基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流構建

文 / 王建新

隨著我國經濟的高速發展，我國業已成為當今全球工業品類最齊全的名副其實的“世界工廠”，各家企業的訂單越來越具有多品種、小批量、多批次的特點，同時企業卻遇到招工難、地價貴、換產難的困境，這就需要制造型企業對工廠進行精益化、數字化和智能化升級改造，逐步建造少人化或無人化的智慧型工廠。本文對基于AGV/AMR的智能工廠的廠內物流的系統架構、應用條件、構建方式、項目優勢與客戶收益進行介紹，為制造型企業從傳統工廠到智能工廠的升級改造提供一種建設性思路。

一、基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流系統架構

智能工廠的廠內物流系統架構，可以分為上中下三層。

1. 上層：智能工廠的行業劃分和區域劃分

行業劃分為流程型行業和離散型行業，流程型行業的工藝過程是連續進行的，順序固定不變，生產設施按照工藝流程布置，例如化纖、紡織、食品、醫藥等行業。離散型企業的產品是由許多零部件組成，各零部件的加工裝配過程彼此獨立，所以整個產品的加工工藝是離散的，制成的零件通過部件裝配和總裝配，最終成為成品，例如機械制造、3C電子和汽車行業等行業。對于加工裝配型生產管理的特點，除了要保證及時供料和零部件的加工質量外，重要的是控制零部件的生產進度，保證生產的成套性。按照功能區域來劃分，可以分為全球智能工廠和區域智能工廠，異地工廠之間通過工業互聯網進行協同辦公。智能工廠系統主要由智能設備、智能物流、智能軟件、智能排產和智能供應鏈等五大模塊組成，其中智能物流是構建智能工廠的重要組成部分，負責整個智能工廠的原料、半成品、成品、包輔材、工裝治具等生產物料的物流管理，主要工藝流程包括：收發貨、物料搬運、物料存取、倉庫盤點、訂單揀選、物料配送、產品包裝、拆碼垛、裝卸車、物料暫存等，將準確適量的物料在合適的時間、以合適的方式、配送到合適的地點，來保證生產準確有序的連續運行。智能工廠的系統架構如圖1所示。

圖1 智能工廠的系統架構

2. 中層:端到端的整體智能物流解決方案

即我們常說的“交鑰匙工程”。輸入端為客戶的需求，通過前期的客戶現場調研和實勘來收集物流設計需要的各種原始數據，然后對其進行科學系統的整理與分析，得到物流方案規劃所需要的靜態數據、動態數據和客戶的定制化需求，從而對客戶的廠內物流方案進行初步的概念設計和物流設備選型。考慮到行業之間的應用差異，地域之間的需求差異，以及每個客戶不同的投資規劃，不是每個客戶都會選擇從零開始建設一處高標準、高智能化程度的智慧工廠，更多的是要先解決當前或者近期的一些痛點問題，這些問題往往是局部的或者單元化的，比如上萬種電子原料收貨檢驗入庫，大批量多批次成品下線包裝入庫，或者對用于車間配送的各類型托盤和料車統一調度管理等等。基于此類需求，木牛流馬公司率先提出場景盒子（ROBOX）的概念，如圖2所示，將當下領先的移動機器人技術、木牛流馬的核心移動機器人產品（AGV/AMR）和100多個移動機器人成功案例進行提煉加工，固化成高度標準化、模塊化、客制化的場景盒子，為客戶提供基于AGV/AMR的整體智慧物流解決方案。依據重點行業內的項目實施經驗和最佳實踐，使用科學的物流規劃方法論，為客戶量身制作最為適合的智能工廠廠內物流方案規劃，同時可以對物流方案進行仿真計算，在數字空間內模擬物理空間的運行，可以獲得系統運行中的瓶頸點和物流參數，從而對現有設計方案進行優化，為客戶提供最佳的投資回報。

圖2 木牛流馬的場景盒子

3. 底層:移動機器人（AGV/AMR）的技術、產品和場景的融合，以及對物流硬件設備和物流管理控制軟件的集成

移動機器人的關鍵技術主要為混合調度技術、激光導航技術、車輛控制技術、安全防護技術、數字孿生技術和工業互聯技術等。移動機器人的產品主要包括叉式AGV和潛伏式AMR，如圖3所示，叉式AGV有搬運式AGV、堆高式AGV、前移式AGV、牽引式AGV和定制化AGV等，潛伏式AMR在通用底盤的基礎上可以做成輥筒式AMR、鏈條式AMR、托盤式AMR、潔凈室AMR和復合機器人式AMR等，軟件產品主要是倉庫管理軟件（WMS）、倉庫控制軟件（WCS）、交通管理軟件（TMS）和移動機器人控制軟件（RCS/AGVS）等。

圖3 AGV/AMR產品種類

二、基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流系統的應用條件

在價值鏈運營環境下，物流已經成為智能工廠的核心要素，工廠規劃和運營管理必須具備流動思維和供應鏈交付思維。“大交付、大物流、小生產”、“智能工廠物流中心化”的工廠規劃和運營理念，在制造業中已經得到越來越多的認同和實踐。智能工廠物流系統規劃要以物流規劃和運營為主線、以工廠有效運營為導向、“以始為終”進行規劃，實現所有規劃和資源要素的聯動和貫通。智能工廠物流規劃的目的為：配合達成智能工廠整體規劃、實現智能工廠中心化、實現制造資源聯動和支持智能工廠的有效運營[1]。

從客戶需求的角度，智能工廠的廠內物流系統的方案應用需要滿足以下幾點原則：

1. 性價比原則

性能價格比最高的方案往往可以在眾多備選方案中勝出，也是為客戶創造價值的最直接的體現。

2. 高效率原則

物流效率的提高，意味著客戶可以用較少的物流設備、較少的人員投入和較少的存取空間，來滿足多品種、多批次、小批量的產品生產需求（MTS）和訂單需求（MTO）。

3. 拓展性原則

從動態上來看，企業的生產與銷售會隨著外部環境的變化而變化，比如單一產品種類（SKU）的訂單周期性變化和隨機性變化，或者產品種類（SKU）也隨之變化，或者客戶需求也在不斷變化，這就需要物流系統具有高度的柔性和拓展性。

4. 安全性原則

隨著廠內物流設備的增多，在人機交互區域，需要增加多種安全防護功能，以保證作業人員的人身安全，以及貨物安全和設備安全等。

5. 先進性原則

隨著物流技術、物流設備和物流軟件的飛速發展與迭代，目前以移動機器人為代表的柔性物流設備，逐漸取代傳統的輸送設備或人工叉車的物流作業方式，相信隨著成本的降低，移動機器人將會得到更為廣泛的應用。

6. 透明化原則

數字化、可視化和透明化是智能工廠的重要評價指標，通過傳感器的應用、數據采集與分析技術和閉環控制設計，將智能工廠的運行狀態實時地呈現在中控室或者管理人員的面前。

從行業應用的角度，根據處理物料和工藝流程的不同，可以結合相應的場景盒子的特點進行應用，如圖4所示：

圖4 AGV/AMR場景盒子的應用條件

? 混合調度盒子

由于物料的載具多種多樣，有川字底托盤、田字底托盤、料車、料架等，其中僅川字底托盤就有很多種材料、外形尺寸和負載，這就要求選擇多種不同的AGV/AMR設備進行搬運和接駁，當同一個場地出現多種品牌或者多種形式的AGV/AMR時，就需要使用同一套地圖和同一個套車輛調度系統調度管理所有的AGV/AMR，這種物流作業場景在目前的眾多行業中均可找到應用。

? 產線末端盒子

幾乎所有的制造型企業最終都是生產產品的，為了方便管理與轉運，產品均需要進行包裝，從單一產品的最小包裝，到同類產品的包裝箱，再到多個包裝箱碼垛成托盤，防止成品垛的散落或貨損而進行的防護角、纏膜、打帶、裝箱等后道作業，然后進行上架入庫管理，最終進行出庫裝車發運，整個成品下線到出廠的過程，均可實現無人化物流作業，移動機器人可以完成各種集裝器具的轉運和接駁工作，如使用叉式AGV完成托盤類貨物的自動裝車。

? 大噸位盒子

在某些重載物料的制造型企業，比如鋼鐵行業、玻璃行業、液態食品行業等，單個托盤的重量超過3噸，普通叉式AGV無法搬運，木牛流馬自主開發的平衡重式叉式AGV，則可以輕松應對，不僅可以舉升3米高的高度，而且可以通過調節叉距的方式適配不同大小的托盤，具有極高的使用價值和適用范圍。

? 紡織絲車盒子

玻化紡行業是典型的流程型行業，大多為24小時不間斷進行生產作業，而且工人勞動強度特別大，招工越來越難，使用AGV來取代人工進行絲車的搬運業已成為玻化紡行業的迫切需求。

隨著行業需求的深入挖掘，將來會有更多針對特定場景而設計的場景盒子出現，從車間臺位到產線物料配送，再到多層廠房之間的物料轉運，多棟廠房之間的物流搬運，都將會有相對應的解決方案，場景盒子的家族也會不斷擴展壯大。

三、基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流系統的構建方式

經過廣大物流裝備行業的同仁多年的努力，基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流構建已經形成成熟可復制的方法論，本文從智能工廠廠內物流項目實施流程的角度進行簡單闡述。

1. 確定方案規劃方向

通常采用自頂向下的構建方式，一個智能工廠的廠內物流項目構建首先要結合業主所在行業的特點與業主的個性化需求，比如土建要求、生產產線要求、生產產能要求、自動化等級等，建立智能工廠廠內物流的基本方向，對于物流流量小、物流范圍小、物流復雜程度高的場景，可選擇工具輔助的方式構建；對于物流流量小、物流范圍小、物流復雜程度低的場景，可選擇機械作業的方式構建；對于物流流量大、物流范圍大、物流復雜程度高的場景，可選擇局部自動的方式構建；對于物流流量大、物流范圍大、物流復雜程度低的場景，可選擇全局自動的方式構建。

2. 數據收集與分析

可選擇物流系統集成商或專業的物流咨詢公司進行整體方案的規劃，系統地整理智能工廠廠內物流的處理對象、集裝器具、工藝流程、物流流量、物流流向、工單分析、庫存周期、功能區域、消防要求、建筑要求、溫濕度要求、潔凈室要求、作業人員需求、收發貨車輛數據等，為后續的初步方案規劃提供設計輸入數據。常用的物流數據分析方法有PFEP分析法、ABC分析法、EIQ分析法等，不再贅述。

3. 物流設備選型

按照物料集裝器具來分類，可以分為托盤類移動機器人和料箱類移動機器人，每種移動機器人都有其適用場景和使用邊界，詳見表1。

表1 AGV/AMR適用場景和使用邊界

就托盤貨物的地面搬運和輸送機接駁而言，AGV和AMR的功能多有重復，都可以進行輸送機的接駁以及地面搬運，二者的區別在于AGV可以直接落地，AMR需要在地上安裝固定支架或背托式活動料架，詳見表2。

表2 AGV/AMR的相似性與獨特性

其他物流設備可根據具體情況進行具體分析，常用的輸送設備有滾筒輸送機、鏈條輸送機、皮帶機、提升機、RGV、懸掛輸送機等；常用的分揀設備有擺輪分揀機、頂升移載機、交叉帶分揀機、貨到人揀選臺GTP等；常用的立體倉庫有堆垛機立庫、穿梭車立庫和AGV立庫等；常用的包裝設備有開箱機、裝箱機、封箱機、打標機、打帶機、纏膜機、拆碼垛機器人等；常用的裝卸設備有人工叉車、行架機器人、伸縮皮帶機、自動裝車AGV等，不一而足，擇優選用。

4. 物流方案規劃

由方案規劃工程師根據數據分析輸出結果和物流設備選型結果在業主提供的工廠基建圖紙上進行物流區塊的布局，首先確定每個區塊（含防火分區）的位置、面積和可用凈高度，以及出入口的位置、開口寬度和高度，通常需要業主提供最新的基建圖紙和設備布局圖。方案工程師可根據工藝流程和建筑特點進行初步方案規劃，確定每個區塊的物流設備布局和存儲量，將1:1的物流設備圖塊、貨架圖塊、其他設施圖塊進行有序擺放，同時將設計數據與需求數據進行對比，如果設計數據無法滿足需求數據，需要修正物流方案或者與業主溝通進行需求數據的變更。其次，物流規劃方案確定以后，需要對方案進行細化，將AP點布局、計算用電量、確定取電點、墻面預留開孔洞、地面預埋要求、操作人員需求、設備清單、備品備件清單、易損件清單、投資回收期(ROI)等方案設計出來，提交給業主。最后，需要提交商務投標文件、技術投標文件、述標文件、物流系統動畫等資料，進入正式的招投標流程。

5. 物流系統施工

供應商中標之后可以開始準備項目實施階段，在收到業主的首付款之前，僅進行計劃類、設計類和文檔類的工作，在收到首付款后，方可進行物料的采購并啟動物流設備的加工制作，對于自制設備需要在場內進行組裝和場內調試工作，測試合格后方可進行發貨出廠；對于集成設備，需要進行主場檢驗和發貨前測試，待驗收合格后可直發業主現場。現場項目經理根據安裝順序和項目計劃組織物流設備和物流設施的安裝調試，并處理現場出現的各種問題，通常是先進行單機調試，再進行系統聯調，最后進行試運行、陪產和業主操作人員的培訓，直到客戶同意在驗收單上簽字。

6. 物流系統運維

通常情況下，物流設備的質保期為1年，在質保期內，供應商需免費提供售后服務、遠程監控、預防性維修、備品備件和易損易耗件等服務，以保證業主的物流系統運轉良好。在質保期外，在與業主達成一致后，供應商可以根據服務內容和發生費用情況適當收取一定的費用。

圖5 智能工廠的廠內物流系統的構建方式

四、基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流系統的項目優勢

5年內經過超過100個基于AGV/AMR的廠內物流項目實踐，涵蓋化纖行業、機械制造行業、汽車零部件行業、3C行業、新能源行業、食品醫藥行業、煙草行業、商業物流行業、電力電子行業等，此類項目的優勢主要有以下幾個方面：

1. 智能化程度高

AGV為自動導引車輛，可以完成自動運行、自動避障、自動導航、自動充電、主動安全保護等功能。AMR為自主移動車輛，AMR擁有AGV的所有功能，同時將導航方式進行了升級，使用激光SLAM或視覺SLAM技術取代了傳統的二維碼慣性導航，可自主規劃路線和避障，運行軌跡更加流暢，復雜場地的適應性更高。所有的AGV/AMR車輛調度均由一套TMS/AGVS系統進行管理調度，經過數據優化和算法優化，可以提供最優的物流路徑和物流流程。

2. 系統拓展性高

AGV/AMR屬于離散型的單元化物流設備，與傳統的固定路線的輸送存儲設備相比，具有良好的系統拓展性。AGV/AMR有任務時才啟動工作，無任務時在充電維修區進行充電或待機，不占用廠內通道或暫存區空間，同時AGV/ARM激活的數量可根據不同時期內的物流流量進行動態調整，真正的按需進行分派車輛任務。如果未來產量增加，需要增加AGV/AMR的數量，只需要將新增加的AGV/AMR車輛加入TMS中即可，可在不停產的情況下快速實施。如果需要拓展或更改AGV/AMR的工作區域或者工作路線，只要將新的更改方案添加到地圖中即可。這是傳統的輸送設備無法比擬的。

3. 項目實施周期短

AGV/AMR單機設備多為標準化產品，生產周期短，供貨周期短；AGV/AMR單機設備為移動機器人，無需對地面進行改造施工，通電就能運行；AGV/AMR交管軟件具有良好的魯棒性和易操作性，工程師可快速進行地圖繪制和現場調試，隨著數字孿生技術的使用，AGV/AMR系統的調試可以在虛擬空間內完成初步測試，再到現場整體程序灌制，大大節省現場調試時間；AP點接入、網絡搭建和電腦硬件可在AGV/AMR進場前進行安裝施工，也可與AGV單機調試同步進行，節省整個項目的實施周期。

縮寫 英文 中文3C Computer、Communication、Consumer Electronic 電腦、通訊、和消費性電子AGV Automatic guided vehicle 自動導引車輛AMR Autonomous mobile robot 自主移動機器人AP Access Point 無線接入點CIF I-COW intelligent factory 木牛流馬智能工廠EIQ Entry、Item、Quantity 訂單品類數量分析法FAP Food and pharma box 食品藥品行業盒子GTP Goods to person 貨到人揀選站MTS Manufacture to stock 倉儲拉動生產MTO Manufacture to order 訂單拉動生產NEO New energy industry box 新能源行業盒子PCB Printed circuit board box 印刷電路板行業盒子PFEP Plan for every parts 為每一個零件進行規劃RCS Robot control system 機器人控制系統RGV Rail guided vehicle 有軌導引車輛ROBOX Robot solution box 木牛流馬場景盒子ROI Return of investment 投資回收期SKU Stock keeping unit 倉庫存放單元（物料品類）SLAM Simultaneous Localization and Mapping 即時定位與地圖構建TEX Textile industry box 紡織行業盒子TMS Transport management system 交通管理系統WCS Warehouse control system 倉庫控制系統WMS Warehouse management system 倉庫管理系統

五、基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流系統的客戶收益

如前所述，隨著全球經濟一體化、國家智能制造產業規劃和我國制造業實力的增強，傳統行業的訂單和產能不斷增加，新興產業也在不斷涌現；企業卻遇到了招工難、交貨期短、產能受限等諸多困境，通過對工廠進行智能化升級改造，可以化解這些痛點，為企業帶來收益。

1. 智能工廠用工人數減少

自動化工廠消滅了低水平需重復的工種，智能化工廠消滅了中水平需動腦的工種，AGV/AMR可以取代的工作包括：物料搬運、托盤堆高、物料存取、產線對接、產線配送、電梯呼叫、快速門控制、空托盤收集、機床上下料、自動裝卸等。未來的工廠，將會是真正意義上的“無人工廠”。

2. 訂單處理及時高效

智能工廠具有高度智能化，可對訂單進行預測和前置處理，并進行合理的排產和生產；高柔性，可靈活應對訂單的多品種、多批次、小批量的客制化需求；高效率，智能工廠可24小時連續不間斷地運行。

3. 項目投資回收期更短

基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流項目實施周期短，上線時間快，業主可在2年內回收投資。同時，政府大力扶植傳統企業進行智能化升級改造，建設“智能工廠”，可對企業進行稅收優惠和政府補貼。智能工廠的建成大大提高了企業自身的形象，可創造出良好的社會效益和經濟效益。物流被稱為企業的第三利潤源泉，通過良好的物流規劃，使得少庫存或者零庫存成為可能。

綜上所述，基于AGV/AMR的智能工廠廠內物流的構建具有良好的理論基礎和實踐基礎，具有廣泛的應用空間和市場前景，在廣大AGV/AMR仁人志士的共同努力下，必將迎來新一輪的高速發展的黃金時代。