王雨 ，李美燕，張紅菊

(1.山東科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院；山東青島 266000;2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266000)

基于ECRS原則與動態(tài)規(guī)劃的倉儲作業(yè)流程優(yōu)化

王雨1，李美燕2，張紅菊1

(1.山東科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院；山東青島 266000;2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266000)

為便于定量研究倉儲系統(tǒng)的作業(yè)流程，將傳統(tǒng)ECRS(取消、重排、合并、簡化)原則與5W1H(why、what、when、where、who、how)提問相結(jié)合的方法改進(jìn)為ECRS原則+動態(tài)規(guī)劃算法相結(jié)合的方法，以某物流企業(yè)倉儲系統(tǒng)為研究對象，運用Flexsim軟件建立倉儲作業(yè)流程模型，對其作業(yè)流程中出現(xiàn)的程序擁堵與資源利用情況進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：基于ECRS原則與動態(tài)規(guī)劃的倉儲作業(yè)流程優(yōu)化方法，便于科學(xué)設(shè)計流程優(yōu)化方案，能幫助管理者快速準(zhǔn)確定位需要改善的工序。與優(yōu)化前倉儲作業(yè)流程相比，設(shè)備的平均利用率提高18.64%，平均阻塞率降低72.28%，工作流程和資源配置得到簡化。研究成果可為企業(yè)生產(chǎn)流程優(yōu)化提供理論依據(jù)，為改善流程程序提供新方法。

倉儲作業(yè)；流程優(yōu)化；ECRS原則；動態(tài)規(guī)劃；Flexsim

隨著全球化經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢放緩，制造業(yè)、生產(chǎn)加工業(yè)以及服務(wù)業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，企業(yè)利潤不斷壓縮，客戶要求服務(wù)水平有所提高，生產(chǎn)流程工序重復(fù)、多余等問題給企業(yè)造成大量資源浪費。企業(yè)需找到行之有效的方法對生產(chǎn)作業(yè)流程進(jìn)行優(yōu)化，在服務(wù)水平一定的基礎(chǔ)上縮減生產(chǎn)成本，提高盈利能力。

流程分析法對企業(yè)作業(yè)流程優(yōu)化提供了有效途徑。文獻(xiàn)[1]將過程控制與生產(chǎn)過程優(yōu)化相結(jié)合，提出生產(chǎn)過程全流程優(yōu)化控制；文獻(xiàn)[2-7]對企業(yè)生產(chǎn)、倉儲系統(tǒng)、出庫系統(tǒng)等進(jìn)行分析，基于ECRS原則與5W1H方法對流程進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[8]結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘法對流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，對提高組織效率及解決復(fù)雜物流系統(tǒng)問題的有效途徑進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[9]對貨物分配中心進(jìn)行模擬仿真；文獻(xiàn)[10]對冷鏈物流配送中心布局不合理問題進(jìn)行研究。不同研究領(lǐng)域的學(xué)者將Flexsim與所研究領(lǐng)域相結(jié)合，對機械、鍛造、農(nóng)業(yè)、煙草、汽車生產(chǎn)等領(lǐng)域的相關(guān)物流系統(tǒng)分別進(jìn)行實證研究[11-18]。文獻(xiàn)[19]將動態(tài)規(guī)劃法用于物流系統(tǒng)總體框架的建構(gòu)；文獻(xiàn)[20]將動態(tài)規(guī)劃法與模擬退火算法相結(jié)合，應(yīng)用于半導(dǎo)體車間內(nèi)部布局優(yōu)化。 多數(shù)研究學(xué)者認(rèn)為流程分析能夠有效找出流程中的問題，并通過ECRS原則與5W1H相結(jié)合解決問題，但不同企業(yè)管理者運用傳統(tǒng)5W1H法分析類似的倉儲作業(yè)流程往往會得出不同的結(jié)論，并且定性方法受使用者知識水平、經(jīng)驗等因素影響較大。因此本文引入動態(tài)規(guī)劃算法，將ECRS原則與動態(tài)規(guī)劃相結(jié)合，用Flexsim對某物流企業(yè)倉儲作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)流程建模仿真，對優(yōu)化方法進(jìn)行效果驗證。

1 倉儲系統(tǒng)仿真與流程程序優(yōu)化

1.1 Flexsim概況

Flexsim仿真軟件能夠通過3D模型仿真出逼真的實際系統(tǒng)作業(yè)場景，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與分析，用于對操作、流程、動態(tài)系統(tǒng)方案進(jìn)行試驗、評估，直觀、易懂。

使用Flexsim首先確定研究目的及研究對象，將真實環(huán)境中的系統(tǒng)進(jìn)行分析，清楚其流程、布局等信息。然后進(jìn)入軟件界面對整體系統(tǒng)進(jìn)行布局，運用正確的連接方式對實體進(jìn)行連接，根據(jù)倉儲作業(yè)真實流程進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。運行系統(tǒng)，對輸出結(jié)果進(jìn)行篩選、分析，為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。

1.2 流程程序分析法

在工業(yè)工程中，流程程序分析法是按照具體作業(yè)流程，從起始工序到最終工序，對其中每一個工序進(jìn)行全面、詳細(xì)分析，檢查是否存在重復(fù)、多余及不合理工序。在生產(chǎn)過程中，人們通過不斷優(yōu)化作業(yè)流程及減少人、機器、物料等不必要的浪費來提高作業(yè)效率，生產(chǎn)管理者主要根據(jù)ECRS原則對流程不斷進(jìn)行改善優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)運行情況考慮取消不必要的、重復(fù)的工序及作業(yè)或動作，對于無法取消的工序考慮合并，不能取消與合并的工序考慮調(diào)整其順序使其提高效率，以上均不可行時采用簡化方式，通過更新設(shè)備、使流程更加自動化、現(xiàn)代化，使作業(yè)現(xiàn)場布局合理，讓工人能縮短動作距離，減少完成一件工作所需的基本動作數(shù)量[21]32-33。

ECRS原則相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

表1 ECRS原則的相關(guān)內(nèi)容

對目的改善適用選擇取消原則，對時間、人員配置、地點布局等適用合并與重排，對技術(shù)方法的改進(jìn)則進(jìn)行一定程度簡化[21]33。

傳統(tǒng)流程程序的改善是通過5W1H提問方法，對每個工序進(jìn)行問題篩選。此方法在鑒別工序類型上需耗費大量時間，并且定性方法主要依靠研究者通過自身知識儲備及經(jīng)驗對問題進(jìn)行分析，受研究者知識水平、經(jīng)驗?zāi)芰Φ纫蛩刂萍s。不同管理者對相同工序的理解以及問題探尋也存在差異，為減少環(huán)境等因素的限制，增加解決方法的科學(xué)性及可量化性，采用動態(tài)規(guī)劃算法替代5W1H提問方法，使問題在量化分析情況下，得出具有概括性、普適性及不受背景制約的結(jié)論。

1.3 動態(tài)規(guī)劃算法

動態(tài)規(guī)劃的基本思路是將復(fù)雜問題簡單化處理，將其分解成一系列或同一類型的子問題，按照整體最優(yōu)逆序求出各子階段最優(yōu)決策，然后再順序求解整個問題最優(yōu)決策。它能夠從全局出發(fā)，考慮整體系統(tǒng)最優(yōu)狀態(tài)，對作業(yè)流程程序進(jìn)行優(yōu)化。

在企業(yè)管理中,動態(tài)規(guī)劃法一般用來求解最短路徑問題、資源規(guī)劃問題、生產(chǎn)調(diào)度問題等，企業(yè)管理過程中會出現(xiàn)很多離散型問題，比如決策過程中的時間參量是離散的，或者決策過程是離散的，或者時間參量與決策過程同時為離散型，此類問題非常適合用動態(tài)規(guī)劃法解決[22]。

動態(tài)規(guī)劃的基本方程為：

(1)

式中：fk(sk)為第k階段的最優(yōu)值函數(shù)；dk為允許決策集合；sk為第k階段的狀態(tài)變量；uk(sk)為第k階段狀態(tài)處于sk時的決策變量；fk+1(sk+1)為第k+1階段的最優(yōu)值函數(shù)。

1.4 研究流程

基于ECRS原則和動態(tài)規(guī)劃的倉儲系統(tǒng)仿真優(yōu)化實施步驟如下：

1)確定研究對象，如選擇某物流中心的倉儲作業(yè)系統(tǒng)為研究對象；2)根據(jù)選定流程程序繪制流程程序圖；3)利用Flexsim對流程進(jìn)行仿真，找出瓶頸問題及其他問題；4)采用ECRS原則和動態(tài)規(guī)劃方法針對不同問題設(shè)計相應(yīng)改善方案；5)將改善方案運用于流程進(jìn)行優(yōu)化；6)利用Flexsim對優(yōu)化后的流程進(jìn)行效果評估；7)在實際生產(chǎn)流程中實施改善方案。

2 某物流中心倉儲作業(yè)流程

某物流中心是國內(nèi)一家中型民營物流企業(yè)，面積約為1 000 m2，員工總?cè)藬?shù)17人，主營業(yè)務(wù)產(chǎn)品種類較多，包括服裝、鞋、包、化妝品、小型家用電器等，單種商品儲存量差異較大。為應(yīng)對不斷增長的倉儲需求，提高企業(yè)倉儲能力，該企業(yè)已配置一套現(xiàn)代化倉儲作業(yè)設(shè)備，并將其設(shè)置在倉儲作業(yè)流程中。但該系統(tǒng)在倉儲流程中使用效率不高，經(jīng)常出現(xiàn)機器空轉(zhuǎn)的情況，因此，本文以倉儲作業(yè)系統(tǒng)作為研究對象，針對降低設(shè)備閑置率和降低資金占用及生產(chǎn)成本為目標(biāo)，對該作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

選取庫存量較大、出入庫較頻繁的服裝、化妝品及小型家用電器3種商品作為儲存的主要商品，其倉儲系統(tǒng)作業(yè)流程主要分入庫和出庫作業(yè)。

1)入庫作業(yè)。3種不同類型貨物到達(dá)后，需對貨物進(jìn)行檢驗，檢驗合格的貨物由叉車搬運到暫存區(qū)相應(yīng)的儲位。

2)出庫作業(yè)。接到出庫訂單后，由揀貨員將需出庫的貨物放入傳送帶，輸送到暫存區(qū)等待出庫檢驗，檢驗合格后出庫。

根據(jù)上述作業(yè)流程，用連線將相鄰工序進(jìn)行連接，繪制出的倉儲作業(yè)流程如表2所示，各工序所需時間及次數(shù)如表3所示。

表2 倉儲作業(yè)流程

表3 各工序?qū)嶋H所需時間及次數(shù)

3 Flexsim仿真建模

3.1 模型設(shè)計

由于仿真模型是實際系統(tǒng)的抽象描述，不能完全復(fù)原實際系統(tǒng)的真實情況，只能反映實際系統(tǒng)的本質(zhì)屬性。該仿真模型簡化部分作業(yè)流程：

1)假設(shè)設(shè)備均全新投產(chǎn)，一段時間內(nèi)不會出現(xiàn)故障及維修;

2)不考慮比例較小的貨物類型;

3)不考慮訂單等單據(jù)交接處理時間及具體交接方法;

4)計算各種指標(biāo)時不考慮員工休息時間等。

根據(jù)表2的具體倉儲作業(yè)流程設(shè)計該系統(tǒng)的仿真流程，如圖1所示。

圖1 倉儲系統(tǒng)仿真流程示意圖

3.2 參數(shù)設(shè)置

仿真流程設(shè)計完成后，需對參與仿真的每個臨時實體設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。根據(jù)企業(yè)正常生產(chǎn)數(shù)據(jù)按一定比例進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體如表4所示。

入庫訂單設(shè)置為托盤，產(chǎn)生托盤的發(fā)生器設(shè)置產(chǎn)生時間及數(shù)量，根據(jù)倉庫每日接收訂單的時間及數(shù)量得出，下午2：00后較集中產(chǎn)生出庫訂單，因此設(shè)置發(fā)生器屬性時，根據(jù)1 d內(nèi)不同的時段分配端口并設(shè)置數(shù)量；各臨時實體設(shè)置完成后依次用相應(yīng)連接方式連接，最后建立倉儲系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

表4 Flexsim參數(shù)設(shè)置

圖2 優(yōu)化前Flexsim仿真模型圖

3.3 結(jié)果分析

由于該工序作業(yè)周期約為60 s，將圖2的模型運行30次，設(shè)置每次運行時間為1 000 s，運行后將各臨時實體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)取均值，優(yōu)化前各主要設(shè)備運行情況如表5所示。

表5 優(yōu)化前各主要臨時實體參數(shù)表

由表5可知：

1)進(jìn)行檢驗工作的處理器5使用情況較好，處理器7閑置率較高，為70.27%。承擔(dān)運輸任務(wù)的叉車16和18的閑置率分別為89.57%和73.10%。如果通過表5的數(shù)據(jù)刪除設(shè)備閑置率較高的處理器7和叉車16，有可能會使系統(tǒng)陷入局部最優(yōu)而無法確定整體是否最優(yōu)的境況。

2)除發(fā)生器274阻塞以外，該流程中其他工序無阻塞現(xiàn)象，發(fā)生器274阻塞的原因可能是參數(shù)設(shè)置和流程設(shè)計不合理。在模型中阻塞表示系統(tǒng)提供的服務(wù)滿足不了客戶需求，生產(chǎn)線每天都處于工作狀態(tài)，沒有多余的生產(chǎn)線滿足新的需求，此時有新客戶需求時就出現(xiàn)了阻塞。

因此需要將倉儲流程進(jìn)行優(yōu)化，降低設(shè)備閑置率，提高資源利用率。運用動態(tài)規(guī)劃對流程進(jìn)行階段劃分，不僅能直觀了解每一階段設(shè)備的運行情況，同時能保證在整體最優(yōu)的情況下局部同樣處于最優(yōu)狀態(tài)。

4 流程程序優(yōu)化方案設(shè)計

4.1 基于ECRS思想的動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化

根據(jù)ECRS原則在整體系統(tǒng)運行最優(yōu)的情況下考慮取消某種閑置率較高的設(shè)備、合并某些工序，以提高設(shè)備利用率，使資源得到最大利用。運用動態(tài)規(guī)劃方法，以某一種貨物的運輸路徑為主體，將提高設(shè)備利用率問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化貨物行走路徑問題。

根據(jù)圖2，將該仿真流程涉及的動態(tài)加工處理部分分為6個階段，第1階段為處理器5和127入庫檢驗階段，第2階段為叉車16和18搬運階段，第3階段為入庫階段，選擇閑置率最低的貨架258作為貨架代表進(jìn)行運算，第4階段為操作員35進(jìn)行揀貨階段，第5階段為合成器146進(jìn)行合成階段，第6階段為處理器7進(jìn)行出庫檢驗階段。將表5中各主要設(shè)備的閑置率帶入式(1)，分別計算貨物位于各階段時相應(yīng)設(shè)備的運行情況，即從程序開始運行至貨物到達(dá)某一階段為止時，設(shè)備的閑置情況為：

1)第6階段，即k=6，逆序選擇處理器7，由表5可知，處理器7的閑置率為70.27%。

2)運行至第5階段，即k=5，貨物進(jìn)入合成器146，則由式(1)計算第(6+5)階段設(shè)備的閑置率

(2)

式中d上標(biāo)146為選擇對象為合成器146。

3)運行至第4階段，即k=4，進(jìn)入合成器146后，選擇操作員35，計算第(6+5+4)階段設(shè)備的閑置率

計算得f4(s4)=134.96%。

4)運行至第3階段，即k=3，進(jìn)入貨架選擇，選擇貨架258，計算第(6+5+4+3)階段設(shè)備的閑置率

計算得f3(s3)=219.74%。

5)運行至第2階段，即k=2，出現(xiàn)了2個選擇，即叉車16和叉車18，計算第(6+5+4+3+2)階段設(shè)備的閑置率

計算得f2(s2)=min(309.31%,292.83%)=292.83%。

6)運行至第1階段，即k=1，分別選擇處理器5和處理器127，計算第(6+5+4+3+2+1)階段設(shè)備的閑置率

計算得f1(s1)=min(332.06%,363.10%)=332.06%。

因此貨物在生產(chǎn)流程中的運行路線應(yīng)為：處理器5→叉車18→貨架258→操作員35→合成器146→處理器7。

以提高整體工序利用率和降低成本為目標(biāo)，選擇刪除閑置率較高的叉車16與處理器127，保留所有發(fā)生器、所有暫存區(qū)、入庫檢驗設(shè)備的處理器5、運輸叉車18、3個貨架(由于不同組合的商品需要放在不同的貨架上，并且貨架沒有對貨物進(jìn)行實際的加工，不影響加工設(shè)備的運行情況，因此保留全部貨架)、合成器146以及出庫檢驗的處理器7。

通過計算得出的結(jié)果不僅能保證系統(tǒng)處于整體最優(yōu)的情況，同時能夠保證系統(tǒng)的正常運行。

4.2 優(yōu)化后流程

優(yōu)化后的流程將貨物從暫存區(qū)移至檢驗處與檢驗合并為貨物移至檢驗處檢驗，將從叉車上卸貨與放置貨架上合并為從叉車上卸貨后自動放入貨架，將待揀貨工序刪除，優(yōu)化后的倉儲作業(yè)流程如表6所示，各工序所需時間及次數(shù)如表7所示。

表6 優(yōu)化后倉儲作業(yè)流程

表7 優(yōu)化后各工序所需時間及次數(shù)

將優(yōu)化后的流程用Flexsim再次仿真，仿真模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后Flexsim仿真模型圖

4.3 優(yōu)化效果評價

從表5計算得出:優(yōu)化前各設(shè)備平均閑置率為58.53%，平均阻塞率89.42%。選擇保留利用最高的設(shè)備，取消重復(fù)且利用率較低的設(shè)備，修改設(shè)備參數(shù)設(shè)置，使其更符合實際情況?？s短各設(shè)備間的運輸距離，合理規(guī)劃作業(yè)空間。同時可以為揀貨員配備現(xiàn)代化揀貨設(shè)備，減少揀貨員不必要的揀貨動作。將圖3的模型同樣運行30次，每次運行時間設(shè)置為1 000 s。優(yōu)化后各主要設(shè)備的運行情況如表8所示。

表8 優(yōu)化后各主要臨時實體參數(shù)表

從表8計算得知，優(yōu)化后的總體資源平均利用率為39.81%，比優(yōu)化前提高18.64%，平均阻塞率為17.13%，降低了72.28%。優(yōu)化后工作流程得到簡化，多個主工序利用率得以提升。入庫檢驗的設(shè)備從2臺減少到1臺；后處理器5閑置率降低32.68%；出庫檢驗效率提高2.18%；進(jìn)行搬運作業(yè)的叉車效率提高54.14%。進(jìn)行揀貨作業(yè)的操作員效率提高25.77%。進(jìn)行訂單與貨物合成打包的合成器閑置率提高了21.51%，即該設(shè)備的利用率降低了21.51%,可能是訂貨單減少與貨物出庫量減少導(dǎo)致的，優(yōu)化后的合成器閑置率提高并不影響整個系統(tǒng)的運行，相反在一定程度上減輕了合成器的工作壓力，能夠延長機器使用壽命。

優(yōu)化前整個工序?qū)儆贛/M/C(顧客源無限單隊多服務(wù)臺)排隊系統(tǒng)，優(yōu)化后簡化為M/M/1(顧客源無限的單隊單服務(wù)臺)排隊系統(tǒng)，服務(wù)臺數(shù)量減少，使系統(tǒng)的平均停留時間從優(yōu)化前的24.10 s上升到28.65 s，根據(jù)企業(yè)相關(guān)成本統(tǒng)計資料顯示，貨物平均停留的時間成本為4元/s，工人與設(shè)備每天工作8 h，一個月工作25 d。根據(jù)物流成本相關(guān)計算方法，計算該程序的運營成本為總的作業(yè)成本與貨物平均停留成本的總和，優(yōu)化后的成本比優(yōu)化前降低7 401.18元/月。優(yōu)化前后企業(yè)主要資源配置情況見表9。

表9 企業(yè)主要資源情況表

5 結(jié)語

本文將傳統(tǒng)的ECRS原則與5W1H提問相結(jié)合的定性優(yōu)化方法改進(jìn)為ECRS原則與動態(tài)規(guī)劃算法相結(jié)合的定量研究方法，該方法能快速準(zhǔn)確識別必要程序與非必要程序，從而選擇優(yōu)化工序，在考慮全局最優(yōu)的情況下對局部進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。同時結(jié)合實例運用Flexsim軟件建立倉儲作業(yè)流程模型，對其作業(yè)流程中出現(xiàn)的程序擁堵與資源利用情況進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的方案提高了整個流程的作業(yè)效率，減少了設(shè)備閑置率，說明該方法在流程優(yōu)化中是可行且有效的。

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Optimization of Warehousing Flow Based on ECRS Principle and Dynamic Programming

WANGYu1,LIMeiyan2,ZHANGHongju1

(1.SchoolofEconomicsandManagement,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China; 2.SchoolofMiningandSafetyEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

In order to make a quantitative study of the operation flow of warehousing system,the method of combining the traditional ECRS principle with the “5W1H” question is improved as the one of combining the ECRS principle with the dynamic programming algorithm.By taking the storage system of a logistics enterprise as the research object,the model of warehousing flow is established by using the Flexsim software,and then the blocking process and resource utilization in the operation flow are optimized.The results show that the optimization method of warehousing flow based on the ECRS principle and dynamic programming is easily used to design the flow optimization,which can help the administrator determine the improved process quickly and accurately.Compared with the warehousing flow before the optimization,the average utilization rate of equipment after the optimization increases by 18.64%,the average blocking rate decreases by 72.28%,and the operation flow and resource distribution are simplified.The research results can provide a theoretical basis for optimizing the production flow of enterprises.

warehouse operation; flow optimization; ECRS principle; dynamic programming; flexsim

2016-06-29

山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2009HM003)

王雨(1993—)，女，成都人，碩士研究生，主要研究方為物流與供應(yīng)鏈管理，E-mail:wangyu0216@126.com.

*通訊作者：李美燕(1978—)，女，山東青州人，管理學(xué)博士，副教授，工業(yè)工程系主任，中國物流學(xué)會特約評審專家，主要研究方向為物流與供應(yīng)鏈管理，E-mail:limeiyandu@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.005

F253

A

1672-0032(2016)04-0026-10