工业4.0 背景下物料搬运系统的设计与优化策略

刘生承 马 超 陈京宇

1 中工国际工程股份有限公司 北京 100080 2 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

面对饱和、多样性、个性化的市场需求，工业4.0下的物流要求以更灵活、更低廉的成本运营公司的物流网络。在此背景下，从物流管理体系到物流装备，提高智能性和柔性成为未来发展的趋势。工业4.0 时代的核心技术（如物联网、云计算、大数据和人工智能等）为物料搬运系统的设计与优化提供了前所未有的可能性，既能提高物料搬运系统的效率和准确性，还有助于实现更高程度的自动化和智能化。物联网技术在物料搬运系统中的应用可使设备和系统之间实现实时数据交流和信息共享；云计算与大数据技术的应用可实现物料搬运系统的数据存储、处理和分析；人工智能与优化算法在物料搬运系统中的应用则体现在设备故障预测、动态调度和路径规划等方面。

本文通过具体案例分析探讨工业4.0 技术在实际物料搬运系统中的应用效果，总结成功实践的关键因素与挑战。这些案例将提供一定的借鉴和启示，以便在实际应用中取得更好的效果。

1 工业4.0 的概念与特点

1.1 定义及发展背景

工业4.0 是继蒸汽机、电力和自动化之后的第4 次工业革命，它主要涉及到物联网、云计算、大数据、人工智能等先进技术的融合与应用。工业4.0 旨在实现智能化、高度集成和自主化的生产方式，从而提高生产效率、降低成本、提升产品质量和满足客户需求。工业4.0的发展背景源于全球制造业竞争的加剧，以及新兴技术对生产方式和商业模式的深刻影响。

1.2 核心技术与应用

工业4.0 的核心技术主要包括物联网与通信技术、云计算与大数据和人工智能与机器学习等。

1）物联网与通信技术

物联网是工业4.0 的基础，它通过各种传感器和通信设备将物理世界与虚拟世界相互连接。物联网技术可以实现实时数据采集、传输和处理，为生产过程中的设备、产品和系统提供智能化支持。通信技术负责在物联网中传输数据和信息，包括有线和无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、5G 等。

2）云计算与大数据

云计算是一种通过网络提供计算资源、存储空间和应用服务的技术。在工业4.0 背景下，云计算可以实现企业数据的集中存储和处理，以及软件和服务的远程访问。大数据技术涉及对海量数据的采集、存储、分析和应用，可帮助企业发现生产过程中的潜在问题、优化资源配置和提高决策效率。

3）人工智能与机器学习

人工智能是一种模拟和扩展人类智能的技术，包括计算机视觉、自然语言处理、知识表示和推理等。在工业4.0 背景下，人工智能可以实现设备和系统的自主决策、学习和优化。机器学习是人工智能的一个重要分支，它通过数据驱动的方式训练模型和算法，从而完成对数据的预测、分类和聚类等任务。

1.3 对物料搬运系统的影响

在工业4.0 时代，物料搬运系统将会受到多方面的影响，主要表现在提高生产效率与灵活性、实现智能化与自主化、提升产品质量与客户满意度、促进企业创新与协同等方面。

1）提高生产效率与灵活性

通过运用物联网、云计算、大数据和人工智能等技术，物料搬运系统能够更准确地获取实时数据，从而实现对生产过程的实时监控与控制，有助于优化物料搬运系统的调度和路径规划，降低设备故障率，提高生产效率和灵活性。

2）实现智能化与自主化

工业4.0 技术可以使物料搬运系统具备更强的智能化和自主化能力。例如，通过应用人工智能和机器学习算法，物料搬运系统可以自动识别和处理异常情况，进行自我诊断与维护，从而减少人工干预和维护成本。

3）提升产品质量与客户满意度

借助工业4.0 技术，物料搬运系统可以实现对生产过程中的各环节进行实时监控和分析，从而确保产品质量的稳定性和可靠性。同时，通过对客户需求和市场变化的敏感把握，物料搬运系统能够更快地响应客户的需求，提供个性化和定制化的服务，从而提升客户满意度。

4）促进企业创新与协同

工业4.0 技术的应用有助于打破企业内部的信息壁垒，实现数据和知识的共享与协同；有助于企业加快技术创新、产品开发和市场推广的速度，提高企业的竞争力。同时，工业4.0 技术还可促进企业与供应商、客户和合作伙伴之间的协同创新，实现产业链的整体优化和升级。

综上所述，为应对以上多方面变化，企业需要充分运用工业4.0 技术优化物料搬运系统的设计与运行，实现智能化、高效化和可持续化的发展。

2 物料搬运系统设计与优化策略

在工业4.0 背景下，物料搬运系统的设计与优化应遵循一定原则和方法，以实现智能化、高效化和可持续化的发展。

2.1 物料搬运系统设计原则

1）系统性与集成性

物料搬运系统应充分考虑系统内各环节之间的关联和互动，实现各环节的协同与集成。因此，在设计过程中要运用系统工程方法，以确保物料搬运系统能与生产线、仓储等系统高度集成，形成一个高效且协调的生产体系。

2）灵活性与可扩展性

物料搬运系统的设计应具有一定的灵活性和可扩展性，以适应生产需求的变化和技术的更新。物料搬运系统应能在不同生产环境和任务下快速调整和重新配置，以满足生产需求的变化。此外，物料搬运系统的设计还应考虑未来技术和设备的升级，以便在技术更新时能够顺利实施扩展和改进。

3）可靠性与安全性

物料搬运系统的设计应确保系统的可靠性和安全性。在设计过程中，应充分考虑潜在的故障、异常和风险等因素，采取有效措施进行预防和应对。此外，物料搬运系统还应符合相关的安全标准和法规，以保障设备、人员和环境的安全。

2.2 物料搬运系统优化方法

在工业4.0 背景下，物料搬运系统的优化主要涉及数据驱动优化方法、智能调度与路径规划、物联网（IoT）与实时监控、虚拟仿真与数字孪生技术、智慧供应链云平台与区块链技术、协作机器人与人机协同系统、生物群智能与拟人机器人技术等内容。

1）数据驱动优化方法

数据驱动优化方法主要是利用从物料搬运系统实时采集的数据指导优化过程，通过对数据的分析发现物料搬运系统中的潜在问题、改进空间和优化机会，具体优化方法包括数据挖掘、机器学习、优化算法等。

2）智能调度与路径规划

智能调度与路径规划方法主要关注如何根据生产需求和资源状况对物料搬运任务进行有效的调度和路径规划，从而提高物料搬运系统的效率和灵活性。借助于现代计算技术可以开发如遗传算法、蚁群算法等的智能算法，为物料搬运任务找到最优解。

3）物联网（IoT）与实时监控

物联网技术可以实现物料搬运系统内设备和传感器的实时数据收集与通信，利用物联网技术实时监控物料搬运设备的运行状态、能源消耗、故障诊断等，从而实现系统的远程管理和实时优化。此外，实时监控还有助于提高系统的可靠性和安全性，降低故障风险。

4）虚拟仿真与数字孪生技术

虚拟仿真技术可对搬运系统进行全生命周期管理，掌握实时/准实时数据，将虚拟和现实进行双向数据传递。数字孪生技术可在物料搬运系统运行过程中实时模拟实际设备和流程，为优化决策提供数据支持。在方案设计阶段，数字孪生会对布局进行BIM 建模，通过对各节点进行数学建模而形成可靠的产品数字模型，并输入未来可能的情况进行仿真测试和验证。在生产运营阶段，模拟方案和设备的运转，为达到全局方案最优对产品数字模型进行参数整，以便更好地适应生产。在保养维护阶段，将物联网设备采集到的大量数据进行智能分析，数字模型将准确预测维护工作的最佳时间点与维修方案，为维修方案提供参考。

5）智慧供应链云平台与区块链技术

开放透明的智慧供应链云平台可以为实体经济提供保障。在数字经济时代，全球供应链自动的数字交易将成为主流方式，随着世界格局的转变，去中心化、透明开放的供应链体系或将形成，全球供应链下的各参与者之间自动的交易或交易的自主化都需要区块链技术的支持；数据的安全、数据主权的保证靠区块链技术实现。

6）协作机器人与人机协同系统

传统机器人没有感知系统，其人机交互是相互割裂的；未来的协同机器人具有很强的感知能力，能感知其与人之间的配合，能够达到人机协同，未来的技术发展会出现人与机器、人与机器人的协同作业，甚至人形机器人的应用也会越来越普遍。

7）生物群智能与拟人机器人技术

随着企业大规模应用机器人，机器人自身的灵活搬运与机器人群之间的高效配合成为机器人群使用效率的关键。机器人自身选择最短路径、抓取工具的动作像人一样灵活、机器人群如生物群的方式沟通以达到全局最优，这些技术对未来实现高柔性的物流服务、物流技术的社会化会起到很大的推动作用。

3 工业4.0 技术实际应用案例

近年来，受土地资源、劳动力资源等条件的限制，以及下游客户需求的变化，石化固态产品的物流需求有所变化，固态产品仓储物流由以平面库为核心的人工作业模式向以自动化立体仓库为核心的智能仓储物流加速转变，石化企业仓储物流升级发展进入快车道。石化企业传统的物流管理运营模式越来越难以满足客户对时效、安全、环保与健康的要求，将工业4.0 背景下的物联网、大数据、云计算等IT 新技术与炼化生产、经营、智能仓储、物料搬运、物流包装等环节有机结合，在自动化立体仓库中应用堆垛机、环形穿梭车、托盘输送机系统、机器人、自动导引车（AGV）、仓库管理系统（Warehouse Management System，WMS）、园区车辆调度系统（Transportation Management System，TMS）等技术实现并不断提高石化物流仓储的自动化、信息化和系统化水平，打造新时代下的智慧石化物流仓储系统，已成为石化物流仓储升级发展的大趋势。

国内某石化企业建成于2012 年，初期的聚烯烃产品生产规模为100 万t/a，配套建设有1.5 万t PP 产品平面库1 套，2 万t PE 产品平面库1 套，2 套库房总面积约80 000 m2，总库容为3.5 万t。随着企业及业绩规模的不断扩大，当前的生产及仓储能力不能满足企业快速增长的需要，故该企业于2021 年5 月决定进行扩能改造。新增聚烯烃产品生产规模60 万t/a，配套有2.7万t PP+PE 产品立体库1 套，立体库房总面积约10 000 m2，采用智能化管理控制，集自动入库、智能化储存管理和自动化出库于一体。

如图1 所示，该智能仓储物流系统主要包括堆垛机、立体库货架、托盘输送系统、环穿系统、WMS系统、仓库控制系统（Warehouse Control System，WCS）、TMS 系统、无线电射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签系统、辅助设施及电气设备等，可实现包装、入库、储存、出库发货等全流程的自动化。通过WMS 与上位系统进行对接并下发任务指令至WCS，配套的TMS 和电气控制系统完成智能化存储和搬运作业。该项目共设计规划采用进口堆垛机18 台、进口环形穿梭车30 台、货架系统（货位数18 576 个，储存27 864 t）、托盘输送系统、控制系统、计算机系统等，立体库设备投资总额约8 500 万元。

图1 智能仓储物流系统现场

相对于传统的以人为核心的仓储作业模式，运用工业4.0 相关技术规划建造的自动化立体仓库系统具有以下优势：

1）占地面积小，库存量大

该企业原平库占地面积约为80 000 m2，库存量约为3.5 万t，新建立体仓库占地面积为10 000 m2，库存量为2.7 万t，相当于平面库1/8 的面积，达到了近3/4的库容，在同等面积下库容量为原仓库的6 倍。

2）节省人工和叉车数量

该企业立体库中作业人员人数与原平面库相比，从原来的159 人减少到59 人。主要减少的是库房管理员、叉车驾驶员和叉车数量及装车搬运工，大幅降低了人力成本，提升了企业效益。

3）提高收发货作业效率

自动化立体仓库设备在正常运行状态下，每车收发货作业时间需15 ～20 min，而原平面库每车作业时间则需40 ～50 min。相对于平面库，自动化立体仓库的作业效率提高了60%以上。

通过以上案例可以看出，工业4.0 技术在物流仓储领域物料搬运系统优化中的实际应用为企业带来了显著的效益。借助这些先进技术，企业可以实现物料搬运过程的高度智能化、高效化和可持续化，从而提高整个生产体系的运行效率，降低成本，提升企业竞争力。

4 结论与展望

本文针对工业4.0 背景下的物料搬运系统设计与优化策略进行了综述，总结了相关设计原则、优化方法，并通过实际应用案例分析了工业4.0 技术在物料搬运系统优化中的具体应用。未来的物料搬运系统将在以下方面取得更大发展：

1）人工智能与机器学习技术将在物料搬运系统优化中发挥更大的作用。通过引入深度学习、强化学习等先进算法，物料搬运系统可以实现更高水平的自主决策与自适应调整，提高系统的智能化水平。

2）物联网技术与边缘计算将进一步提升物料搬运系统的实时监控与优化能力。通过在设备端部署智能算法，物料搬运系统可以实现更快速、低延迟的数据处理与决策，提高系统的响应速度与效率。

3）数字孪生技术将在物料搬运系统优化中发挥更重要的作用。通过构建与实际设备和流程高度一致的数字模型，物料搬运系统可以实现更准确的预测与优化，降低系统的运行风险。

4）新型物料搬运设备与技术将不断涌现。随着科学技术的进步，未来可能出现更多具有创新性能和功能的物料搬运设备，如无人机搬运、量子通信物流等，为物料搬运系统优化带来更多可能性。

5 面临的挑战与应对措施

1）数据安全与隐私保护

随着物联网技术和大数据应用的普及，物料搬运系统中产生和传输的数据量呈现爆炸式增长，这些数据中可能包含如生产计划、库存状况等企业敏感信息，故保障数据安全与隐私成为一项重要挑战。企业应加强数据加密、访问控制等技术手段，确保数据安全传输和存储；建立严格的数据管理制度，对数据访问和使用进行有效监管。

2）技术更新与人才培养

工业4.0 技术在物料搬运系统的应用不断演变，企业需要不断更新设备和技术以保持竞争力。在此过程中，企业应关注新技术的研究与开发，并及时跟进市场变化。此外，企业应加强人才培养，提高员工对新技术的认知和应用能力，通过培训、招聘等方式建立一支具备丰富技术知识和实践经验的团队，以应对技术更新带来的挑战。

3）投资成本与回报

引入工业4.0 技术进行物料搬运系统优化往往需要较高的投资成本，企业需要在技术引入和投资回报之间进行权衡。在决策过程中，企业应充分考虑设备更新、技术维护、人力成本等因素，以确保投资的合理性和有效性。此外，企业还可通过政府补贴、银行贷款等渠道降低投资压力，提高投资回报。

4）标准化与互操作性

工业4.0 背景下的物料搬运系统涉及众多设备、技术和平台。在实际应用过程中，不同厂商与系统之间的标准化和互操作性极具挑战。企业应关注行业标准的制定与推广，并积极参与标准化组织的活动。同时，企业还应加强与供应商、合作伙伴的沟通和合作，建立统一的物料搬运系统平台和协议，以实现设备和系统的互联互通。

6 结语

物料搬运系统是现代工业生产中的重要组成部分，其设计与优化对生产效率、产品质量和运营成本等有至关重要的影响。随着工业4.0 技术的不断发展，物料搬运系统的设计与优化策略随之发生深刻变化。本文从工业4.0 背景下的物料搬运系统设计与优化角度出发，总结了相关设计原则和优化方法，并通过实际案例展示了工业4.0 技术在物料搬运系统中的应用。未来，物料搬运系统将继续朝着智能化、高效化和可持续化方向发展，为企业创造更多的价值。