汽車(chē)廠內(nèi)物流搬運(yùn)系統(tǒng)中AGV應(yīng)用研究

李賢杰 張欽紅

（上海交通大學(xué)中美物流研究院，上海 200030）

汽車(chē)廠內(nèi)物流搬運(yùn)系統(tǒng)中AGV應(yīng)用研究

李賢杰 張欽紅

（上海交通大學(xué)中美物流研究院，上海 200030）

本文闡述了物流領(lǐng)域自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用的必要性與趨勢(shì)，并以汽車(chē)廠內(nèi)物流搬運(yùn)系統(tǒng)為例，構(gòu)建模型定量分析了企業(yè)使用AGV替代人力前后的成本，并結(jié)合實(shí)例分析了影響成本變化的相關(guān)因素，結(jié)果表明滿足一定條件下，使用AGV替代人力能夠降低汽車(chē)制造企業(yè)的運(yùn)輸成本，提升服務(wù)質(zhì)量。

廠內(nèi)物流；AGV；自動(dòng)化設(shè)備

1 引言

近年來(lái)，隨著“用工荒”和勞動(dòng)力成本的快速上漲，勞動(dòng)密集型的物流企業(yè)面臨著嚴(yán)峻的成本壓力。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)15-59歲勞動(dòng)年齡人口占總?cè)丝诘谋戎?，已?jīng)從2011年峰值的69.8%降至2015年末的67.0% 。但與此同時(shí)勞動(dòng)力成本持續(xù)上升，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，近十年來(lái)交通運(yùn)輸業(yè)工資年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到了13.12%，由2005年末的20911元增至2014年末的63416元。此外，80后、90后已經(jīng)開(kāi)始逐漸成為低端勞動(dòng)力主力，這些勞動(dòng)者越來(lái)越不愿意從事物流業(yè)中重復(fù)單調(diào)、環(huán)境不佳的工作。

為應(yīng)對(duì)人力上漲的挑戰(zhàn)，以自動(dòng)化替代人工操作已是當(dāng)前物流業(yè)的共識(shí)。其中，AGV（Automated Guided Vehicle，即“自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)”）作為物料搬運(yùn)的自動(dòng)化裝置，在物流業(yè)中開(kāi)始得到大量的應(yīng)用，成為應(yīng)用最廣泛的物流自動(dòng)化設(shè)備之一。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，物流企業(yè)早已開(kāi)始在工廠內(nèi)部大規(guī)模使用AGV替代人力。比如，日產(chǎn)的追浜工廠已有約900臺(tái)AGV應(yīng)用于工廠內(nèi)部，成功實(shí)現(xiàn)了不同車(chē)型零部件供應(yīng)的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了高效率的混流生產(chǎn)和快捷的物流過(guò)程。而TOYOTA在肯塔基Georgetown工廠的廠內(nèi)物流實(shí)施了自動(dòng)化牽引車(chē)（AGT）和自動(dòng)化平板車(chē)（AGC）改造項(xiàng)目，減少了42名工人，每年節(jié)約成本100多萬(wàn)美元。

在我國(guó)，AGV也逐漸受到物流企業(yè)的重視，成為物流自動(dòng)化的重要選擇。上海大眾汽車(chē)安亭生產(chǎn)基地總裝車(chē)間配備了7輛智能型自動(dòng)牽引小車(chē)進(jìn)行裝配物料的輸送，通過(guò)AGV物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從卸貨道口上線至流水線工位的全程自動(dòng)化流轉(zhuǎn)，不僅減少了鏟車(chē)的數(shù)量，還降低了裝配人工的體能消耗，同時(shí)也更加高效。上汽通用五菱汽車(chē)公司重慶分公司車(chē)身車(chē)間的AVG系統(tǒng)主要用于完成門(mén)蓋內(nèi)外板從沖壓庫(kù)房到焊接線對(duì)應(yīng)工位的搬運(yùn)。奇瑞捷豹路虎常熟工廠配件運(yùn)輸中大量使用AGV運(yùn)輸機(jī)器人，減少了配送人員，在提升配送效率的同時(shí)降低了員工取件時(shí)間和拿錯(cuò)零件的風(fēng)險(xiǎn)。

AGV具有諸多人工作業(yè)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：AGV工作效率高，可實(shí)現(xiàn)近乎24小時(shí)的滿負(fù)荷作業(yè)；AGV可靠性高，定位停車(chē)精準(zhǔn)，可以提高物料搬運(yùn)的準(zhǔn)確性；AGV充電裝置和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能較少，噪音較小，可以達(dá)到清潔生產(chǎn)，提高觀賞度。不過(guò)AGV小車(chē)的智能程度較低，還無(wú)法靈活地對(duì)預(yù)先給定程序以外的事件進(jìn)行處理，只能進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的搬運(yùn)工作。

如何權(quán)衡以AGV取代人力的成本節(jié)約？哪些因素影響成本節(jié)約？是企業(yè)在實(shí)施物流搬運(yùn)系統(tǒng)自動(dòng)化時(shí)必須考慮的問(wèn)題。然而目前學(xué)術(shù)界對(duì)這一問(wèn)題的研究還不夠充分，缺少定量模型的分析。本文以汽車(chē)物流企業(yè)的廠內(nèi)物流為背景，構(gòu)建定量模型分析以AGV替代人工的成本變化及其影響因素，進(jìn)而為企業(yè)實(shí)施物流自動(dòng)化提供決策借鑒。

2 研究現(xiàn)狀

目前學(xué)術(shù)界對(duì)AGV研究主要集中在AGV的技術(shù)設(shè)計(jì)以及線路規(guī)劃方面。Majdi Morteza等（2006）采用模糊控制技術(shù)進(jìn)行AGV在未知環(huán)境中的導(dǎo)航研究。韓國(guó)LEE.Young-Jin和Suh.Jin-Ho等用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和改進(jìn)免疫算法(CMIA)對(duì)AGV的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。馮海雙（2013）在單AGV路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對(duì)多AGV系統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行研究；并分析各算法特點(diǎn)，選擇基于有向圖的算法進(jìn)行多AGV路徑規(guī)劃。牛坤（2015）闡述了AGV總體方案，根據(jù)方案的設(shè)計(jì)要求,對(duì)其機(jī)構(gòu)構(gòu)型、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)方式和轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行了選取。

關(guān)于AGV在汽車(chē)工廠內(nèi)應(yīng)用的文獻(xiàn)較少，針對(duì)AGV的效益進(jìn)行定量分析的文獻(xiàn)更是稀缺。本文則構(gòu)建使用AGV取代人力前后的成本模型并進(jìn)行分析。

3 符號(hào)說(shuō)明及模型假設(shè)

3.1 符號(hào)說(shuō)明及模型假設(shè)

3.2 模型假設(shè)

1）假設(shè)所有零件配送的初始位置與終止位置皆相同，即為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)輸

2）改造前無(wú)AGV時(shí)，由司機(jī)進(jìn)行庫(kù)內(nèi)集配和線邊置換

3）每名員工的人工成本皆相同

4）不同零件的庫(kù)內(nèi)集配和線邊置換時(shí)間皆相同

5）無(wú)AGV時(shí)和有AGV時(shí)物流管理成本相同

6）1個(gè)臺(tái)車(chē)上只放置1個(gè)托盤(pán)

7）改造前和改造后班次一致

4 模型建立

定量模型的思想為通過(guò)對(duì)比在AGV實(shí)施前后，同一流程所需的人員、設(shè)備數(shù)量以及對(duì)應(yīng)的成本，來(lái)探討實(shí)施AGV時(shí)的成本節(jié)約值和人員減少量。

4.1 改造前無(wú)AGGVV時(shí)成本

對(duì)于某區(qū)域改造前無(wú)AGV時(shí)成本由人力成本、設(shè)備搬運(yùn)費(fèi)和物流管理成本組成。

β為班次數(shù)量，F(xiàn) 公司一般采用雙班制，同時(shí)為了保證員工得到充分的作息時(shí)間，符合國(guó)家用工條件，需要增加人數(shù)作為輪換。例如F 公司在雙班人力的基礎(chǔ)上采用了 5+1 的排班方式，以班組為單位，每五個(gè)人增加一個(gè)人作為輪換，則β為2.4。

將（2）式，（3）式代入（1）式，得到（4）式，即為改造前未使用AGV的成本。

4.2 改造后引入AGV的成本

對(duì)于某區(qū)域改造后引入AGV 的成本由人工成本、設(shè)備搬運(yùn)費(fèi)、物流管理成本和附加費(fèi)組成。引入AGV可以替代司機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，但由于企業(yè)采用的AGV智能化水平較低，所以托盤(pán)的集配和置換依然采用人力進(jìn)行。

與上文類(lèi)似，s/vAmA表示使用AGV后的單托盤(pán)運(yùn)輸時(shí)間；再加上改造后的單托盤(pán)的集配和置換，得到單托盤(pán)總用時(shí)；再乘以寬放系數(shù)，除以作業(yè)工時(shí)，得到了AGV的數(shù)量。

使用AGV替代了運(yùn)輸，但集配和置換仍需人工，所以求得所有零件的集配與置換時(shí)間，再除以作業(yè)工時(shí)，乘以寬放系數(shù)和班次數(shù)量，就得到了引入AGV后所需要的人工數(shù)。

將（6）式，（7）式代入（5）式，得到（8）式，即為改造后引入AGV的成本。

4.3 成本節(jié)約值

成本節(jié)約值等于改造前的成本減去改造后引入AGV后的成本。將（4）式，（5）式代入（9）式，得到（10）式，即為成本節(jié)約值。

化簡(jiǎn)得到（11）式

Ji·Ki·Li單班托數(shù)需要通過(guò)原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到，*單車(chē)用量*差異比例，得到每種零件單班需要運(yùn)輸?shù)臄?shù)量，再除以每個(gè)膠箱裝載的零件的數(shù)目SNPi得到了每種零件需要的膠箱數(shù)，每個(gè)托盤(pán)可以裝Oi個(gè)膠箱，即得到每種零件需要多少托盤(pán)，即為再對(duì)零件求和匯總，就得到了單班托數(shù)。

將（12）式代入（11）式，得到（13）式，即為最終的成本節(jié)約值。

人員縮減數(shù)等于改造前所需的工人數(shù)減去引入AGV后的人工數(shù)。

5 實(shí)例分析

表2 人工成本的構(gòu)成與核算

表3 搬運(yùn)成本的構(gòu)成與核算

本文選取F汽車(chē)工廠2015年4月13日由北雨棚倉(cāng)庫(kù)運(yùn)送至總裝車(chē)間后懸區(qū)的部分零件，零件具體數(shù)據(jù)由于保密需要，暫不公布。

牽引車(chē)速度66米/分種，牽引車(chē)牽引6輛臺(tái)車(chē)，每個(gè)托盤(pán)庫(kù)內(nèi)集配與線邊置換時(shí)間為2.1min。則改造前需要牽引車(chē)數(shù)量為2.017輛，需要工人數(shù)4.841人。AGV運(yùn)行速度30m/m，AGV牽引3輛臺(tái)車(chē)，每個(gè)托盤(pán)庫(kù)內(nèi)集配與線邊置換時(shí)間為1.7min。改造后需要AGV數(shù)量為4.906輛，需要工人數(shù)2.147人。

員工月工資2550元，則全年工資30600元，加上社保等費(fèi)用后單個(gè)人工成本52949元。牽引車(chē)年消耗動(dòng)力費(fèi)54000元、單個(gè)購(gòu)買(mǎi)成本40000元，則折舊費(fèi)為3800、保養(yǎng)維修費(fèi)5000元、保險(xiǎn)費(fèi)300元、事故損失費(fèi)100元、物流信息費(fèi)100元，合計(jì)牽引車(chē)單車(chē)成本63300元。而AGV年消耗動(dòng)力費(fèi)25000元、單個(gè)購(gòu)買(mǎi)成本160000元，則折舊費(fèi)為15200元，保養(yǎng)維修費(fèi)6000元、保險(xiǎn)費(fèi)300元、事故損失費(fèi)100元、物流信息費(fèi)100元，合計(jì)AGV單車(chē)成本46700元；此外物流管理費(fèi)2000元，軟件改造費(fèi)50000元。

表4 引入AGV后的經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)計(jì)算得改造前每年成本386002元，改造后成本394782元；改造后增加了4.906輛AGV，縮減了2.7名工人，具有顯著的減人效果。改造后成本要大于改造前成本，不過(guò)兩者相差不大，隨著時(shí)間的推移，人力成本將會(huì)上升，AGV采購(gòu)價(jià)格很有可能下降，按照這個(gè)趨勢(shì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)使用AGV將會(huì)有經(jīng)濟(jì)效益。

接下來(lái)本文進(jìn)行各種影響因素的靈敏度分析。

5.1 AGV采購(gòu)價(jià)格p和人力成本CCW

假設(shè)AGV采購(gòu)價(jià)格p和人力成本CW未知，其余參數(shù)與上文實(shí)例分析一致。

△TC=2.693Cw-0.466p-7686

圖1 AGV采購(gòu)價(jià)格p和人力成本CW對(duì)成本節(jié)約值的影響

1）以當(dāng)前人力Cw=52949為例，當(dāng)AGV價(jià)格為14萬(wàn)時(shí)，成本相同。

2）隨著AGV價(jià)格的上升，改造后成本增加，以當(dāng)前人力Cw=52949為例，購(gòu)買(mǎi)價(jià)格為13萬(wàn)時(shí)，成本節(jié)約5000余元，成本節(jié)約值約占改造前成本的1% ，但當(dāng)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格上升至18萬(wàn)時(shí)，改造后成本超過(guò)原成本2萬(wàn)元。

3）隨著人力成本的上升，改造收益也會(huì)隨之上升，以當(dāng)前AGV購(gòu)買(mǎi)價(jià)格16萬(wàn)為例，人力成本少于560000時(shí)，成本無(wú)節(jié)約，而當(dāng)人力成本升至59000元時(shí)，成本節(jié)約7000余元，隨著時(shí)間的推移，我國(guó)人力成本將會(huì)逐年升高，改造收益也會(huì)增加。

5.2 AGV運(yùn)行速度和改造后集配置換時(shí)間

假設(shè)AGV運(yùn)行速度和改造后集配置換時(shí)間未知，其余參數(shù)與上文實(shí)例分析一致。

圖2 AGV運(yùn)行速度和改造后集配置換時(shí)間對(duì)成本節(jié)約值的影響

1）以當(dāng)前tA=1.7min為例，當(dāng)AGV速度約為31.3m/min時(shí)，成本相同。

2）隨著AGV速度的上升，改造后所需要的AGV數(shù)量減少，成本降低，成本節(jié)約值增加。以當(dāng)前tA=1.7min為例，當(dāng)AGV速度為25m/min時(shí)，成本節(jié)約為-50000余元，成本節(jié)約值約占改造前成本的-12% ，但當(dāng)AGV速度上升至35m/min，改造后成本比原成本縮減18000元，成本節(jié)約比例為4.6%。

3)隨著tA的降低，效率提升，改造后所需工人數(shù)將會(huì)降低，改造后成本降低，成本節(jié)約值增加。以當(dāng)前AGV速度30m/min為例，tA為1.9min時(shí)，改造后成本較高，而當(dāng)tA降至1.5min時(shí)，成本節(jié)約10000余元，成本節(jié)約比例為2.5%。

5.3 運(yùn)送距離s和班次β的關(guān)系

假設(shè)運(yùn)送距離s和班次β未知，其余參數(shù)與上文實(shí)例分析一致。

△TC=-21822-188.9S+70.37βS+11146.8β

△N=1.122β

圖3 AGV運(yùn)行速度和改造后集配置換時(shí)間對(duì)成本節(jié)約值的影響

1）以當(dāng)前s=686m為例，當(dāng)班次為2.57時(shí)，成本相同。

2）隨著班次的上升，成本節(jié)約值增加。以當(dāng)前s=686m為例，班次為2.1時(shí)，成本節(jié)約為-25000余元，成本節(jié)約值約占改造前成本的-7.5%，但當(dāng)班次上升至2.7時(shí)，成本節(jié)約值約為9000元，成本節(jié)約比例為1.8%。

圖4 AGV運(yùn)行速度和改造后集配置換時(shí)間對(duì)人員減少值的影響

3）隨著距離的上升，成本節(jié)約值減少。以當(dāng)前班次2.4為例，當(dāng)距離由686m升至1286m時(shí)，成本節(jié)約值由-8500元變?yōu)?20000元。

4）隨著班次的上升，人員縮減值增加。當(dāng)班次由2.1增至2.7時(shí)，人員縮減值由2.25人增至3人。

6 結(jié)論

從實(shí)例中可看出，引入AGV，雖然現(xiàn)在成本稍高，但能達(dá)到減人效果，隨著時(shí)間推移，人工成本會(huì)進(jìn)一步上升，而技術(shù)提升，AGV采購(gòu)價(jià)格也很可能下降，所以從長(zhǎng)久考慮，建議引入AGV。在AGV運(yùn)行路徑上減少障礙和干擾，提升AGV速度。可考慮安排專人進(jìn)行庫(kù)內(nèi)集配和線邊置換，縮短運(yùn)輸過(guò)程外的時(shí)間，縮短成本。

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Research on Application of AGV in Material Handling Systems of Automotive Manufacturing Logistics

Li Xianjie Zhang Qinghong

This paper illustrates the necessity and trend of automation equipment applications in logistics. A model is proposed to analyze the economic cost using AGV instead of manpower in automotive in-plant logistics handling system. Besides, we analyze the relevant factors affecting the cost. The results show that the application of AGV can reduce transportation costs and improve service quality under certain conditions.

in-plant logistics; AGV; automation equipment

F252

A

1005-9679(2016)06-0084-05

李賢杰，上海交通大學(xué)中美物流研究院碩士研究生，研究方向：汽車(chē)物流；張欽紅，上海交通大學(xué)中美物流研究院副研究員，研究方向：供應(yīng)鏈金融。