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基于层次划分的仓库设计决策

2007-09-24

１引言

　　国家标准对仓库的定义是：保管、储存物品的建筑物和场所的总称１。从中可以看出，该定义主要侧重于仓库的储存功能。在经济全球化和供应链管理渐入佳境的时候，更多的企业不再将仓库看成是一个单纯的储存场所，而将其视为商品流通中心。

　　仓库设计是一项非常重要的工作，因为仓库运作中产生的物流成本绝大部分在仓库设计阶段就已经决定。陈秉钧和邝志伟２研究了用于工具、标准件等物料仓储与运输的自动化仓库系统设计；纪红任等人３提出了自动化立体仓库规划的原则和步骤，阐述了立体仓库规划论证工作的主要内容；Ｇｅｌｄｅｒｓ和ＬｕｄｏＦ ４研究了在固定需求和变动需求情况下仓库存储能力设计；Ｙｏｕｎｇ和ＪａｎＢ ５在仓库设计阶段引入仿真方法，对仓库中各业务流程进行测量、监控、评估和控制；ＧｉｌｌｅｓＣｏｒｍｉｅ６指出仓库设计问题主要是仓库设计模型、吞吐能力模型和储存能力模型。这些研究主要集中在仓库布局的优化方法和自动化仓库设施的设计与选择上，属于仓库设计的局部优化。但仓库设计是一个复杂过程，需要考虑的因素众多，要设计出比较理想的仓库，必须将这些因素进行归类划分，并在此基础上优化决策。

　　２仓库要素

　　２．１仓库类型

　　按照服务对象的不同，仓库一般可分为生产型仓库和流通型仓库７。顾名思义，生产型仓库是为工厂生产服务的，主要存储原材料、半成品、工具等，并存放企业生产的产成品，其中有些物品可能需长期存放。流通型仓库主要是为分销领域服务，一般存放的是种类繁多的产成品，并呈现单一品种数量较少、产品存放周期较短等特点。
　　２．２仓库绩效衡量

　　衡量仓库绩效的主要指标包括投资和运行成本、容量和灵活性、吞吐量、存储能力、反应时间和订单满足率。一个特定指标的重要性根据仓库类型的不同而不尽一致：生产型仓库的设计主要是提高库存能力，因而其主要设计要求是在一定的仓库投资和运作成本基础上提高仓库的容量；而对于流通型仓库，主要目的是快速满足顾客的订单，因而高效的分拣系统就显得至关重要，其主要设计要求是在既定投资和运作成本基础上获得最大的吞吐量。

　　２．３仓库作业流程

　　一般由四个活动组成：产品接收，产品储存，按订单分拣和产品发运。根据设计需要还可以加入其他活动，比如具有流通加工功能的仓库应包括流通加工活动。产品接收是对外部到达的产品进行检验、换装以及搬运到等待入库区等活动；产品储存是指为入库产品分配空闲货架以及产品入库搬运等活动；按订单分拣是分配人员和设备，按照订单要求进行产品拣选；产品发运是将产品按照客户进行分类，然后装车发运。一项对英国企业仓库的研究８表明基本流程中的四项活动，订单分拣活动的成本占了很大部分，一般仓库有超过６０％的运作成本被分拣活动所占用。

　　３仓库设计中的层次划分

　　仓库设计是一个决策过程，需要考虑很多问题，这些问题之间有的相关性很高，有的相关性较小；有的问题出错可能会影响整个仓库运作的效率，严重时可能会使仓库不能使用，而有的问题出错影响很小，不会带来全局的影响。所以，可以借鉴管理学上广泛运用的层级结构，对仓库设计中所遇到的决策问题进行分层考察。

　　３．１战略层设计

　　在战略层次上，仓库设计主要考虑的是对仓库具有长远影响的决策。战略层次上的决策决定着仓库设计的整体方向，并且这种决策目标应与公司整体竞争战略相一致。比如企业期望将快速顾客反应和高水平的顾客服务水平作为其竞争优势，那么在仓库的战略层设计中，就要将提高顾客订单反应速度作为仓库设计的主要目标，调动公司的所有资源去实现这个目标。仓库设计时战略层面主要有三个决策见图１。这三个决策互相影响，互为条件，形成了一个紧密的环状结构。

　　３．１．１仓库选址决策。仓库地址的选择影响深远。首先，仓库地址决定仓库运作成本，如将仓库建立在郊区，其土地和建设成本可能会降低，但其顾客服务成本将大幅度上升。其次，仓库地址会影响企业的发展，如仓库地址没有可供扩充的土地，将会因不能满足企业扩张而失去使用价值。最后，仓库地址会决定仓库设施的选择，如仓库选择建在铁路线旁，在仓库设计中就要有接收火车货物的站台。

　　仓库选址决策不仅影响着仓库设计的各个方面，而且会对企业整体发展战略产生影响。所以，仓库选址决策必须得到企业高层和仓库设计者的高度重视，其主要考虑因素包括服务可得性、服务成本和选址对作业成本的影响，同时还要考虑地址是否提供了可扩张空间和一些必要的公共设施。

　　３．１．２流程设计相关决策。仓库作业流程决定了仓库运作的各项成本和效率。对于新建立的仓库，优化的流程可以在达到既定仓库运作效率的基础上，减少仓库各项人力和设备投资。对于旧的仓库，优化其作业流程可以在不增加投资的基础上，提高仓库的运作效率。

　　流程设计对企业来说至关重要，但对不同的企业，因为在产品种类、仓库设计目标和订单特点等方面的差异，各仓库运作流程不尽一致。同时，仓库作业流程设计会严重影响到仓储方式和设备的选择。例如，企业要增加仓库加工活动，首当其冲的就是增加加工设备的投资以及改变仓库作业区域的布置，诸如仓库各个活动衔接的顺序和规则、人员的配备和培训、仓储系统等都要做出相应的改变。因此，必须将仓库作业流程的设计放在战略层面上，只有实现作业流程的合理高效，其它的设计工作才能顺利展开。

　　３．１．３仓储类型决策。仓储系统指的是产品分拣或储存接收中使用的设备和运作策略的组合。根据自动化程度的不同，仓储系统可分为三类８：手工仓储系统（分拣员到产品系统）、自动化仓储系统（产品到分拣员系统）和自动仓储系统（使用分拣机器人）。在手工订单拣选中存在两个基本策略：单一订单拣选和批量拣选。批量拣选中，订单既可以在分拣中进行分类，也可以集中一起再事后分类。旋转式仓储系统是一种典型的自动化仓储系统，人站在固定的位置，产品围绕着分拣人员转动。自动仓储系统是由分拣机器人代替人的劳动，实现仓储作业的全面自动化。

　　仓储类型的选择可以分解为两个决策问题：一是以技术能力考虑仓储类型；二是从经济角度考虑仓储类型。技术能力的考虑是：储存单位、储存系统和设备必须适应产品的特点、订单的特点和仓库期望达到的目标，并且相互之间不能出现冲突。比如，一定大小的仓库要达到既定的容量和吞吐量，仓储系统的选择上就有一定限制；储存产品的类型和尺寸也会对储存系统有一定要求。通过对技术能力的考察可以选择出一组适合的仓库系统，然后通过对其经济性的考虑选择最合适的仓储类型。经济角度衡量仓储类型时需要注意在仓库投资成本和仓库运作成本之间达到均衡。

　　３．２战术层设计
　　
　　战术层面上的决策一般考虑的是仓库布局、仓库资源规模和一系列组织问题（见图２）。

　　３．２．１仓库布局。主要由存储物品的类型、搬运系统、存储量、库存周转期、可用空间和仓库周边设施等因素决定。其中，搬运系统对仓库布局有很大影响，因为搬运系统决定了仓库作业的流程通道。仓库布局应最有效地利用仓库的容量，实现接收、储存、挑选、装运的高效率，同时应考虑到改进的可能性。

　　３．２．２仓库资源规模。仓库规模大小主要由存储物品数量、存储空间和货架的规格决定；仓库各作业区域大小主要由仓库作业流程、储存货物种类和仓库种类决定；物料搬运设备和工人的数量由仓库的自动化程度和处理进出货物的数量决定。仓库资源规模必须在仓库整体投资的限制下进行考虑。

　　３．２．３组织问题。考虑仓库在接收、储存、分拣和发运各个过程中的规则。补货策略是考虑在什么情况下由货物存储区向分拣存货区进行补货，一个好的补货策略可以更好地发挥分拣存货区的作用。批量拣取是把多张订单集合成一批，依商品类别将数量加总后再进行拣取，然后根据客户订单作分类处理。拣货批量是在采取批量拣取方式下每次拣货数量的大小，它的决定是在衡量分拣经济性和订单满足时效性的基础上进行。储存方式是对货物入库分配货位规则的规定，一般有五种９：随机存储原则，分类存储原则，ＣＯＩ（Ｃｕｂｅ－ｐｅｒ－ｏｒｄｅｒｉｎｄｅｘ）原则，分级储存原则和混合存储原则。存储原则的选择会影响商品入库、出库的效率和仓库库容的利用率。需要指出的是，ＣＯＩ原则是用商品接收发出的数量总和与其储存空间的比值，比值大的商品靠近入、出库的地方。

　　３．３运作层设计

　　　在运作层面上，主要考虑人和设备的配置与控制问题，主要决策见图３。接货阶段的运作层设计期望获得在一定设备和人员投资下物品接收的高效率。通过对仓库的试运行或者对仓库接收系统的模拟，可以确定最佳的送货车辆卸货站台分配原则以及搬运设备和人员的分配原则。发运阶段考虑的内容与接货阶段相似，但又增加对货物组合发运的考虑，通过合理的组合，可以最大限度地利用每一辆车的运载能力。储存阶段的运作层设计是确定仓库补货人员的分配，即是由专门的人员完成补货任务还是由拣货人员完成补货任务。同时储存阶段还要具体实现仓库储存的原则，即按照战术层选择的储存方式，完成货架和商品的对应关系。

　　订单拣选阶段运作层的设计内容比较繁多。首先要确定订单集合的原则或者订单拣选的顺序，前一层次确定的只是最佳的拣货批量，怎样将订单进行集合形成最佳批量是运作层需要考虑的问题；订单集合或者订单拣选顺序决策主要是考虑对不同顾客订单应有不同的重视程度。其次是拣货方式和拣货路径的确定，是采取一个人负责一个拣货批量，还是将一个拣货批量分解由不同的人进行拣选，在拣货方式确定的情况下才可以决定最佳的拣货行走路径。ＶａｎｄｅｎＢｅｒｇ等人８通过研究表明分解订单的方式可以减少分拣所需移动的平均距离和时间。最后是对整个分拣系统的优化。实际的仓库运作中，可以从很多方面提高分拣效率，如对空闲设备停靠点的优化就可以在不增加投资的基础上提高整个拣取速度。

　　４各个层次间的关系

　　前面介绍了仓库层级设计所需考虑的各项决策内容。通过把仓库设计的各项决策用三层次结构进行划分，可以看出每个层次自身的特点和各个层次之间的关系（见图４）。

　　战略层上各个决策相关性特别大，一种决策会严重影响到其它决策，因而在进行战略层决策时不能将各个方面割裂开来进行优化。战术层决策相关性变弱，但仍然存在，所以战术层决策时要按照决策的相关性进行分组，每个决策组的优化要特别注意组内相关性。运作层决策的相关性降到最低，基本上可以忽略，每种决策都可以使用最优的方法进行单独优化。

　　各个层次之间是一种约束关系：战术层决策是在战略层所作决策的限制下进行；运作层决策是在战略层和战术层所作决策的限制下进行。从各层的关系上可以看出仓库设计中应该将主要精力放在仓库设计的战略层决策。没有好的战略层设计，就没有在低成本下高效运作的仓库。

　　５结论

　　在仓库设计中使用层级结构，有利于在仓库设计阶段有更加明确的方向，使仓库设计按步骤逐渐展开；有利于理清仓库设计中各种决策之间的错综复杂关系，认识到各种决策的轻重缓急；也有利于使仓库设计在投资限制和设计目标的指导下进行。

　　本文概念性地介绍了仓库设计中层级结构的划分方法，指出每一层次需要考虑的各项决策，但对各层次决策的依据和仓库的优化方法没有进行深入研究。今后研究的方向是：①在层级结构的框架下，研究各个层次具体的设计和优化方法以及将各个层次的设计方法加以综合；②仓库设计与物流系统设计的集成研究。

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