Xây dựng giải thuật sắp xếp và vận chuyển hàng hóa trong kho lạnh tự động

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Khoa học hàng hải Xây Dựng Giải Thuật Sắp Xếp Và Vận Chuyển Hàng Hóa Trong Kho Lạnh Tự Động Đặng Trường Giang Nghiên cứu sinh Khoa học Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam truonggianglaws@gmail.com Nguyễn Duy Anh Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam duyanhnguyen@hcmut.edu.vn Tóm tắt - Với nhu cầu lưu trữ, truy xuất rút ngắn quãng đường, thời gian, kiểm soát lượng hàng tồn kho, hạn chế tối đa cố thất lạc hư hỏng hàng hóa q trình lưu trữ, truy xuất vận chuyển, việc xây dựng giải thuật quản lý hàng hóa nhằm tối ưu, hiệu quả, tiết kiệm dễ thao tác cần thiết Các giải thuật viết dựa lập trình C# với giao diện trực quan để hỗ trợ tối đa tương tác người dùng hệ thống kho lạnh tự động Keywords—Kho lạnh, xếp kho tự động, logistic I GIỚI THIỆU Hệ thống kho lạnh tự động nhiệt độ thấp, đó, quy trình xếp hàng, xuất hàng quản lý hàng hóa tự động phần tồn phần thơng thường hệ thống gồm 03 khu vực sau:  Khu vực xếp, xuất hàng hóa: Nơi chờ để xếp hàng vào kho lưu hàng chờ xuất kho, bao gồm thao tác kiểm tra nhận dạng hàng hóa, cập nhật liệu giải thuật tìm vị trí hàng lưu kho;  Khu vực đệm: Nơi hàng hóa làm lạnh, ổn định nhiệt độ trước đưa vào kho cách ly khu vực lưu trữ hàng hóa nhiệt độ thấp với bên ngồi; Võ Cơng Phương Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam phuong.vo@ut.edu.vn đặt vị trí cố định kho– phương pháp Moon Kim [2] Vị trí gần (COL) phương pháp cho phép đơn vị lưu trữ (SKUs) xếp vào vị trí gần kho [3] Truy xuất q trình lấy hàng từ vị trí lưu trữ kho giao cho khách hàng đáp ứng yêu cầu khách hàng Đây trình tốn kém, chi phí vận hành cao [4], [5], [6] Căn vào ngày xếp hàng ngày hết hạn lưu trữ hàng hóa có sách truy xuất khác nhau: Xếp trước xuất trước (First in first out - FIFO), xếp sau xuất trước (Last in first out - LIFO) hết hạn xuất trước (First expire first out - FEFO) [5] Việc lựa chọn sách lưu trữ, truy xuất hàng hóa kho dựa giả định điều kiện thực tế Việt Nam từ xây dựng phần mềm thử nghiệm từ sách để kiểm sốt hàng tồn kho, phương pháp xếp hàng hóa phù hợp tối ưu, dùng quản lý cơng việc từ người dùng thể thông qua tham số khoảng cách, vị trí xây dựng mô không gian kho II GIẢ ĐỊNH THỬ NGHIỆM VÀ YÊU CẦU XÂY DỰNG GIẢI THUẬT  Khu lưu trữ hàng hóa: Các dãy kệ chứa hàng hóa, pallet hàng xếp thực thơng qua xe nâng hệ thống thang nâng tự động A Giả định thử nghiệm Việc quản lý hàng hóa kho bao gồm việc xác định vị trí lưu trữ (Stock Keeping Unit-SKU) có sẵn tên hàng, tọa độ hàng, ngày xếp hàng để phân loại hàng hóa kho, lưu giữ thơng tin hàng hố Việc lưu trữ truy xuất hai chức quan trọng việc quản lý kho  Hệ thống gồm 160 vị trí chứa vị trí chứa 01 kệ hàng với 04 loại mã khác nhau; Lưu trữ trình xếp hàng kệ chứa trực tiếp kho theo sách ngẫu nhiên, nhóm hàng, chất lượng hàng, sách cố định, vị trí gấn (tên tiếng Anh-COL) Trong sách lưu trữ ngẫu nhiên, SKU gán ngẫu nhiên vào vị trí trống kho – theo phương pháp Petersen, [1] Trong sách lưu trữ cố định, SKU Để thuận tiện việc xây dựng giải thuật đáp ứng nhu cầu thực tế đề xuất giả định sau:  A1: Tơm loại 100g/4 khơng cịn đầu;  A2: Tơm loại 100g/4 cịn đầu;  A3: Tơm loại 100g/6 khơng cịn đầu;  A4: Tơm loại 100g/6 cịn đầu  Hàng hóa xếp kệ kệ SKU, đơn vị nhỏ trình truy xuất lưu trữ kho; 251 Đặng Trường Giang, Nguyễn Duy Anh, Võ Công Phương  Lưu trữ truy xuất không phụ thuộc vào khách hàng, mã hàng, loại hàng Nghĩa hàng hóa khách hàng khơng thiết xếp gần nhau;  Không xét đến việc lưu trữ, tiêu thụ hàng hóa theo mùa vụ, tức hoạt động xếp hàng hóa quanh năm B Yêu cầu xây dựng giải thuật Việc quản lý hàng hóa kho việc xếp, bố trí cho khoa học, hợp lý nhằm tạo thuận lợi cho hoạt động xếp, xuất quản lý hàng tồn kho chặt chẽ giải thuật quản lý đạt hiệu cao:  Quá trình lưu trữ: Hàng hóa xếp vào kho trước phải ưu tiên xuất trước (tiếng Anh-FIFO) Đồng nghĩa hàng hóa xếp kho trước khoảng cách di chuyển hàng hóa từ vùng đệm đến kệ ngắn nhất;  Quá trình truy xuất: Đảm bảo quãng đường xe nâng di chuyển xếp hàng A1, A2, A3, A4 vào kho ngắn Nghĩa mã hàng hóa trích xuất dựa ngày xếp hàng hóa xếp trước lấy trước III GIẢI THUẬT SẮP XẾP HÀNG HÓA Kho lạnh thiết kế thành 02 lối đi, 04 dòng, dòng bao gồm 05 tầng A, B, C, D, E, 04 dòng I, II, III IV 08 hàng 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, với sức chứa 160 vị trí lưu trữ Việc thiết kế nhằm tạo thuận lợi việc quản lý hàng hóa chứa, phân tồn khu vực kệ chứa thành dòng, lớp tầng hình Hình Phân bố kệ hàng hệ thống kho Đối với việc vận chuyển hàng hóa xe nâng phương tiện tương tự, độ dài quãng đường di chuyển pallet hàng hóa từ khu vực đệm I/O đến chứa tính cơng thức: d(i) = |x(i) - x(I/O)| + |y(i) - y(I/O) (1) Trong đó:  d(i): Khoảng cách từ vị trí lưu trữ đến điểm I/O;  x(i), x(I/O): Hoành độ ô chứa pallet vùng đệm;  y(i), y(I/O): Tung độ ô chứa pallet vùng đệm Giả sử quãng đường di chuyển pallet từ đệm đến điểm bắt đầu lối nhau, dựa vào cơng thức (1), tính trọng số quãng đường ô chứa Như vậy, ô chứa dãy kệ có trọng số khác nhau, nên việc truy cập đến vị trí thực dựa việc so sánh trọng số, pallet vào trước, qua ưu tiên đặt chứa có trọng số nhỏ Vì đường di chuyển từ đầu dãy kệ đến đệm nên có giống trọng số chứa 04 dãy kệ Vì vậy, quy ước chứa trọng số, nên ưu tiên xếp trước vào dãy kệ theo thứ tự I, II, III, IV A Giải thuật tuyến đường kho Đây sách quy định đường xe hàng trình tìm vị trí chứa xếp xuất hàng hóa Việc hoạch định tối ưu sách, giúp tiết kiệm chi phí vận hành kho, bao gồm tối ưu hóa đường thời gian lưu trữ Tùy theo một vài đặc tính hàng hóa có sách đường tối ưu Mục đích việc lập kế hoạch tuyến đường 252 Xây dựng giải thuật xếp vận chuyển hàng hóa kho lạnh tự động giảm khoảng cách di chuyển pallet hàng từ điểm I/ O đến vị trí lưu trữ thông qua chuyển từ hai quỹ đạo chuyển động thẳng (tuyến ngang tuyến dọc) sang quỹ đạo cong (tuyến tối ưu) Phương thức di chuyển hàng hóa theo tuyến truyền thống (người, xe nâng thang máy tự động) thường thực tuyến ngang tuyến dọc (theo trục x y) Khi hai tuyến đường thẳng thay tuyến đường cong hình 2, khoảng cách giảm xuống Hàng hố di chuyển dọc theo trục x y, đó, tổng khoảng cách tính tốn dựa tọa độ vị trí lưu trữ điểm xếp/xuất Hình Quy hoạch tuyến đường 𝑑ij = 𝑥ij + 𝑦ij Trong đó: 𝑥𝑖𝑗 = |𝑥𝑗 − 𝑥𝑖 | 𝑦𝑖𝑗 = |𝑦𝑗 − 𝑦𝑖 | (xi, yi) (xj, yj): Tọa độ điểm I/O vị trí lưu trữ Với tuyến đường lý tưởng, khoảng cách từ điểm xếp/xuất đến vị trí lưu trữ ngắn Tuy nhiên, khó thiết kế hệ thống khí đáp ứng sách này: 𝑑𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = √𝑥ij2 + 𝑦ij2 𝑑𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 < 𝑑𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑎𝑙 < 𝑑𝑖𝑗 (2) Xét thấy tuyến đường tối ưu đến gần tuyến đường lý tưởng, khoảng cách di chuyển hàng hóa ngày tối ưu hóa Nhưng khó khăn việc thiết kế hệ thống học thời gian di chuyển chu kỳ Thiết lập tuyến đường tối ưu, khoảng cách lý tưởng khoảng cách truyền thống xây dựng công thức sau [2]: (3) Với tuyến đường tối ưu, khoảng cách lại rút ngắn so với tuyến đường truyền thống khó để trở thành khoảng cách tuyến lý tưởng (4) 𝑑𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑎𝑙 = 𝑑ij +𝑑𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝑥ij +𝑦ij +√𝑥ij2 +𝑦ij2 5 Từ công thức (5), số khoảng cách tối ưu (𝑑𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑎𝑙 ) tất vị trí lưu trữ theo lộ trình 253 Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Khoa học hàng hải B Giải thuật điều khiển Chương trình quản lý kho máy tính Nhận thị điều khiển từ người dùng Chương trình tìm tọa độ chứa để nhập hàng Chương trình Giao diện hiển thị tình trạng kho Chương trình tìm tọa độ chứa để xuất hàng Thiết lập cấu trúc trường liệu để lưu thơng tin hàng hóa Hình Sơ đồ khối chương trình quản lý – điều khiển hệ thống Wireless Chương trình điều khiển vi điều khiển Chương trình điều khiển xe nâng xuất hàng Hệ thống cảm biến Hiệu lệnh từ người điều khiển xe Forklift RFID Chương trình Vi điều khiển STMF407VG Hiển thị trạng thái xe thị từ máy tính Chương trình điều khiển xe nâng nhập hàng Chương trình quản lý – điều khiển hệ thống xếp hàng kho lạnh bao gồm chương trình quản lý kho máy tính chương trình điều khiển xe nâng vi điều khiển Hai chương trình kết nối với thơng qua giao tiếp khơng dây  Chương trình điều khiển máy tính: Chương trình nhận thị từ người dùng thông qua giao diện, đồng thời xây dựng cấu trúc trường liệu để chứa thông tin hàng hóa Chương trình tiếp nhận xử lý thơng tin từ chương trình vi điều khiển, sau đưa thị thực thi trở lại Các thị thực thông qua hai chương trình tìm vị trí trống để lưu hàng hóa chương trình tìm vị trí hàng hóa cần xuất  Chương trình điều khiển vi điều khiển: Dựa vào tín hiệu từ chương trình máy tính, hệ thống cảm biến hiệu lệnh người điều khiển chương trình vi điều khiển đưa thị hỗ trợ người điều khiển xe nâng việc xác định vị trí chứa cần xuất/xếp hàng hóa điều khiển thang nâng đưa pallet lên tầng 254 Xây dựng giải thuật xếp vận chuyển hàng hóa kho lạnh tự động C Giải thuật liệu điều khiển cho chương trình máy tính Hình Giải thuật chương trình điều khiển máy tính Để hoạt động quản lý hàng hóa xác, cần quan tâm đến số thơng tin hàng hóa sau: Tên mã hàng, ngày xếp hàng, tọa độ chứa hàng hóa, thơng tin RFID trọng số đường xe kho Nhằm thuận lợi trình lưu trữ, truy xuất liệu điều khiển, nên xây dựng sở liệu hàng hóa theo dạng cấu trúc, với trường liệu thể sau: giá trị tọa độ này, liệu quan trọng hệ thống Việc tính tốn tọa độ ô chứa xếp xuất hàng thông qua hai liệu Line.day Line.distance  Dữ liệu tên hàng Line[].name: Để quản lý mã hàng hóa khác A1, A2, A3 A4 cập nhật tương ứng người dùng xếp mã hàng cần truy xuất  Dữ liệu khoảng cách Line[].distance: Tương ứng với ô chứa, khoảng cách di chuyển xe nâng đến đệm kho số Dựa vào liệu này, so sánh quãng đường xe nâng cần di chuyển đến chứa, từ tính tốn vị trí đặt pallet vào kho ngắn  Dữ liệu tọa độ Line[].toado: Mỗi pallet hàng hóa đặt chứa nhất, tọa độ ô chứa tọa độ hàng hóa Việc xếp/xuất hàng hóa dựa  Dữ liệu ngày xếp hàng Line[].day: Thời điểm hàng xếp vào kho gán vào ô chứa kho, ngày xếp hàng hệ thống ghi nhận Dữ liệu ngày xếp tên hàng hóa (Line[].name) làm sở để xuất theo yêu cầu 255 Đặng Trường Giang, Nguyễn Duy Anh, Võ Công Phương  Dữ liệu RFID Line[].RFID: Thẻ RFID gắn xếp kho chứa thông tin hàng hóa RFID dùng để lưu liệu đọc từ thẻ, sau đối chiếu q trình xuất hàng nhằm hạn chế thất lạc hàng hóa LineIV[i].distance soát theo thứ tự ưu tiên trọng số nhỏ trước hết Vịng lặp kết thúc hệ thống khơng phát trống Kết thúc vịng lặp, hệ thống tự cập nhật liệu cho liệu Line[].name; Line[].toado; Line[].date; Line[].RFID  Chương trình có nhiệm vụ thống kê tình trạng kho, xuất số lượng mã hàng, số trống nhận tín hiệu điều khiển từ người dùng thông qua giao diện điều khiển để xác định tọa độ ô chứa Sau chương trình tìm tọa độ chứa thực hiện, chương trình cập nhật thơng tin hàng hóa vào trường liệu khai báo E Giải thuật tìm vị trí chứa hàng hóa cần xuất  Chương trình tìm vị trí lưu trữ có sẵn sử dụng q trình lưu trữ dựa giải thuật FIFO COL Trong trình, vị trí trống qt từ vị trí số thấp đến cao Khi vị trí có sẵn tìm thấy, chương trình ghi lại thơng tin hàng hóa sau trả lại tọa độ vị trí lưu trữ cho chương trình Chương trình tìm vị trí lâu sử dụng giải thuật FIFO xác định theo hai yếu tố loại hàng hóa ngày, sau đưa liệu vào hệ thống Giải thuật gọi phần mềm hỗ trợ tìm vị trí hàng cũ Việc xuất hàng thực theo giải thuật FIFO, tức hàng hóa vào trước ưu tiên xuất trước, việc chọn mã hàng cần xuất dựa thông số ngày xếp lưu liệu Line[].day Giải thuật tìm tọa độ chứa hàng cần xuất, có hai nhiệm vụ xác định loại hàng cần xuất tìm hàng hóa cũ kho để xuất Việc tìm vị trí chứa thực thơng qua vịng lặp với hai điều kiện so sánh Với ô chứa, cần so sánh với tên mã hàng muốn xuất Ví dụ, so sánh LineI[1].name = “X”, mã hàng ô giống với mã hàng cần xuất, tiếp tục so sánh với ngày xếp hàng để tìm vị trí chứa có ngày xếp cũ Vòng lặp kết thúc quét đủ 160, tọa độ chứa có ngày xếp cũ đưa chương trình vi điều khiển D Giải thuật tìm vi trí trống xếp hàng IV GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN XE NÂNG Việc xếp pallet hàng vào kho thực theo giải thuật FIFO đặt vào ô chứa có trọng số thấp Trong thực tế, xếp xuất kho vốn khác nên vị trí ô trống ô chứa kho phân bố không theo quy luật, gây tượng “lỗ tổ ong” – tức có nhiều trống khơng hàng hóa, tình trạng kho báo đầy, gây lãng phí khơng gian Để giải vấn đề trên, việc quét ô trống thực từ vị trí có trọng số nhỏ 04 dãy kệ I, II, III, IV 04 vị trí lưu trữ có khoảng cách tham chiếu Chẳng hạn với khoảng cách 4900 có 04 vị trí: I-A-1; II-A-1; III-A-1 IV-A-1 khoảng cách Trong q trình này, vị trí rỗng qt từ thấp đến cao dịng I {1} đến dịng IV {1} sau trả dòng I {2} đến dòng IV {2}… Vòng lặp kết thúc hệ thống phát vị trí trống qt tồn vị trí trống Khi tìm vị trí thích hợp, phần mềm hỗ trợ ghi lại thơng tin hàng hóa gửi tọa độ hàng cho phần mềm Trong 160 trống khai báo chương trình, thứ tự ô trống xếp theo chiều tăng dần trọng số quãng đường, tức LineI[i].distance