米樂 M6倉儲(chǔ)知識庫 倉庫自動(dòng)化系統(tǒng)（五）：移動(dòng)機(jī)器人履行系統(tǒng)RMFS

　　欄目以倉儲(chǔ)物流知識干貨為主題進(jìn)行整理編寫，參考智能制造和智能物流領(lǐng)域的前沿論文與專著。在編譯時(shí)對專有名詞和部分術(shù)語的英文進(jìn)行了保留，不足之處歡迎大家指正、討論！

　　機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)在倉配中心的應(yīng)用越來越廣泛。機(jī)器人擁有諸多特點(diǎn)：占用空間小、靈活性高、24小時(shí)不間斷工作，這些特點(diǎn)與日益發(fā)展的電子商務(wù)運(yùn)營領(lǐng)域高度適配。由于新型自動(dòng)化機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)擁有自主控制、靈活布局、網(wǎng)絡(luò)化、動(dòng)態(tài)運(yùn)行等獨(dú)特特性，此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作控制問題需要新的模型和方法加以解決。倉庫的關(guān)鍵部分，即倉庫設(shè)計(jì)、倉庫規(guī)劃以及控制邏輯領(lǐng)域也都隨著機(jī)器人自動(dòng)化倉庫的發(fā)展進(jìn)行革新。盡管工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)發(fā)明與應(yīng)用層出不窮，在現(xiàn)實(shí)中也較為常見，但是在學(xué)術(shù)理論層面上幾乎沒有被詳細(xì)研究過。

　　互聯(lián)網(wǎng)零售商倉庫的特點(diǎn)是貨物體積小但數(shù)量巨大，需要倉儲(chǔ)系統(tǒng)能夠同時(shí)處理多行小批量訂單。在人工揀選系統(tǒng)中，揀貨員需要花費(fèi)大量時(shí)間在巷道中穿梭，進(jìn)行電商倉庫揀選時(shí)容易力不從心。而移動(dòng)機(jī)器人履行系統(tǒng)（RMFS）中，機(jī)器人負(fù)責(zé)搬運(yùn)移動(dòng)式貨架（Pod）并將其運(yùn)送給在符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的工作站中的揀貨員。將物品送到揀貨員手中，而不是讓揀貨員前往物品所在位置，這種策略可使揀貨員的工作效率提高一倍（該數(shù)據(jù)來源于Wurman 等人2008 年研究）。該系統(tǒng)中機(jī)器人和移動(dòng)式貨架數(shù)量可以隨時(shí)增減，系統(tǒng)吞吐能力具有高柔性特點(diǎn)。這一特點(diǎn)對于需求波動(dòng)大的互聯(lián)網(wǎng)零售商來說尤為重要。

　　RMFS 的概念由 Jünemann在1989 年的研究中提出，2008年KIVA 公司在美國申請了相關(guān)專利。如今，該系統(tǒng)已在亞馬遜的大量倉配中心投入使用。與此同時(shí)，許多供應(yīng)商也提出了移動(dòng)式貨架與機(jī)器人結(jié)合的解決方案，如瑞仕格的 CarryPick、GreyOrange 的 Butler、Scallog System和日立的 Racrew。

　　1.機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元：這些機(jī)器人由中央計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，將待取貨的移動(dòng)式貨架運(yùn)送到工作站進(jìn)行補(bǔ)貨或揀選，現(xiàn)在也有去中心或本地控制系統(tǒng)。

　　2.移動(dòng)式貨架：有兩種標(biāo)準(zhǔn)尺寸。較小的移動(dòng)式貨架用于負(fù)載重量不超過 450 千克的產(chǎn)品，較大的移動(dòng)式貨架用于負(fù)載重量不超過 1300 千克的產(chǎn)品。

　　3.工作站：根據(jù)人體工學(xué)設(shè)計(jì)的區(qū)域，工人在此執(zhí)行移動(dòng)式貨架的補(bǔ)貨、揀選和包裝。

　　使用 RMFS 揀選訂單時(shí)，需要首先將訂單分配給其中一個(gè)工作站，然后將貨物分配給一個(gè)移動(dòng)式貨架和一臺(tái)機(jī)器人。然后，機(jī)器人從其停留位置移動(dòng)至移動(dòng)式貨架。此時(shí)機(jī)器人沒有負(fù)載，可以在貨架下方移動(dòng)，無需使用巷道。一旦機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)訂單所在貨架下方，它就會(huì)舉升貨架，在巷道內(nèi)將其運(yùn)送到工作站。機(jī)器人進(jìn)入工作站緩沖區(qū)進(jìn)行排隊(duì)（見圖 2）。揀貨員揀選訂單所需商品，并將其添加到放置客戶訂單倉的貨架/料箱中。然后，機(jī)器人會(huì)根據(jù)移動(dòng)式貨架的請求頻率，將其送回存儲(chǔ)位置。因此，移動(dòng)式貨架的存儲(chǔ)位置是完全動(dòng)態(tài)的。倉庫布局可以根據(jù)商品和訂單的特點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的自動(dòng)調(diào)整。

　　目前，RMFS性能表現(xiàn)領(lǐng)域沒有進(jìn)行過太多科學(xué)研究。RMFS相關(guān)的學(xué)術(shù)研究文獻(xiàn)可分為三類：系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行規(guī)劃與控制。

　　Nigam 等人2014 年為 RMFS 建立了一個(gè)封閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型。他們估算了基于周轉(zhuǎn)類別存儲(chǔ)策略的 RMFS 中單線訂單的訂單處理時(shí)間（throughput time）。Lamballais 等人2017年擴(kuò)展了 Nigam 等人的研究，推導(dǎo)出了具有存儲(chǔ)區(qū)域、具有單線及多線訂單的RMFS 的旅行時(shí)間表達(dá)式。他們開發(fā)了一個(gè) SOQN 來估算平均訂單周期時(shí)間以及機(jī)器人和工作站的利用率。

　　Lamballais 等人2017年的研究表明，帶有存儲(chǔ)區(qū)域的 RMFS的最大吞吐能力對存儲(chǔ)區(qū)域的長寬比并不敏感（除非長寬比嚴(yán)重失調(diào)）。研究表明，存儲(chǔ)區(qū)域周圍工作站的位置會(huì)直接影響吞吐能力。在他們的設(shè)置中，當(dāng)使用分區(qū)存儲(chǔ)策略時(shí)，工作站應(yīng)位于存儲(chǔ)區(qū)域的西面和東面；當(dāng)不使用分區(qū)存儲(chǔ)時(shí)，工作站應(yīng)位于存儲(chǔ)區(qū)域的北面和南面，以實(shí)現(xiàn)吞吐量的最大化。Yuan和Gong 2017年開發(fā)了一個(gè)OQN來估算RMFS的總訂單處理時(shí)間。利用開發(fā)的模型，他們計(jì)算出了達(dá)到特定的訂單處理時(shí)間時(shí)，機(jī)器人的最佳數(shù)量及其所需的平均速度。Zou 等人2018年使用 SOQN 優(yōu)化了系統(tǒng)布局的形狀。

　　Lamballais 等人的研究表明，通過使用基于周轉(zhuǎn)貨架的存儲(chǔ)區(qū)，帶有存儲(chǔ)區(qū)的 RMFS的最大吞吐量可提高近 50%。Lamballais 等人分析結(jié)果不足之處在于，他們假設(shè)每個(gè)貨架上的物品都是相同的；多線訂單，需要多個(gè)貨架。然而，在現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)貨架都包含多種產(chǎn)品，一個(gè)貨架能滿足訂單的多個(gè)要求的情況可能存在。Lamballais 等人通過研究如何將庫存分散存儲(chǔ)至不同貨架上來解決這一問題。他們開發(fā)了一個(gè) SOQN 來估算訂單處理時(shí)間，然后優(yōu)化了每個(gè)物品的存儲(chǔ)貨架數(shù)量、工作站數(shù)量與補(bǔ)貨站數(shù)量的比例以及每個(gè)存儲(chǔ)貨架的補(bǔ)貨水平，以最大限度地縮訂單處理時(shí)間。結(jié)果表明，庫存應(yīng)盡可能分散到更多的貨架中，以盡量縮短訂單處理時(shí)間。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，揀貨站與補(bǔ)貨站的最佳比例為 2 比 1，最佳補(bǔ)貨量約為 50%。

　　Boysen 等人2017 年研究了 RMFS 工作站的訂單排序問題。他們將該問題表述為一個(gè)混合整數(shù)程序。結(jié)果表明，與先到先得的訂單排序規(guī)則相比，通過優(yōu)化訂單排序，只需一半的機(jī)器人就能完成訂單執(zhí)行過程。此外，研究還表明，通過使用共享存儲(chǔ)策略，將相同的 SKU 分散到多個(gè)貨架中，可以進(jìn)一步減少所需機(jī)器人數(shù)量。

　　Zou 等人2018 年研究了 RMFS的不同電池回收策略。他們開發(fā)了一個(gè) SOQN 來模擬充電過程。他們得出結(jié)論，感應(yīng)充電能提供最佳的系統(tǒng)吞吐時(shí)間。他們還發(fā)現(xiàn)，交換電池策略優(yōu)于插入式充電策略，但成本更高。M6 米樂M6 米樂