Modelling, analysis and design insights for robotic compact storage and retrieval system

In recent years, new industrial trends and emerging market needs (flexibility and efficiency), have emphasised the relevance of logistics processes, which have become crucial aspects for the achievement of flexibility to answer customer requirements and to enhance the internal efficiency. At the same time, the technological advancement has facilitated the development of new material handling technologies; among them, there are Compact Automated Storage and Retrieval systems. A first automated solution, that has already been well established and widely implemented since its introduction at the beginning of the 20th century, is the Autonomous Vehicle Storage and Retrieval System (AVS/RS). It is a material handling technology for unit load storage and retrieval, that uses automated vehicles (robots) to perform horizontal movements, while fixed lifts installed along the rack periphery perform the vertical movement. In recent years, different technological variants have been introduced: Shuttle-Based Storage and Retrieval System (SBS/RS) and Robotic Compact Storage and Retrieval System (RCS/RS), which represents one of the newest automated warehouse technologies. Following the need of efficiency and flexibility, this thesis has been focalized on the analysis of the RCS/RS, a warehousing system with a high level of layout, storage capacity and throughput flexibility, requiring a relative low investment cost (i.e. racks and robots) and suitable in context with small order profile, like e-commerce applications. In this regard, an analytical model has been designed with the aim of studying the system performances: the system has been modelled as a semi-open queueing network and solved through the Matrix Geometric Method. The analytical model has been validated both through simulation and comparing the performances with a real system, that will be implemented by an Italian company operating in the spare parts industry. Lastly, the analytical model has been implemented for different scenarios in order to investigate the existing relationships between the design variables and the performance measures of the system, providing relevant insights for the optimal system management and design.

Negli ultimi anni, i recenti trend industriali e le emergenti esigenze del mercato (flessibilità ed efficienza) hanno portato alla sempre maggiore rilevanza dei processi logistici nelle realtà aziendali, come aspetti cruciali nella ricerca di flessibilità alle esigenze del consumatore, e di efficienza interna. Allo stesso tempo, il progresso tecnologico ha portato allo sviluppo di nuove tecnologie per la movimentazione e stoccaggio dei materiali. Tra queste ultime si collocano le soluzioni di stoccaggio ad alta densità. Una prima tecnologia, che ha raggiunto il pieno sviluppo e ha conosciuto l’ampia diffusione sin dalla sua introduzione all’inizio del ventesimo secolo, è quella degli Autonomous Vehicle Storage and Retrieval System (AVS/RS), un sistema di movimentazione utilizzato per lo stoccaggio e il recupero di unità di carico. Tale soluzione prevede l’impiego di veicoli per l’esecuzione del movimento orizzontale tramite rotaie posizionate all’interno dei corridoi del magazzino. Il movimento verticale viene invece eseguito tramite una serie di ascensori posizionati alle estremità delle scaffalature del magazzino. Diverse varianti di tale sistema sono state sviluppate negli ultimi anni, tra cui: Shuttle-Based Storage and Retrieval System (SBS/RS) e il più innovativo Robotic Compact Storage and Retrieval System (RCS/RS), che rappresenta una delle più recenti novità in materia di magazzini automatizzati. Sull’onda del dinamismo tecnologico e industriale dell’epoca attuale, questo lavoro di tesi è stato incentrato sull’analisi del sistema di Robotic Compact Storage, una tecnologia flessibile nel layout, nella capacità di prelievo e stoccaggio, con costi di installazione relativamente bassi e particolarmente adatto a profili ordine con poche referenze, quali soluzioni di stoccaggio e movimentazioni nel mondo e-commerce. A questo scopo, è stato sviluppato un modello analitico per valutare le prestazioni del sistema; quest’ultimo è stato modellizzato come una rete di code semi-aperte e risolto tramite il metodo a matrice geometrica. Il modello è stato convalidato sia mediante simulazione, sia comparandone le prestazioni con un sistema reale che sarà implementato da un’azienda operante nel settore dei ricambi. Successivamente, il modello è stato utilizzato per lo studio delle relazioni tra le variabili progettuali del sistema e le sue prestazioni, al fine di fornire utili considerazioni per un’ottimale progettazione e gestione del sistema stesso.