Abstract:
In der Lagerlogistik wird immer mehr Flexibilität und Skalierbarkeit gefordert. Shuttle Systeme mit Behälterlift gewinnen daher zunehmend an Bedeutung. Aufgrund der Entkopplung der horizontalen und vertikalen Bewegungen können bei diesem System gleichzeitig Lager- und Förderprozesse durchgeführt werden. Dadurch lässt sich ein sehr hoher Durchsatz erzielen. Aufgrund der unterschiedlichen Kundenanforderungen, aber auch dem Ziel der Leistungssteigerung, werden bestehende Shuttle Systeme von den Herstellern kontinuierlich angepasst und weiterentwickelt. Dies führt jedoch dazu, dass die technische Entwicklung in der Praxis der wissenschaftlichen Betrachtung dieser Systeme oftmals voraus ist. ... mehrInfolgedessen fehlen oft methodische und analytische Modelle für bereits bestehende Systeme.
Eine immer häufiger in der Praxis anzutreffende Konfiguration sind Shuttle Systeme in Kombination mit einem doppeltiefen Lager, einem Doppel-Lastaufnahmemittel und der Lagerung von unterschiedlich großen Ladeeinheiten. Eine wissenschaftliche Betrachtung und Bewertung dieses Systems liegt jedoch noch nicht vor. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Forschungslücke zu schließen.
Aufgrund der Komplexität von Shuttle Systemen ist eine detaillierte und allgemeingültige Beschreibung zwingend erforderlich. Um alle relevanten Daten eines Shuttle Systems zu erfassen, wird ein methodischer und allgemeingültiger Ansatz, bestehend aus acht Schritten, vorgestellt. Darüber hinaus wird ein Ansatz für die Beschreibung des Layouts, Materialflusses und der Steuerungsstrategien mit Hilfe von Blockdiagrammen, angepassten „Unified Modeling Language“-Diagrammen und angepassten "Activity Swim Lane"-Diagrammen präsentiert.
Anschließend werden für einige Standardkonfigurationen und für ein Shuttle System mit doppeltiefer Lagerung, einem Doppel-Lastaufnahmemittel und der Lagerung von zwei unterschiedlich großen Ladeeinheiten analytische Modelle zur Berechnung der Fahrtzeit, Spielzeit und dem Durchsatz entwickelt. Die entwickelten analytischen Modelle werden so angepasst, dass diese auch für unterschiedliche Lagerbetriebsstrategien gültig sind. Die entwickelten Modelle werden mittels einer Simulation validiert. Mithilfe der analytischen Modelle werden anschließend unterschiedliche Shuttle System Konfigurationen und verschiedene Lagerbetriebsstrategien miteinander verglichen und bewertet. Es wird gezeigt, dass ein steigender Lagerfüllgrad und eine steigende Anzahl kleiner Ladeeinheiten zu einer Erhöhung der Spielzeit führt. Darüber hinaus wird empfohlen, immer zwei kleine Ladeeinheiten zusammen auf derselben Ebene ein- und auszulagern, um einen höheren Durchsatz zu erzielen.
Im nächsten Teil der Arbeit wird untersucht, inwieweit die Spielzeit durch eine optimale Sequenzierung der Ein- und Auslageraufträge reduziert werden kann. Dazu wird ein Optimierungsmodell (0/1 ganzzahlige Optimierung) mithilfe der Software IBM ILOG CPLEX Optimization Studio aufgestellt mit dem Ziel, die optimale Reihenfolge eines Blocks an Ein- und Auslagerungsaufträgen mit minimaler Fahrtzeit zu erhalten. Unter Verwendung des entwickelten Optimierungsmodells wird anschließend die Leistungssteigerung gegenüber der Abarbeitung nach „First Come First Served“ bewertet. Eine optimierte Reihenfolge führt zu einer durchschnittlichen Verbesserung von 4.72 % (Fehlergrenze des Mittelwerts, 95 % Konfidenzintervall 0,49 %) gegenüber „First Come First Served“. Den größten Nutzen hat das Optimierungsmodell für Shuttle Systeme mit einem hohen Lagerfüllgrad und einer großen Anzahl an kleinen Ladeeinheiten.
Abschließend wird mithilfe der Materialflusssimulationssoftware AnyLogic ein ereignisdiskretes und agentenbasiertes Simulationsmodell aufgebaut, um die Auswirkungen verschiedener Parameter und Lagerbetriebsstrategien auf die Systemleistung zu bewerten. Es wird gezeigt, dass der Durchsatz eines Shuttlesystems von der Anzahl der Pufferplätze abhängt. Der Durchsatz kann mit zunehmender Anzahl von Pufferplätzen erhöht werden, da sich die Wartezeiten vom Lift und von Shuttlefahrzeugen vor dem Eingangs- und Ausgangspuffer verringern. Ein Puffer mit sehr hoher Kapazität erhöht den Durchsatz, ist aber auch mit höheren Investitionskosten und Platzbedarf verbunden. Um das für den gewünschten Anwendungsfall am besten geeignete Shuttle System zu finden, muss am Ende das bestmögliche Verhältnis von Investitionskosten, Durchsatz und anderen relevanten Messgrößen gewählt werden. Dies kann mit Hilfe der entwickelten Simulationsmodelle und analytischen Modelle erfolgen.
Abstract (englisch):
Shuttle-based storage and retrieval systems with tote lifts are becoming more popular for warehouse logistics due to their increased flexibility and scalability. By decoupling the horizontal and vertical movements, lift and shuttle vehicle movements can be performed simultaneously. This allows a very high throughput to be achieved. Due to the different customer requirements, but also the goal of increasing performance, existing shuttle systems are continuously adapted and further developed by the manufacturers. However, this leads to the fact that the technical development in practice is often ahead of the scientific study of these systems. ... mehrAs a result, methodical and analytical models for already existing systems are often missing.
An increasingly common configuration in practice is a shuttle system with double-deep storage, a dual-load handling device and the storage of differently sized unit loads. However, a scientific study and evaluation of this system is not yet available. The aim of this work is to close this research gap.
The large number of independently operating systems, like lifts and shuttle vehicles, different rack shapes and the use of different control strategies make shuttle systems very complex. Therefore, a detailed description of the characteristics of a shuttle system is mandatory. In order to capture all relevant data of a shuttle system, a methodological and generally valid approach consisting of eight steps is presented. In addition, an approach is presented for a universal representation of the design, material flow, and control strategies using block diagrams, adapted “unified modeling language”-diagrams and adapted “activity swim lane” diagrams.
Subsequently, for a shuttle system with double-deep storage, a dual-load handling device and the capability to store two differently sized unit loads, analytical models for travel time, cycle time, and throughput are developed. In addition, the analytical models are adapted to be valid for different control strategies. Using the analytical models, different shuttle system configurations and different control strategies are then compared and evaluated. It is shown, that an increasing filling degree and an increasing number of small unit loads lead to an increase of the cycle time. For the lift system, it is shown that two small unit loads should always be stored and retrieved together on the same tier, to achieve a higher throughput.
In the next part of the thesis the optimization potential is investigated by optimizing the sequence of storage and retrieval requests. For this purpose, a zero-one integer programming model is developed, using the software IBM ILOG CPLEX Optimization Studio, with the objective of obtaining the optimal sequence of a block of storage and retrieval requests with minimum cycle time. Using the developed optimization model, the performance improvement compared to processing the requests after “first come first served” is then evaluated. It is shown, that optimized sequencing leads to an average improvement of the total cycle time over “first come first served” of 4.72 % (Error Bound for the Mean - 95 % confidence interval 0.49 %). The most impact of optimization occurs in environments that have a high filling degree and a large number of small unit loads.
Finally, a discrete event agent-based simulation model is constructed, using the software AnyLogic, to evaluate the impact of different parameters and control strategies on system performance. It is shown that the throughput of a shuttle system depends on the number of buffer locations. The throughput can be increased with an increasing number of buffer locations, since waiting times of the lift and shuttle vehicles in front of the inbound and outbound buffer are decreased. A buffer with very high capacity increases throughput, but is also associated with higher investment costs and space requirements. For the most suitable shuttle system for the desired use case, the best possible ratio of investment costs, throughput, and other relevant key performance indicators must be selected in the end. This can be done with the help of the developed simulation and analytical models.
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