Investigation of operational and technical parameters that affect the use of UAVs for the automation of logistics processes in warehouse facilities and distribution centers

Abstract

Ένα σύστημα εφοδιαστικής αλυσίδας περιλαμβάνει διαδικασίες που αποσκοπούν στην αύξηση του επιπέδου εξυπηρέτησης των πελατών και στην επίτευξη βιώσιμου ανταγωνιστικού πλεονεκτήματος. Για την επίτευξη υψηλής εξυπηρέτησης των πελατών και τη διαχείριση του λειτουργικού κόστους, είναι απαραίτητη η οργάνωση των λειτουργιών εφοδιαστικής με έμφαση στην ορθή οργάνωση των αποθηκευτικών χώρων. Τον τελευταίο καιρό η πολυπλοκότητα της διαχείρισης των αποθηκών έχει αυξηθεί σημαντικά λόγω διαφόρων παραγόντων, όπως η ανάγκη για συχνότερη και μικρότερη εκτέλεση παραγγελιών, οι αυξημένες πωλήσεις ηλεκτρονικού εμπορίου, ο διεθνής ανταγωνισμός και η απαίτηση των πελατών για ταχύτερο χρόνο ανταπόκρισης. Για τον λόγο αυτό, η αύξηση της παραγωγικότητας και η μείωση του χρόνου διεκπεραίωσης είναι κρίσιμες, ωστόσο δεν είναι πάντα εφικτές, καθώς οι περισσότερες αποθήκες λειτουργούν συνήθως με εργαζόμενους που εκτελούν τις βασικές διαδικασίες χρησιμοποιώντας συνήθως κάποιου είδους πληροφοριακά συστήματα. Πράγματι, επί του παρόντος, ένας σημαντικός αριθμός εταιρειών χρησιμοποιεί ένα πληροφοριακό σύστημα (π.χ. σύστημα διαχείρισης αποθήκης-WMS) και εξοπλισμό (π.χ. σαρωτές RF) για την εκτέλεση των παραγγελιών. Με τις τεχνολογίες αυτές οι εταιρίες αυξάνουν την παραγωγικότητα της αποθήκης τους και μειώνουν το λειτουργικό κόστος παρόλα αυτά υπάρχουν ακόμα σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να διερευνηθούν. Η έννοια της Βιομηχανίας 4.0 (Industry 4.0) προωθεί την εξέλιξη των τυπικών αποθηκών προς έξυπνα κέντρα διανομής μέσω της χρήσης ορισμένων από τις τελευταίες αναδυόμενες τεχνολογίες. Μία από αυτές τις τεχνολογίες είναι τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV), τα οποία έχουν εξελιχθεί τελευταία από πλευράς τεχνολογίας (π.χ. μονάδες ελέγχου, αισθητήρες, πλαίσια UAV) και το κόστος τους έχει μειωθεί σημαντικά. Τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα θεωρούνται όλο και περισσότερο ως ένα ευρέως διαδεδομένο μελλοντικό μέσο μεταφοράς για πολυάριθμες εφαρμογές στον κλάδο της εφοδιαστικής και επίσης ως μια πολλά υποσχόμενη επιλογή όσον αφορά τις λειτουργίες εφοδιαστικής στις αποθήκες (π.χ. καταμέτρηση αποθεμάτων, παραλαβή κ.λπ.) Τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV) θεωρούνται βασική τεχνολογία για τις έξυπνες αποθήκες, δεδομένου ότι επιτρέπουν την εκτέλεση επαναλαμβανόμενων και απαιτητικών εργασιών χωρίς σχεδόν καμία ανθρώπινη παρέμβαση ή επίβλεψη. Μακροπρόθεσμα, τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη αποτελούν μια οικονομική και ασφαλή (όσον αφορά τους τραυματισμούς του προσωπικού) λύση για εργασίες εφοδιαστικής. Με βάση τις δυνατότητες και τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη, η παρούσα εργασία θα ασχοληθεί με τη διαδικασία απογραφής σε μια αποθήκη και θα επικεντρωθεί στη διερεύνηση παραμέτρων που επηρεάζουν την εκτέλεση της εν λόγω διαδικασίας με τη χρήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών. O βασικός σκοπός της παρούσας διπλωματικής αφορά στο σχεδιασμό ενός καινοτόμου συστήματος καταγραφής αποθεμάτων που υιοθετεί τη χρήση ενός UAV σε συνδυασμό με την τεχνολογία RFID. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την ανάπτυξη και τη δοκιμή αυτού του συστήματος καταμέτρησης αποθεμάτων περιλαμβάνει τρία βασικά βήματα. Το πρώτο βήμα αφορά τον προσδιορισμό των τεχνικών χαρακτηριστικών και των εφαρμογών των UAV, των λειτουργικών χαρακτηριστικών τους και των παραμέτρων που επηρεάζουν τις λειτουργικές επιδόσεις τους στη διαδικασία καταμέτρησης αποθεμάτων (μέσω βιβλιογραφικής επισκόπησης). Το δεύτερο βήμα εστιάζει στην αξιολόγηση, κατάταξη και τελική επιλογή των εξεταζόμενων παραμέτρων που λαμβάνονται υπόψη κατά τη δοκιμή του συστήματος καταμέτρησης αποθεμάτων με τη χρήση UAV, ενώ το τρίτο βήμα σχετίζεται με τις εργαστηριακές δοκιμές που διεξάγονται για την αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση της χρήσης των UAVs στη διαδικασία καταμέτρησης αποθεμάτων. Η καταγραφή των παραμέτρων πραγματοποιήθηκε μέσω της μεθοδολογίας της συστημικής βιβλιογραφικής επισκόπησης, κατά την εφαρμογή της οποίας λαμβάνονται υπόψη ορισμένα κριτήρια μέσω των οποίων πραγματοποιείται ο εντοπισμός των σχετικών άρθρων. Ακολουθώντας την εν λόγω μεθοδολογία, εντοπίστηκαν αρχικά 46 άρθρα στη βιβλιογραφία από τα οποία επιλέχθηκαν 25 τα οποία είναι συναφή με το αντικείμενο μελέτης της συγκεκριμένης εργασίας. Ο περιορισμένος αριθμός των δημοσιευμένων άρθρων σχετικά με το αντικείμενο που μελετάται υποδηλώνει ότι το συγκεκριμένο πεδίο βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο, δεν έχει μελετηθεί αρκετά και είναι πολλά υποσχόμενο για περαιτέρω έρευνα. Εστιάζοντας στα αποτελέσματα που προέκυψαν από την βιβλιογραφική επισκόπηση και συγκεκριμένα στην αναζήτηση των τεχνικών και λειτουργικών παραμέτρων που επηρεάζουν την διαδικασία απογραφής με την χρήση των UAVs προέκυψαν 8 κατηγορίες τεχνικών χαρακτηριστικών και 4 τύποι λειτουργικών χαρακτηριστικών (αποστολές, ζώνη πτήσης, επιχειρησιακό περιβάλλον και εφαρμογές). Επιπρόσθετα, παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν οι 5 εφαρμογές εντός των αποθηκών στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα UAV’s. Μετά την ολοκλήρωση της συστημικής βιβλιογραφικής επισκόπησης, το επόμενο στάδιο αφορά την καταγραφή των απαιτήσεων των χρηστών που σχετίζονται με την αυτοματοποίηση της διαδικασίας απογραφής μέσω της χρήσης UAV. Για την καταγραφή των απαιτήσεων υιοθετήθηκαν δύο ερευνητικές μέθοδοι. Η πρώτη αφορά την χρήση ενός δομημένου ερωτηματολογίου που διανεμήθηκε σε συγκεκριμένο δείγμα εταιρειών και η δεύτερη αφορά προσωπικές συνεντεύξεις με στελέχη εταιρειών logistics μέσω ενός συνόλου ανοικτών ερωτήσεων προκειμένου να αξιολογηθούν και να επιβεβαιωθούν τα ευρήματα της έρευνας. Το επόμενο στάδιο αφορά την αξιολόγηση του υπό εξέταση συστήματος απογραφής, μέσα από δυο διαφορετικές φάσης εργαστηριακών δοκιμών. Η πρώτη φάση είχε ως στόχο μέσα από ανεξάρτητα πειράματα για κάθε παράμετρο, τον καθορισμό των παραγόντων και των επιπέδων που θα χρησιμοποιηθούν στη δεύτερη φάση εργαστηριακών δοκιμών. Η δεύτερη φάση αφορά την αξιολόγηση των παραμέτρων για την αποτελεσματικότητα του συστήματος απογραφής ως προς την ακρίβεια ανάγνωσης και τον συνολικό χρόνο απογραφής σε δύο περιπτώσεις μελέτης. Για το σχεδιασμό των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε ένας πλήρης παραγοντικός σχεδιασμός (full factorial design). Ο παραγοντικός σχεδιασμός περιελάμβανε 4 παράγοντες στην πρώτη περίπτωση μελέτης με 2 επίπεδα (24 πλήρης παραγοντικός σχεδιασμός) και 3 παράγοντες στην δεύτερη περίπτωση μελέτης με 2 επίπεδα (23 πλήρης παραγοντικός σχεδιασμός). Αναλυτικότερα, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων αξιολόγησης του συστήματος, πραγματοποιήθηκαν 3 επαναληπτικές δοκιμές προκειμένου να καθοριστούν οι ιδανικοί συνδυασμοί ανάμεσα στις παραμέτρους και στα επίπεδα τους και να καθοριστεί ο βέλτιστος συνδυασμός τους. Με την ολοκλήρωση των πειραμάτων ακολούθησε η στατιστική ανάλυση, τα αποτελέσματα της οποίας έδειξαν ότι η απόδοση του συστήματος επηρεάζεται σημαντικά από ορισμένες παραμέτρους. Όσον αφορά τον συνολικό χρόνο ολοκλήρωσης της διαδικασίας απογραφής, με βάση τα αποτελέσματα της ANOVA και στις δύο περιπτώσεις μελέτης οι παράμετροι “αριθμός επιπέδων”, “ ταχύτητα UAV” και “μέθοδος ανάγνωσης ετικέτας” ήταν στατιστικά σημαντικές. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων ήταν ενθαρρυντικά και έδειξαν ότι τα UAV μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαδικασία καταμέτρησης αποθεμάτων με θετικό αντίκτυπο στην κοστολόγηση, την ασφάλεια του προσωπικού και την απόδοση της εργασίας.