Integrating factors from practice in planning problems for manual order picking

Abstract

Complex market conditions, introduced by e-commerce and globalisation, increased customer expectations, expensive industrial land and high labour costs, force warehouses to handle a large number of orders in short time windows. These market trends put extra pressure on order picking and show a clear need for efficient order picking systems. The majority of academic literature on order picking planning typically considers low-level, parallel pick-aisle layouts, minimising picker travel distance. Despite the valuable academic contribution of these studies, there is still a large potential to increase the practical applicability of the proposed solution algorithms and decision support models. Currently, managers often do not implement findings from academic research into practice and, at the same time, researchers often fail to account for perspectives of practitioners when producing and transferring knowledge. This dissertation contributes to close the gap between research and practice by developing efficient order picking operations that tackle and integrate several factors from practice (e.g., classification, labelling and packaging restrictions). The main contributions of this dissertation are as follows. First, a state-of-theart review of existing literature is performed in order to identify, classify and analyse factors from practice that have a substantial impact on the planning and performance of order picking systems. Insights are provided into the relevance and importance of integrating factors from practice in order picking planning. Although every identified factor from practice deserves our research attention, the factors from practice that are considered in this dissertation are the most relevant for the real-life cases that are studied. Second, a study on workload planning, defined as the operational workload balancing problem, is performed to support the daily resource capacity planning process in warehouses. A mathematical programming model is introduced to formulate the operational workload balancing problem and an iterated local search algorithm is developed to efficiently and effectively solve the problem. The performance and practical applicability of the algorithm are shown by analysing and explaining the effect of a wide range of warehouse parameters. A real-life case shows the benefits of balancing the workload over short term planning horizons. Third, the effectiveness of various workload equity approaches (e.g., Rawlsian’s approach, range, mean-based) in order picking are analysed and evaluated. Studying workload equity in order picking is important and relevant in practice, as a broad range of managerial decisions at both the operational and tactical level can be supported while encouraging worker well-being. Fourth, the practical applicability of order picking planning is further optimised by contributing to the safe storage of chemical products. Poorly managing the storage of chemicals can cause severe harm to the people and surrounding environment. To prevent accidents from happening, warehouse managers need to comply with classification, labelling and packaging (CLP) regulations. Therefore, new CLP restricted storage assignment strategies are simulated in combination with various batching and routing policies, accounting for precedence constraints, to reduce order picking time in a real-life warehouse. Precedence constraints make sure that products with varying weights are retrieved in a specific sequence in order to prevent products from getting damaged during picking and stacking on the pick cart. Finally, this dissertation provides future research opportunities that enable the design of practically relevant decision support models in order to further reduce the research-practice gap.

Trends zoals e-commerce, globalisatie, veranderende klantenwensen en hoge loonkosten, zorgen ervoor dat het managen van een distributiecentrum een complexe taak is. Distributiecentra moeten dagelijks een groot aantal kleine orders verwerken in zeer flexibele tijdssloten. Order picking activiteiten komen hierdoor sterk onder druk te staan. Distributiecentra moeten daarom blijven innoveren en streven naar een hogere effici¨entie binnen hun order picking activiteiten. De overgrote meerderheid van de academische literatuur rond order picking heeft een sterke focus op het minimaliseren van de af te leggen afstand. Deze studies worden vaak uitgevoerd voor distributiecentra met een traditionele lay-out waarbij order pickers de orders manueel verzamelen en de gangen van het magazijn parallel lopen. Ondanks de belangrijke academische contributie van deze studies, blijkt de toepasbaarheid van deze modellen en algorithmes eerder beperkt in de praktijk. Op dit moment implementeren managers maar weinig academische bevindingen in de praktijk, en omgekeerd, houden onderzoekers nog te weinig rekening met inzichten van mensen uit de praktijk bij het uitvoeren van hun studies. Deze doctoraatsthesis probeert de afstand tussen theorie en praktijk te verkleinen door een bijdrage te leveren aan de ontwikkeling van effici¨ente order picking activiteiten door het opnemen en integreren van verschillende factoren uit de praktijk. Deze doctoraatsthesis levert een bijdrage op verschillende vlakken. Om te beginnen wordt de bestaande literatuur rond order picking bestudeerd zodat belangrijke factoren uit de praktijk kunnen worden ge¨ıdentificeerd, geclassificeerd en geanalyseerd. De impact van deze factoren uit de praktijk op de planning en prestaties van order picking activiteiten wordt bekeken. Het belang van het opnemen en integreren van deze factoren in studies rond order picking planning wordt aangetoond. Uiteraard is het onmogelijk om alle ge¨ıdentificeerde factoren verder op te nemen en te onderzoeken in deze doctoraatsthesis. Daarom worden net die factoren uit de praktijk behandeld die het meest relevant zijn voor de onderzochte gevalstudies in deze doctoraatsthesis. Ten tweede wordt er een studie uitgevoerd over hoe men de werklast in een order picking systeem gelijkmatig kan plannen doorheen de dag. Dit probleem wordt in de doctoraatsthesis het ’operational workload balancing problem’ genoemd en ondersteunt het proces van resourceplanning. Het probleem wordt eerst wiskundig geformuleerd, waarna er een heuristiek (iterated local search) wordt ontwikkeld om het probleem effici¨ent en goed op te lossen. De prestatie en praktische toepasbaarheid van het algoritme worden aangetoond door het effect van een brede waaier aan kenmerken van een distributiecentrum te analyseren. Een praktijkstudie toont de voordelen aan van het balanceren van de dagelijkse werklast. Ten derde wordt de effectiviteit van verschillende benaderingen voor het gelijkmatig verdelen van de werklast geanalyseerd en ge¨evalueerd. Het bestuderen van deze verschillende benaderingen is belangrijk in de praktijk, aangezien verschillende beslissingen op het operationeel en tactisch niveau hiermee kunnen worden ondersteund en gelijktijdig kunnen bijdragen aan het welzijn van de werknemers. Ten vierde wordt de praktische toepasbaarheid van onderzoek naar order picking planning verder geoptimaliseerd door te analyseren hoe chemische producten veilig en goed opgeslagen kunnen worden. Indien de opslag van chemische producten slecht beheerd wordt, kan dit aanleiding geven tot grote schade aan het distributiecentrum, de werknemers van het distributiecentrum en de directe omgeving. Om zware ongevallen en rampen te voorkomen dienen managers van een distributiecentrum te voldoen aan classificatie-, labeling- en verpakkingsrichtlijnen opgelegd door de Europese Unie. Nieuwe regels voor het toewijzen van de voorraad, die voldoen aan de strikte wetgeving, worden gesimuleerd in combinatie met verschillende batching en routering methodes om zo de totale order pick tijd te reduceren. Tijdens het order picken wordt er ook gekeken naar de volgorde waarin producten worden verzameld: zware producten moeten steeds voor lichtere producten worden opgehaald om beschadiging van producten te voorkomen bij het stapelen op het orderpallet. Tot slot worden er in het laatste hoofdstuk van deze doctoraatsthesis interessante opportuniteiten voor toekomstig onderzoek geformuleerd die helpen bij het design van praktisch relevante modellen. Deze doctoraatsthesis brengt de praktijk en het academisch onderzoek niet alleen dichter bij elkaar, maar motiveert ook toekomstige onderzoekers om hetzelfde te doen.