智能工廠物流系統(tǒng)規(guī)劃步驟與關(guān)鍵要素

消費者和客戶需求拉動交付，從而通過訂單拉動供應商生產(chǎn)、入廠物流、檢驗存儲、物料齊套、工位配送、成品入庫、存儲、發(fā)運、交付等物料及產(chǎn)品的流動過程，最終實現(xiàn)客戶體驗及滿意度。如圖1所示，智能工廠包含（不限于）智能生產(chǎn)和智能物流，智能工廠通過智能物流體系實現(xiàn)工廠內(nèi)部的整合，以及與供應商端和客戶端之間的協(xié)同，從而實現(xiàn)訂單交付全過程的打通。智能生產(chǎn)作為交付過程中的一個環(huán)節(jié)，是將智能生產(chǎn)設(shè)施嵌入到智能物流系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)“制造工廠物流中心化”。

在價值鏈運營環(huán)境下，物流已經(jīng)成為智能工廠的核心要素，工廠規(guī)劃和運營管理必須要具備“流動思維”和“供應鏈交付思維”?！按蠼桓丁⒋笪锪?、小生產(chǎn)”、“制造工廠物流中心化”的工廠規(guī)劃和運營理念，在制造業(yè)中已經(jīng)得到越來越多的認同和實踐。

智能工廠物流規(guī)劃是一個系統(tǒng)規(guī)劃的過程，需要遵循一定的規(guī)劃步驟。智能工廠物流規(guī)劃的一般步驟，包括需求梳理、概念設(shè)計、初步規(guī)劃、詳細規(guī)劃、方案驗證、實施落地等六個階段。

一、智能工廠物流需求梳理

智能工廠物流規(guī)劃是一個系統(tǒng)規(guī)劃的過程，需要遵循一定的規(guī)劃步驟

圖1 物流體系與智能工廠的關(guān)系

圖2 需求梳理和數(shù)據(jù)調(diào)研主要內(nèi)容

需求梳理方法主要有現(xiàn)場調(diào)研、人員訪談、問卷調(diào)查、數(shù)據(jù)收集、會議討論、現(xiàn)有文件審查等。調(diào)查不僅僅是針對物流部門，而需要調(diào)研整個工廠的運營體系，不同部門對現(xiàn)狀問題的理解不盡相同。同時，設(shè)計相應表格收集數(shù)據(jù)，這些表格需要具有一定的邏輯和相互關(guān)系，收集的數(shù)據(jù)量、覆蓋周期、覆蓋范圍等都需要定義清晰，以確保數(shù)據(jù)收集的有效性。

需求梳理是規(guī)劃的起始，獲得合理、有效、準確的規(guī)劃需求，除了需要有效的數(shù)據(jù)支持和對運營現(xiàn)狀的理解，也需要規(guī)劃團隊以假設(shè)為導向，向業(yè)務部門描述未來智能工廠的場景和形態(tài)，以確保獲得廣泛的建議和理解；以事實為依據(jù)，基于現(xiàn)有的業(yè)務痛點，整理規(guī)劃的需求，用系統(tǒng)的邏輯串聯(lián)現(xiàn)有痛點和規(guī)劃需求，確保規(guī)劃需求的準確性、系統(tǒng)性和前瞻性。

需求梳理和數(shù)據(jù)調(diào)研重要內(nèi)容如圖2所示。

二、智能工廠物流概念設(shè)計

在需求梳理的基礎(chǔ)上，概念設(shè)計結(jié)合智能工廠戰(zhàn)略及價值導向、行業(yè)內(nèi)外最佳實踐、智能物流技術(shù)應用前沿、智能物流發(fā)展概念、行業(yè)及企業(yè)發(fā)展瓶頸、智能物流創(chuàng)意需求、智能工廠建設(shè)目標、行業(yè)競爭要點、產(chǎn)品及工藝特征、基礎(chǔ)條件（比如產(chǎn)線節(jié)拍、產(chǎn)能規(guī)劃、有效工作時間等）、戰(zhàn)略績效要求等，采用一系列的方法和技術(shù)，比如頭腦風暴與專家研討、設(shè)計概念提煉與轉(zhuǎn)化、創(chuàng)意設(shè)計與提純、從感性到理性的轉(zhuǎn)化、從思維到輪廓的轉(zhuǎn)化、從多樣到確定的轉(zhuǎn)化等，最終輸出物流概念設(shè)計。以物流為主線的智能工廠概念設(shè)計模型如圖3所示：

概念設(shè)計階段輸出的主要內(nèi)容包括以下部分：

1.工廠物流戰(zhàn)略：基于戰(zhàn)略制定考慮的因素，按其制定步驟，輸出工廠物流戰(zhàn)略。值得說明的是，物流戰(zhàn)略并非一個口號，可能包括可衡量的績效指標、可操作的中長期規(guī)劃等。

2.工廠能力清單：主要是指該智能工廠所具備的各類能力要素，比如該工廠能快速響應客戶訂單、能夠支持定制、具備生產(chǎn)柔性、具備數(shù)字化特征、具有可參觀性等。

3.工廠藍圖：工廠藍圖可以理解為工廠“長相”，如前文所述，按照物流規(guī)劃維度分類，主要包括物流、基建、產(chǎn)品、制造、信息五個維度的輪廓。比如物流的藍圖包括工廠物流整體運作邏輯、工廠物流能力成長路徑、園區(qū)物流大致流向等，基建的藍圖包括建筑的概念業(yè)態(tài)，比如園區(qū)大致的開門、建筑物數(shù)量、建筑物層數(shù)、建筑形式（鋼結(jié)構(gòu)、混凝土等）、建筑物間邏輯關(guān)系等要素。

4.物流技術(shù)選擇：概念設(shè)計階段的物流技術(shù)選擇，主要是指基于工廠痛點、關(guān)鍵環(huán)節(jié)等輸出的物流技術(shù)概念，比如來料托盤件采用堆垛機立體庫、成品下線及轉(zhuǎn)運采用輸送線等。值得說明的是，對于同一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在概念設(shè)計階段可能會輸出兩種或以上的物流技術(shù)。

5.工廠物流規(guī)劃創(chuàng)意：主要包括工廠物流規(guī)劃具有的亮點、突破點等。比如小汽車停車方式，常規(guī)方式可能考慮地面或者地下停車，但提出樓頂停車可能是規(guī)劃中的一個亮點。又比如，對于某些尺寸不規(guī)則的托盤類大件，如何兼容性存儲是其中的一個難點，此時通過柔性化的托盤設(shè)計，最終實現(xiàn)多尺寸的存儲兼容，可以理解為規(guī)劃中的一個突破點。

6.工廠規(guī)模與大致流量：工廠規(guī)模主要指基于此概念設(shè)計，該智能工廠可匹配的年產(chǎn)能、月度峰值產(chǎn)能、均值產(chǎn)能等，比如可匹配年產(chǎn)能300萬臺，月度峰值產(chǎn)能35萬臺，均值產(chǎn)能25萬臺。大致流量主要指經(jīng)過數(shù)據(jù)概算，可以大致呈現(xiàn)各環(huán)節(jié)流量數(shù)據(jù)，比如園區(qū)各物流門的流量、建筑物間的流量、工序間的流量等。

7.工廠運作模式與物流工藝：基于工廠戰(zhàn)略定位及價值導向，輸出的工廠運作模式主要指工廠運作方向，比如強調(diào)以交付為目標的運營管理、強調(diào)信息集成互聯(lián)的差異管理等。物流工藝指物料從到貨、卸貨、收貨、檢驗、入庫、存儲、揀選、配送及產(chǎn)成品入庫、存儲、發(fā)運全流程的物流運作大致方法和技術(shù)。

在概念設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，通過對概念設(shè)計過程的把控，主要包括物流戰(zhàn)略制定、概念藍圖規(guī)劃以及達成路徑設(shè)計，最終呈現(xiàn)出符合企業(yè)需求的概念設(shè)計方案。

三、智能工廠物流初步規(guī)劃

初步規(guī)劃階段需要充分考慮工廠建設(shè)面臨的客觀存在的約束，將概念設(shè)計的“夢工廠”逐步具化成為“現(xiàn)實工廠”。在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，初步規(guī)劃結(jié)合概念設(shè)計方案、地塊特征及參數(shù)、地方政策及規(guī)范條文、地塊環(huán)境、產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝、物流工藝、生產(chǎn)和物流當量、物流技術(shù)選擇、規(guī)劃原則、約束條件、運營指標等，采用PFEP的規(guī)劃方法，通過對生產(chǎn)及物流流量測算、物流智能化導入模型、物流資源需求測算以及功能區(qū)的規(guī)劃輸出智能工廠初步規(guī)劃。以物流為主線的智能工廠初步規(guī)劃模型如圖4所示：

初步規(guī)劃階段輸出的主要內(nèi)容包括以下部分：

1.廠區(qū)物流布局方案：主要包括園區(qū)開門、園區(qū)道路、卸貨區(qū)域、建筑業(yè)態(tài)(包括建筑的長寬高、層數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等)以及生活配套設(shè)施（主要指停車場、食堂、宿舍等）等。針對生活配套設(shè)施的規(guī)劃，以體現(xiàn)人文關(guān)懷為主，比如為了避免員工日曬雨淋，可以考慮在廠區(qū)規(guī)劃風雨連廊以連接廠房、食堂和宿舍。

圖3 以物流為主線的智能工廠概念設(shè)計模型

圖4 以物流為主線的智能工廠初步規(guī)劃模型

2.工廠功能區(qū)域布局方案：工廠功能區(qū)域主要包括物流區(qū)域和生產(chǎn)區(qū)域。物流區(qū)域一般指原材料和成品的收發(fā)貨區(qū)域和存儲、周轉(zhuǎn)區(qū)域。根據(jù)企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)模式、管理水平等不同，物流區(qū)域可能與生產(chǎn)區(qū)域連為一體，呈現(xiàn)多點分布的細胞化排布，也可能是物流區(qū)域（如倉庫）獨立于生產(chǎn)區(qū)域集中排布。生產(chǎn)區(qū)域主要是指生產(chǎn)作業(yè)加工區(qū)域，包括前工序和組裝工序區(qū)域。

3.輔助區(qū)域布局方案：輔助區(qū)域主要包括園區(qū)輔助區(qū)域以及建筑物內(nèi)輔助區(qū)域。園區(qū)輔助區(qū)域主要包括高壓變電站、低壓變電站、空壓機房等；危險品倉或氣站：溶劑室、氣瓶間等；安防設(shè)施：門衛(wèi)崗、圍墻、消防控制室、監(jiān)控室；環(huán)境設(shè)施：污水處理站、工業(yè)垃圾站、廢料回收房；以及生產(chǎn)相關(guān)的地磅等。建筑物內(nèi)的輔助設(shè)施主要包括洗手間、生產(chǎn)辦公室、茶水間、設(shè)備輔助用房等。

4.物流能力與資源初步配置：對各環(huán)節(jié)的物流能力與資源進行初步配置，比如各物流區(qū)域規(guī)劃多少面積、各類物料存儲方式、配送方式初步配置、某個料箱件立體庫需要規(guī)劃的庫位數(shù)及基于流量的物流設(shè)施數(shù)量初步測算等。

圖5 以物流為主線的智能工廠詳細規(guī)劃模型

圖6 虛擬現(xiàn)實流程動畫仿真示意

5.物流設(shè)施參數(shù)初步定義：主要包括物流設(shè)施類型、數(shù)量等參數(shù)初步定義，比如某個環(huán)節(jié)初步定義需要配置潛伏式AGV、并對其初步的數(shù)量進行測算等。

6.物流相關(guān)初步建筑參數(shù)：主要包括生產(chǎn)建筑形式、建筑輪廓、高度、層高、柱距、防火分區(qū)、載荷、雨棚等。

初步規(guī)劃是一個多目標、多規(guī)則的復雜最優(yōu)解問題，不同行業(yè)、不同企業(yè)、不同地塊、不同戰(zhàn)略導向下，約束條件和規(guī)則都不盡相同。因此，初步規(guī)劃不能轉(zhuǎn)化為一個簡單的數(shù)學算法模型，而是要利用數(shù)學模型的思想，針對每個具體問題，進行輸入輸出的分析和求解，從而得出多個相對優(yōu)化的初步布局方案，并將各個方案利弊具體呈現(xiàn)，綜合評估選擇，才能保證規(guī)劃的方案是相對最優(yōu)的。否則，未經(jīng)系統(tǒng)規(guī)劃而草率得出的方案，因為約束條件越少，求解會越發(fā)散，形成無數(shù)個“合理解”，不同的人從自身角度出發(fā)，會形成不同的規(guī)劃方案，此時更加無法形成有效的判斷和決策，產(chǎn)生巨大的決策風險和機會成本。因此，初步規(guī)劃階段，詳細且全面的輸入顯得尤為重要。

四、智能工廠物流詳細規(guī)劃

在初步規(guī)劃的基礎(chǔ)上，詳細規(guī)劃結(jié)合初步規(guī)劃方案、具體的PFEP方案、物流技術(shù)及參數(shù)（比如搬運技術(shù)、存儲技術(shù)、揀選技術(shù)等）、物流信息技術(shù)、物流運營邏輯、生產(chǎn)物流動線、智能制造參數(shù)、詳細物流參數(shù)、關(guān)鍵環(huán)節(jié)聚焦、人文要求等，通過細化設(shè)計的PFEP，對物流技術(shù)進行研究、選擇、確認及應用，對物流流程進行梳理、對智能化物流場景開展研究及設(shè)計、對環(huán)境進行設(shè)計、選擇信息技術(shù)并對建筑參數(shù)進行細化等，最終輸出詳細規(guī)劃方案。以物流為主線的智能工廠詳細規(guī)劃模型如圖5所示：

詳細規(guī)劃階段輸出的主要內(nèi)容包括以下部分：

1.建筑空間及平面布局方案：指細化到每一平米的每個區(qū)域（主要包括收發(fā)貨區(qū)、原材料存儲區(qū)、半成品區(qū)、成品區(qū)、容器具存放區(qū)、不良品區(qū)、備品備件區(qū)、叉車區(qū)等）的詳細布置，比如存儲區(qū)存儲的物料類型、存儲方式、器具的擺放方式等，以及各區(qū)域間詳細的物流動線以及與線邊工位的具體對接形式等。

2.物流相關(guān)詳細建筑參數(shù)：詳細建筑參數(shù)主要用于支持設(shè)計院施工圖設(shè)計，主要包括物流設(shè)備開孔尺寸、設(shè)備吊裝口、立體庫建筑參數(shù)（水平度、不均勻沉降、加強筋距離等）、防火卷簾/水幕尺寸的詳細尺寸、電梯數(shù)量及電梯參數(shù)等。

3.作業(yè)場景方案：基于入廠物流、生產(chǎn)物流、成品物流各段物流設(shè)計的運作場景，比如每類物料如何到貨、卸貨、存儲、出庫、配送等。

4.生產(chǎn)設(shè)施配置方案：指生產(chǎn)環(huán)節(jié)選取的生產(chǎn)設(shè)施、設(shè)備類型、數(shù)量及能力要求等，與生產(chǎn)工藝強相關(guān)。

5.物流設(shè)施配置方案：包括各環(huán)節(jié)選取的具體物流技術(shù)、涉及到的物流設(shè)備及設(shè)施類型、數(shù)量及能力要求等。

6.物流信息化功能需求：基于作業(yè)場景方案及運營邏輯，明確智能工廠物流系統(tǒng)信息化整體框架，并在此基礎(chǔ)上提出各環(huán)節(jié)信息化功能需求，主要包括入廠物流、倉庫管理、物料配送、成品物流、容器具管理、應急物流等環(huán)節(jié)，同時明確各流程活動節(jié)點的輸入、信息驅(qū)動、信息采集、輸出等信息。

7.物流運營工藝邏輯：從到貨、卸貨、收貨、檢驗、存儲、配送、成品入庫及發(fā)運全流程的物流運作邏輯，比如物料包裝基礎(chǔ)要求、庫存周期的控制、庫存面積的控制、揀選及齊套提前期等。

8.參觀通道設(shè)計方案：基于企業(yè)參觀需求設(shè)計參觀通道方案，具體包括參考通道走向、主要參觀景點等。

9.工廠環(huán)境設(shè)計方案：包括工廠人文、休息、關(guān)懷在內(nèi)的工廠環(huán)境設(shè)計。

10.投資預算：基于物流設(shè)施配置方案，并參考國內(nèi)主流物流設(shè)備供應商價格，進行詳細的物流設(shè)施投資預算，用以進一步支撐企業(yè)決策。

詳細規(guī)劃階段，需要針對零部件物流規(guī)劃、物流區(qū)域規(guī)劃、生產(chǎn)物流動線設(shè)計、線邊工位空間規(guī)劃、成品物流規(guī)劃等方面進行詳細規(guī)劃設(shè)計，遵循“三個一”方針，細化到“每一平方米、每一個物料、每一個工位”的規(guī)劃，需要協(xié)同多個外部和內(nèi)部的部門對每一個節(jié)點的物流設(shè)施、設(shè)備等進行詳細規(guī)劃并輸出技術(shù)參數(shù)和標準。此階段需要進行詳細規(guī)劃要素梳理、建筑參數(shù)需求定義，并進行物流設(shè)施配置以及物流流程設(shè)計。

詳細規(guī)劃階段，需要考慮建筑的連接，制造設(shè)備的連接，物流設(shè)備的連接，物料/產(chǎn)品流轉(zhuǎn)的連接，生產(chǎn)/工藝過程的連接，計劃-執(zhí)行-運營的連接，人員的連接，后勤的連接，配套設(shè)施的連接，物流容器具的連接，供應商/主機廠/客戶的連接，安全/門禁的連接，外圍車輛的連接，品質(zhì)的連接等等。對于整個智能工廠的人機料法環(huán)要素全部形成連接。

五、智能工廠物流方案驗證

在詳細規(guī)劃基礎(chǔ)上，需要通過仿真技術(shù)對智能工廠物流方案進行驗證，以便對方案進行優(yōu)化及修正。工廠物流系統(tǒng)仿真是對實際物流運作場景建立一個系統(tǒng)模型，然后再基于這個模型做實驗，在實驗基礎(chǔ)上分析系統(tǒng)特性，優(yōu)化系統(tǒng)的目標參數(shù)，或者評估系統(tǒng)運行效率。通過計算機建模技術(shù)構(gòu)建仿真模型，從而研究工廠物流規(guī)劃中存在的問題，進而通過優(yōu)化使得物流系統(tǒng)最優(yōu)、避免運營過程中發(fā)生瓶頸。

工廠物流仿真根據(jù)其應用場景主要分為3類：虛擬現(xiàn)實流程動畫仿真、物流離散事件數(shù)據(jù)仿真、物流系統(tǒng)運營仿真。針對不同的應用場景，一般選取不同的物流仿真技術(shù)，在物流規(guī)劃中，主要選取虛擬現(xiàn)實流程動畫仿真、物流離散事件數(shù)據(jù)仿真進行方案的驗證。

1.虛擬現(xiàn)實流程動畫仿真

虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)主要展示物流系統(tǒng)的物理空間位置以及與生產(chǎn)線體等其他相關(guān)設(shè)施的相對關(guān)系、工廠物流運作場景展示等，主要用于方案規(guī)劃物理空間驗證、方案介紹與討論以及對外介紹與宣傳等。如圖6所示，其通過三維建模技術(shù)，將工廠物流規(guī)劃中涉及到的各個物流作業(yè)與物流自動化系統(tǒng)場景進行1:1尺寸三維建模，在此基礎(chǔ)上根據(jù)物流系統(tǒng)運行的流程與邏輯，賦予三維模型動態(tài)的邏輯關(guān)系，從供應商到貨到成品發(fā)運進行全流程動畫直觀展示，從而用來研究與優(yōu)化物流方案，并提供立體、可視的物流系統(tǒng)運作流程及邏輯。

2.基于離散事件的物流系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真

基于離散事件的物流系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真技術(shù)，主要研究多種約束條件下計算生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合產(chǎn)出、系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的負荷情況等。其中生產(chǎn)系統(tǒng)布局優(yōu)化分析、生產(chǎn)線平衡優(yōu)化、物料配送方案優(yōu)化、作業(yè)排序與生產(chǎn)調(diào)度、物流設(shè)備負荷等方面有較多應用。

物流離散事件仿真建立在對物流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及流程分析基礎(chǔ)上，通過對系統(tǒng)進行數(shù)學描述，也就是建立系統(tǒng)模型，然后通過合適的仿真方法，使該物流系統(tǒng)模擬實現(xiàn)的過程。通過仿真可以了解物料運輸、存儲的動態(tài)過程的各種統(tǒng)計性能，如運輸設(shè)備的利用率是否合理，運輸路線是否通暢，物料搬運系統(tǒng)的流動周期是否過長等。

3.物流系統(tǒng)運營仿真

物流系統(tǒng)運營仿真主要研究工廠運營基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)驅(qū)動下的生產(chǎn)物流系統(tǒng)運作分析，比如在新系統(tǒng)開發(fā)驗證階段，對信息系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的合理性驗證（邏輯與算法的可行性）；又比如在工廠運營階段，評估日常作業(yè)排產(chǎn)計劃的合理性等。

物流系統(tǒng)運營仿真是建立在運作計劃驅(qū)動下的物流系統(tǒng)仿真模型。通過對工廠生產(chǎn)全流程進行建模并以排程系統(tǒng)如APS的運作計劃為驅(qū)動，以生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)如MES的生產(chǎn)環(huán)境資源作為約束并結(jié)合物流隨機事件的動態(tài)調(diào)度策略來運行整個生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型，并進行分析優(yōu)化的過程。通過大量的訪談實驗，對規(guī)劃的方案進行調(diào)整優(yōu)化，使得工廠的運作效率達到最優(yōu)。在運行階段也可以將生產(chǎn)物流仿真的模型隨時提取出來，然后針對生產(chǎn)運作的一些場景進行推演，精確的計算相關(guān)的一些指標參數(shù)，來預測工廠的運作的情況，從而為工廠的運營管理決策提供決策支持和依據(jù)。