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智能工廠物流構建應用的關鍵技術

來源：本站作者：匿名發布：2022/12/30 瀏覽次數：1494

在智能工廠環境下，一個高效的物流系統需要采用集成化、系統化、一體化的組合思維，將各種物流軟硬件技術有機結合，應用在不同場景中。在此過程中，咨詢公司、系統集成商、設備供應商及軟件企業等相關各方，應充分發揮各自的資源優勢，共同進行智能化物流建設。

在智能工廠中，一個運營卓越的智能物流系統，不僅僅需要選擇合理、可靠、穩定、性價比高的技術設備，更需在規劃時從場景出發，通過對不同物料或產品的包裝單元、作業特點、流程節點進行詳細分析，選擇出匹配度最佳的物流技術。在智能工廠復雜的運行環境下，一種物流技術已無法滿足其運作要求，需采用集成化的思維，將不同功能特點的多種物流技術進行集成組合應用。

智能工廠內的物流技術主要包括物流硬技術和物流軟技術兩方面。物流硬技術是指物料活動過程中涉及的包裝單元技術、搬運技術、自動裝卸貨技術、存儲技術、揀選技術、碼垛技術等，比如貨架、堆垛機、穿梭車、機器人（機械手）、AGV/AMR等。物流軟技術是指組成高效率的物流系統而應用的物流軟件、自動識別技術、多維監控及可視化技術、物流仿真技術等。

一、智能工廠的關鍵物流技術

1.包裝單元技術

智能工廠內，物流包裝作為物料集裝單元，在運輸、搬運、裝卸、存儲、揀選、配送等諸多物流作業環節中，需全程保障信息的有效與順暢傳遞，因此需要包裝單元具備“會說話”、“會聽話”、“會指揮”的能力。

包裝單元智能化設計過程中，既要滿足智能工廠全過程場景的要求，又要遵循包裝單元通用化、標準化、單元化、安全性、環保和符合人機工程等基本規則。包裝單元化技術要求主要包括以下三類。

   （1）包裝單元標準化

針對小件且通用物料的單元化包裝，需要重點考慮符合人機工程學、物流包裝合理化、有助于物流作業高效化等要素。比如在家電產品中通用性強的中小件物料，其特點為供應商每次到料批量大且物料通用性強，在進行單元化包裝規劃時通常會考慮使用料箱（歐標D/H箱）作為裝載單元，并為每類物料制定相應的擺放規則，從而達到過目知數的目的。

    （2）包裝單元數字化

包裝單元作為信息傳遞的載體，通過在包裝單元上加裝智能感知與控制單元，實現對各工序間信息（物料信息、生產信息、品質信息、工位信息等）的采集、傳遞與追溯。

    （3）包裝單元智能化

包裝單元的智能化更多的是強調包裝單元在設計與應用時，需滿足與自動化物流設備對接的要求。比如，包裝單元在料箱的設計與選擇上，與掃描設備對接時，料箱四周需粘貼條碼或嵌入RFID，方便掃描設備能夠快速采集信息，并向上位系統及時報告包裝單元的運行狀態；與穿梭車對接時，需考慮料箱的外形與凸臺尺寸、加工精度、材質設計等滿足穿梭車的搬運要求；與輸送機對接時，需考慮底部整體平整且減少輸送噪聲的要求；與工位機器人對接時，需設計相應的隔襯或孔洞，方便機械手能夠靈活、高效抓取物料或產品。

    2.搬運技術

搬運技術可分為連續型搬運和離散型搬運兩類。

（1）連續型搬運

指設備連續不斷地搬運物料或產品，在工作過程中，設備不停地作業，如輸送線、分揀機、有軌穿梭小車RGV（直線或環形）、地鏈、懸掛鏈、空中懸掛小車（EMS）、垂直提升機等設備。連續搬運主要是對批量大、效率要求高的器具或產品進行搬運，主要在裝卸點、自動化立體庫前后端、倉庫至工位間硬匹配連接、跨樓層間等固定的場所運用較多。其優點是效率高、線體固定受外界環境影響較小、輸送批量大、可在立體空間上拓展等；缺點是柔性較差、往往一次性投入大、后期移動需進行改造并可能會增加部分重復投入。

   （2）離散型搬運

指在一定時間內只能進行一次搬運，在運行過程中有滿和空兩個階段，主要如叉車、AGV/AMR等設備。其特點為具有較強的機動性與柔性，一般在平面上進行運作與擴展。其優點是搬運柔性、設備投入時可根據業務量的變化靈活增減使用數量；缺點是受人為或環境影響較大，在相同場景條件下其搬運效率比連續型搬運要低。

3.裝卸貨技術

在智能工廠中，物料卸貨與成品裝貨兩個環節的智能化升級相對最難，其難點主要為運作場景復雜、包裝標準化程度低、運輸車輛尺寸與樣式（平板、廂式、高欄、低欄、飛翼等）較多、車輛所有權分類多、車輛改造難度大、對裝載率有較高的訴求等。但是隨著智能物流相關技術的發展與應用，物料或產品的裝卸貨也找到了相對應的解決方案。針對料箱或紙箱類包裝物料與產品，可采用伸縮皮帶機與機械手協作的集成裝卸貨系統、桁架機械手與滑板集成裝卸貨系統等技術設備。針對托盤類運輸的物料與產品的裝卸貨，可采用滑鏈類、鏈板類、伸縮貨叉類、滑輪類、AGV（夾抱式AGV、貨叉式AGV）等裝卸貨技術設備。

4.存儲技術

在智能工廠中，為滿足實時響應、快速配送與交付、柔性化的生產需求，存儲技術需具備庫位靈活分配、庫存快速識別和定位、庫存數據精準、信息實時交互與可視、柔性化存儲等特點。自動化存儲技術主要包括堆垛機立體庫（托盤式、料箱式）、多層穿梭車系統、多層料箱機器人存儲系統（CTU）、自動貨柜、Autostore、無貨架式垂直立體庫等。在實際應用中，需要根據物料或產品的特點、存儲要求、應用場景等，選取不同的存儲技術。

典型的幾種存儲技術介紹如下：

（1）堆垛機立體庫

主要是由高層立體貨架、堆垛機、輸送設備、信息采集設備及信息系統等組成，其特點為充分利用空間、效率高、成熟且穩定。立體庫根據場景及設備形式有多種分類，比如按搬運包裝單元分類可分為料箱式（miniload）與托盤式（AS/RS），按貨架深度分類可分為單深位與雙深位，按載貨臺數量分類可分為單工位與雙工位等。

（2）多層穿梭車系統（料箱/托盤）

主要是由立體貨架、穿梭車、提升機、輸送設備、信息采集設備、信息系統等組成。主要優點為柔性化程度高、靈活性強、可拓展性好；缺點為貨架高度普遍不高、調度系統復雜。

    （3）多層料箱機器人存儲系統（CTU）

主要由多層貨架、多層料箱機器人、信息采集設備及信息系統等組成，可實現多個料箱的智能揀選、存取、搬運。主要優點為建設周期短、靈活性高、擴展性強，在智能工廠的線邊庫有較好的應用場景；缺點為效率相對較低、貨架往往布置不超過10m、運作受環境或人員影響較大。

  （4）自動貨柜

主要包括水平旋轉式貨柜和垂直式貨柜。自動貨柜實現了“貨到人”和智能化管理，充分利用了倉庫空間的高度，并且有相對封閉的存放環境，對于有恒溫恒濕存儲要求的物料，如電子盤料等較為適用。

   （5）Autostore

是一種高密度的自動化料箱存儲系統，料箱存放于立式貨架內，從地面垂直向上堆疊，所有的存取動作都由貨架頂端的多臺機器人完成。機器人借助提升裝置，可以向下抓取料箱；而貨架既用于料箱存儲，同時又是機器人運行的軌道。其特點是存儲密度大、空間利用高，但成本也相對較高。

（6）無貨架式垂直立體庫

通過在存儲區上方安裝高架龍門機械手，機械手將料箱或物料直接從地面向上自身堆疊作業達到密集存儲目的。此種系統需要上下料箱之前可以嵌套，以便節約空間并保證其穩定性。主要運用于SKU數量少、單SKU存儲批量大的場景。

    5.揀選技術

按照揀選方式分類，主要分為“人到貨”、分布式“人到貨”、“貨到人”、閉環“貨到人”等揀選方法。揀選作業需要借助不同工具，按照揀選設備的不同，可以分為手持移動終端揀選、語音揀選、燈光揀選、AR視覺揀選等類型。

    （1）“人到貨”揀選

通過人工或者相應設備移動到分揀對象位置來揀取物料或產品，系統構成簡單、柔性高，但勞動強度高、補貨不方便。分揀作業策略主要分為順序揀選、邊揀邊分、接力揀選、分區揀選等。

（2）分布式“人到貨”揀選

作業區被輸送機分開，揀出的物料或產品可以直接由揀貨人員放至輸送機上，并自動輸送至集貨點。其勞動強度相對較低、揀貨效率相對較高，但柔性較差、補貨不方便。

  （3）“貨到人”揀選

分揀人員不動，分揀對象“移動”到指定的分揀人員面前，通過可視化看板提示進行揀取作業，揀出的物料或產品集中在集貨點的容器中。此方法效率高、工作面緊湊、補貨容易，但其分揀周期較長、柔性較差。

   （4）閉環“貨到人”揀選

物料容器放在固定位置，輸送機將分揀單元送到揀選區；揀貨人員根據揀貨單揀取貨架中的物料或產品，放到載貨容器中；然后移動分揀單元，再由其他分揀人員揀選；最后通過另一條輸送機將揀空后的分揀單元送回。其優點：揀貨路線短、揀選效率高、系統柔性好；但作業時間長，出貨和返回問題處理復雜。

    6.碼垛技術

碼垛技術應用于將同一品種或批次的產品按照提前在系統內設定好的垛型規則進行碼垛。一般而言，自動碼垛的產品生產批量大、碼垛規則簡單、碼垛效率高。碼垛技術主要分為機械手碼垛系統、桁架機器人碼垛系統、高位碼垛系統等。對于智能工廠而言，客戶需求往往呈現小批量、多樣化的特點，對碼垛技術提出了對多品種、多批次的產品進行混合碼垛的要求。主要運行邏輯為：通過識別產品外箱的條碼自動區分產品的品種與批次，對于同一訂單產品分至不同道口，碼垛機根據系統垛型設計規則，自動將不同產品碼垛至相同托盤上。

7.物流軟技術

關鍵物流軟技術包括物流軟件、多維監控及可視化技術、自動識別技術、物流系統仿真技術等。

（1）物流軟件

由于智能工廠中物流場景具有復雜化與柔性化、物流設備具有自動化與智能化的特點，傳統物流相關軟件（如WMS、WCS等）的功能已無滿足智能工廠物流運行的需求。因此在智能工廠中，迫切需要一個能夠滿足多樣化、柔性化、復雜化的場景需求，能夠實現對廠內所有物料、在制品、產成品、容器具等進行統一管理，能夠實現不同廠家、不同種類的物流設備之間多維度、立體化、多元化互聯互通的物流軟件平臺。

  （2）多維監控及可視化技術

需要對物流運行過程、倉儲管理、配送運輸、物料或產品追溯等每一個步驟進行跟蹤。并實現可視化，保證整個物流過程信息的流暢與準確。

  （3）自動識別技術

通過自動采集、識別、讀取標識載體承載的標識信息，并自動上傳至上位系統的技術。主要包括條形碼技術、語音識別技術、圖像識別技術與射頻技術等。

  （4）物流系統仿真技術

工廠物流仿真根據其應用場景主要分為以下3類：虛擬現實流程動畫仿真、物流離散事件數據仿真、物流系統運營仿真。虛擬現實流程動畫仿真主要展示物流系統的物理空間位置以及與生產線體等其他相關設施的相對關系、工廠物流運作場景展示等。物流離散事件數據仿真主要研究多種約束條件下，計算物流系統的綜合運行效率、物流設備關鍵節點的負荷情況等，其中物流系統布局優化分析、物料全流程方案優化、作業排序與調度、物流設備負荷等方面有較多應用。物流系統運營仿真是建立在運作計劃驅動下的物流系統仿真模型，通過對工廠生產全流程進行建模，以排程系統的運作計劃為驅動，以生產制造執行系統的生產環境資源作為約束，并結合物流隨機事件的動態調度策略，來運行整個生產物流系統仿真模型，并進行分析優化的過程。

二、物流系統集成的必要性

在智能工廠環境下，為了滿足復雜、多場景、多模式的應用需求，通常需要將多種物流技術進行集成應用，使物流軟硬技術有機結合并發揮其整體效益，同時通過一體化的規劃、實施與運營，使智能工廠物流系統運作高效。物流系統集成的必要性主要體現為以下幾點。

    1．由物流系統具有的系統化屬性決定

物流系統需要整合多種物流技術，通過集成化應用確保系統運行穩定、高效，實現物流系統一體化運作。否則，即使采用全球頂尖的堆垛機、輸送機、AGV等物流設備，也未必能產生系統最優的運行效果。

    2．由物流系統具有的項目集屬性決定

物流系統集成項目可以理解為交鑰匙工程，類似于家庭裝修的整裝形式。物流系統集成除了物流功能集成外，還包括項目管理集成。而物流系統由多個子系統/項目構成，各個子項目相互關聯、互有接口、綜合性高。

   3．可規避物流系統建設中的誤區

物流系統建設過程中，往往容易出現誤區。通過物流系統的功能集成和項目管理集成，可以較好地規避誤區。主要的誤區如下：

  （1）缺乏系統性、一體化思維

在方案設計階段主要存在三個問題：一是流程分段規劃不銜接，比如先規劃完入庫活動、再規劃存儲及出庫活動，導致整個物流作業過程存在斷點，運作不暢通；二是分工設計不統一，將物流系統規劃設計分包給不同的企業或個人，但規劃或實施過程中采用的標準不同，導致整體方案無法進行有序連接；三是分時間段規劃，比如今年規劃一部分，明年再規劃剩下部分，由于規劃的時間差異，規劃的人員及原則不一致，導致最終前后之間存在差異。在方案落地階段，問題表現為：采用割裂式的分段招標模式，由于不同的設備供應商的產品規范性不一致，信息接口可能存在差異，如果供應商之間相互推諉，將導致物流系統無法有效對接。

（2）缺乏場景化研究

每個制造企業物流都有其特殊性，不同場景下選取的物流技術差異較大，例如在入廠物流、生產物流、成品物流中，每段物流所運用的物流技術各有特點。缺乏場景化研究，容易導致設備性能無法發揮、集成方案落地困難等問題。

  （3）未對物料流動性進行分析

每個物料因其包裝、尺寸、用量的不同，呈現出不同的流動性。比如某些大件物料，單元包裝數量相對較小，流動性較強，選用的物流技術應匹配其高流量要求。而某些小件物料，流動性相對偏弱，選取的物流技術可能是人工作業或者半自動作業。在物流技術設備選取時如果忽略了物料流動性分析，容易導致設備能力不匹配或者能力富余（造成投資浪費）等問題，影響物流系統的整體運作效果。

三、物流系統集成的原則

為確保物流系統合理有效、系統最優，物流系統集成過程中需要遵循以下原則：

   1.尊重規劃方案的原則

物流系統集成需要尊重規劃方案，一般而言，規劃方案是在充分調研企業實際情況，基于企業戰略定位，經多方討論和論證后確定的，方案具有相對的客觀性和合理性。因此，物流系統建設需要尊重規劃方案，并在此基礎上深刻理解方案。

   2.高可靠性和安全性的原則

可靠性和安全性是物流解決方案規劃和物流設備設計的首位考慮因素。比如，物流系統關鍵設備如輸送機的所有關鍵元器件需要采用可靠性高的產品。在方案規劃和軟件開發時，應充分考慮系統的自恢復能力和冗余設計，確保系統強大的抗干擾能力。

    3.預留迭代升級空間的原則

物流系統在方案規劃、項目實施等方面，應充分考慮預留迭代升級的空間，以支持制造企業的業務拓展、產能提高等需要。

    4.可行性、系統性和完整性原則

物流系統集成中選取的技術需要是在多個工程案例使用過的成熟的先進技術，以確保其可行性。同時，物流系統集成需要充分考慮物流技術的系統性和完整性，避免遺漏而導致系統無法運行。

    5.先進性和實用性原則

采用的物流技術設備，既要具有先進性，又要有很強的實用性，避免項目實施過程的盲目性和不必要的損失。

6.經濟性原則

物流系統集成需要在選取高性能設備的基礎上，控制好總體投入成本，盡量減少不必要的支出，應選擇具有良好性價比的物流技術設備和系統集成服務。

    7.有效運營的原則

物流系統集成需要以有效運營為原則，充分重視智能工廠物流邏輯和作業場景需求，選取可支撐有效運營的物流技術，并通過項目管理助力智能工廠建設及運營全過程。

總之，在智能工廠環境下，一個高效的物流系統需要采用集成化、系統化、一體化的思維，將不同特點、要求、適應性的物流軟硬件技術有機結合起來，并應用在不同運行的場景中。這不單單是選擇和購買物流技術設備的問題，智能工廠物流規劃與落地離不開物流技術鏈上相關方的參與，如物流咨詢公司、系統集成商、物流設備供應商及軟件企業等。他們各具核心能力，充分發揮各自的資源優勢，共同進行智能化物流建設。

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