AGV 智能制造平臺(tái)方案的設(shè)計(jì)與研究

文/潘 軍 王 焜 繆欣呈

自從 2015 年 5 月國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》的文件部署全面推進(jìn)實(shí)施“制造強(qiáng)國”戰(zhàn)略以來，國內(nèi)智能制造平臺(tái)和智慧工廠的建設(shè)呈加速發(fā)展趨勢(shì)，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的項(xiàng)目和示范案例。這給 AGV 產(chǎn)品企業(yè)帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一方面，由于智能制造技術(shù)的推廣，給 AGV 企業(yè)創(chuàng)造了更多的產(chǎn)品需求，使企業(yè)的發(fā)展速度和盈利能力得到加強(qiáng)；另一方面，市場(chǎng)也對(duì) AGV產(chǎn)品的多樣性、先進(jìn)性、復(fù)雜性提出了更高的要求，對(duì) AGV 的質(zhì)量和交期要求也更加嚴(yán)格，不同 AGV 生產(chǎn)廠家之間的競(jìng)爭(zhēng)也更加激烈。

在這種市場(chǎng)環(huán)境下，AGV企業(yè)面臨來自內(nèi)部和外部的雙重挑戰(zhàn)。內(nèi)部方面，AGV 企業(yè)亟需解決從以往的多品種、小批量的制造管理模式轉(zhuǎn)向多品種、小批量與單品種、大批量兼容的制造管理模式的問題。外部方面，AGV 企業(yè)需要解決當(dāng)同行間在產(chǎn)品品種、質(zhì)量、交期達(dá)到一個(gè)差異化不明顯的階段時(shí)，如何建立本企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和盈利空間的問題。對(duì)于前者，AGV 企業(yè)建設(shè)自己的產(chǎn)品智能制造平臺(tái)既是大勢(shì)所趨，也是必經(jīng)之路。對(duì)于后者，AGV企業(yè)應(yīng)該逐步擺脫傳統(tǒng)的單純依靠產(chǎn)品成本控制或產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步的增長模式，把“服務(wù)”作為在新時(shí)期、新階段的重要競(jìng)爭(zhēng)手段，積極探索制造企業(yè)向服務(wù)轉(zhuǎn)型的商業(yè)模式。

一、背景與需求

2015 年中國發(fā)布《中國制造2025》，從國家層面加強(qiáng)對(duì)智能制造的重視和指導(dǎo)。從國外的研究成果來看，美國、德國和日本的智能制造技術(shù)發(fā)展方向各有不同。美國主要是從軟件系統(tǒng)入手，核心思想是信息貫通，注重?cái)?shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)的應(yīng)用；德國側(cè)重硬件，發(fā)揮其設(shè)備制造的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，提升裝備智能化水平來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和分析，并且有開始淡化智能轉(zhuǎn)為注重柔性和敏捷的趨勢(shì)，即從“Intelligent Manufacturing”轉(zhuǎn)為“Smart Manufacturing”。日本則在精益制造的方向進(jìn)行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)，相對(duì)于美、德兩國對(duì)人在新一代制造系統(tǒng)中的作用重視的更多一些。目前國內(nèi)對(duì)智能制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)還未形成統(tǒng)一觀念，到底是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化，還是實(shí)現(xiàn)智能化、無人化；是以“工匠精神”導(dǎo)向，還是“機(jī)器換人”導(dǎo)向，應(yīng)該視具體的行業(yè)和企業(yè)的產(chǎn)品特征來決定。因此，以本公司各類 AGV 產(chǎn)品為對(duì)象，充分考慮本行業(yè)、本產(chǎn)品的特點(diǎn)，建立一個(gè)適合的AGV 智能制造平臺(tái)是正確的方向。

制造業(yè)服務(wù)化（Servitization）的概念由范德莫維（Vandermerwe）和雷達(dá)（Rada）于 1988 年提出。制造業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型是制造企業(yè)向產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈兩端的服務(wù)領(lǐng)域延伸。制造業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)日益明顯，越來越多的優(yōu)秀制造企業(yè)在由以生產(chǎn)為中心向以服務(wù)為中心轉(zhuǎn)型。如通用電氣、IBM、西門子、ABB、雷沃重工、紅領(lǐng)集團(tuán)等把服務(wù)作為公司營收和利潤的重要來源。由企業(yè)提供的服務(wù)往往成為企業(yè)的特色，因?yàn)榉?wù)業(yè)務(wù)難以為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手模仿，從而成為企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壁壘。服務(wù)型制造是制造與服務(wù)融合的新型產(chǎn)業(yè)形態(tài)，是一種新型的先進(jìn)制造模式。用戶表面上是在購買企業(yè)的產(chǎn)品，本質(zhì)上卻是購買某種“功能”，服務(wù)型制造能夠更好地將客戶需要的“功能”提供給客戶。服務(wù)型制造具有增值、整合、創(chuàng)新等三大屬性。服務(wù)是價(jià)值增加的主要來源，通過服務(wù)整合企業(yè)間的分工協(xié)作，使資源在價(jià)值網(wǎng)絡(luò)間優(yōu)化動(dòng)態(tài)分配。創(chuàng)新來源于對(duì)知識(shí)資源的整合，通過整合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)間的分布式知識(shí)資源，不斷產(chǎn)生適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)條件的知識(shí)信息，提高產(chǎn)業(yè)整體的知識(shí)水平，從而更好地促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

深圳市今天國際智能機(jī)器人有限公司作為國內(nèi)有影響力的物流自動(dòng)化系統(tǒng)集成商，推廣 AGV 產(chǎn)品在物流自動(dòng)化系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)及智慧物流系統(tǒng)中的應(yīng)用已有十多年的歷史。經(jīng)過長期的研發(fā)與實(shí)踐，公司于2013年與瑞典KOLLMORGEN 公司合作，逐步推出多款激光導(dǎo)引、磁點(diǎn)導(dǎo)引、二維碼導(dǎo)引、復(fù)合導(dǎo)引等 AGV 產(chǎn)品，車型種類涵蓋叉式搬運(yùn)型、叉式堆高型、叉式寬腿型、叉式前移型、平衡重夾抱型、牽引型、背馱輥式型、背馱鏈?zhǔn)叫?、背馱手臂型以及背馱潛伏型等多類型 AGV 產(chǎn)品。本公司的部分 AGV 產(chǎn)品如圖 1。雖有眾多的車型選擇，以前一個(gè)工程項(xiàng)目上僅會(huì)用到 1～2 種車型，數(shù)量以 10 臺(tái)以下居多。近幾年來，潛伏式車型的單一項(xiàng)目的 AGV數(shù)量常常數(shù)十臺(tái)、間或上百臺(tái)甚至數(shù)百臺(tái)。這樣的批量生產(chǎn)規(guī)模對(duì)于該企業(yè)的生產(chǎn)制造管理來說是一個(gè)全新課題。隨著 AGV 市場(chǎng)容量的增大，新生AGV 公司層出不窮，行業(yè)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。為應(yīng)對(duì)新的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，在打造 AGV智能制造平臺(tái)的同時(shí)，就必須要考慮該平臺(tái)與制造業(yè)服務(wù)化大趨勢(shì)的適應(yīng)性。

圖1：今天國際的部分 AGV 產(chǎn)品示例

二、AGV 智能制造平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)方案設(shè)計(jì)是對(duì)已經(jīng)確定的需求做出技術(shù)實(shí)現(xiàn)的規(guī)劃。好的系統(tǒng)架構(gòu)具備可靠性、安全性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、可定制性等性質(zhì)。進(jìn)行 AGV 智能制造平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)方案設(shè)計(jì)前，需要確定五個(gè)基本需求：一是該平臺(tái)要與當(dāng)前企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理特點(diǎn)、信息化水平相適應(yīng)；二是該平臺(tái)能適應(yīng)智能制造技術(shù)未來發(fā)展方向，增加功能或模塊時(shí)能夠順利接入原有平臺(tái)；三是該平臺(tái)具有制造業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的一些初級(jí)功能；四是該平臺(tái)的對(duì)“智能”的落地并非人工智能，而是著力提升系統(tǒng)的柔性和精益性，但保留可接入人工智能技術(shù)的擴(kuò)展性；五是若有外包，系統(tǒng)要最佳適應(yīng)該組織特點(diǎn)并開放外部 internet 網(wǎng)絡(luò)接入的接口。根據(jù)這五個(gè)基本需求，結(jié)合對(duì)國內(nèi)智能制造項(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)資料的研究，提出AGV 智能制造平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2。

AGV 智能制造平臺(tái)總共分為 6 個(gè)層級(jí)，最底一層是執(zhí)行層，最頂一層是決策層。制造 AGV 涉及的底層人員物料的信息，通過上一層的傳感器、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、人機(jī)接口傳遞到再上一層即數(shù)字化層。數(shù)字化層包括訂單管理系統(tǒng)OMS、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) PDM、資源管理系統(tǒng) ERP、倉庫管理系統(tǒng) WMS以及制造執(zhí)行管理系統(tǒng) MES。在這一層級(jí)中，MES 是本 AGV 智能制造平臺(tái)一期建設(shè)的核心對(duì)象，因?yàn)槿鐖D2所示 MES在整個(gè) AGV 智能制造的平臺(tái)中起到承上啟下的作用。數(shù)字層往上的 L3 云技術(shù)層和 L2 應(yīng)用層中除服務(wù)化管理以外的應(yīng)用是本 AGV 智能制造平臺(tái)二期建設(shè)的對(duì)象，利用云平臺(tái)技術(shù)不僅其本身有諸多先進(jìn)性和優(yōu)勢(shì)，未來擴(kuò)展建設(shè)專家系統(tǒng)和知識(shí)庫模塊進(jìn)行企業(yè)知識(shí)管理的智能化提升也更加方便。在應(yīng)用層內(nèi)的服務(wù)管理模塊中，服務(wù)化管理對(duì)應(yīng)平臺(tái)建設(shè)的服務(wù)化轉(zhuǎn)型功能需求。為了探索 AGV制造企業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型之路，服務(wù)化管理的應(yīng)用功能放在 AGV 智能制造平臺(tái)的一期建設(shè)時(shí)進(jìn)行。而該公司AGV智能制造平臺(tái)的商務(wù)智能層，設(shè)定在三期建設(shè)時(shí)進(jìn)行。特別說明的是，傳統(tǒng)的智能制造平臺(tái)架構(gòu)中，通常都會(huì)有計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃模塊CAPP，由于本企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)是加工外包，僅保留裝配工藝部分，企業(yè)內(nèi)部工藝路線較普通制造企業(yè)大大縮短，因此，將工藝設(shè)計(jì)和管理需求集成至PDM中實(shí)現(xiàn)。

建設(shè)AGV 智能制造平臺(tái)時(shí)，需要把握住以下四個(gè)要點(diǎn)：一是分步實(shí)施原則，將平臺(tái)的建設(shè)分為三個(gè)階段進(jìn)行。每一階段建設(shè)前就設(shè)立好建設(shè)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系，階段建設(shè)完成后對(duì)照指標(biāo)體系進(jìn)行全面評(píng)估，保證每一階段的建設(shè)質(zhì)量。二是把 MES 建設(shè)作為平臺(tái)建設(shè)的重點(diǎn)。MES建設(shè)要充分考慮AGV產(chǎn)品生產(chǎn)制造關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程的特點(diǎn)。AGV 生產(chǎn)的一大特點(diǎn)是涉及物料種類多、尺寸小、物料生產(chǎn)過程準(zhǔn)確追蹤難度大。另外，AGV產(chǎn)品在出廠前必須要進(jìn)行廠內(nèi)調(diào)試，大批量AGV產(chǎn)品的出廠調(diào)試質(zhì)量納入MES的有效監(jiān)控也是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。三是服務(wù)化管理模塊的設(shè)計(jì)要依靠自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以豐富給客戶提供服務(wù)的種類和層次為方向，不斷探索和提升保障設(shè)備有效運(yùn)行的能力，提高客戶的滿意度。四是始終關(guān)注數(shù)據(jù)的打通和有效交互問題。由于信息化建設(shè)方面的歷史原因，國內(nèi)企業(yè)推廣智能制造系統(tǒng)時(shí)都會(huì)多少遇到各功能模塊間的數(shù)據(jù)交互不通暢的困難，因此，該AGV智能制造平臺(tái)建設(shè)從一開始就要關(guān)注各功能單元間數(shù)據(jù)的無縫對(duì)接問題。

三、實(shí)現(xiàn) AGV 智能制造平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過對(duì)該AGV 智能制造平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行論證研究后可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)主要涉及四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：智能生產(chǎn)管控技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)。智能生產(chǎn)管控技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)以下目的：自動(dòng)生產(chǎn)排程，根據(jù)訂單情況，自動(dòng)輸出排產(chǎn)計(jì)劃，充分調(diào)動(dòng)企業(yè)生產(chǎn)資源的最大化利用；自動(dòng)物料調(diào)度優(yōu)化，減少生產(chǎn)裝配各環(huán)節(jié)停工待料的時(shí)間，該功能往往和車間智能物流系統(tǒng)協(xié)同工作發(fā)揮巨大威力；快速響應(yīng)訂單變化，在實(shí)際生產(chǎn)中常見因?yàn)榭蛻艟o急需求而改變?cè)信女a(chǎn)計(jì)劃的情形，此功能可以充分識(shí)別排產(chǎn)變化帶來的影響，確保更改后的排產(chǎn)計(jì)劃能夠使各項(xiàng)目均按時(shí)交貨。

數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn) AGV 智能制造平臺(tái)的基礎(chǔ)，只有在有效解決了底層設(shè)備的采集問題后，才能實(shí)現(xiàn)智能化控制的需求。目前數(shù)據(jù)采集的最大難點(diǎn)是底層設(shè)備數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議各家相差較大，互不兼容。對(duì)這一矛盾可以通過建立設(shè)備互通的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備分布式網(wǎng)絡(luò)通訊，程序集中式管理，使設(shè)備方便地接入整個(gè)系統(tǒng)。由于該 AGV 智能制造平臺(tái)對(duì)于數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求低，此方法相對(duì)于另一條解決數(shù)據(jù)采集問題的技術(shù)路線制造數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MDC更加適合。由于 AGV的裝配目前還不可避免的有一定人工參與的工作量，因此把手持終端或手機(jī) APP手動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)的功能納入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常有必要。

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近年來智能制造領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域又可以細(xì)分為大數(shù)據(jù)集成技術(shù)，分別對(duì)源端和應(yīng)用端數(shù)據(jù)進(jìn)行集成；大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要解決數(shù)據(jù)量大、來源廣、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性以及讀寫的速度能達(dá)到業(yè)務(wù)的要求；大數(shù)據(jù)處理技術(shù)包含批處理、流處理和內(nèi)存計(jì)算以滿足制造業(yè)大數(shù)據(jù)處理的不同要求；數(shù)據(jù)分析技術(shù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求，將數(shù)據(jù)提煉為知識(shí)，再以知識(shí)促成決策和應(yīng)用，是大數(shù)據(jù)技術(shù)中熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)；大數(shù)據(jù)展現(xiàn)技術(shù)分別對(duì)制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)，對(duì)制造歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)和可視化技術(shù)。

由于大數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)硬件要求高，選擇云計(jì)算技術(shù)對(duì)于建立 AGV 智能制造平臺(tái)就是一個(gè)經(jīng)濟(jì)選擇。云計(jì)算技術(shù)不僅使復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算變得更高效、更廉價(jià)，云計(jì)算技術(shù)還能提供豐富的應(yīng)用工具，使 AGV 智能制造平臺(tái)的應(yīng)用功能開發(fā)變得更加容易和快速。

圖2：今天國際 AGV 智能制造平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

四、結(jié)論與展望

智能制造技術(shù)是“中國制造 2025”戰(zhàn)略中的一個(gè)重要推廣方向。本AGV智能制造平臺(tái)從制造業(yè)企業(yè)傳統(tǒng)車間的常見問題入手，立足信息互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享，可改變以往外購物料交付進(jìn)度追蹤不及時(shí)，生產(chǎn)程與實(shí)際進(jìn)度出現(xiàn)偏差時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量數(shù)據(jù)收集與分析缺乏，實(shí)施階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷或制造缺陷不能及時(shí)反饋的問題等，最終實(shí)現(xiàn) AGV產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造與實(shí)施，由業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、服務(wù)化驅(qū)動(dòng)。在AGV 智能制造平臺(tái)方案設(shè)計(jì)與研究過程中，注重項(xiàng)目實(shí)施的先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性平衡，力求快速解決當(dāng)前AGV產(chǎn)品生產(chǎn)的主要矛盾又兼顧智能制造未來的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和制造業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，為其他中小企業(yè)導(dǎo)入智能制造平臺(tái)時(shí)提供了一點(diǎn)有益的參考和借鑒。