Формирование структуры парка подъемно

Формирование структуры парка подъемно-транспортного оборудования …
УДК 658.78.06, 62-1
А. Е. Радаев
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПАРКА ПОДЪЕМНОТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СКЛАДСКОЙ СИСТЕМЫ
Антон Евгеньевич Радаев, ассистент
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Россия, Санкт-Петербург
Тел.: (812)552-8401, E-mail: TW-inc@yandex.ru.
Аннотация
В работе рассмотрены вопросы обоснования структуры парка подъемно-транспортного оборудования складской системы тарно-штучных грузов. Разработана процедура формирования структуры парка подъемнотранспортного оборудования путем поэтапного решения задач формирования альтернативных вариантов состава подъемно-транспортного оборудования по различным иерархическим уровням с последующим обоснованием наиболее предпочтительных вариантов.
Ключевые слова: складская система, подъемно-транспортное оборудование, оптимизационная модель, имитационное моделирование.
A.E. Radaev
FORMATION OF HANDLING MACHINERY BASE’S STRUCTURE
FOR WAREHOUSE SYSTEM
Anton E. Radaev, St.Petersburg State Polytechnical University, Russia
e-mail: TW-inc@yandex.ru.
Abstract
The article covers issues concerning reasoning of handling machinery
base’s structure for warehouse system of package-by-package goods. The procedure of formation of handling machinery base’s structure, which is proposed
during the research, supposes step-by-step solving the tasks of creation of alternative variants concerning structure of machinery in line with different hierarchical levels and further reasoning of the most appropriate variants.
Key words: warehouse system, handling machinery, optimization model,
simulation modeling
1009
А. Е. Радаев
В современных условиях развития промышленных и торговых предприятий особую важность приобретают вопросы обоснования структуры
парка подъемно-транспортного оборудования (ПТО) складских систем,
используемого для реализации процессов грузопереработки в сферах
снабжения, производства и сбыта, в соответствии с требованиями по производительности, надежности, стоимости и т.д., обеспечивающими эффективное функционирование и устойчивое развитие предприятий. Применяемые на сегодняшний день аналитические подходы к решению вышеуказанной задачи основаны на большом количестве существенных допущений и в современных условиях функционирования складских объектов
не обеспечивают приемлемой точности получаемых результатов. Вместе с
тем мировая и отечественная практика все больше ориентируется на использование средств имитационного моделирования в процессе реализации проектов по проектированию или реорганизации функционирования
складских систем [1,2,3]. При этом в научной литературе отсутствуют какие-либо конкретные инструментальные средства, позволяющие наиболее
эффективно использовать современные парадигмы имитационного моделирования для решения задачи формирования структуры парка ПТО. Вышеуказанные обстоятельства определили актуальность выбранной темы
исследования, постановку его цели и основных задач.
Основу исследования составляет складская система, под которой в
данном случае понимается территориально обособленное подразделение в
составе торгового или промышленного предприятия, по отношению к которому выделяют внешние и внутренние грузопотоки, проходящие через
определенные технологические зоны (приемки, хранения, комплектации) в
виде так называемых грузовых единиц (транспортных средств, паллет, коробов и т.д.), обрабатываемых с использованием оборудования для погрузочно-разгрузочных работ (откидных мостов, доклевеллеров и т.д.), оборудования для хранения грузов (стеллажей различных типов), машин непрерывного транспорта (конвейеров различных конструкций) а также напольного рельсового и безрельсового ПТО, которому и уделяется основное
внимание в данной работе.
Объектом исследования является складская система, в составе которой осуществляется обработка тарно-штучных грузов с использованием
ПТО. Традиционно к тарно-штучным относят паллетированные и контейнеризованные грузы, обрабатываемые на распределительных складах и
контейнерных терминалах соответственно. Однако в рамках исследования
к тарно-штучным предлагается относить собственно штучные грузы ввиду
схожести соответствующих технологических процессов. Общая информация об объекте исследования представлена на рис. 1.
1010
Формирование структуры парка подъемно-транспортного оборудования …
Виды ПТО
Грузовые единицы (ГЕ)
Складские
объекты
Складские системы тарно-штучных грузов
Склады
пакетированных
грузов
Склады
контейнеризованных
грузов
Распределительные сбытовые
и снабженческие склады
торговых и промышленных
предприятий
Сухопутные и морские
контейнерные терминалы
Склады штучных
грузов
Склады материальных ресурсов, незавершенного производства и готовой продукции
промышленных предприятий,
перевалочные склады
Коробки картонные, бумажные,
Контейнеры 20-, 40- и 45пластиковые и т.п.; трансфутовые, контейнерыпортные пакеты; паллеты
рефрижераторы, контрейлеры.
деревянные, пластиковые и т.д.;
поддоны деревянные, металлические и т.д.
Прокат листовой, трубчатые
и фасонные профили (в
связке); крупногабаритные
поковки, отливки;
крупногабаритные детали,
Ручные и механизированные Оборудование для контейнерсредства напольного безрель- ных терминалов – контейнерсового (тележки, штабелеры, ные перегружатели, козловые
погрузчики и т.п.) и рельсо- краны (RTG), контейнеровозы
вого (краны-штабелеры,
(AGV), рич-стакеры, вилочные
тележки) оборудования
погрузчики и т.д.
Портальные краны, краныманипуляторы с магнитным
или вакуумным захватом,
такелажным оборудованием,
крупнотоннажные тягачи и
т.п.
Рис. 1. Общие сведения об объекте исследования
Целью исследования является разработка инструментальных средств,
обеспечивающих формирование структуры парка ПТО складской системы
тарно-штучных грузов на этапах проектирования и эксплуатации.
Основными задачами исследования являются:
– провести анализ подходов к решению задачи формирования структуры
парка ПТО на складах тарно-штучных грузов;
– предложить процедуру формирования состава ПТО в разрезе функциональных групп и классов, используемых в рамках складской системы
тарно-штучных грузов;
– предложить систему показателей для оценки эффективности функционирования парка подъемно-транспортного оборудования в складской
системе тарно-штучных грузов;
– разработать и реализовать на практическом примере методику формирования структуры парка ПТО для склада тарно-штучных грузов.
В соответствии с вышеперечисленными задачами на начальных этапах исследования был произведен обзор и анализ существующих подходов
к решению задачи формирования структуры парка подъемнотранспортного оборудования. Как правило, все существующие методические разработки предполагают последовательное выполнение следующих
основных этапов [4,7,8]:
– выделение в рамках исследуемого складского объекта технологических
зон (погрузки / разгрузки транспорта, промежуточного и основного
1011
А. Е. Радаев
хранения грузов, комплектации и т.п.) по принципам пространственной
обособленности и общности складских работ, выполняемых конкретными видами подъемно-транспортных машин;
– формирование альтернативных вариантов подъемно-транспортной техники для каждой выделенной технологической зоны с последующим
определением наиболее предпочтительного варианта при решении одно- и многокритериальных задач выбора;
– обоснование необходимого количества выбранного варианта ПТО с использованием функциональной зависимости числа единиц техники от
усредненных значений интенсивности поступления грузовых единиц
(ГЕ), и длительности обработки одной ГЕ единицей оборудования.
Вышеописанная методика решения задачи формирования структуры
парка ПТО складской системы тарно-штучных грузов имеет ряд недостатков, основными из которых являются:
– соответствие технологических зон склада однородным группам подъемно-транспортной техники не всегда подтверждается практикой: ввиду
универсальности выполняемых операций грузопереработки определенные виды оборудования зачастую работают в различных территориально обособленных технологических зонах (например, безрельсовые
электротележки могут быть использованы как при погрузке / разгрузке
транспортных средств, так и в стеллажной зоне);
– выбор конкретного варианта ПТО лишь по техническим характеристикам и стоимости единицы техники и отсутствие учета при этом потребного количества оборудования
– определение потребного количества выбранного варианта ПТО с использованием аналитических зависимостей с усредненными значениями
параметров функционирования складской системы не учитывает влияние фактора времени и стохастичности характеристик реальных процессов грузопереработки на число единиц техники, что негативно сказывается на точности конечных результатов.
Вышеперечисленные недостатки определили целесообразность уточнения существующей постановки задачи формирования структуры парка
ПТО складской системы тарно-штучных грузов, для чего были последовательно выполнены следующие этапы:
1. Уточнена классификация задач формирования структуры парка ПТО,
для решения которых предполагается использовать разрабатываемые
инструментальные средства (рис. 2). Указанные задачи предлагается
структурировать по стадиям жизненного цикла складского объекта,
способу организации функционирования оборудования и целевому критерию. В последнем случае речь идет преимущественно о двух способах постановки задачи, отличающихся друг от друга критерием поиска
решения и ограничением области допустимых вариантов решений. Так,
формирование структуры парка оборудования может производиться
1012
Формирование структуры парка подъемно-транспортного оборудования …
либо по критерию максимизации пропускной способности склада с ограничением по стоимости оборудования, либо по критерию минимизации затрат на ПТО с ограничением по требуемому уровню производительности. В данной статье основное внимание уделяется именно задаче
минимизации затрат.
Стадия жизненного
цикла складской
системы
Целевой критерий
обоснования
структуры парка
ПТО
Способ организации
работы ПТО
Рис. 2. Классификация задач формирования структуры парка ПТО
2. Предложена иерархическая структура парка ПТО складской системы
тарно-штучных грузов, предполагающая наличие трех структурных
уровней, соответствующих следующим уточненным понятиям:
– класс ПТО – разновидность подъемно-транспортной техники, характеризуемая набором отличительных особенностей конструкции механизмов передвижения, подъема и выдвижения грузозахватного
устройства, а также совокупностью технических характеристик (в
том числе грузоподъемности, рабочих скоростей механизмов, пространственно-габаритных характеристик, параметров маневренности, проходимости и т.д.), варьируемых в установленных диапазонах;
– функциональная группа ПТО – совокупность единиц подъемнотранспортной техники одной или нескольких марок, выполняющая
определенную группу последовательных операций грузопереработки
в рамках установленного технологического маршрута или технологической зоны складской системы;
– марка ПТО – разновидность подъемно-транспортной техники (изготавливаемой определенным производителем) в составе функцио1013
А. Е. Радаев
нальной группы ПТО, характеризуемая определенным набором
стоимостных и технических характеристик (с установленными значениями).
Пример предложенной структуры парка оборудования представлен на
рис. 3. Таким образом, каждому классу ПТО (например, погрузчики) в
общем случае может соответствовать несколько функциональных групп
оборудования (погрузчики для работ на открытых площадках, внутрискладские погрузчики и т.п.), каждая из которых может включать в себя
марки ПТО как одного (различие заключается в моделях оборудования),
так и различных производителей техники.
На базе вышеописанных разработок в рамках исследования была
предложена процедура формирования структуры парка ПТО, включающая
в себя следующие этапы (рис. 4):
1. Формирование альтернативных вариантов структуры классов ПТО с
предварительной проверкой:
– соответствия стоимости ПТО, затрат на создание склада (при организационном проектировании) либо на обеспечение условий эксплуатации (при организации функционирования) оборудования объему располагаемых денежных средств;
– соответствия ПТО требованиям СНиП (при организационном проектировании) либо фактическим параметрам (при организации функционирования)
складского
объекта
в
части
габаритнопространственных характеристик помещений, ровности опорных покрытий, допустимой нагрузки на опорные покрытия и т.п.;
– соответствия ПТО требованиям норм пожарной безопасности, экологичности и т.д.
2. Формирование альтернативных вариантов структуры функциональных
групп ПТО для каждого альтернативного варианта структуры классов
оборудования с предварительной проверкой соответствия средней длительности
технологического цикла, реализуемого совокупностью
функциональных групп ПТО, нормативному значению, указанному в
регламенте складских работ.
3. Формирование альтернативных вариантов марок ПТО в составе каждой
выделенной функциональной группы с предварительной проверкой соответствия параметров эргономичности, шумности, экологичности рассматриваемой марки ПТО требуемым (нормативным) диапазонам.
4. Обоснование оптимального состава ПТО в рамках каждой выделенной
функциональной группы путем решения оптимизационной задачи, содержащей целевой критерий обоснования структуры парка ПТО (см.
рис. 2), с использованием средств аналитического или имитационного
моделирования.
5. Суммирование значений параметров затрат и производительности, вычисленных в процессе решения оптимизационных задач в соответствии
1014
Формирование структуры парка подъемно-транспортного оборудования …
с п. 4, в рамках каждого альтернативного варианта структуры функциональных групп ПТО. Обоснование оптимального варианта структуры функциональных групп ПТО путем решения многокритериальной
задачи выбора на основе известных для каждого альтернативного варианта значений параметров затрат и производительности.
6. Суммирование значений параметров затрат и производительности, вычисленных в процессе решения многокритериальных задач выбора в соответствии с п. 5, в рамках каждого альтернативного варианта структуры классов ПТО. Обоснование оптимального варианта структуры классов ПТО путем решения многокритериальной задачи выбора на основе
известных для каждого альтернативного варианта значений параметров
затрат и производительности.
Структурный
уровень парка
ПТО
Парк ПТО складской системы тарно-штучных грузов
Трехопорные
электропогрузчики
для внутрискладских
работ
для работ на
открытых
площадках
Высотные
электроштабелеры
(рич-траки)
для обслуживания стеллажной зоны
для обслуживания зоны
комплектации
Электротележки с
платформой для
оператора
для погрузки/ разгрузки транспортных средств
Daewoo B13-T2
Cayman CPDS20
Atlet UHX 200
Atlet UND 140
Komatsu FB15G-12
Heli CPD10S-CQ2
Jungheinrich ETM214
Jungheinrich ETV216
Hyster P2.0S
Komatsu FB18M-12
Komatsu FB16M-12
Rocla HS16S
OM XR 14ac
Rocla TW16ac
TCM FТB18-7
Toyota 7FBE-10
Still SSI15ac
Xilin CQD20H
Yale MP20XV
Классы
Функциональные
группы
Atlet PLP 200
Марки
Рис. 3. Пример предложенной структуры парка ПТО складской системы
Для решения задачи обоснования состава ПТО в рамках определенной
функциональной группы, соответствующей п. 4 вышеописанной процедуры, было предложено использовать средства аналитического и имитационного моделирования. В первом случае предполагается производить построение оптимизационной модели с использованием элементов теории
систем массового обслуживания (СМО), основными из которых являются
следующие [5]:
– заявки (требования) – описывают однородные укрупненные ГЕ, образующие входной грузопоток для определенной функциональной группы;
– физические каналы обслуживания – описывают элементы объемнопланировочного решения, обуславливающие ограниченную пропускную способность складской системы;
1015
А. Е. Радаев
– организационные каналы обслуживания – определяются группами ПТО,
обслуживающими заявки (требования), находящиеся в физических каналах обслуживания;
– очередь – описывает совокупность заявок (требований), ожидающих
обслуживания при полной загрузке имеющихся каналов;
– механизм обслуживания – определяет последовательность операций
грузопереработки, осуществляемых ПТО в процессе обслуживания поступающих заявок (требований).
В состав исходных данных для построения оптимизационной модели
предлагается включать временные характеристики поступления заявок
(требований) различных типов; временные характеристики обработки заявок различными вариантами оборудования; располагаемое количество физических каналов обслуживания; максимальное количество единиц ПТО в
организационном канале обслуживания; экономические параметры в расчете на единицу оборудования (при приобретении нового или подержанного оборудования – первоначальная или остаточная стоимость оборудования соответственно, при аренде ПТО – текущие затраты, в том числе
арендные платежи).
В качестве искомых величин оптимизационной модели целесообразно
назначать параметры количества альтернативных вариантов ПТО в составе
функциональной группы.
Прямые ограничения на искомые переменные должны быть сформированы на основе информации о количестве единиц техники, располагаемом соответствующим поставщиком ПТО, а также об особенностях объемно-планировочного решения технологических зон складского объекта в
части
При формировании целевой функции, а также структурных ограничений необходимо использовать показатели суммарных затрат по всему парку оборудования, а также показатели производительности (средняя длительность обработки требований, вероятность образования очереди, средняя длина очереди), вычисляемые по известным аналитическим зависимостям в области теории СМО. Так, например, для функциональной группы
ПТО, осуществляющей погрузку / разгрузку транспортных средств в соответствующей технологической зоне целесообразно выделить СМО с ограниченной и неограниченной длиной очереди, содержащие соответственно
организационные и физические каналы обслуживания (рис. 4). С использованием известных функциональных зависимостей на основе исходных
данных для СМО с ограниченной длиной очереди можно рассчитать среднее время ожидания обслуживания требованиями (транспортными средствами), на основе которого вычислить среднее время простоя (ожидания обслуживания и непосредственной погрузки / разгрузки) транспорта, вероятность образования очереди транспортных средств и ее среднюю длину в
рамках СМО с неограниченной длиной очереди. Указанные показатели
1016
Формирование структуры парка подъемно-транспортного оборудования …
производительности функциональной группы ПТО так же, как и показатели затрат на оборудование, являются функционально зависимыми от искомых переменных имитационной модели. При этом если одна разновидность показателей (например, показатели производительности) используется при формировании целевой функции, другая должна обеспечивать построение структурных ограничений.
Многоканальная СМО
с неограниченной длиной очереди
Многоканальная СМО
с ограниченной длиной очереди
Поступающие требования
(ж/д и автотранспорт, партии
на загрузку / разгрузку)
Организационные каналы обслуживания
(группы ПТО для обработки требований)
Функциональная
группа ПТО
Физические каналы
обслуживания
(приемные ворота,
рампы раздачи и т.п.)
Очередь ограниченной длины
(требования, ожидающие обслуживания при полной загрузке
функциональной группы ПТО)
Зона промежуточного
хранения /
комплектации
Рис. 4. Основные элементы теории СМО, выделяемые в процессе решения
задачи обоснования оптимального состава функциональной группы ПТО
В отличие от существующих разработок, предложенный подход к решению задачи обоснования оптимального состава функциональной группы
ПТО, на наш взгляд, более адекватно описывает процессы складской грузопереработки и потому обеспечивает несколько большую точность получаемых результатов. Однако использование усредненных показателей производительности при построении вышеописанной оптимизационной модели свидетельствует об ограниченности учета стохастических параметров
функционирования складской системы и определяет целесообразность
применения подхода лишь в целях предварительного расчета потребного
количества оборудования. Для более детального исследования влияния
большого количества факторов функционирования складской системы на
потребное количество ПТО используются средства имитационного моделирования [9].
В рамках исследования был проведен анализ всех существующих на
сегодняшний день парадигм имитационного моделирования [3,6], по результатам которого сделан вывод о целесообразности использования дис1017
А. Е. Радаев
кретно-событийного подхода для моделирования процессов грузопереработки в рамках складской системы тарно-штучных грузов. Основными
элементами указанного подхода являются:
– заявки – однородные объекты (ГЕ, транспортные партии и т.п.), обладающие уникальными свойствами, поступающие в моделируемую систему, преобразуемые в ней и убывающие из нее по определенным
принципам;
– ресурсы – неотъемлемые относительно моделируемой системы объекты
(приемные ворота, единицы ПТО, складской персонал и т.д.), обладающие уникальными свойствами, взаимодействующие с заявками по определенным правилам;
– потоковые диаграммы – специальные схемы, определяющие алгоритм
движения и преобразования (в том числе взаимодействия с ресурсами)
заявок внутри моделируемой системы, т.е. технологию грузопереработки;
– сети – совокупность графических объектов, обеспечивающих движение
заявок и ресурсов в заданные положения по заданным маршрутам в соответствии с объемно-планировочным решением моделируемой системы.
Использование указанных элементов при решении задачи формирования структуры парка ПТО складской системы тарно-штучных грузов наиболее полно удовлетворяет основным принципам рациональной организации процессов грузопереработки (таким, как прямоточность, параллельность и т.д.), а обеспечиваемый соответствующими средствами имитационного моделирования уровень детализации исследуемого объекта позволяет достичь высокой точности результатов решения указанной задачи на
этапах проектирования и эксплуатации складской системы [10].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Back W., Hwang H., Lee M. Clustering algorithms for order picking in an
automated storage and retrieval system // International Journal of Production
Research. – 1998. – N 26(2). – pp. 189-201.
2. Kefi M., Korbaa O., Ghedira K. Container Handling using multi-agent architecture // Lecture Notes in Computer Science. – 2007. – N 4496. – pp. 685693.
3. Борщев А.В. Практическое агентное моделирование и его место в арсенале аналитика // Exponenta PRO. – 2004. – № 3-4 (7-8). – с. 38-47.
4. Гаджинский А.М. Современный склад. Организация, управление, технологии и логистика: учебно-практическое пособие. – М.: ТК Велби,
Изд-во Проспект, 2005. – 176 с.
1018
Формирование структуры парка подъемно-транспортного оборудования …
5. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания: учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. школа, 1982. – 256 с.,
ил.
6. Карпов Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 400 с., ил.
7. Маликов О.Б. Склады и грузовые терминалы: справочник. – СПб.: Издательский дом «Бизнес-пресса», 2005. – 560 с.
8. Пилипчук С.Ф. Логистика предприятия. Проектирование складской логистической системы предприятия: учеб. пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 231 с.
9. Пилипчук С.Ф., Радаев А.Е. Моделирование складских логистических
процессов // Логистика и управление цепями поставок: перспективы в
России и Германии: Сборник статей V германо-российской конференции по логистике. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – с. 197-208.
10.Радаев А.Е., Кобзев В.В. Методика обоснования структуры парка оборудования для складского комплекса промышленного предприятия на
основе имитационного моделирования // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2011. – № 1(114). – с. 98-104.
1019