuri(1997)研究出自动化立体仓库的运行作业周期模型，并设计出货位存储规则下货位分配的算法[4]。Y.H.Lee(2004)以 M/G/1 排队论模型为基础对自动化立体仓库的总体建设进行分析并做出评价，研究结果表明拣选出的订单数量都服从随机分布[5]。Kovacs(2009)提出了最优存储分配的取货方式，并将这种循环取货的方式应用于在多个命令订单的情况下拣选作业问题。通过实验表明，所提出的方法比订单体积指数（Cube-Per-OrderIndex，简称 COI）策略的效率高出 36%-38%[6]。Chen(2011)等人研究出了在货位分析下的整数规划模型，运用两阶段启发式算法求出初始解并通过禁忌搜索的方式得出最优解，最后得出当仓库机械设备出现瓶颈时重新分配的货位方案[7]。YihengKung(2014)等以多个堆垛机在同一个轨道上进行拣选作业时堆垛机的无碰撞调度问题为背景，提出了一种订单迭代聚类分组算法以快速寻找最优订单组合，通过仿真结果表明两个堆垛机协同工作效率较原来提高了 90%[8]。
(2) 立体仓库布局研究 。
1961 年美国学者 Muther 提出了具有代表性的系统布置规划(Systematic Layout Planning，SLP)和系统搬运分析(Systematic HandingAnalysi，SHA)理论。Muther 提出的方法理论技术条理清晰，通过结合图表能有效解决复杂的问题，是一种应用能力较强的科学方法，关于设施布局研究从此进入了定量分析的“新纪元”[9]。Te-King Chien(2014)指出系统布置设计法被广泛应用于立体仓库的布局，但是传统的 SLP 系统布置设计法得出合理的结果并不容易，因此作者在文章中给出了相关概念计算法，如分组原则、距离假设等来巩固传统 SLP 方法的应用性[10]。Alan R.McKendall Jr(2010)等人对不等面积仓库动态设施布置问题求解时应用了一种改进的禁忌搜索算法[11]。Anirban Kundu 和 Pranab K.Dan(2012)系统具体的分析了立体仓库布局问题的研究现状，最终总结出了新的设计目标以及布局研究未来发展的新方向[12]。Miguel Horta(2016)提出了一种基于最小二乘的数学规划方法，该方法可以设计一个交叉对接仓库的布局，为实时配送操作提供了支持[13]。
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1.2.2 国内研究现状
1.2.3 文献研究评述
1.3 研究内容与技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
第 2 章 相关理论与方法
2.1 自动化立体仓库理论
2.1.1 自动化立体仓库的定义和分类
2.1.2 自动化立体仓库的构成
2.1.3 自动化立体仓库的功能
2.1.4 自动化立体仓库的特点
2.2 自动化立体仓库布局规划理论
2.2.1 自动化立体仓库布局规划的概念
2.2.2 自动化立体仓库布局规划的原则
2.2.3 自动化立体仓库布局规划的目标
2.3 相关方法
2.3.1 回归分析预测法
2.3.2 物流动线布局法
2.3.3 遗传算法
2.3.4 层次分析法
2.3.5 模糊综合评价法
2.4 本章小结
第 3 章 A 自动化立体仓库概况及仓储需求预测
3.1 A 自动化立体仓库项目概况
3.2 原仓库仓储业务分析
3.2.1 原仓库客户类型
3.2.2 原仓库业务流程
3.2.3 原仓库吞吐量
3.3 A 自动化立体仓库仓储需求预测
3.3.1 服装类仓储需求量预测
3.3.2 鞋类仓储需求量预测
3.3.3 母婴类仓储需求量预测
3.3.4 洗护类仓储需求量预测
3.4 本章小结
第 4 章 A 自动化立体仓库整体布局
4.1 A 自动化立体仓库业务流程设计
4.1.1 入库作业
4.1.2 在库作业
4.1.3 出库作业
4.2 A 自动化立体仓库功能区划分
4.3 A 自动化立体仓库总体布局方案
4.3.1 物流动线模型
4.3.2 功能区需求面积比例计算
4.3.3 确定物流动线形式
4.3.4 A 自动化立体仓库总体布局
4.4 本章小结
第 5 章 A 自动化立体仓库存储区货位分配
5.1 货位分配原则
5.2 货位分配数学模型
5.2.1 模型假设
5.2.2 货位分配目标函数及约束条件
5.2.3 货位分配算法的选择
5.3 多种群遗传算法设计
5.3.1 初始化操作
5.3.2 适应度函数设计
5.3.3 选择操作
5.3.4 交叉操作
5.3.5 变异操作
5.3.6 重插入与移民操作
5.3.7 进化终止判断
5.4 货位分配方案
5.4.1 确定货格总量
5.4.2 参数初始值的选取
5.4.3 多种群遗传算法求解结果
5.5 本章小结
第 6 章 A 自动化立体仓库总体布局方案评价
6.1 布局方案评价指标体系构建
6.1.1 评价指标体系的构建原则
6.1.2 评价指标体系的构建依据
6.1.3 评价指标体系的构建
6.1.4 指标数据的获取
6.2 评价指标权重分析
6.2.1 构建层次结构
6.2.2 确定指标权重
6.3 模糊综合评价
6.3.1 构建模糊综合评价模型
6.3.2 模糊综合评价结果
6.4 本章小结
结 论
自动化立体仓库作为物流系统的一个核心和枢纽，是物流系统实现物流合理化的关键所在，本文以 H 公司原 A 仓库改建为自动化立体仓库为出发点，对 A 自动化立体仓库的仓储需求量进行预测，在此基础上对 A 自动化立体仓库进行整体布局，并对存储区进行货位分配，最后对整体布局方案进行评价，本文主要结论包括：
(1) A 自动化立体仓库仓储需求预测 基于 2010-2016 年仓库库存数据，找出了年份与仓储量之间的依存关系，建立回归方程运用回归分析模型对 A 自动化立体仓库 5 年内的仓储需求量进行了预测。
(2) A 自动化立体仓库的整体布局 结合 A 自动化立体仓库的实际情况对其进行业务流程设计与功能区划分，并选择物流动线布局法依据各功能区的流程相关顺序对功能区域进行布置，并确定行政办公区的位置得到总体布局图。
(3) A 自动化立体仓库存储区货位分配 结合货位分配的原则，在确定货位分配目标的条件下建立数学模型，并对多种群遗传算法进行设计进行模型的求解，最终得出 A 自动化立体仓库非预留区域的货位分配方案。
(4) A 自动化立体仓库布局方案评价 根据上文设计的总体布局方案选取物流效率、布局规划、安全因素、合理程度四个方面构建 A 自动化立体仓库总体布局方案评价指标体系，运用层次分析法确定各评价指标的权重，最后采用模糊综合评价法进行布局方案的综合评价。
虽然本文在对 A 自动化立体仓库空间布局规划的研究中作了大量工作，但限于时间与作者水平，本文还有一些地方需要进一步完善：
(1)仓储需求预测部分本文主要以 A 仓库 2010-2016 年的库存数据作为原始数据进行预测，没有考虑到未来几年内环境的变化对仓储需求的影响；(2)A 自动化立体仓库存储区货位分配部分本文主要考虑的是在预测基础上的货位分配，但是，随着 H 公司的逐渐发展，A 自动化立体仓库中存储区的物资类型和数量会发生改变，因此在 A 自动化立体仓库运行原布局方案一段时间后，原有已设计完成的货位分配方案将不再适用，便需要对货位重新进行分配。
布局方案涉及的诸多问题还需在今后的学习和工作实践中进一步分析和研究，这也将是本课题未来的研究方向。
参考文献
