Throughput Models and Performance Evaluation for Multi-Deep Automated Storage Systems

Automatisierte Lagersysteme werden als einfach- oder mehrfachtiefe Lagersysteme in der Industrie eingesetzt. In mehrfachtiefen Lagersystemen werden mehrere Ladungsträger hintereinander in einem Lagerkanal oder übereinander in einem Stapel gelagert. Dadurch kann im Vergleich zu einfachtiefen Lagersystemen ein höherer Raumnutzungsgrad erreicht werden. Die Lastaufnahmemittel können jedoch auch nicht auf alle Ladungsträger direkt zugreifen und blockierende Ladungsträger müssen umgelagert werden. Der Vorteil des höheren Raumnutzungsgrads steht dadurch dem Nachteil benötigter Umlagerungen gegenüber.
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Für die Planung neuer mehrfachtiefer Lagersysteme muss der erreichbare Durchsatz während des Betriebs abgeschätzt werden, um die Lagersysteme richtig auslegen zu können. Der Durchsatz hängt von der Betriebsstrategie ab, welche wiederrum aus den folgenden fünf Lagerpolitiken besteht: Kanalstrukturpolitik, Lagerplatzvergabepolitik, Umlagerpolitik, Lagergutauswahlpolitik und Bewegungspolitik des Regalbediengeräts bzw. Roboters. Diese Thesis präsentiert analytische Modelle zur Berechnung des Durchsatzes für mehrfachtiefe automatische Hochregallager und roboterbasierte Lagersysteme für insgesamt 13 verschiedene Betriebsstrategien. Die 13 Betriebsstrategien werden analysiert, um einerseits am Markt befindliche Lagersysteme und deren Betriebsstrategien abbilden zu können und andererseits Betriebsstrategien zu identifizieren, die einen möglichst hohen Durchsatz ermöglichen. Dadurch kann die Effizienz mehrfachtiefer Lagersysteme gesteigert werden. Bei der Erstellung der Modelle wird von einem Gleichgewichtszustand im Lager ausgegangen, bei dem es gleich viele Ein- wie Auslagerungen gibt. Dadurch wird ein Systemzustand erreicht, der repräsentativ für den Betrieb in der Praxis ist.

Acht Betriebsstrategien basieren auf der Annahme, dass es nur homogene Produkte gibt, die alle die gleiche Zugriffswahrscheinlichkeit haben. Fünf weitere Betriebsstrategien basieren auf der Annahme heterogener Produkte. Heterogene Produkte unterschieden sich in ihren Zugriffswahrscheinlichkeiten und der Anzahl gelagerter Ladungsträger im Lagersystem. Der Gleichgewichtszustand in den Lagersystemen wird mithilfe von Markov Ketten bestimmt und der Durchsatz der Lagersysteme wird durch geschlossene Wartesystemnetzwerk berechnet.

Die analytischen Modelle werden per Simulation validiert und weisen weniger als 3% Abweichung zwischen analytischen Modellen und Simulation auf. Für die validierten Modelle wird eine Vergleichsstudie durchgeführt, um bewerten zu können, welche Druchsätze mit verschiedenen Lagerparametern erzielt werden. Dadurch kann bestimmt werden, welche Betriebsstrategien die höchsten Durchsätze erreichen. Der Vergleich der Betriebsstrategien zeigt, dass die Nutzung der Informationen heterogener Produkte verglichen zur Nutzung homogener Produkte zu signifikant höheren Durchsätzen führt. Dabei führt insbesondere eine klassenbasierte Lagerplatzvergabepolitik zu den höchsten Durchsätzen aller Betriebsstrategien.

Automated storage systems are available as single-deep or multiple-deep storage systems. In multi-deep storage systems, several unit loads are stored behind each other in a storage channel or on top of each other in a stack. This leads to a higher space utilisation compared to single-deep storage systems. However, load handling devices cannot access all unit loads directly, and blocking unit loads must be reshuffled. The advantage of the higher space utilisation is thus offset by the disadvantage of the need for reshuffles.

When planning new multi-deep storage systems, the throughput during operation must be estimated in order to design the storage systems. ... mehrThe throughput depends on the operating strategy, which consists of the following five policies: allocation structure policy, storage assignment policy, reshuffle policy, retrieval unit load selection policy, and movement policy of the load handling device. This thesis presents analytical models to calculate the throughput for multi-deep automated storage and retrieval and robotic compact storage and retrieval systems for a total of 13 different operating strategies. The 13 operating strategies are analysed to be able to map storage systems on the market and their operating strategies on the one hand and to identify operating strategies that enable high throughput capacities on the other. This can increase the efficiency of multi-deep storage systems. When creating the models, a steady state is assumed in the storage system in which there are the same number of storage and retrieval jobs. This achieves a system state that is representative of operation in practice.

Eight of these operating strategies are based on the assumption that there are only homogeneous products that all have the same access frequency. Five further operating strategies are based on the assumption that there are heterogeneous products. Heterogeneous products differ in their access frequencies and the number of stored unit loads in the storage system. The steady state in the storage systems is determined using Markov chains, and the throughput of the storage systems is calculated using closed queuing networks.

The analytical models are validated by simulation and show less than 3% deviation between analytical models and simulation. A comparative study is performed for the validated models to evaluate which throughput capacities can be achieved for different storage system parameters. This makes it possible to determine which operating strategies achieve the highest throughput. The comparison of operating strategies shows that the utilisation of information from heterogeneous products leads to significantly higher throughput compared to the utilisation of homogeneous products. In particular, a class-based storage assignment policy leads to the highest throughput of all operating strategies.