Les systèmes automatisés de stockage/déstockage AS/RS

Introduction

Le stockage est une fonction essentielle dans un système d’automatisation, permet de stocker et de récupérer l’inventaire (matières premières, produits semi-finis, finis…) pendant une période donnée bien déterminées. Le nombre de produits stockés détenus peut facilement atteindre des dizaines de milliers, pour cette raison les grandes entreprises cherchent d’adopter une politique de gestion des stocks économique, robuste et efficace en termes de temps et d’investissement pour maintenir un avantage concurrentiel parmi eux, surtout en période de mondialisation accélérée [5]. Les systèmes automatisés de stockage/déstockage AS/RS répondent aux besoins ci-dessus et présentent les avantages suivants: densité de stockage élevée, stockage et récupération rapides et fiables avec une intervention humaine minimale, et suivi des stocks en temps réel.

Dans ce premier chapitre, nous présentons des généralités sur les systèmes automatisés de stockage/déstockage AS/RS qui contiennent une définition, les composants des AS/RS ainsi que leurs fonctions. Ensuite une description des différents types des AS/RS est accomplie, leurs avantages et leurs inconvénients. Par la suite, nous exposons les différentes méthodologies de stockage, les mesures et les techniques d’évaluation de performances des AS/RS, terminant par un état de l’art qui regroupe les travaux les plus importants dans le domaine des AS/RS.

1.2 Les systèmes automatisés de stockage/déstockage AS/RS

1.2.1 Définition

Les systèmes de stockage et de déstockage (AS/RS) sont une combinaison d’équipement et de commandes qui manipulent, stockent et récupèrent automatiquement les matériaux (composants, outils, matières premières et sous-ensembles) avec une grande rapidité et précision. Par conséquent, ils sont largement utilisés dans les entreprises industrielles pour gérer les produits avec une utilisation rentable du temps, de l’espace et de l’équipement. [6]

1.2.2 Fonction

Les systèmes automatisés de stockage et de déstockage effectuent un ensemble de base d’opération sans intervention humaine :

  • Stockage automatique d’un article dans un emplacement prédéterminé après avoir reçu cet article d’un point de traitement ou d’interface.
  • Déstockage d’un article d’un emplacement de stockage.
  • Transport de cet article vers un point de livraison ou d’interface spécifique.

1.2.3 Terminologie

Un AS / RS consiste des racks chacun a des cellules (casiers) de stockage pour stocker les charges unitaires, des transstockeurs qui sont des machines de stockage/déstockage entièrement automatisées qui peuvent se déplacer de manière autonome pour stocker et déstocker les produits, d’une série d’allées former par des espaces vides entre les racks, où les transstockeurs peuvent se déplacer [3] et d’un ou plusieurs stations dépôt/livraison dans chaque allée pour déposer ou récupérer les charges dans le système. La figure (1.1) présente les principaux constituants d’un AS/RS.

Figure1.1 : Principaux constituants d’un AS/RS

1.2.4 Types d’AS/RS

Plusieurs catégories importantes d’AS / RS peuvent être distinguées selon certaines fonctions et applications. GUEZZEN(2014) explique les différents types d’AS / RS [3]. Nous pouvons citer, parmi les plus importantes :

1.2.4.1 Les AS/RS à charge unitaire

L’unité de charge AS / RS est utilisée pour stocker et récupérer des charges palettisées ou stockées dans des conteneurs de taille standard. Les charges sont généralement supérieures à 200 kg par unité.

Figure 1.2 : AS/RS a charge unitaire

1.2.4.2 Les AS/RS à mini charge

Ce système est conçu pour manipuler de petites charges telles que des pièces individuelles, des outils et des fournitures contenues dans des bacs ou des tiroirs du système de stockage.

Figure1.3 : AS/RS à mini charge

1.2.4.3 Les AS/RS à étagères profondes

Ce système est utilisé quand on a une quantité importante de charges unitaires à stocker. Les articles sont stockés dans une mémoire profonde avec jusqu’à 10 articles dans un seul rack, une charge après l’autre.

Figure1.4 : AS/RS à étagères profondes [7]

1.2.4.4 Les AS/RS à personne embarquée

Ce système permet de stocker des articles dans des quantités inférieures à la charge unitaire. Un opérateur humain monte sur le chariot de la machine S / R pour ramasser des articles individuels dans un bac ou un tiroir. Le système permet de sélectionner des articles individuels directement à leurs emplacements de stockage.

Figure1.5 : AS/RS à personne embarquée

1.2.4.5 Les AS/RS à convoyeur gravitationnel

Ce système est constitué d’un seul rack profond contenant plusieurs bacs, chacun équipé d’un convoyeur gravitaire incliné. Le système comprend deux machines: une à l’avant du rack pour stocker les produits et l’autre à l’arrière du rack pour récupérer les produits [5].

Figure1.6 : AS/RS à convoyeur gravitationnel [9]

1.2.4.6 Les AS/RS à carrousel

Les systèmes AS / RS a carrousels sont utilisés pour le stockage de petites pièces. Un carrousel peut être défini comme “une série de casiers reliés entre eux par une chaîne continue et montés sur une piste ovale allongée” [10].l’ensemble de casiers sont montés sur une piste qui tourne horizontalement apportant les produits à l’opérateur qui permettre d’élimine les temps de parcours des allées pour récupérer les objets du magasin. Les carrousels sont une bonne alternative au système à mini charge.

Figure1.7 : AS/RS à carrousel

1.2.4.7 AS/RS multi allées

L’AS/RS multi allées est une variation de l’AS/RS à charge unitaire. Leurs machines S/R se déplacent simultanément, verticalement le long des colonnes formants les racks et horizontalement le long des allées de desserte et le long de l’allée commune dont l’une des extrémités est équipée d’une station de dépôt/livraison (D/L), peuvent servir plusieurs allées à la fois. Une description plus détaillée de ce type sera présentée dans le chapitre 2.

Figure1.8 : AS/RS multi allées

1.2.4.8 AS/RS à racks glissants (racks mobiles)

Les AS/RS à racks glissants sont une variation des AS/RS multi allées. Lorsqu’une opération de stockage ou déstockage est prévue dans les racks un seul couloir mobile est utilisé pour accéder à plusieurs rangées de racks correspondants. Pour ouvrir une allée entre n’importe quels deux racks mitoyens, le système glisse latéralement sur des rails de guidage dans le sol. Au début, il existe une seule allée de service, celle-ci pouvant « se déplacer » entre n’importe quel deux racks mitoyens (en vérité ce n’est pas l’allée qui se déplace mais les racks) [11].

Figure1.9 : AS/RS à rack glissant

1.2.5 Avantages d’AS/RS

Les objectifs possibles qu’une entreprise peut vouloir atteindre en installant un système de stockage automatisé sont nombreuse nous pouvons citer :

  • Capacité de stockage accrue dans un espace limité : pour le même espace, un AS/RS augmente considérablement la capacité de stockage et améliore de l’utilisation des espaces de stockage verticalement et horizontalement pour créer une plus grande densité de stockage.
  • Réduction des coûts de main-d’œuvre : l’automatisation de la majorité des opérations dans les AS/RS permet d’éliminer le besoin d’augmenter de la main-d’œuvre et de supprimer les coûts permanents liés à un nouvel employé, tels que les, les charges sociales, les augmentations de salaire, la formation, etc.
  • Réduction des temps de réponse : les systèmes AS/RS possèdent des temps de réponse très réduits, pour localiser, stocker ou déstocker des articles, par rapport aux systèmes classiques de stockage [11].
  • Augmentation de la précision, de la productivité et de l’efficacité une palette de produit livrée du magasin au mauvais département peut, par exemple, causer de la confusion et des embouteillages. Les systèmes AS / RS permet de réduire le gaspillage et d’augmenter le rendement. Et tout cela permettra à les opérations de devenir plus précise et donc rentable.
  • Réduction des détériorations : l’automatisation permet de la diminution des risques de casse des produits et de la protection des marchandises stockées contre les dommages. Ils offrent des opérations plus sûres.

1.2.6 Inconvénients d’AS/RS

Les AS/RS peuvent offrir beaucoup d’intérêts mais, d’un autre côté, ils présentent quelques inconvénients dont les plus importants sont :

  • Investissement initial élevé : Comme dans de nombreux projets d’automatisation, l’achat d’un AS / RS coûte plus cher à court terme que l’embauche de personnel ou l’utilisation d’autres équipements. Cet investissement initial peut constituer un défi pour les petites entreprises qui n’ont pas facilement accès au capital [12]. Par exemple, pour un AS/RS de 10000 casiers, 5 machines S/R et un convoyeur de 60m, l’investissement initial varie entre 2 et 3 millions de Dollars US [13].
  • Les AS/RS après l’installation sont très difficiles à modifier.
  • Une trop grande dépendance à l’automatisation comportera également de grands risques. Par exemple, lorsqu’un accident est coupé, l’électricité est limitée en été ou lorsque le système est arrêté accidentellement, que devrions-nous faire? [12].

1.3 Méthodologies de stockage

Les systèmes de stockage peuvent être soit dédiés soit ouverts. Dans les systèmes dédiés, chaque produit possède sa propre aire de stockage [11].Dans les systèmes ouverts, un article peut être stocké dans n’importe quel emplacement vide de l’entrepôt tel que le choix de cet emplacement se fait d’une manière aléatoire. Nous pouvons distinguer trois méthodes importantes de stockage : le stockage dédié, le stockage aléatoire ouvert et le stockage aléatoire par classe :

1.3.1 Stockage dédié

Le stockage dédié, également appelé stockage à emplacement fixe, est l’attribution d’emplacements de stockage spécifiques pour chaque produit stocké tel que l’espace est partagé en blocs, chacun est réservé à un article déterminé. Avec le stockage multi produit, l’espace de stockage est nécessaire pour chacun des produits [12].

1.3.2 Stockage aléatoire ouvert

La stratégie de stockage la plus simple est la stratégie de stockage aléatoire, elle n’utilise aucune information sur la charge de l’unité, de sorte que tout produit peut être stocké dans n’importe quel casier [13]. Le stockage aléatoire ouvert ignore les caractéristiques et du temps de résidence de l’unité de charge. Le principal avantage de cette stratégie est qu’elle utilise beaucoup moins d’espace que la stratégie stockage dédié où le gain d’espace est de l’ordre de 40% [13].

1.3.3 Stockage aléatoire par classe

Dans les systèmes automatisés de stockage/déstockage les produits sont généralement différents, il y a des produits très utilisés et donc stockés et déstockés fréquemment, d’autres moins utilisés ayant une durée de stockage plus importante [15]. Donc le critère pour diviser les charges unitaires est leur temps de résidence plutôt que la fréquence d’accès de leur produit. Les produits dans un AS/RS ne restent pas stockés la même durée. Si les produits qui restent stockés peu de temps sont placés prés de la station de livraison et les produits qui restent plus longtemps sont placés loin de la station.

Le stockage par classe permet de minimiser le temps de cycle, des réductions du temps de cycle peuvent atteindre 40% [13].

1.4 Conception d’un AS/RS

La disposition de l’aire de stockage est importante dans la minimisation des coûts et temps de stockage/déstockage. Un emplacement mal conçu entraînerait de grandes pertes au niveau de l’investissement et au niveau du fonctionnement. Parmi les paramètres les plus importants qui doivent être pris en considération pour une bonne conception d’un système AS/RS [16], [17], on a :

  • Dimension de la charge : En général, les produits à stocker ou à déstocker sont de tailles (largeur, hauteur, profondeur et poids) différentes, une bonne conception d’un système AS/RS serait idéal pour que l’on puisse stocker le plus de matériaux possibles [7],
  • Structure de l’étagère,
  • Nombre de casiers, de machine S/R, d’allées, d’étagères,…
  • Durée de cycle : cycle simple, cycle double,…
  • Taux d’utilisation des machines.

1.5 Mesures de performances d’un AS/RS

Les systèmes automatisés de stockage/déstockage utilisent des mesures de performances pour optimiser l’espace et les coûts d’investissement [15]. Nous pouvons citer les principales mesures :

Espace de stockage utilisé : l’espace de stockage utilisé dans les AS/RS ou la quantité de produits qu’on peut stocker dépend du type de ce dernier.

Le taux d’utilisation de la machine S/R : il correspond à la fréquence des opérations de stockage et de déstockage et au nombre de demandes traitées sur une période de temps.

Le temps de cycle : le temps de cycle est le temps moyen pendant lequel le produit reste dans le système. Le temps de cycle parmi les paramètres les plus importants pour certain type d’AS/RS, il influe directement sur les performances globales du système de production. Dans notre travail on utilise ce critère comme mesure de performance pour les AS/RS multi allées et à rack glissant.

1.6 Techniques d’évaluation de performance

Les différentes techniques d’évaluation de performance d’un système sont schématisées dans la figure (1.10) [18]. Elles peuvent être classées en trois grandes catégories : les mesures directes, les méthodes analytiques et la simulation informatique.

Figure1.10 : Technique d’évaluation de performance

1.6.1 Mesures directes

Les mesures directes sont effectuées sur un système réel, une maquette ou un prototype physique représentant le système étudié. La réalisation de mesures directes sur un AS/RS ne peut être acceptée que dans le cas d’une démarche de progrès, d’amélioration continue, elles ne peuvent être pratiquées dans le cas de systèmes non existants et la réalisation de prototypes physiques coûte trop chère et nécessitent des budgets très importants [3].

1.6.2 Modélisation

Le processus de la modélisation consiste à décomposer le système à étudier en plusieurs taches, dans le but de simplifier son analyse. La modélisation analytique est un formalisme mathématique pour représenter le système étudié et pour créer un modèle traduisant le comportement du système réel, elle est utilisée couramment dans l’évaluation des performances des systèmes automatisés de stockage/déstockage [18]. Les techniques permettant d’étudier de manière analytique un système de production sont nombreuses [19], nous citons par exemple:

la programmation linéaire : est une technique mathématique d’optimisation (maximisation ou minimisation) consiste à optimiser une fonction objective sous certaines contraintes linéaires conduisant à une solution statique.

la programmation dynamique : consiste à trouver une solution optimale d’un problème à partir d’une solution optimale d’un sous problème [20].

les réseaux de Pétri : sont un outil mathématique permettant de décrire des relations existant entre des conditions et des événements, de modéliser le comportement de systèmes dynamiques à évènements discrets [21] ;

les chaînes de Markov : sont utilisées dans la modélisation des systèmes stochastiques et dans lesquelles on définit l’état d’un système par un comportement entièrement probabiliste. L’utilisation de modèles markoviens pour l’analyse de performance des systèmes est souvent limitée car il nécessite l’identification de tous les états du système et les probabilités de changement d’état [19] ;

1.6.3 La simulation pour l’évaluation des performances

La simulation intervient souvent dans le cas de systèmes beaucoup trop complexes pour donner lieu à un modèle mathématique fiable. Ceci est particulièrement vrai quand le système est soumis à des phénomènes dynamiques et des situations aléatoires. Évaluer les performances ou optimiser le fonctionnement du système avec des méthodes exactes et à tester les résultats par un modèle de simulation permet de reproduire un fonctionnement plus réaliste du système. La simulation peut donner une vue globale du fonctionnement d’un AS/RS, prendre en compte toutes les contraintes de fonctionnement (politiques de stockage) et les caractéristiques du système (taille du système, vitesse de la machine S/R….) [3].

1.7 Etat de l’art

Parmi les principaux objectifs des AS/RS est la minimisation de temps du cycle de la machine S/R pour cela beaucoup de travaux ont été consacrés au temps de cycle moyen de la machine S/R. Hausman et al [22] ont été parmi les premiers qui ont modélisé le temps de simple cycle pour un AS/RS à charge unitaire par des expressions analytiques continues pour différentes stratégies de stockage. Une approximation continue du rack de stockage a été utilisée par Bozer et White [17] pour développer une expression mathématique permettant de calculer le temps de simple et de double cycle.

Hwang et al [23] ont proposé une expression mathématique pour les AS/RS multi allées pour chaque rack, ils ont développé une expression analytique du temps de cycle. Egbelu [24] a développé des méthodes pour minimiser le temps de cycle. Chang et al [25] ont proposé un modèle pour le temps de cycle avec plusieurs vitesses et prenant en compte l’accélération/décélération de la machine S/R. Dallari et al [26] ont déterminé les temps de cycle pour chaque méthodologie de stockage en fonction de la forme des aires de stockage. Azzouz [27] a été intéressé à l’optimisation des dimensions du rack d’un AS/RS à convoyeur gravitationnel pour un temps de cycle minimal. Peters et al [28] ont proposé des solutions analytiques au problème de positionnement du point de repos de la machine S/R.

Park [29] a été proposé une stratégie de détermination du point de repos optimal pour des racks à distribution non uniforme. Il est présenté des relations analytiques basées sur la probabilité que la prochaine opération soit un stockage ou un déstockage. Sari et al [30] ont développé une expression mathématique continue du temps de cycle des AS/RS à convoyeur gravitationnel. Potrc et al [31] ont proposé un modèle avec heuristique pour le temps de cycle du stockage aléatoire pour les AS/RS à charge unitaire et multi allées.

Ghomri et al [4] ont développé un modèle analytique continue permettant un calcul approximatif du temps de simple cycle des AS/RS multi allées, puis Kouloughli et Sari [32] ont utilisé l’expression obtenu par Ghomri et al [4] pour trouver les dimensions optimales d’un AS/RS multi allées pour un temps de cycle minimal. Sari [33] a établi des expressions analytiques discrètes pour les AS/RS multi allées et à racks glissants. Ghomri et al [34] ont développé deux modèles analytiques continus permettant un calcul du temps moyen de simple cycle, dans le premier modèle le cas où le temps de glissement des racks est inférieur au temps de déplacement le long de l’allée principale, et dans le deuxième modèle le cas où le temps de glissement des racks est supérieur au temps de déplacement le long de l’allée principale. Kouloughli et Sari [35] ont fixé l’une des trois dimensions des AS/RS multi allées et déterminé les deux dimensions optimales restantes. Sari et Kouloughli [36] se sont intéressés à développer une expression analytique pour le temps de cycle d’un nouveau type d’AS/RS à profondeur multiple composé d’une seule machine S/R.

1.8 Conclusion

Ce chapitre est commencé par des généralités sur les AS/RS qui montrent leur importance capitale dans l’industrie particulièrement dans les systèmes de production et dans les centres de distribution. Nous avons défini leur fonctionnalité et leurs composants ainsi que leurs avantages et inconvénients. Ensuit nous avons cité les plus importants types des AS/RS qui existes, par la suite nous avons étudié les méthodologies de stockage, les mesures utilisées et les techniques d’évaluation de performances des AS/RS.

Ce chapitre se termine par un état de l’art présentant les principaux travaux concernant les AS/RS qui introduit le but de notre travail. Cela est suivi par le deuxième chapitre qui sera consacré pour la recherche et l’optimisation d’une fonction approximative de l’expression du temps moyen de simple cycle pour l’AS/RS multi.

 

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