面向智能制造的物流系统建设

面向智能制造的物流系统建设

支持智能制造的智能物流系统建设

在工业4.0时代，生产制造活动的发起点不再是制造企业，而是最终用户。整个价值链由过去企业推动的模式转变为用户拉动的模式，即一切生产经营的出发点变成了最终用户。用户的需求变得更加个性化、高端化，讲究参与感与快速响应。制造企业需要有能力使用户参与到产品设计中，根据用户需求进行生产。这就是所谓的大规模定制模式，即，由用户来决定企业生产什么、生产多少，此外还必须控制在较低的成本下。

在这种新的生产模式下，首先受到冲击的其实正是制造企业的物流部分。为了满足用户定制化、快速响应等要求，需要物料配送模式更具有高柔性的自动化，具有根据订单做出快速响应的能力。这也就是为什么在研究智能制造的时候，必须重点研究智能物流的原因。

一、智能制造对智能物流提出的要求

在智能制造时代，大规模定制的需求对智能物流系统提出了很多全新的要求。例如，在汽车行业，过去消费者可选购的车型很少，而现在不仅各大品牌车型多样化，更实质性的进步是消费者可对零部件种类做出更多选择;尤其是当零部件数量呈爆炸式增长后，各种配置总和可达到10的32次方，这意味着在一个月甚至更长时间内，一条生产线不会下线两辆相同的车型。为了支持这种生产模式，要求智能制造体系中的智能物流系统必须满足全流程数字化、网络化、高柔性的自动化和智能化的要求。

1.全流程数字化

在未来智能制造的框架内，智能物流系统能够智能地连接与集成企业内外部的全部物流流程，实现物流网络的全透明与离散式的实时控制，而实现这一目标的核心在于数字化。只有做到全流程数字化，才能使物流系统具有智能化的功能。

2. 网络化

智能物流系统中的各种设备不再是单独孤立地运行，它们通过物联网和互联网技术智能地连接在一起，构成一个全方位的网状结构，可以快速地进行信息交换和自主决策。这样的网状结构不仅保证了整个系统的高效率和透明性，同时也最大限度地发挥每台设备的作用。

3.高柔性的自动化

4.智能化

智能化是智能物流系统提出的最核心的要求，是智能物流不同于以往的最大特点。面对大规模的定制需求，以及成本降低、效率优化，需要将生产中每个环节的智能化程度提高，将它们智慧相联，使它们具有自主决策的能力，同时去中心化，不仅是任务的执行者，也是任务的发起者。

二、智能物流系统组成及其功能特点

智能单元化物流技术、智能物流装备、物联网技术以及智能物流信息系统是打造智能物流的核心元素。在这个智能物流系统中的一切设备，不管是单元化物流设备还是自动化物流装备，都将是自主决策、去中心化、离散控制的，它们拥有高度的自动化和柔性。

1.智能单元化物流技术

单元化物流根据集装器具可分为：集装箱单元化物流、托盘单元化物流和周转箱单元化物流。在现代单元化物流技术中，单元器具不仅是物料的载体，也成为信息流的载体。单元化物流的功能，是将原来分立的物流各环节有效地联合为一个整体，使整个物流系统实现合理化。在工业4.0智能工厂框架内，智能物流单元化技术是连接供应商、制造商和客户的重要环节，因此是构建未来智能工厂的基石。智能托盘/周转箱将成为工业4.0时代的基本智能单元，向物流系统发出行动指令，利用智能物流单元化技术拉动整个供应链。

德国物流研究院（Fraunhofer IML）自主研发了一种叫做inBin的智能周转箱技术，通过在周转箱上加装感知与智能控制单元，实现了物流单元的智能化。

InBin智能箱既能自主管理箱内的货物，又能向上级系统及时报告智能箱的状态，实现自动要货和补货的功能。基于智能箱的输送系统可采用分散控制技术，智能箱不再是被动单元，而是给输送系统发号施令的“主人”。在智能箱的指挥下，输送系统可以自动地将箱子送达目的地。

2.智能物流装备

德国物流研究院研发的高柔性CTS（Cellular Transport Systems，小型自主运输单元）技术，有别于传统的穿梭车。在这个系统中，每辆小车都是一个独立单元，它们将会取代柔性差的输送设备，可以根据所在位置与状态自主承接合适的订单，并与生产设备及其它小车智能交互，自主解决行走中遇到的问题。

这种小车基于物联网技术，实现自主控制，能利用群智能技术完成复杂运输任务，具有随需随到的运输能力，并且能实现在货架和地面两栖移动，具有较好的柔性。

除了CTS技术，德国物流研究院还研发出一种会滚动、会飞行的智能搬运技术Bin：Go。

借助巧妙的设计，Bin：Go能在地面和螺旋架上滚动行进，并且自主规划路径，当滚动变得困难或低效时，它可以通过飞行来到达目的地并完成任务。这样的小车都不再局限在平面或固定的路径上，它们能够在二维或三维空间自主完成搬运作业和系统赋予的任务。

3.物联网技术

4.智能物流信息系统

三、物流智能化的演进

为了实现上述的智能物流系统，学术界和产业界都做了大量的工作，下面以搬运系统的演变来展现物流设备走向智能化的发展路径。

1.机械化时期

叉车是搬运系统机械化时期的典型代表，它实现了作业的机械化，大大提高了搬运和装卸效率，减轻了工人的工作强度。但是它的行驶依靠人的实时操作，工人在长期工作中很容易出错，而且存在一定的安全隐患。尤其是随着人工成本不断升高，叉车已经难以满足企业大量生产的需要。

2. 自动化时期

3. 高柔性自动化时期

为了进一步提高其柔性，AGV开始从二维平面运动拓展到三维空间。也就是说，AGV将可以直接把货物从生产线送到货架上，并在货架中穿行;应用于多层货架时，高层货架可以横跨巷道布置，这样就使得仓库的空间利用率比现有的仓库系统进一步提升。这种两栖多功能的搬运系统显然在柔性和自动化方面更上一层楼。

4. 智能化时期

在大规模的运输任务中，现有的方法通常是对搬运系统进行集中控制与集中管理，但是这不适用于智能物流中的单元化运输系统。在智能化时期，搬运系统不再对多车之间的相互配合“车群”进行集中控制，而是采用基于窄带物联网技术的分散控制的方式，使用专门的AGV管理软件来优化运输系统的整体运行能力。AGV可以不依赖导引线完全自由行驶，对周围环境的动态障碍做出反应，比如避让车辆前方的障碍物或另一辆AGV，而且AGV可以实时寻找到达目标的最短路迳，车与车之间通过无线网络实现信息交互、协调任务分配和路径寻找。

四、面向智能物流的前沿应用

尽管目前物流装备行业的发展离上述的智能物流还有较远的路程要走，但是随着相关研发的投入，市场上已经逐渐开始出现支撑智能物流的产品。

箱（盒）式超高速自动仓库

该立库的单巷道中同时设置多台堆垛机，运用先进的同步协调控制技术使其在各自独立的作业中互不干涉。巷道内的堆垛机为上下两层结构，同时作业，其入出库处理能力可达2200箱（盒）/小时。同时它也是集存储、输送、分拣于一体的新型配送系统，完全实现了分拣、集货等环节的自动化。其中，分拣系统采用了立体化的三维布局，与以往的平面布局相比，既节省空间又节约了人力。

第三代物流机器人实现了从自动化到智能化的转变，它们由移动车体、机械臂和机械手组成，具有高度自主性，能够完成多种功能如物体识别、抓取分拣及运输，在效率和功能上远超第二代，可满足智能物流对于设备高柔性自动化的需求。

全方位传送带分拣系统

AR智慧物流系统

手持式智能读码器

五、智能物流落地的几点建议

智能物流有着很好的发展前景，将配合智能制造彻底改变生产方式。但是在落地的过程中，特别是在中国，除了技术层面的壁垒，仍然有诸多挑战和难点需要克服。对此提几点落地的建议以供参考。

1.重流程

在智能物流的落地过程中，流程再造和优化是重中之重。国内企业常常不重视流程方面的分析，而更愿意投资昂贵的设备，但是投资硬件并不能让企业直接找到流程上的不足，只有持续不断进行流程优化，才能把企业内部不合理的东西深挖出来，通过两化融合实现智能制造。

2.重规划

在智能物流落地方法上，企业需要制定相应的智能物流战略，根据愿景制定相应的行动计划，由此确定整体发展路径。以宝马莱比锡工厂为例，其外观犹如一把梳子，这样的造型是为了物流便利性。通过运送不同零组件的货车直接开至离装配线最近区域，这样部件进厂后可直接送至相应工位，实现生产和供应JIT。反观国内的工厂往往方方正正，却并不有利于物流。

3.重标准

目前，我国政府对于两化融合、《中国制造2025》非常支持，许多企业大力度地投入研发，希望立起行业标杆，在下一个工业时代中成为弄潮儿。但在把项目做大做强前，企业需要关注相应标准的制定，强调国家级标准的重要性。当前的工业4.0标准尚未完全清晰，行业不仅要重视国际方面的进展，也要加强国内物流标准化建设，比如集装单元标准化、通讯协议标准化。这些看似小的问题如果得不到解决，不仅降低了物流效率，也极大阻碍智能物流发展。

4. 重数据产权与安全

未来的经济是数字经济，未来的社会是数字社会。在推动智能物流落地的过程中，企业应当数字化所有流程，只有这样才能更好地去控制和优化流程。而这将使数据变得至关重要，数据成为新一代的“石油”，谁拥有数据，谁就占据了主动权和话语权。当如此多的数据被产生，并且成为一种稀缺资源时，大数据产权和数据安全是不可避免的问题，这需要有完善的法律和技术手段去保护。

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