智能工厂关键物流技术及其集成应用——“智能工厂物流构建”系列连载之二

文 / 代浩 张小飞 韩辉

上海天睿物流咨询有限公司

在智能工厂环境下，一个高效的物流系统需要采用集成化、系统化、一体化的组合思维，将各种物流软硬件技术有机结合，应用在不同场景中。在此过程中，咨询公司、系统集成商、设备供应商及软件企业等相关各方，应充分发挥各自的资源优势，共同进行智能化物流建设。

在智能工厂中，一个运营卓越的智能物流系统，不仅仅需要选择合理、可靠、稳定、性价比高的技术设备，更需在规划时从场景出发，通过对不同物料或产品的包装单元、作业特点、流程节点进行详细分析，选择出匹配度最佳的物流技术。在智能工厂复杂的运行环境下，一种物流技术已无法满足其运作要求，需采用集成化的思维，将不同功能特点的多种物流技术进行集成组合应用。

图1 智能包装单元化技术要求示意

智能工厂内的物流技术主要包括物流硬技术和物流软技术两方面。物流硬技术是指物料活动过程中涉及的包装单元技术、搬运技术、自动装卸货技术、存储技术、拣选技术、码垛技术等，比如货架、堆垛机、穿梭车、机器人（机械手）、AGV/AMR等。物流软技术是指组成高效率的物流系统而应用的物流软件、自动识别技术、多维监控及可视化技术、物流仿真技术等。

图2 桁架机械手与托盘集成装卸货系统

一、智能工厂的关键物流技术

1.包装单元技术

智能工厂内，物流包装作为物料集装单元，在运输、搬运、装卸、存储、拣选、配送等诸多物流作业环节中，需全程保障信息的有效与顺畅传递，因此需要包装单元具备“会说话”、“会听话”、“会指挥”的能力。

包装单元智能化设计过程中，既要满足智能工厂全过程场景的要求，又要遵循包装单元通用化、标准化、单元化、安全性、环保和符合人机工程等基本规则。包装单元化技术要求主要包括以下三类。

（1）包装单元标准化

针对小件且通用物料的单元化包装，需要重点考虑符合人机工程学、物流包装合理化、有助于物流作业高效化等要素。比如在家电产品中通用性强的中小件物料，其特点为供应商每次到料批量大且物料通用性强，在进行单元化包装规划时通常会考虑使用料箱（欧标D/H箱）作为装载单元，并为每类物料制定相应的摆放规则，从而达到过目知数的目的。

（2）包装单元数字化

包装单元作为信息传递的载体，通过在包装单元上加装智能感知与控制单元，实现对各工序间信息（物料信息、生产信息、品质信息、工位信息等）的采集、传递与追溯。

（3）包装单元智能化

包装单元的智能化更多的是强调包装单元在设计与应用时，需满足与自动化物流设备对接的要求。比如，包装单元在料箱的设计与选择上，与扫描设备对接时，料箱四周需粘贴条码或嵌入RFID，方便扫描设备能够快速采集信息，并向上位系统及时报告包装单元的运行状态；与穿梭车对接时，需考虑料箱的外形与凸台尺寸、加工精度、材质设计等满足穿梭车的搬运要求；与输送机对接时，需考虑底部整体平整且减少输送噪声的要求；与工位机器人对接时，需设计相应的隔衬或孔洞，方便机械手能够灵活、高效抓取物料或产品。

2.搬运技术

搬运技术可分为连续型搬运和离散型搬运两类。

（1）连续型搬运

指设备连续不断地搬运物料或产品，在工作过程中，设备不停地作业，如输送线、分拣机、有轨穿梭小车RGV（直线或环形）、地链、悬挂链、空中悬挂小车（EMS）、垂直提升机等设备。连续搬运主要是对批量大、效率要求高的器具或产品进行搬运，主要在装卸点、自动化立体库前后端、仓库至工位间硬匹配连接、跨楼层间等固定的场所运用较多。其优点是效率高、线体固定受外界环境影响较小、输送批量大、可在立体空间上拓展等；缺点是柔性较差、往往一次性投入大、后期移动需进行改造并可能会增加部分重复投入。

（2）离散型搬运

指在一定时间内只能进行一次搬运，在运行过程中有满和空两个阶段，主要如叉车、AGV/AMR等设备。其特点为具有较强的机动性与柔性，一般在平面上进行运作与扩展。其优点是搬运柔性、设备投入时可根据业务量的变化灵活增减使用数量；缺点是受人为或环境影响较大，在相同场景条件下其搬运效率比连续型搬运要低。

3.装卸货技术

在智能工厂中，物料卸货与成品装货两个环节的智能化升级相对最难，其难点主要为运作场景复杂、包装标准化程度低、运输车辆尺寸与样式（平板、厢式、高栏、低栏、飞翼等）较多、车辆所有权分类多、车辆改造难度大、对装载率有较高的诉求等。但是随着智能物流相关技术的发展与应用，物料或产品的装卸货也找到了相对应的解决方案。针对料箱或纸箱类包装物料与产品，可采用伸缩皮带机与机械手协作的集成装卸货系统、桁架机械手与滑板集成装卸货系统等技术设备。针对托盘类运输的物料与产品的装卸货，可采用滑链类、链板类、伸缩货叉类、滑轮类、AGV（夹抱式AGV、货叉式AGV）等装卸货技术设备。

4.存储技术

在智能工厂中，为满足实时响应、快速配送与交付、柔性化的生产需求，存储技术需具备库位灵活分配、库存快速识别和定位、库存数据精准、信息实时交互与可视、柔性化存储等特点。自动化存储技术主要包括堆垛机立体库（托盘式、料箱式）、多层穿梭车系统、多层料箱机器人存储系统（CTU）、自动货柜、Autostore、无货架式垂直立体库等。在实际应用中，需要根据物料或产品的特点、存储要求、应用场景等，选取不同的存储技术。

典型的几种存储技术介绍如下：

（1）堆垛机立体库

主要是由高层立体货架、堆垛机、输送设备、信息采集设备及信息系统等组成，其特点为充分利用空间、效率高、成熟且稳定。立体库根据场景及设备形式有多种分类，比如按搬运包装单元分类可分为料箱式（miniload）与托盘式（AS/RS），按货架深度分类可分为单深位与双深位，按载货台数量分类可分为单工位与双工位等。

（2）多层穿梭车系统（料箱/托盘）

主要是由立体货架、穿梭车、提升机、输送设备、信息采集设备、信息系统等组成。主要优点为柔性化程度高、灵活性强、可拓展性好；缺点为货架高度普遍不高、调度系统复杂。

（3）多层料箱机器人存储系统（CTU）

主要由多层货架、多层料箱机器人、信息采集设备及信息系统等组成，可实现多个料箱的智能拣选、存取、搬运。主要优点为建设周期短、灵活性高、扩展性强，在智能工厂的线边库有较好的应用场景；缺点为效率相对较低、货架往往布置不超过10m、运作受环境或人员影响较大。

（4）自动货柜

主要包括水平旋转式货柜和垂直式货柜。自动货柜实现了“货到人”和智能化管理，充分利用了仓库空间的高度，并且有相对封闭的存放环境，对于有恒温恒湿存储要求的物料，如电子盘料等较为适用。

（5）Autostore

是一种高密度的自动化料箱存储系统，料箱存放于立式货架内，从地面垂直向上堆叠，所有的存取动作都由货架顶端的多台机器人完成。机器人借助提升装置，可以向下抓取料箱；而货架既用于料箱存储，同时又是机器人运行的轨道。其特点是存储密度大、空间利用高，但成本也相对较高。

（6）无货架式垂直立体库

通过在存储区上方安装高架龙门机械手，机械手将料箱或物料直接从地面向上自身堆叠作业达到密集存储目的。此种系统需要上下料箱之前可以嵌套，以便节约空间并保证其稳定性。主要运用于SKU数量少、单SKU存储批量大的场景。

5.拣选技术

按照拣选方式分类，主要分为“人到货”、分布式“人到货”、“货到人”、闭环“货到人”等拣选方法。拣选作业需要借助不同工具，按照拣选设备的不同，可以分为手持移动终端拣选、语音拣选、灯光拣选、AR视觉拣选等类型。

（1）“人到货”拣选

通过人工或者相应设备移动到分拣对象位置来拣取物料或产品，系统构成简单、柔性高，但劳动强度高、补货不方便。分拣作业策略主要分为顺序拣选、边拣边分、接力拣选、分区拣选等。

（2）分布式“人到货”拣选

作业区被输送机分开，拣出的物料或产品可以直接由拣货人员放至输送机上，并自动输送至集货点。其劳动强度相对较低、拣货效率相对较高，但柔性较差、补货不方便。

（3）“货到人”拣选

分拣人员不动，分拣对象“移动”到指定的分拣人员面前，通过可视化看板提示进行拣取作业，拣出的物料或产品集中在集货点的容器中。此方法效率高、工作面紧凑、补货容易，但其分拣周期较长、柔性较差。

（4）闭环“货到人”拣选

物料容器放在固定位置，输送机将分拣单元送到拣选区；拣货人员根据拣货单拣取货架中的物料或产品，放到载货容器中；然后移动分拣单元，再由其他分拣人员拣选；最后通过另一条输送机将拣空后的分拣单元送回。其优点：拣货路线短、拣选效率高、系统柔性好；但作业时间长，出货和返回问题处理复杂。

6.码垛技术

码垛技术应用于将同一品种或批次的产品按照提前在系统内设定好的垛型规则进行码垛。一般而言，自动码垛的产品生产批量大、码垛规则简单、码垛效率高。码垛技术主要分为机械手码垛系统、桁架机器人码垛系统、高位码垛系统等。对于智能工厂而言，客户需求往往呈现小批量、多样化的特点，对码垛技术提出了对多品种、多批次的产品进行混合码垛的要求。主要运行逻辑为：通过识别产品外箱的条码自动区分产品的品种与批次，对于同一订单产品分至不同道口，码垛机根据系统垛型设计规则，自动将不同产品码垛至相同托盘上。

7.物流软技术

关键物流软技术包括物流软件、多维监控及可视化技术、自动识别技术、物流系统仿真技术等。

（1）物流软件

由于智能工厂中物流场景具有复杂化与柔性化、物流设备具有自动化与智能化的特点，传统物流相关软件（如WMS、WCS等）的功能已无满足智能工厂物流运行的需求。因此在智能工厂中，迫切需要一个能够满足多样化、柔性化、复杂化的场景需求，能够实现对厂内所有物料、在制品、产成品、容器具等进行统一管理，能够实现不同厂家、不同种类的物流设备之间多维度、立体化、多元化互联互通的物流软件平台。

（2）多维监控及可视化技术

需要对物流运行过程、仓储管理、配送运输、物料或产品追溯等每一个步骤进行跟踪。并实现可视化，保证整个物流过程信息的流畅与准确。

（3）自动识别技术

通过自动采集、识别、读取标识载体承载的标识信息，并自动上传至上位系统的技术。主要包括条形码技术、语音识别技术、图像识别技术与射频技术等。

（4）物流系统仿真技术

工厂物流仿真根据其应用场景主要分为以下3类：虚拟现实流程动画仿真、物流离散事件数据仿真、物流系统运营仿真。虚拟现实流程动画仿真主要展示物流系统的物理空间位置以及与生产线体等其他相关设施的相对关系、工厂物流运作场景展示等。物流离散事件数据仿真主要研究多种约束条件下，计算物流系统的综合运行效率、物流设备关键节点的负荷情况等，其中物流系统布局优化分析、物料全流程方案优化、作业排序与调度、物流设备负荷等方面有较多应用。物流系统运营仿真是建立在运作计划驱动下的物流系统仿真模型，通过对工厂生产全流程进行建模，以排程系统的运作计划为驱动，以生产制造执行系统的生产环境资源作为约束，并结合物流随机事件的动态调度策略，来运行整个生产物流系统仿真模型，并进行分析优化的过程。

图3 料箱立体库与流利式货架组合的“货到人”拣选系统

二、物流系统集成的必要性

在智能工厂环境下，为了满足复杂、多场景、多模式的应用需求，通常需要将多种物流技术进行集成应用，使物流软硬技术有机结合并发挥其整体效益，同时通过一体化的规划、实施与运营，使智能工厂物流系统运作高效。物流系统集成的必要性主要体现为以下几点。

1．由物流系统具有的系统化属性决定

物流系统需要整合多种物流技术，通过集成化应用确保系统运行稳定、高效，实现物流系统一体化运作。否则，即使采用全球顶尖的堆垛机、输送机、AGV等物流设备，也未必能产生系统最优的运行效果。

2．由物流系统具有的项目集属性决定

物流系统集成项目可以理解为交钥匙工程，类似于家庭装修的整装形式。物流系统集成除了物流功能集成外，还包括项目管理集成。而物流系统由多个子系统/项目构成，各个子项目相互关联、互有接口、综合性高。

3．可规避物流系统建设中的误区

物流系统建设过程中，往往容易出现误区。通过物流系统的功能集成和项目管理集成，可以较好地规避误区。主要的误区如下：

（1）缺乏系统性、一体化思维

在方案设计阶段主要存在三个问题：一是流程分段规划不衔接，比如先规划完入库活动、再规划存储及出库活动，导致整个物流作业过程存在断点，运作不畅通；二是分工设计不统一，将物流系统规划设计分包给不同的企业或个人，但规划或实施过程中采用的标准不同，导致整体方案无法进行有序连接；三是分时间段规划，比如今年规划一部分，明年再规划剩下部分，由于规划的时间差异，规划的人员及原则不一致，导致最终前后之间存在差异。在方案落地阶段，问题表现为：采用割裂式的分段招标模式，由于不同的设备供应商的产品规范性不一致，信息接口可能存在差异，如果供应商之间相互推诿，将导致物流系统无法有效对接。

（2）缺乏场景化研究

每个制造企业物流都有其特殊性，不同场景下选取的物流技术差异较大，例如在入厂物流、生产物流、成品物流中，每段物流所运用的物流技术各有特点。缺乏场景化研究，容易导致设备性能无法发挥、集成方案落地困难等问题。

（3）未对物料流动性进行分析

每个物料因其包装、尺寸、用量的不同，呈现出不同的流动性。比如某些大件物料，单元包装数量相对较小，流动性较强，选用的物流技术应匹配其高流量要求。而某些小件物料，流动性相对偏弱，选取的物流技术可能是人工作业或者半自动作业。在物流技术设备选取时如果忽略了物料流动性分析，容易导致设备能力不匹配或者能力富余（造成投资浪费）等问题，影响物流系统的整体运作效果。

三、物流系统集成的原则

为确保物流系统合理有效、系统最优，物流系统集成过程中需要遵循以下原则：

1.尊重规划方案的原则

物流系统集成需要尊重规划方案，一般而言，规划方案是在充分调研企业实际情况，基于企业战略定位，经多方讨论和论证后确定的，方案具有相对的客观性和合理性。因此，物流系统建设需要尊重规划方案，并在此基础上深刻理解方案。

2.高可靠性和安全性的原则

可靠性和安全性是物流解决方案规划和物流设备设计的首位考虑因素。比如，物流系统关键设备如输送机的所有关键元器件需要采用可靠性高的产品。在方案规划和软件开发时，应充分考虑系统的自恢复能力和冗余设计，确保系统强大的抗干扰能力。

3.预留迭代升级空间的原则

物流系统在方案规划、项目实施等方面，应充分考虑预留迭代升级的空间，以支持制造企业的业务拓展、产能提高等需要。

4.可行性、系统性和完整性原则

物流系统集成中选取的技术需要是在多个工程案例使用过的成熟的先进技术，以确保其可行性。同时，物流系统集成需要充分考虑物流技术的系统性和完整性，避免遗漏而导致系统无法运行。

5.先进性和实用性原则

采用的物流技术设备，既要具有先进性，又要有很强的实用性，避免项目实施过程的盲目性和不必要的损失。

6.经济性原则

物流系统集成需要在选取高性能设备的基础上，控制好总体投入成本，尽量减少不必要的支出，应选择具有良好性价比的物流技术设备和系统集成服务。

7.有效运营的原则

物流系统集成需要以有效运营为原则，充分重视智能工厂物流逻辑和作业场景需求，选取可支撑有效运营的物流技术，并通过项目管理助力智能工厂建设及运营全过程。

总之，在智能工厂环境下，一个高效的物流系统需要采用集成化、系统化、一体化的思维，将不同特点、要求、适应性的物流软硬件技术有机结合起来，并应用在不同运行的场景中。这不单单是选择和购买物流技术设备的问题，智能工厂物流规划与落地离不开物流技术链上相关方的参与，如物流咨询公司、系统集成商、物流设备供应商及软件企业等。他们各具核心能力，充分发挥各自的资源优势，共同进行智能化物流建设。