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A survey of literature on automated storage and retrieval
自动化存储与检索系统文献综述
Kees Jan Roodbergen, Iris F.A. Vis
摘要
自动化存储和检索系统（AS/RSs）是用于在分销和生产环境中存储和检索产品的仓储系统。本文对近30年来的文献进行了综述。对AS/RS设计中的一系列问题（如系统配置、行程时间估计、存储分配、驻留点位置和请求排序）进行了全面的说明。所研究的大多数模型和求解方法仅适用于静态调度和设计问题。然而，对AS/RSs的需求越来越具有动态性，因此需要开发新的模型，以克服计算时间长和规划范围有限的问题，并提高系统性能。此外，还详细说明了未来在AS/RSs设计和控制方面研究的其他几种途径。2008 Elsevier B.V.保留所有权利。
关键词：物流；自动化存储和检索系统；仓库；系统设计；控制策略
1．介绍
自动化存储和检索系统自20世纪50年代出现以来，在配电和生产环境中得到了广泛的应用。自动化存储和检索系统（AS/RS）通常由起重机通过货架之间的过道提供服务的货架组成。AS/RS能够在不受操作员干扰的情况下处理托盘，因此系统是完全自动化的。在生产和分销环境中，AS/RSs用于将产品（如原材料或（半）成品）放入仓库，并用于将这些产品从仓库中检索到完整的订单。1994年至2004年间，美国分销环境中使用的自动化立体仓库（AS/RSs）数量显著增加（2005年美国物料搬运行业自动化存储检索系统生产部门）。与非自动化系统相比，AS/RSs的使用有几个优点。例如节省劳动力成本和地板空间，提高可靠性和降低错误率。明显的缺点是投资成本高（单过道AS/RS约634000美元，Zollinger，1999年），灵活性低，控制系统投资高（约103000美元，Zollinger，1999年）。
在设计自动化立体仓库时，必须以正确的方式解决许多物理设计和控制问题，以充分利用其所有优点。本文在研究国内外文献的基础上，对生产和销售环境中AS/RS设计和控制的所有重要问题进行了综述。此前，已经发表了几篇综述性论文，讨论了AS/RS文献的一部分。然而，几乎所有这些概述文件的重点都不同于AS/RSs，例如，一般的仓库设计。正因为如此，这些论文中仅介绍了AS/RSs的有限方面和与AS/RSs有关的有限参考文献。Matson和White（1982）回顾了一些材料处理研究领域，其中一个领域涉及AS/RSs。Kusiak（1985）描述了柔性制造系统的设计和操作决策问题，重点是自动引导车辆和AS/RSs。该作者讨论了AS/RSs的设计、存储和批处理（即订单合并）策略。Johnson和Brandeau（1996）讨论了自动引导车辆和AS/RSs的设计和控制的随机模型。Manda和Palekar（1997）讨论了AS/RSs的旅行时间估计和存储分配规则。
仓库设计和控制概述包括Cormier和Gunn（1992年）、Van den Berg（1999年）、Rouwenhorst等人。（2000年），De Koster等人。（2007）和Gu等人。（2007年）。由于范围广泛，这些论文只讨论了AS/RS问题和文献的一小部分。据我们所知，Sarker和Babu（1995）是唯一一篇专门讨论AS/RSs的论文，然而，本文只回顾了AS/RSs的一些设计方面，而将重点放在旅行时间模型上。我们得出的结论是，我们的论文似乎是过去10年来第一篇专门研究AS/RSs的综述性论文，也是第一篇对AS/RSs中的所有设计和控制问题进行全面综述的论文。
本文的主要结构如下。首先，我们给出了AS/RSs的一般描述和相关设计和控制问题的分类。本文的主体部分是文献综述，讨论了这些设计和控制问题的解决方法。最后，提出了相关的开放性研究问题。更详细地说，第2节定义了各种类型的AS/RSs，并描述了一些重要的技术特性。第3节介绍了物理设计和控制问题的分类。在第4节中，将对支持所讨论的每个物理设计问题的方法进行更详细的描述。有关存储分配（第5节）、批处理（第6节）、空闲AS/RSs停车（第7节）和排序（第8节）的单独控制策略的论文将在后续章节中讨论。旅行时间估计和其他绩效指标将在第9节中讨论。第10节提出了结论和需要进一步研究的问题。
2．AS/RS类型
AS/RS系统被定义为一种存储系统，它使用固定路径的存储和检索机器，在固定存储货架阵列之间的一个或多个轨道上运行（美国材料处理行业自动化存储检索系统生产部门（2005））。AS/RSs用于在各种设置中存储和检索装载。AS/RS的主要部件是货架、起重机、过道、I/O点和拾取位置。货架通常是金属结构，其位置可容纳需要存储的装载（例如托盘）。起重机是一种全自动的存储和检索机器，可以自动移动、装卸货物。过道是由货架之间的空隙形成的，起重机可以在这里移动。输入/输出点（I/O点）是将回收的货物卸下的位置，以及将进入的货物提取储存的位置。拾取位置（如果有的话）是人们在将装载发送回系统之前从检索到的装载中移除单个项目的位置。
AS/RSs有很多系统选项。AS/RS最基本的版本在每个过道上都有一台起重机，它不能离开指定的过道（过道捕获），并且一次只能运输一个单位的货物（单梭）。在这种情况下，产品搬运仅按单位装载量（例如，全部托盘数量）进行；不涉及人员搬运单个产品。基本版本中的货架是固定的和单深的，这意味着起重机可以直接接近每个装载。这种AS/RS类型被称为单机组装载过道俘获式AS/RS。这种基本的AS/RS有许多变化。主要选项的概述如图1所示。我们将在下面讨论一些选择。
图1.各种AS/RS系统方案的分类
基本AS/RS的一个可能变化是起重机能够改变过道。在这种情况下，系统中的起重机可能比过道少。如果请求的数量不能证明为每个过道购买起重机是合理的，这可能是有用的。为了克服起重机单位承载能力的限制，多梭式起重机应运而生。这种起重机一次可以运输两个或更多的货物。能够运输两种货物的起重机也被称为双梭式起重机；能够运输两种以上货物的起重机仍然很少见到。例如，增加的运输能力使起重机能够首先取回一个装载，然后将另一个装载存储在同一位置，而无需到达中间的I/O点。
通常，AS/RS仅用于处理单元货物（通常是托盘）。单位负荷通过自动引导车、输送机或叉车等方式从仓库的其他部分到达自动化立体仓库的输入/输出点。单位负荷存储在AS/RS中，并在一段时间后再次检索，例如，将其发送给客户。然而，在许多情况下，可能只需要部分单位负荷就可以满足客户的订单。这可以通过在仓库中有一个单独的领料区来解决；在这种情况下，AS/RS用于补充领料区。或者，拣货操作可以与AS/RS集成。一种选择是设计起重机，以便人员可以乘坐（船上人员）。该人员可以从该位置拾取一个项目，而不是从该位置自动检索完整的托盘。集成项目拣选的一个更常见的选项是，当AS/RS降低到工作站上检索到的单元装载时。该工作站的拣货机从机组负荷中取出所需数量的产品，然后AS/RS将剩余负荷移回存储架。这种系统通常被称为过道末端系统。如果单位负荷是箱，则系统通常称为小负荷AS/RS。
在货架中的存储可以是单深或双深。在双深货架中，每个货架位置都有两个单元装载的空间；一个装载存储在另一个装载的前面。只有在第一个位置没有装载时，才能将装载放入或从第二个位置取回。如果装载种类相对较低且这些装载的周转率较高，则双深存储可能会有好处（Tompkins等人，2003）。可能需要对起重机进行修改，以便能够从两个位置存储和检索荷载。传送带系统（水平或垂直、单或双）适用于在不同级别存储中小型产品。起重机用于存储和检索旋转转盘上的物品。双转盘的下部和上部可以相互独立地旋转。
最后，值得一提的是一种特殊类型的AS/RSs，称为自主车辆存储和检索系统。该系统将水平和垂直行程分开。车辆通过过道水平地在轨道上行驶，而升降机则用于垂直传递荷载。
3．设计决策概述
在设计自动化立体仓库时，必须确保能够有效地处理当前和未来的需求需求，同时避免瓶颈和产能过剩。由于物理布局和设备的灵活性，必须立即进行正确设计。在图2中，示出了设计问题及其相互依赖性的示意图。
图2.AS/RS系统的设计
认识到自动化立体仓库通常只是仓库中众多系统中的一个，这一点很重要。AS/RS的真正性能通常受到其他系统的影响，正如其他系统的性能受到AS/RS的影响一样。这在AS/RS的I/O点的系统相互作用中最为明显，但不限于此。装载由AS/RS在I/o点进行装卸。例如，传送系统或一组车辆的任务就是连接从I/O点到仓库的其余部分。一个系统的延迟会导致另一个系统的延迟。因此，在决定I/O点的数量、位置和缓冲能力时，可能还需要考虑其他系统的特性。
此外，AS/RS的要求可能取决于系统的一般环境。在制造环境中，AS/RS主要需要及时提供所需的所有材料，以确保生产能够继续进行。生产处于领先地位，不应停止生产以等待自动化立体仓库。在分销环境中，自动化立体仓库执行或支持订单检索过程，以确保客户的订单及时离开工厂。
AS/RS实际设计的一部分显然是确定其物理外观。物理设计包括两个方面，它们共同决定了系统的物理表现形式。首先，我们可以选择AS/RS类型（系统选择）。其次，必须确定所选系统，例如，通过确定过道数量和货架尺寸（系统配置）。这些相互关联的选择可以基于历史和预测数据、产品特性、可用预算、所需吞吐量、所需存储空间和可用土地空间等。图1显示了AS/RS类型的各种选项，但是，很少有研究可从可用选项中选择最佳类型的系统。Allen（1992）对各种AS/RS类型以及选择标准进行了更详细的概述。
表1显示了任何给定类型AS/R的配置决策列表。对于一个典型的设计问题，预先给出了总容量。这基本上意味着过道数量、货架高度和货架长度的数学乘积是恒定的。因此，增加过道数量意味着减少货架长度和/或高度，以保持所需的存储容量。由于这种关系，由于货架长度和高度的减少，过道越多，间接导致响应时间越短。此外，设计变更常常同时以多种方式产生影响。在每个过道一台起重机的标准系统中，拥有更多过道也意味着拥有更多起重机，这反过来会导致更高的吞吐量和更高的投资成本。
表1 AS/RSs设计决策概述
即使给出了过道的数量，货架高度和长度之间仍然存在权衡。由于起重机可以同时垂直和水平移动，实际移动时间等于水平和垂直移动时间的最大值（切比雪夫距离度量）。水平移动速度通常高3m2，而垂直移动速度高达0.75m2（Tompkins等人，2003）。货架高度和长度之间的良好平衡有助于减少行程时间。一种常见但不一定是最优的配置是货架square-in-time，这意味着到达最高行所需的时间等于到达最远列所需的时间。任何在时间上不是正方形的货架都称为矩形。
通常，货架具有相同大小的存储位置。然而，为了满足高度变化的客户需求，允许在单个货架中存储不同形状的装载也很有趣。此外，AS/RS每个过道可能有多个I/O点。与只在过道前面放置I/O点不同，另一个I/O点可能位于过道的中间和/或后部。以这种方式，例如，输入和输出装载的流量可以很容易地分离。物理设计领域的研究将在第4节中讨论。
与物理设计同样重要的是，使AS/RS运行所需的软件控制（见例如，Fohn等人，1994；Terry等人，1988）。一个好的设计过程应该同时解决系统的物理设计和控制问题。无论实际的优化过程如何，都需要一个性能测量系统来评估每个阶段产生的系统的总体性能。这突出了绩效评估在现场的重要性。许多关于业绩衡量的出版物已经出版，将在第9节讨论。
控制策略是确定AS/RS执行的操作的方法。通常，AS/RS的操作由一组连贯的控制策略控制，每个控制策略负责特定的活动子集。存储分配策略用于确定将哪些产品分配到哪些位置。闲置起重机（即无工作可执行的起重机）等待的位置由停站点策略确定。最好选择待命点，以尽量减少到达下一个（仍然未知）请求的预期时间。
一个单元装载AS/RS可以以两种方式运行，即在一个命令周期内或在一个双命令周期内。在单个命令循环中，起重机执行单个存储或单个检索请求。然后，存储周期时间等于在输入站提取装载的时间、移动到存储位置的时间、将装载放置在货架中的时间和返回输入站的时间之和。检索周期时间可以类似地定义。如果AS/RS在一个周期内同时执行存储和检索请求，我们称之为双命令周期。在这种情况下，循环时间被定义为提取装载的时间、到存储位置和存储装载的时间、从存储位置到检索位置的空行程时间（交错时间）和提取单元装载并将其传输到输出站的时间之和。显然，如果执行双重命令，则执行所有存储和检索请求的总时间会减少。AS/RS的巡更包括一系列单命令或双命令循环，从第一个请求的起点开始，到最后一个请求的终点结束。排序规则可用于创建巡更，以便将处理所有请求的总时间减至最少，或者将到期时间减至最少。
作为最终控制策略，批处理考虑如何将不同的客户订单组合到起重机的一次巡视中（主要适用于As/RS船上的人员）。表1概述了可能需要选择的所有控制决策问题。从文献中可以看出，控制策略的某些组合比其他组合更有效。在第5-8节中，我们对文献中讨论过的所有AS/RS控制政策进行了广泛的讨论。
4.物理设计
只有少数几篇论文讨论了AS/RSs的设计与工厂其他物料处理系统的设计。这些论文大多考虑制造环境。Chincholkar和Krishnaiah Chetty，1996年使用Petri网和田口方法同时处理as/RS系统的作业调度和柔性制造系统中机器的作业调度。AS/RS既负责存储和检索装载，也负责在机器之间传输装载。Inman（2003）研究了AS/RSs在汽车工业中的应用。AS/RS的功能是恢复在设施中的各个进程中处理作业的顺序。提出了一个基于需要重新调度的作业数
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