CC BY
13
УДК 681.5:658.78
ФОРМИРОВАНИЕ ПАКЕТА ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СКЛАДА
Ю.В. Васильков, В.С. Федотов, Д.И. Алиев
Ярославский государственный технический университет
В работе рассмотрены вопросы повышения эффективности одного из классов динамических автоматизированных складов, находящихся в цепочке производственной деятельности предприятия. Особенностями работы выбранного класса складов является возможность размещать для хранения поступившие на вход изделия в форме пакетов, в том числе из разнородной продукции, имеющей конструктивные возможности перевозиться одним манипулятором. Предлагается и анализируется алгоритм формирования пакетов изделий на входном потоке разнородных изделий с целью повышения эффективности работы склада. Используемый эвристический метод обобщает конкретные варианты технологических цепочек, в рамках методики совершенствования управляемости процессов складской деятельности предприятия. Формализованное математическое доказательство сформулированных эвристических выводов может быть предметом дальнейших исследований авторов.
Ключевые слова: автоматический склад, разнородная продукция, требования к пакету изделий, условия оптимальности управления, формирование пакета.
Введение. Автоматизированные динамические склады предназначены для приема, хранения, учета, выдачи на производство сырья, материалов, тары, а также временного хранения и накопления готовых изделий. Такие склады рассматриваются как часть основного производственного процесса, эффективность которого интересна как собственно для производства, так и для потребителей продукции[1,2,3]. Входной поток разнородной продукции поступает по входному порту на склад в основном ритмично в соответствии с плановыми заданиями на производство, но при наличии некоторой случайной составляющей, обусловленной обычными технологическими и организационными причинами. Выходной поток определяется потребителем и является случайной функций времени как по типам изделий, так и по размерам отгружаемых партий и сроков потребления [4,5].
Складские операции на входном порте склада (см. рис. 1). Количество мест хранения изделий на складе -А*В. Изделия «входят» на рольганге в склад на Ь позиций хранения вглубь
склада. Это зона формирования пакета изделий, причем Ь<<А. Под позициями изделий на складе толстыми стрелками изображены датчики типа изделия.
На транспортере разнородные изделия изображены условно различными овалами, которые расположены неравномерно в силу обычных технологических причин. Изделия попадают на транспортер автоматически с производящего их технологического оборудования. Транспортер, осуществляющий принудительное перемещений изделий от места их производства (отсутствие цвета), заканчивается стыковкой короткого транспортера (полупрозрачная закраска) с более высокой скоростью движения в склад. Это позволяет более быстро передавать изделия не останавливая основной транспортер, на рольганг (активный или пассивный), по которому они проталкиваются на позиции захвата манипулятором. Поэтому на этих позициях изделия стоят с равномерным расстоянием между центрами, что позволяет точно определять положение центра изделия. В реальных условиях на этом участке применяются различные схемы установки изделий на
позиции схвата: от активных, когда они фиксируются различными тормозными устройствами, до пассивных, когда останавливаются за счет взаимодействие с предыдущим изделием, удерживаемым жестким упором (в последнем случае не будет равномерного распределения центров изделий разного типа на транспортере, что приведет к необ-
ходимости дополнительной подсистемы идентификации центра изделия для его захвата). Это определяется формой и размерами изделий, поступающих на склад. Детально эти особенности в статье не рассматриваются, т.к. они не оказывают принципиального влияния на алгоритм формирования пакета.
Рис. 1. а) схема входного порта автоматического склада; б) схема сформированного пакета
На транспортере находятся разнородные изделия т различных видов, которые могут сформировать пакет. Особенности изделий заключаются в том, что благодаря их конструкции они могут «штабелироваться» прямо в захвате манипулятора, перевозящего изделия по складу. В качестве примера рассматриваются изделия торообразно-го вида, захватываемые изнутри тора путем разжатия трех вертикальных держателей. Внизу схвата имеются специальные «лапки» для захвата нижнего изделия, а все остальные держаться за счет сил трения. При этом одновременно могут удерживаться т1 единиц изделий, имеющих одинаковый внутренний диаметр (в частности, автопокрышки одинакового внутреннего диаметра, которых на производстве
может быть более 10 моделей, а удерживается меньше, например, 5 единиц в пакете, что определяется конструкцией манипулятора, конструкцией изделий и мощностью используемых приводов). Возможно применение описанных особенностей и принципиально к другим типам пакетов изделий, например, на поддонах и других приспособлениях. В таком собранном в пакет виде этим же манипулятором после формирования пакета изделия транспортируются по складу к месту хранения. На рис. 1 б) показано направление движения удерживающих изделия вертикальных захватов при захвате, подъеме и опускании пакета.
Общие требования к формированию пакета изделий. Пусть производство поставляет на склад т типов изделий. Среднюю интенсивность
входных потоков обозначим как возможные потери (затраты на внутри складские операции формирования пакетов для перевозки и перевозки их по складу) для каждого потока -
2=2(циииЩ, (1)
где и1 - множество параметров алгоритма управления, определяющих возможность формирования однородных пакетов и образования «заторов» при передаче изделий из зоны производства в зону хранения.
и2 - множество параметров алгоритма управления, определяющих время перевозки и размещения на хранение перевозимых компонентов на территории склада, 1=1, 2, ...,т.
Общие возможные потери при транспортировке изделий по складу могут составить
т
2! = 2 М)^, (2)
¡=1
где аД д i) - весовые коэффициенты по каждому виду продукции, зависящие от интенсивности потоков производства этой продукции как при производстве, так и при перемещении по складу.
Постановка задачи. Критерием оптимальности управления складом в целом являются суммарные затраты производителя на хранение изделий на складе и потребителей при отгрузке изделий со склада путем выбора параметров управления в зоне формирования и хранения перевозимых пакетов изделий. Ясно, что перевозку изделий на складе предпочтительно проводить пакетами, а не по штучно, т.к. в первом случае удельные энергозатраты на перевозку одного изделия будут ниже. Кроме того, предпочтительно перевозить в пакете изделия одного типа, что обеспечит минимальное время разгрузки манипулятора (пакет может быть
разгружен за одну операцию). В случае наличия в пакете изделий различного вида будет увеличено время разгрузки пакета по нескольким местам хранения, т.к. хранить целесообразно в одном пакете изделия одного типа, что облегчит отпуск изделий потребителю.
Одним из важных ограничений на формирование оптимальных пакетов перевозимых изделий являются ограничения на время формирования пакета, обусловленное необходимостью обеспечить непрерывную работу производства. Т.е. время «простоя» входного конвейера для формирования одного пакета, перемещения его к месту хранения, разгрузки и возврату манипулятора в начальную позицию должно быть меньше чем время заполнения буферной зоны транспортера, определяющей необходимость остановки транспортера, что может привести к нарушению хода технологического процесса производства. Другими словами, процесс формирования пакетов не должен допускать останова входного транспортера по инициативе рассматриваемого участка автоматического склада и не создавать неблагоприятные для качества изделия временные не предусмотренные технологией условия хранения вне склада и вне транспортера. Т.е. не должно быть временного снятия изделий с транспортера с целью ожидания «подходящего состава» очередного пакета. Поэтому если невозможно сформировать пакет изделий одного типа, то задачей алгоритма управления является формирование пакета с минимальным количеством типов изделий.
Поскольку последовательность поступления очередных изделий в принципе определяется планом производства, но обычные технологические причины, как указывалось выше, могут привести к наличию небольшой случайной составляющей потока изделий
каждого типа. Поэтому можно считать входные потоки преобладающе детерминированными, но с небольшой случайной составляющей. Для её учета в системе управления введены автоматические датчики, которые дают необходимую информацию о типах изделий, находящихся в зоне формирования пакета. Поэтому случайная составляющая поступления изделий на склад в алгоритме управления формально не учитывается.
Описание эвристического алгоритма формирования пакета изделий для перевозки на склад. Эвристический алгоритм формирования пакета на входном порте автоматического склада, обоснованный имитационным моделированием, реализуется в несколько шагов. Проиллюстрируем алгоритм на примере Ь=5.
Шаг 1. Найти подмножество изделий одного типа в зоне формирования пакета с наибольшим количеством р1 элементов и их позиции. При этом возможны различные варианты, которые сгруппированы в три группы:
1а) нет одинаковых изделий в зоне формирования, все представленные в зоне типы включают по 1 элементу (р1=1);
1Ь) зона формирования содержит р1 единиц одинаковых типов изделий;
1с) два типа изделий содержат по 2 ед. одинаковых изделий (р1 также как и при двух одинаковых изделиях одного типа будет равно 2).
Шаг 2. Загрузить их последовательно в количестве р1 единиц в схват манипулятора. Если в шаге 1 имеет место случай с, то загружаем в схват 2 единицы с наименьшим номером позиции от конца зоны формирования пакета. Это более вероятно позволит быстрее сформировать пакет, хотя однозначно это сказать невозможно, т.к. нет информации о следующих изделиях на транспортере. Хотя лучшие результаты
могут быть получены, если сначала взять схватом изделия с типом, который чаще встречается (как правило, выпуск изделий этого типа больший и такие изделия могут появляться с транспортера чаще). В результате этого шага в схвате манипулятора окажется р1 единиц одного типа и запомнены номера типов в последовательности изделий в схвате Кк,1-р. В процессе выполнения шага 2 изделия не поступают с быстрого транспортера на рольганг пока идет процесс отбора изделий. После отбора изделий происходит пополнение рольганга и осуществляется добор изделий. Длина быстрого транспортера рассчитывается таким образом, чтобы за время его заполнения манипулятор мог «взять» все изделия из зоны формирования пакета.В завершении этапа осуществляется продвижение изделий, «заблокированных» на время одной стадии формирования пакета на быстром транспортере и заполнение следующими изделиями полностью зоны формирования пакета. В зону формирования должно поступить р изделий.
Шаг 3. Повторяем фактически шаг 1, но уже с новым расположением изделий. Сначала ищем среди поступивших в зону формирования те изделия, которые на предыдущем этапе уже забрали в схват манипулятора. В этом случае возможны следующие варианты:
2а) в зону поступило р1 изделий, среди которых нет совпадающих по типу с уже имеющимися, в этом случае в пакет добавляется одно изделие с первой позиции зоны формирования пакета, в пакете становится р1+1 двух типов;
2Ь) в зону поступило р1 изделий, среди которых есть совпадающие по типу с уже имеющимися, в этом случае, как и в шаге 1, ищется подмножество изделий каждого из вновь поступивших типов во всей зоне формирования паке-
та с наибольшим количеством элементов и их позиции.
Возможные варианты могут быть аналогичны вариантам 1Ь - 1с. Пусть таких элементов будет р2 (р2 = максимальное количество изделий одного типа). Эти изделия добавляются в пакет. Если пакет не полон, то возвращаемся на шаг 2 и т.д. до тех пор, пока пакет не сформируется полностью из заданного количества элементов. В итоге пакет составят изделия одного типа, двух, ... пяти (в данном примере) типов. Позиция изделия каждого типа в пакете известна, что необходимо для выгрузки пакета для хранения на складе.
Исследование предложенного алгоритма проведено с применением имитационного моделирования. Предварительно был оценен объем модельных испытаний алгоритма. Для этого проанализировано влияние этого объема на результаты моделирования (исследовалось влияние входного потока при отборе от 20 до 1000 пакетов по 5 изделий в пакете при наличии в потоке пяти различных типоразмеров изделий; т.е. работа алгоритма анализировалась на суммарном потоке от 100 до 5000 изделий). По итогам этого исследования принято решение ограничиться анализом эффективности алгоритма при формировании более 200 пакетов, т.к. оказалось, что, начиная с 200 пакетов эффективность алгоритма, имеет небольшую случайную составляющую и позволяет достоверно оценить эффективность алгоритма. Исследования с помощью имитационного моделирования проводились для сравнения двух алгоритмов: детали с конвейера изделия берутся подряд и из них формируются пакеты со случайным расположением изделий в пакете; пакеты формируются по предложенному алгоритму. При этом рассматривается две ситуации:
объем производства пяти типов изделий одинаков и поэтому изделия поступают на входной порт склада примерно с одинаковой частотой, определяемой производством (по 1300 изделий каждого типа);
объем производства пяти типов изделий различен (при моделировании составляет соответственно 2200, 1900, 1100, 800 и 500 изделий 1, 2, 3, 4 и 5 типов); изделия поступают на входной порт с частотой пропорциональной «плановому» объему производства по типоразмерам.
В качестве оценки эффективности алгоритмов использовалось количество пакетов, содержащих не более двух типоразмеров изделий в различных возможных соотношениях:
a) весь пакет содержит максимальное число изделий одного типа (5);
b) пакет содержит 4 изделия одного типа подряд и 1 изделие другого типа;
c) пакет содержит 3 изделия одного типа подряд и 2 изделия другого типа тоже подряд.
Такая оценка результатов обусловлена тем, что в таких вариантах проявляется самый существенный эффект от работы алгоритма: структура пакета позволяет его разгрузить на складе не более чем за две общие операции (помещение на заданное место хранения изделий одного типа и его разгрузка и помещение на заданное место хранения изделий второго типа и его разгрузка), что обеспечивает наиболее эффективную работу процесса разгрузки пакетов в среднем. На рис. 2 приведены гистограммы оценки эффективности работы предложенного алгоритма формирования пакета.
5 4 3
кол-во однородных изделий идущих подряд в пакете
Ы 1300/1300/1300/1300/1300 по алгоритму И 1300/1300/1300/1300/1300 подряд И 2200/1900/1100/800/500 по алгоритму И 2200/1900/1100/800/500 подряд_
Рис. 2а. Результаты имитационного моделирования процесса формирования пакетов изделий: количество сформированных подряд однородных пакетов
Ы 1300/1300/1300/1300/1300 по алгоритму В 1300/1300/1300/1300/1300 подряд и 2200/1 900/11 00/800/500 по алгоритму И 2200/1 900/11 00/800/500 подряд_
Рис. 2б. Результаты имитационного моделирования процесса формирования пакетов изделий: количество разгрузок пакетов
Из гистограммы видно, что при формировании пакетов по предложенному алгоритму доля пакетов, содержащих эффективную структуру пакета изделий, значительно выше, чем при формировании пакета из подряд поступающих на входной порт изделий. При одинаковом плане выпуска изделий около 65% всех пакетов будут разгружены в места хранения максимум за две операции в отличие от формирова-
ния пакета по принципу «бери последовательно подряд с транспортера», где такая ситуация появится лишь не более чем в 4% случаев. При выбранном варианте неравномерного по объему производства - 81% пакетов будут разгружены за два приема в отличие от 15% без применения рассматриваемого алгоритма. При этом более 40% будут разгружены за одну операцию.
Заключение. В работе показано, что применение предложенного эвристического алгоритма формирования пакета перевозимых изделий, являющегося одной из важных частей управления автоматическим технологическим складом, позволяет существенно повысить его производительность и снизить энергетические затраты на внутрискладские операции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алиев Д.И., Федотов В.С., Васильков Ю.В. Оптимальное управление автоматизированным складом готовой продукции с различным сроком хранения в условиях неопределенности: Современные тенденции развития науки и производства //Сборник материалов III Международной научно-практической конференции. Западно-Сибирский научный центр; Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева. Изд-во: Общество с ограниченной ответственностью "ЗападноСибирский научный центр", 2016. С. 72-74.
2. Гаджинский А. М. Современный склад. Организация, технологии, управление и
логистика: учеб.-практическое пособие. М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2005. 176 с.
3. Седых М.И. Загрузка автоматического стеллажного крана-штабелера, определяемая имитационным моделированием работы склада участка ГПС. Прогрессивные технологии машиностроительных производств: отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN02361493 0032.html (дата обращения: 30.12.16).
4. Федотов В.С., Васильков Ю.В. Логистика автоматизированного склада // Сб. науч. тр. по материалам VII Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения в промышленности» (МНПК «ЛЭРЭП-7-2013»): Ярославль, 2013. С.173-176.
5. Федотов В.С., Алиев Д.И., Васильков Ю.В. Концепция управления складскими операциями при хранении разнородной продукции // В мире научных открытий: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-инновационный центр"(Красноярск). 2015. № 8.2 (68). С. 695705.
Рукопись поступила в редакцию 21.01.2017
FORMATION OF THE PACKAGE OF PRODUCTS FOR INCREASE EFFICIENCY OF THE AUTOMATIC TECHNOLOGICAL WAREHOUSE
Y. Vasil'kov, V. Fedotov, D. Aliev
In work questions of increase of efficiency of one of classes of the dynamic automated warehouses, which are in a chain of industrial activity of the enterprise are considered. Features of work of the chosen class of warehouses is possibility to place for storage the products, which have arrived on an input, in the form of packages, including from heterogeneous production, having constructive possibilities to be transported by one manipulator. The algorithm of formation of packages of products on an entrance stream of heterogeneous products for the purpose of increase of overall performance of a warehouse is offered and is analyzed. The used heuristic method generalizes concrete variants of technological chains, within the limits of a technique of perfection of controllability of processes of warehouse activity of the enterprise. The formalized mathematical proof of the formulated heuristic conclusions can be a subject of the further researches of authors.
Key words: automatic warehouse, heterogeneous production, the package product requirements, opti-mality conditions of control, the formation of the package.
