1603845894仓储货位优化模型及算法研究

1、国内图书分类号：u491国际图书分类号：580工学硕士学位论文仓储货位优化模型及算法研究硕 士 研 究 生：董溪哲导 师：李松龄 副教授申 请 学 位：工学硕士学 科 、 专 业：交通运输规划与管理所 在 单 位：交通科学与工程学院答 辩 日 期：2006 年 06 月授 予 学 位 单 位：哈尔滨工业大学classified index: u491u.d.c: 580dissertation for the masters degree in engineeringthe studying on storage spaceoptimization model andalgorithmscan

2、didate:supervisor:academic degree applied for:specialty:affiliation:date of defence:dong xizheassociate prof. li songlingmaster of engineeringtransportation planning& managementschool of transportationscience & engineeringjune, 2006degree-conferring-institution: harbin institute of technology哈尔滨工业大学

3、工学硕士学位论文摘要随着世界经济一体化和现代科技的迅猛发展，现代物流被认为是除降低资源消耗、提高劳动生产率以外的“第三方利润源泉”，提高物流效率成为了现代经济研究的关键。在这一环境下，作为物流的重要组成部分的仓储，也越来越多的被人们关注。如何提高仓储管理效率，成为了现代经济研究的一个热点问题。目前我国仓储管理的卸车验货、入库管理、出库管理、库存管理等几个环节发展不平衡。其中卸车验货、出库管理和库存管理已经达到了比较先进的水平，但是仓储管理中的入库管理却比较混乱。当前大约 80%的配送中心或仓库，在入库管理时不能够进行正确的货位优化，只能凭借管理人员的经验选择货位，摆放货物，导致入库管理效率低下

4、。因此，解决入库管理中的货位优化问题，势在必行。本文在总结现有货位优化成果的基础上，分析了现有货位优化模型的特点，建立了适合我国仓储业的货位优化模型，为解决入库管理中的货位优化问题提供了技术支持。首先对现有货位优化模型的目标及其实现手段进行比较，根据比较结果，选择了本文中货位优化模型的目标和实现目标的手段；其次，建立了货位优化模型的目标函数，并分析了实现货位优化必须满足的约束条件，根据目标函数和约束条件，建立了货位优化模型；再次，应用遗传算法对货位优化模型进行求解；最终，选择邮政易通化妆品仓库作为案例，检验本文建立的货位优化模型。关键词仓储货位；优化模型；遗传算法-i-哈尔滨工业大学工学硕士学

5、位论文abstractwith the world economics integrating and the modern science developing,the modern logistics is deemed to “the third profit headspring”, except reducingresources consumption and improving labor productivity. enhanced the logisticefficiency becomes the key of economy research. under this en

6、vironment,storage which is the important part of logistics, are paid more and more attentionby people. how enhances the efficiency in storage management, has become amodern economy research hot topic.in our country, stores management in unloading a vehicle inspects goods,going into storage managemen

7、t, going out storage management, the stockmanagement and so on, develops not balanced. unloading a vehicle inspectsgoods, going out storage management, the stock management has alreadyachieved the quite advanced level, but going into storage quite to be actuallychaotic. current about 80% match cente

8、r or the warehouse, when goes intostorage, the management cannot carry on the correct optimal storage space. thesewarehouses only can rely on administrative personnels experience to choose thestorage space, places the goods, causes the management efficiency in go intostorage to be low. therefore, so

9、lving the storage space optimization question ingoing into storage, imperative.this article has summarized existing storage space optimization achievement,analyzed the existing storage space optimization model characteristic, establishedthe storage space optimization model which suited our country n

10、ational condition.this model provides the technical support for the storage space optimizationquestion in going into storage.- ii -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文first, according to the comparison of existing storage space optimizationmodel, the model method in this article have be choice. second, this article hase

11、stablished the storage space optimization model objective function and therestraint condition. third, application the genetic algorithms solve the storagespace optimization model. last, this article chose the you zheng yi tongcosmetics warehouse to take the case, examined the model.keywords storage

12、space; optimization model; genetic algorithms- iii -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 .iabstract . ii第 1 章 绪论 . 11.1 课题研究的目的和意义 . 11.2 国内外研究现状及分析 . 21.2.1 国外现状分析 . 21.2.2 国内现状分析 . 41.3 课题研究内容及方法 . 51.3.1 研究内容 . 51.3.2 研究方法 . 6第 2 章 仓储货位优化目标的确定 . 82.1 仓储货位优化目标确定的意义 . 82.2 各种仓储货位优化目标的分析 . 82.3 仓储货位优化系统目标的实现手段与合理性分析

13、 . 112.3.1 仓储货位优化系统目标的实现手段 . 112.3.2 仓储货位优化系统目标的合理性分析 . 122.4 本章小结 . 14第 3 章 仓储货位优化模型的建立 . 153.1 模型假设 . 153.2 模型建立 . 153.2.1 目标函数 . 153.2.2 约束条件 . 173.2.3 货位优化模型 . 183.3 本章小结 . 19第 4 章 模型求解与程序设计 . 204.1 确定货位优化方法 . 204.1.1 求解方法的选择 . 204.1.2 遗传算法的基本步骤 . 214.2 货位优化问题的求解方法 . 224.2.1 编码 . 22- iv -哈尔滨工业大学

14、工学硕士学位论文4.2.2 适配值 . 224.2.3 遗传算子 . 234.3 货位优化软件设计 . 244.3.1 数据库设计 . 244.3.2 代码设计 . 264.4 本章小结 . 30第 5 章 案例分析 . 325.1 案例概况 . 325.1.1 邮政易通化妆品仓库现状分析 . 325.1.2 邮政易通化妆品仓库布局 . 325.2 模型应用 . 345.2.1 模型参数定义 . 345.2.2 邮政易通化妆品仓库货位优化模型 . 345.2.3 模型求解 . 415.3 模型检验结果 . 455.3.1 优化前与优化后货位的比较 . 455.3.2 结论 . 455.4 本章

15、小结 . 46结论 . 47参考文献 . 48附录 1. 51附录 2. 58攻读学位期间发表的学术论文 . 62哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 63致谢 . 64-v-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义物流是指物品从供应地向接收地的实体流动过程，是根据实际需要，将运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能有机结合、优化管理来满足物主要求的过程1。仓储是物流的重要组成部分，它是通过仓库对物资进行储存和保管。仓储管理是保证仓储活动顺利进行的必要手段。它可以在时间上协调原材料、成品的供需，对供应起着缓冲和平衡的作用2。仓储管理的业

16、务主要包括卸车验货、入库管理、出库管理、库存管理等四个方面。我国仓储管理的四个方面的发展并不平衡，其中卸车验货、库存管理和出库管理三个方面已经达到了比较先进的水平，但是，在入库管理方面的运作还是比较混乱。我国现有仓储中心的入库管理水平差距悬殊，有的拥有自己的货位优化软件，可以在入库管理时进行货位优化，可以实现计算机推荐货位功能，但都与wms（warehouse management system）绑定，缺乏可移植性；有的引进国外的货位优化软件在入库管理时进行货位优化，但由于我国仓储业与国外仓储业差距悬殊，引进的货位优化软件很难发挥作用；还有的根本不存在货位优化软件。总之，我国大多数仓库虽然已经

17、使用了仓储管理系统软件，但是货位优化部分不是不可以移植，就是不能很好的发挥作用。现有仓储管理系统软件主要还是应用在了记录货物、货位信息方面，而入库管理主要还是凭借主管人员与仓库工作人员的经验进行，入库作业仍然采用人工操作，致使仓储作业工作效率低下。现代仓储追求的是效率，而我国现有仓库的货位优化的这种现状已经严重影响了仓储效率。为了满足现代仓储业高效率的要求，必须解决货位优化问题，提高仓储货位优化水平。解决货位优化问题，就可以使物流中心拥有一个良好的仓储布局，从而缩短出入库操作时，工作人员的行走时间，提高工作效率。因此仓储货位优化问题，是提高仓库生产力的关键问题，进行仓储货位优化的研究具有重要的

18、理论意义和实际应用价值。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 国外现状分析1.2.1.1 国外物流仓储业的发展现状物流理论的研究开始于 20 世纪 30 年代，发展到今天，已经形成了包括基础理论、物流技术与标准、物流规划、企业物流经营管理以及相关法规建设等宏、微观方面较为庞大的体系。20 世纪 60 年代，美国经济学家，彼得 杜克拉曾经预言，物流业将是每个国家经济增长的“黑大陆”，是降低成本的最后边界，是降低资源消耗、提高劳动生产率之后的“第三利润源泉”，是一块未被开垦的处女地3。国外仓储业历史悠久，物流公司规模较大。在对欧洲的 18 家大的第三方物流企业

19、的调查中，有 11 家公司的营业额超过 5 亿美元，其中 3 家公司在 10亿美元以上456。国外仓储物流主要经历了五个阶段：人工阶段、机械化阶段、自动化阶段、集成阶段和智能阶段。目前国外的仓储物流已经发展到了智能阶段，这个阶段在仓储形式和设备方面都已经十分先进。（1）仓储形式方面单一的仓储服务已经很少存在，世界上许多国家和地区的仓储型物流中心都开展各种综合性增值服务。如日本东京、大阪、名古屋等地区 90 家物流公司中 50%以上具有流通加工业务。（2）仓储设备方面第二次世界大战以后，随着生产力的高度发展，原有仓库由于进出和作业特点已经不能满足要求，新的仓储管理方式开始被人们重视。1950 年

20、美国开始使用高层货架，1959 年出现了巷道式堆垛机，1962 年德国把计算机应用到仓库里，出现了自动化立体仓库7。发展到了今天，自动化立体仓库已经得到了广泛的应用。（3）仓储体制方面美国早在 1891 年就成立了全美公共仓储行业协会（awa），该协会是美国最早成立的企业集团之一，也是全美公共仓储行业唯一的经营代表机构，由于它符合经济合理分工协作的原则和满足社会对储运多样化要求，1990 年其市场份额已经占 16，比 1977 年增长一倍。而今，国外的仓储行业已经有了统一的管理，行业已经十分规范。-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.1.2 国外货位优化问题的研究现状国外仓储业比较发达，

21、其仓储的主要设备是自动化立体仓库。该系统主要由货架、传输设备、存储设备、堆垛机、控制系统、通讯系统和计算管理监控系统等部分组成8。在进行货位优化时，当系统受到干扰，或者人为因素造成货位的状态和管理系统数据库中的货位信息不一致时，其存储设备会因为找不到货位而要和上位机进行反复通讯，重复进行货位识别，直至找到货位。这样会大大的增加了货物出入库的延误时间9。国外目前对货位优化问题的研究，主要集中在如何减小自动化立体仓库中货物出入库的延误时间问题上，即主要研究自动化立体仓库中的货位识别技术。1.2.1.3 国外货位优化软件的现状分析由文献10可知，目前国外的物流公司纷纷推出各自的货位优化软件。根据是否

22、与 wms 绑定，可以将这些货位优化软件分成两大类：（1）货位优化软件与 wms 绑定，成为其中的一部分。这类货位优化软件，以 slotinfo、exe optimize 为代表。其中 slotinfo 将其应用软件分组构成 3个核心区域，即仓库管理系统（wms），贸易伙伴管理（tpm）和运输管理系统 （ tms ）。 其 中 wms 应 用 软 件 组 包 括 四 个 集 成 的 模 块 ： 仓 库 管 理（warehouse managementwm），劳动管理（labor managementlm），货位优化（slotting optimizationso），记帐管理（billing m

23、anagementbm）。（ 2 ） 货 位 优 化 软 件 与 wms 分 离 ， 可 以 单 独 地 购 买 和 使 用 ， 以easyprofiler 和 flowtrak 为代表。其性能如下表所示。表 1-1 仓储货位优化软件的比较table1-1 compare of the software in slotting optimization软件名称easyprofilerflowtrakslotinfoexeoptimize所属物流公司名称woodlock softwaresolutions inc.streamsoft inc.manhattanassociates inc.ex

24、e technologiesinc.功能及特点基于点、点击输入和货位布局图的，有窗口特色的仓库货物定位软件。属于仿真系统软件，可以实时显示仓库现有货位情况主要考虑节约存储空间，提供仓库利用率的仓储货位优化软件主要考虑节约存储空间，以及平衡各个工作区的工作量的货位优化软件主要考虑设备费用最优化，能进行复杂的自动化出库、入库-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.2 国内现状分析1.2.2.1 国内物流仓储业的发展现状我国的仓储业经历了古代仓储业、近代仓储业、社会主义仓储业和现代仓储业四个阶段。迄今为止，仓储活动已经取得了巨大的飞跃11。我国企业仓库的作业方式中，51.6%以手工作业为主；39

25、.7%机械化作业，但信息处理用人工；12.7%现代化仓库，机械化作业模式；11.9%采用高层货架系统与信息管理软件12。我国仓储业，年投资规模呈现快速增长趋势，1990 年我国仓储业基本建设投资规模仅为 4.2 亿元，1998 年为 65.8 亿元，比 1990 年增长 14 倍之多。在信息通信方面，目前我国已拥有电信网络干线光缆超过 30 万公里，并已基本形成以光缆为主体，以数字微波和卫星通讯为辅助手段的大容量数字干线传输网络；四大骨干网络的覆盖范围包括全国地市以上城市和 90%的县级市及大部分乡镇，并连通世界主要国际信息网络，从而使 edi、erp、mrp、gps 等一些围绕物流信息交流、

26、管理和控制的技术得以应用。在包装与搬运设施方面，现代包装技术和机械化、自动化货物搬运技术在我国已有了比较广泛的应用。但是总体上来看，我国仓储业的现状并不乐观。（1）仓储技术方面我国仓储作业技术机械化、自动化程度与国外相比差距悬殊，而且整体现代化程度还很低。一方面，先进的自动化仓储技术已经开始在我国部分企业应用；另一方面，相当大的一部分仓库却还处在以人工作业为主的状态13。（2）仓储管理方面仓库的拥有量大，但是管理水平低。由于传统思想的束缚，很多企业对仓储管理不够重视，经常把精力都放在争取货源跟销售上，认为仓库管理不需要知识。（3）仓储体制方面明显的部门仓储业的特点。我国的仓储管理没有一个固定的

27、部门，是处在不同的部门之下的仓储。其特点是：各个部门都为了完成本部门的任务，进行的仓储，很少顾及其他部门或国家的利益，加上缺乏沟通，产生各个部门库存过高，浪费资源14。（4）仓储法规方面仓储管理方面的法规法制还不够健全。我国仓储管理起步较晚，至今我国还没有一部完整的仓库法。同时，我国仓库管理人员的受教育水平比较-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文低，不会运用法律手段来维护仓库利益。1.2.2.2 国内货位优化软件的现状分析国内仓储业发展还处于比较落后的阶段，各个企业之间的差距很大。据调查，我国的物流服务企业中，仅有 39%的企业拥有物流信息系统，绝大多数物流服务企业尚不具备运用现代信息技术处理

28、物流信息的能力15。而这些物流信息系统中货位优化管理部分能充分发挥作用的就更少。当前大约 80%的配送中心或仓库不能够进行正确的货位优化16。国内的货位优化软件根据来源可分为两大类：（1）自主开发的货位优化软件，由于自主开发，这类软件一般都与 wms绑定。这类软件以海尔物流的大物流管理系统 les（ logistics executionsystem）为代表，该系统利用计算机技术与 erp 技术结合，注重信息传递的速度，加强物流信息的可视化，从而降低物流运作成本和提高物流效率。其货位优化的特点是以库存最小为出发点，能进行物料描述，储位编码，并对最大库存、最小库存、初期库存进行实时监控。（2）引

29、进国外的货位优化软件，这类软件以中外运的 diad（速递资料收集器）为代表。中外运采取与国外知名企业 ups 合作的方式，引进外方发达的国际快递网络、先进的管理体制和信息支持系统。该软件以信息传递速度为出发点，是业内第一个可将货件签收人的签名数字化的便捷式高科技设备。1.3 课题研究内容及方法1.3.1 研究内容本课题研究的内容有，确定仓储货位优化目标、建立仓储货位优化模型、分析选择仓储货位优化模型的求解方法、应用案例检验模型的有效性。（1）确定仓储货位优化目标为了进行货位优化，首先要确定系统的目标。只有确定了系统目标，才能分析与目标相关的各个因素，确定实现目标的手段，建立系统模型。（2）建立

30、仓储货位优化模型为了建立优化模型，首先要进行假设，即根据我国现有仓库的现状，假设了一个符合我国现状的通用库场模型。在这个模型的基础上，根据货位优化系统的目标，建立了货位优化模型的目标函数。分析了货位优化问题必须满足的限制条件，建立了货位优化模型的约束条件集合，最终建立了货位优化模型。-5-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文该模型实现货位优化的功能，可以通过计算，找出货物最合理的摆放位置，从而可以减少货位选择不合理的现象，提高库场运作效率。（3）分析选择仓储货位优化模型的求解方法为了求解模型，首先，要选择求解算法，确定了求解算法后，要确定算法中的各个参数；其次，根据这些参数和求解方法，设计了货位优化

31、软件。货 位 优 化 软 件 的 设 计 语 言 采 用 了 vb6.0 ， 关 联 的 数 据 库 采 用 了access2000。（4）案例分析一个模型是否成功，很大程度取决于它是否达到建模目的，即模型要通过检验。本系统选择邮政易通化妆品仓库作为实例，对货位优化模型进行检验。1.3.2 研究方法1.3.2.1 目标-手段法确定系统要实现的目标后，要对这个目标进行分析，确定实现它的手段。本系统采用目标-手段法，进行分析得出实现货位优化系统目标的手段。目标-手段法就是对目标的逐步落实，探索实现上层目标的途径和手段的过程。对目标 g1，找到实现他的手段 g2、g3、g4，这些手段就是 g1 的分

32、目标，对这些分目标如果仍然找不到直接实现它的手段，那么对它继续分解，直到找到所有的实现手段。图 1-1 为目标-手段系统图。目标一级目标二级手段目标三级手段手段图 1-1 目标-手段系统图figure1-1 means-ends system1.3.2.2 遗传算法本系统选择遗传算法作为求解方法，遗传算法是一种基于自然群体遗传演化机制的高效探索算法，它是当今影响最广泛的进化计算方法之一。在过去的几年中，遗传算法被广泛的应用与工业工程领域17181920。货位优化问题属-6-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文于组合优化问题，遗传算法适合求解组合优化问题，其优点如下：（1）遗传算法比较接近人类的思维方

33、式，易于理解。（2）遗传算法可以同时搜索空间中的很多点，容易得到全局最优解。（3）遗传算法采用了巧妙的编码方式，求解问题的难度不会因为变量的位数增加而增加，避免了某些优化算法的维数灾难。由文献21可知，遗传算法有五个组成部分，其求解步骤如下：（1）问题的解的遗传表示。（2）选择解的初始种群的确定方法。（3）根据个体适应值对解进行优劣判断。（4）选择遗传算子。（5）确定遗传算法的参数值。-7-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章 仓储货位优化目标的确定2.1 仓储货位优化目标确定的意义系统目标是指系统所希望达到的结果或完成的任务，它对系统的发展起着决定性作用。系统的目标一旦确定，系统就将朝着目标

34、方向不断发展。在控制论中，所有反馈控制系统均根据其系统给定值与反馈信号值之间的偏离值，在规定的范围内随时进行修正，使系统最终保持或逼近这个给定值。系统的目标，就相当于控制论中的这个给定值。在实际工作中，人们往往对确定目标的重要意义认识不足，使得许多工作处于一定的盲目状态。系统分析者的任务之一就是要使人们在应用系统方法之前，认清确定目标在系统中的重要作用，从而能使其较好地达到预期结果。美国兰德公司的专家们有一句名言，对于一项系统工程的分析研究来说，弄清楚系统的问题和目标，就等于解决了问题的大半22。系统目标分析是系统分析与系统设计的核心，建立优化系统，首先应该确定该系统的目标，分析与其相关的各个

35、因素，建立目标函数。在阐明问题阶段，无论是问题的提出者、决策者，还是系统分析人员，对目标的认识和理解多出于主观愿望，而较少客观依据23。只有充分了解和明确系统应达到的目标，才能使确定的目标更合理，才能避免盲目性，防止出现各种错误，造成损失。因此，为了确定合理的仓储货位优化系统目标，必须对仓储货位优化系统目标做详细、周密的分析。2.2 各种仓储货位优化目标的分析目前仓储货位优化，按照其目标不同有五种形式：以可视化管理为目标的仓储货位优化；以提高库场空间利用率为目标的仓储货位优化；以降低设备使用费用为目标的仓储货位优化；以保持最小库存为目标的仓储货位优化；以提高工作效率为目标的仓储货位优化。（1）

36、以可视化管理为目标的仓储货位优化仓储货位优化的可视化管理，是基于仿真技术的一种货位优化方式。这类软件以 woodlock software solutions inc.公司的 easyprofiler 为代表，它将库场-8-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的货位摆放情况完全用图形显示出来，使用者只需要通过简单的点击，就能进行货物的入库，出库操作。在管理心理学上，可视化，意味着用图形展示数据和文本的内容，是人的眼睛和头脑最适宜的方式，最容易理解和判断。以可视化管理为目标的货位优化系统，方便管理者进行决策。可视化管理是在仓储水平较高的情况下，为了进一步提高仓储管理的决策速度而进行的，一般都应用在大型

37、、智能化立体仓库。（2）以提高库场空间利用率为目标的仓储货位优化很多仓库用地紧张，库场空间利用率就成为了仓储运作的关键问题。这类软件以 steamsoft inc.公司的 flowtrak，和 manhattam associates inc.公司的slotinfo 为代表，它将品种相似的货物，尽可能放在同一货位，节约库场空间，以便库场能够存放更多的货物。（3）以降低设备使用费用为目标的仓储货位优化以降低设备使用费用为目标的仓储货位优化，是以物流成本管理学说为理论依据的。物流成本管理,就是通过成本去管理物流,即管理的对象是物流而不是成本 ,物流管理可以说是以成本为手段的物流管理方法 .这类软件

38、以 exetechnologies inc.公司的 exe optimize 为代表，它将设备的使用费用作为依据，来优化货位，最终降低仓储成本。这一理论强调在经营管理层次上发挥物流的作用，通过现代化物流来降低企业经营成本，必须是建立在发达的第三方物流业的基础上。（4）以保持最小库存为目标的仓储货位优化以保持最小库存作为目标的仓储货位优化，是以零库存理论为依据的货位优化方法。供应链管理模式下的零库存是一个特殊的库存概念，它并不是要求链上各节点企业的库存真正为零，而是通过实施特定的库存控制策略，实现各节点企业库存量的最优化。这样，就可以解决仓库建设，在库品的保管、维护、装卸、搬运等费用，人员配备，库存占用的大量流动资金以及在库品的老化、变质等问题，提高库存管理效益。以库存最小最为目标的货位优化软件以海尔集团的 les 大物流系统为代表，该系统以库存最小为出发点，能进行物料描述，储位编码，并对最大库存、最小库存、初期库存进行实时监控2526。由文献27可知，如果