基于COI的改进分类存储策略研究

王 洋，谢 勇

（华中科技大学 系统工程研究所，湖北 武汉 430074）

基于COI的改进分类存储策略研究

王 洋，谢 勇

（华中科技大学 系统工程研究所，湖北 武汉 430074）

以某烟叶库为背景，提出了基于COI的改进分类存储策略，即将货物先按COI进行分类，再按照定位存储对各类中的货物进行货位分配。通过仿真与随机存储、定位存储及传统的分类存储相比较，提出的改进分类存储策略极大地节省了拣选成本。

货位分配；分类存储；COI；定位存储

1 引言

仓库作为供应链的重要组成部分，其运作效率受多因素影响，如仓库布局、存储策略的选择、订单拣选方式。其中存储策略是指为入库的物料分配最佳货位（因为可能同时存在多个空闲的货位）[1]，既考虑如何提高货位利用率，又要保证出库效率[2]。因此，选择合适的存储策略不仅可以有效利用仓库货位空间，在一定程度上也会降低存取成本。

常用的存储策略有随机存储、定位存储、分类存储。随机存储中货物的存储位置是随机安排的，存储规则简单但货物的盘点工作难度较大，且周转率高的货物可能被存储在离仓库出入口较远的位置，增加了出入库的搬运距离。定位存储对每种货物指定存储位置，指定的货位容量必须大于货物的最大入库量和在库量之和，因此可能造成存储空间的浪费。分类存储对所有货物按一定规则进行分类，而同属一类的货物在各类区域里随机存放，这在一定程度上加大了货物出入库管理和盘点工作的难度。由于各存储策略各有利弊，若能将上述存储策略相结合，利用优势互补，可实现最优的货位分配。

本文以某烟叶库作为研究对象，提出一种改进的分类存储方式，即将分类存储与定位存储相结合。

2 分类存储

首先将本文中的仓库术语介绍如下：

（1）廊道：仓库库区对应的货架纵排；

（2）货格：廊道中的存储单位（由多个托盘位组成用来存放同种货品的存储区域）；

（3）库区：货物的各分类对应的存储区域（如：将所有货物按分类存储分为3类时，相应的库区也为3个）。

本文研究的仓库是一个人工拣选的多巷道背靠背式存储区域。过去烟叶存储采取按廊道随机存储，即一个廊道对应一种烟叶。该存储策略既没有充分利用仓库存储空间，又造成了仓库作业成本的浪费。

常用的分类存储策略有：Pareto分类存储，基于周转率的分类存储以及基于货品的订单体积指数（Cube-Per-Order Index，COI）的分类存储。基于COI的分类存储不仅考虑了货物的周转率而且考虑了货物的存储空间。COI是Heskett[3]于1963年提出的，货物的COI是指某段时期内存储某种货物所需要的总存储空间与该货物的周转率之比，即COIp=Cp/fp，Cp是指某段时期内存储货物p所需的总存储空间，fp是指该段时期内货物p的周转率，每种货物对应一个COI值。COI的早期应用是将COI值最小的货物最靠近出入口存放，然后次之，按照这个原则依次指派货位。随后，又将COI方法进一步使用到分类存储中，即以COI值作为标准，将所有货物分为几类（通常是3～5类），每一类货物都有固定的存放位置，但在各类的库区内，每种货物的货位分配是随机的[4]。

本文研究的烟叶库中烟叶品种繁多，管理复杂，而基于COI的分类存储策略综合考虑了货物的存储空间和周转率，综合考虑各种存储策略的优缺点，本文提出了将基于COI的分类存储策略与定位存储策略相结合的方法，即一种改进的分类存储策略，首先对所有货物按COI值进行分类，其次在各类库区内对货物进行定位存储，以使每种货物在库区内都对应一个货格以足够容纳分配给该货格的货物。

3 仓库分区

本文研究的仓库背景烟叶库为一多巷道背靠背式存储区域（其仓库俯视图如图1所示），出库和入库共用一个路口，即图1的左上侧。本文对所有货物首先基于COI值进行分类存储，而分类存储通常是3-5类，本文取3类，则对应的库区也为3个。由1中的术语介绍得图1中的L即对应1个廊道，图1所示的仓库共有14个廊道，每个廊道包括4个货格，每个货格是由多个托盘位组成用来存放同种货品的存储区域，因此图1的每个廊道可存放4种货品。在对货物分类及库区划分时，通过用户指定的分类比例来对货物及库区进行划分。如：当对货物按COI升序排列并且分类比例是2:3:5时，将占货物总量的前2/10货物分为A类，接下来的占货物总量的3/10货物分为B类，最后占货物总量的5/10货物分为C类。在对库区进行划分时，计算各货格距离出入库口的距离（以货格的几何中心点作为起始点），并将各货格按距离升序排列，最后将占货格总数的前2/10的货格对应于A类货物的库区即A区，接下来的占货格总数的3/10的货格对应于B类货物的库区即B区，最后占货格总数的后5/10的货格对应于C类货物的库区即C区（假设各个库区足够容纳分配给该区的货物总量）。

4 分类区域内的货位分配

传统的基于COI的分类存储策略在各类的库区中采用随机存储，这在一定程度上会造成仓库资源和成本的不合理分配。本文提出了改进的分类存储策略，在各类库区内对货物进行定位存储，即将货物指派到该类库区的固定货格位置处。该定位存储策略通过建立一成本模型，综合考虑货物的存储成本和拣选成本，最后的货位分配结果为使总成本最小的分配方式。

该货位分配模型参考文献[5]中的成本模型，本模型建立在下述假设前提下：（1）仓库货物出入库共用一个路口（即I/O口）；（2）同一货物出库及入库沿相同路径，且货物出入库均按照返回策略（拣货人员从拣货廊道的同端进入和退出）；（3）计算货物到出入库口的距离时，按货物所在货格的几何中心到出入库口的距离为准；（4）计算几何距离时，不计货格宽度；（5）每个货格足够容纳分配在该货格中的货物；（6）货物以托盘为单位出库。模型的参数说明如下：

该货位分配模型为一线性0-1整数规划，由两部分组成：①周期T内所有货物的库存成本；②周期T内的待拣选货物的拣选成本，ylp为模型对应的决策变量，其中约束条件（2）限制了每个货格l至多用来存放一种类型的货物，条件（3）限制了决策变量的取值范围为0或1。确定了ylp即可将货物p与货格l的位置对应起来以得到库区内各货物的货格货位分配结果，具体求解采用Lingo软件。

5 基于COI的改进分类存储策略的仿真与实现

综合上述部分，本文的改进分类存储策略的货位分配按下述流程进行：（1）由各货物的历史数据（即某段时期内各货物的周转率以及各自所需的存储空间）算出其COI值；（2）根据货物的COI值及用户指定的分类比例对货物及库区进行分类；（3）在各类库区中根据上面提出的货位分配模型求出ylp，完成各类库区中货格货位分配。其流程图如图2所示。

与传统分类存储策略相比，本文的改进分类存储主要有以下优势：（1）将定位存储应用到分类存储的分类库区中，在对货物进行分类管理的同时，还可对每种货物分配固定的货格位置；（2）由于每种货物都对应一固定的货格位置，有利于货物的跟踪管理，降低库存管理的难度；（3）货物出库拣选时可快速定位到货物所在的存储货格，减少查找货物的时间，提高仓库的作业效率。

为实现基于COI的改进分类存储策略，本文以matlab为平台建立仿真模型。该模型以图1所示的仓库俯视图为基准（具体的廊道数及货格数由系统初始化产生），仿真流程如图3所示。

在本仿真模型中，按照图3所示流程进行。系统首先初始化仓库廊道数，各个廊道中的货格数，廊道大小，间距等仓库参数以及单位拣选成本（单位托盘拣选成本，单位：元/米）。接着由系统随机产生各货物在一段时期内所需的总存储空间和周转率，并由此计算各货物的COI值。接着由用户输入分类比例，系统自动将库区和货物分为ABC三类。对每类库区中的货物按照数学模型（1）中给出的最优化模型进行求解，得到每种货物的货格位置。求解时周期T取一个月，实际仿真时对货格货位分配的求解结果恰等同于按照周转率进行货位分配的结果。接着由各货物的周转率计算得到各货物的月销售量（托盘数），订单的产生即以各货物的月销售量为标准，并考虑到实际订单量与历史数据之间存在一定的偏差，本文定义了一个浮动频率fd来表示实际订单量与历史数据间的浮动关系，其服从均值为0标准差为0.2的正态分布，在此基础上得到各货物的年订单量（托盘数）是以（月销售量*12）为中心，浮动范围为[1-0.5*|fd|，1+0.5*|fd|]。在年订单量的基础上，结合系统初始化时给定的拣选成本以及各货物所在货格离出入库口的距离，可得到仓库的总拣选成本。

为了与其他存储策略进行比较，在仿真时本文在同种情况下将随机存储、定位存储以及单一分类存储的拣选成本与本文的基于COI的改进分类存储的拣选成本做一对比。仿真时，随机存储将所有货物按品种随机分配货格位置，定位存储采取基于COI的定位存储策略，即按照COI的升序将对应的货物依次存放在距离出入库口由近及远的位置，单一的分类存储采取基于COI的分类存储策略，而在各类货物所在库区内采取随机分配货格的存储策略。

系统初始化设仓库共有10个廊道，每个廊道含有5个货格（每个货格包含10个托盘位），即对应于库容为50个货格的仓库，且每个货格足够容纳分配在该货格的货物。廊道长度为16m，宽度为1.5m，廊道间距为1.2m，过道宽度为0.8m，单位拣选成本为0.5元。对模型进行100次仿真，即模拟100个年订单量得到各存储策略的拣选成本图如图4所示。

上述仿真结果表明基于COI的改进分类存储的拣选成本在四种存储策略中为最小的。考虑仓库所有货物的年订单量，随机存储的拣选成本最大，其次为单一分类存储（即传统的分类存储），而定位存储的拣选成本略高于基于COI的改进分类存储。可见，在不考虑采取路径优化策略的情况下，本文基于COI的改进分类存储可以很大地减小仓库拣选成本。

改变系统的初始化参数，令仓库的廊道数为20个廊道，每个廊道含有6个货格（每个货格包含10个托盘位），即对应于库容为120个货格的仓库，且每个货格足够容纳分配在该货格的货物。廊道长度为35m，宽度为1.5m，廊道间距为1.2m，过道宽度为0.8m，单位拣选成本为0.5元。对模型进行仿真得到各策略的拣选成本如图5所示。上述仿真结果表明在仓库参数改变时（库容变大），基于COI的改进分类存储的拣选成本在四种存储策略中仍为最小的。随机存储的拣选成本最大，其次为单一分类存储（即传统的分类存储），而定位存储的拣选成本略高于基于COI的改进分类存储。可见在仓库库容变大的情况下，本文基于COI的改进分类存储更为明显的减小了仓库总拣选成本。

由上述结果得，在仓库格局及货物销售量一定时，并考虑货物的实际销售量可能与历史销售情况有一定偏差，本文的基于COI的改进分类存储策略的拣选成本都要小于同种情况下的随机存储、定位存储和单一的分类存储。而且此时，随机存储的拣选成本最大，其次为单一分类存储，定位存储的拣选成本小于单一分类存储的拣选成本而略高于基于COI的改进分类存储的拣选成本。在仓库库容很大的情况下，本文的基于COI的改进分类存储可更加显著地减小仓库的总拣选成本。

6 结论

本文提出的基于COI的改进分类存储是一种将分类存储与定位存储结合的存储策略，它在一定的仓库格局及货物历史数据可知（可预测）的情况下，对减少仓库拣选成本，有效利用货位都有积极的作用。另一方面在分类库区对货物进行定位存储不仅可对货物进行分类管理，同时可实现对货物的实时跟踪，减小库存管理的难度及查找货物的时间。

[1]党伟超,曾建潮,白尚旺.自动化立体仓库货位分配概念数据模型的研究[J].太原重型机械学院学报,2003,24（4）:308-311.

[2]邹晖华,胡吉全,杨艳芳.自动化立体仓库货位分配策略优化研究[J].湖北工业大学学报,2008,23（3）:43-45.

[3]Heskett J L.Cube-per-order index:A key to warehouse stock location[J]. Transportation and Distribution Management,1963,（3）:27-31.

[4]Petersen C G,Aase G.A comparison of picking,storage,and routing policies in manual order picking[J].International Journal of Production Economics,2004，92（1）:11-19.

Study on the Improved COI-based Inventory Strategy

WANG Yang,XIE Yong
（Systematic Engineering Research Institute,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan 430074,China）

The paper proposes to implement the improved COI-based inventory strategy in tobacco warehouses.The strategy goes as follows:first classify the warehouse products in terms of their cube-per-order index and then allot dedicated storage space to the different classes.The strategy is found capable of greatly reducing picking cost after a comparison between stochastic storage,dedicated storage, and traditional class-based storage via simulation.

storage assignment,class-based storage;COI;dedicated storage

F224.0;F253.4

A

1005-152X（2010）h23-0107-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2010.h23.035

2010-11-05

王洋（1986-），女，湖北十堰人，华中科技大学硕士研究生，研究方向：物流与供应链管理、物流信息系统；谢勇（1974-），男，湖北黄陂人，华中科技大学控制科学与工程系副教授，研究方向：物流与供应链管理、物流信息系统、决策支持系统、电子商务与电子市场。