基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流构建

随着我国经济的高速发展，我国业已成为当今全球工业品类最齐全的名副其实的“世界工厂”，各家企业的订单越来越具有多品种、小批量、多批次的特点，同时企业却遇到招工难、地价贵、换产难的困境，这就需要制造型企业对工厂进行精益化、数字化和智能化升级改造，逐步建造少人化或无人化的智慧型工厂。本文对基于AGV/AMR的智能工厂的厂内物流的系统架构、应用条件、构建方式、项目优势与客户收益进行介绍，为制造型企业从传统工厂到智能工厂的升级改造提供一种建设性思路。

一、基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流系统架构

智能工厂的厂内物流系统架构，可以分为上中下三层。

1. 上层：智能工厂的行业划分和区域划分

行业划分为流程型行业和离散型行业，流程型行业的工艺过程是连续进行的，顺序固定不变，生产设施按照工艺流程布置，例如化纤、纺织、食品、医药等行业。离散型企业的产品是由许多零部件组成，各零部件的加工装配过程彼此独立，所以整个产品的加工工艺是离散的，制成的零件通过部件装配和总装配，最终成为成品，例如机械制造、3C电子和汽车行业等行业。对于加工装配型生产管理的特点，除了要保证及时供料和零部件的加工质量外，重要的是控制零部件的生产进度，保证生产的成套性。按照功能区域来划分，可以分为全球智能工厂和区域智能工厂，异地工厂之间通过工业互联网进行协同办公。智能工厂系统主要由智能设备、智能物流、智能软件、智能排产和智能供应链等五大模块组成，其中智能物流是构建智能工厂的重要组成部分，负责整个智能工厂的原料、半成品、成品、包辅材、工装治具等生产物料的物流管理，主要工艺流程包括：收发货、物料搬运、物料存取、仓库盘点、订单拣选、物料配送、产品包装、拆码垛、装卸车、物料暂存等，将准确适量的物料在合适的时间、以合适的方式、配送到合适的地点，来保证生产准确有序的连续运行。智能工厂的系统架构如图1所示。

2. 中层:端到端的整体智能物流解决方案

即我们常说的“交钥匙工程”。输入端为客户的需求，通过前期的客户现场调研和实勘来收集物流设计需要的各种原始数据，然后对其进行科学系统的整理与分析，得到物流方案规划所需要的静态数据、动态数据和客户的定制化需求，从而对客户的厂内物流方案进行初步的概念设计和物流设备选型。考虑到行业之间的应用差异，地域之间的需求差异，以及每个客户不同的投资规划，不是每个客户都会选择从零开始建设一处高标准、高智能化程度的智慧工厂，更多的是要先解决当前或者近期的一些痛点问题，这些问题往往是局部的或者单元化的，比如上万种电子原料收货检验入库，大批量多批次成品下线包装入库，或者对用于车间配送的各类型托盘和料车统一调度管理等等。基于此类需求，木牛流马公司率先提出场景盒子（ROBOX）的概念，如图2所示，将当下领先的移动机器人技术、木牛流马的核心移动机器人产品（AGV/AMR）和100多个移动机器人成功案例进行提炼加工，固化成高度标准化、模块化、客制化的场景盒子，为客户提供基于AGV/AMR的整体智慧物流解决方案。依据重点行业内的项目实施经验和最佳实践，使用科学的物流规划方法论，为客户量身制作最为适合的智能工厂厂内物流方案规划，同时可以对物流方案进行仿真计算，在数字空间内模拟物理空间的运行，可以获得系统运行中的瓶颈点和物流参数，从而对现有设计方案进行优化，为客户提供最佳的投资回报。

3. 底层:移动机器人（AGV/AMR）的技术、产品和场景的融合，以及对物流硬件设备和物流管理控制软件的集成

移动机器人的关键技术主要为混合调度技术、激光导航技术、车辆控制技术、安全防护技术、数字孪生技术和工业互联技术等。移动机器人的产品主要包括叉式AGV和潜伏式AMR，如图3所示，叉式AGV有搬运式AGV、堆高式AGV、前移式AGV、牵引式AGV和定制化AGV等，潜伏式AMR在通用底盘的基础上可以做成辊筒式AMR、链条式AMR、托盘式AMR、洁净室AMR和复合机器人式AMR等，软件产品主要是仓库管理软件（WMS）、仓库控制软件（WCS）、交通管理软件（TMS）和移动机器人控制软件（RCS/AGVS）等。

二、基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流系统的应用条件

在价值链运营环境下，物流已经成为智能工厂的核心要素，工厂规划和运营管理必须具备流动思维和供应链交付思维。“大交付、大物流、小生产”、“智能工厂物流中心化”的工厂规划和运营理念，在制造业中已经得到越来越多的认同和实践。智能工厂物流系统规划要以物流规划和运营为主线、以工厂有效运营为导向、“以始为终”进行规划，实现所有规划和资源要素的联动和贯通。智能工厂物流规划的目的为：配合达成智能工厂整体规划、实现智能工厂中心化、实现制造资源联动和支持智能工厂的有效运营[1]。

从客户需求的角度，智能工厂的厂内物流系统的方案应用需要满足以下几点原则：

1. 性价比原则

性能价格比最高的方案往往可以在众多备选方案中胜出，也是为客户创造价值的最直接的体现。

2. 高效率原则

物流效率的提高，意味着客户可以用较少的物流设备、较少的人员投入和较少的存取空间，来满足多品种、多批次、小批量的产品生产需求（MTS）和订单需求（MTO）。

3. 拓展性原则

从动态上来看，企业的生产与销售会随着外部环境的变化而变化，比如单一产品种类（SKU）的订单周期性变化和随机性变化，或者产品种类（SKU）也随之变化，或者客户需求也在不断变化，这就需要物流系统具有高度的柔性和拓展性。

4. 安全性原则

随着厂内物流设备的增多，在人机交互区域，需要增加多种安全防护功能，以保证作业人员的人身安全，以及货物安全和设备安全等。

5. 先进性原则

随着物流技术、物流设备和物流软件的飞速发展与迭代，目前以移动机器人为代表的柔性物流设备，逐渐取代传统的输送设备或人工叉车的物流作业方式，相信随着成本的降低，移动机器人将会得到更为广泛的应用。

6. 透明化原则

数字化、可视化和透明化是智能工厂的重要评价指标，通过传感器的应用、数据采集与分析技术和闭环控制设计，将智能工厂的运行状态实时地呈现在中控室或者管理人员的面前。

从行业应用的角度，根据处理物料和工艺流程的不同，可以结合相应的场景盒子的特点进行应用，如图4所示：

•  混合调度盒子

由于物料的载具多种多样，有川字底托盘、田字底托盘、料车、料架等，其中仅川字底托盘就有很多种材料、外形尺寸和负载，这就要求选择多种不同的AGV/AMR设备进行搬运和接驳，当同一个场地出现多种品牌或者多种形式的AGV/AMR时，就需要使用同一套地图和同一个套车辆调度系统调度管理所有的AGV/AMR，这种物流作业场景在目前的众多行业中均可找到应用。

•  产线末端盒子

几乎所有的制造型企业最终都是生产产品的，为了方便管理与转运，产品均需要进行包装，从单一产品的最小包装，到同类产品的包装箱，再到多个包装箱码垛成托盘，防止成品垛的散落或货损而进行的防护角、缠膜、打带、装箱等后道作业，然后进行上架入库管理，最终进行出库装车发运，整个成品下线到出厂的过程，均可实现无人化物流作业，移动机器人可以完成各种集装器具的转运和接驳工作，如使用叉式AGV完成托盘类货物的自动装车。

•  大吨位盒子

在某些重载物料的制造型企业，比如钢铁行业、玻璃行业、液态食品行业等，单个托盘的重量超过3吨，普通叉式AGV无法搬运，木牛流马自主开发的平衡重式叉式AGV，则可以轻松应对，不仅可以举升3米高的高度，而且可以通过调节叉距的方式适配不同大小的托盘，具有极高的使用价值和适用范围。

•  纺织丝车盒子

玻化纺行业是典型的流程型行业，大多为24小时不间断进行生产作业，而且工人劳动强度特别大，招工越来越难，使用AGV来取代人工进行丝车的搬运业已成为玻化纺行业的迫切需求。

随着行业需求的深入挖掘，将来会有更多针对特定场景而设计的场景盒子出现，从车间台位到产线物料配送，再到多层厂房之间的物料转运，多栋厂房之间的物流搬运，都将会有相对应的解决方案，场景盒子的家族也会不断扩展壮大。

三、基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流系统的构建方式

经过广大物流装备行业的同仁多年的努力，基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流构建已经形成成熟可复制的方法论，本文从智能工厂厂内物流项目实施流程的角度进行简单阐述。

1. 确定方案规划方向

通常采用自顶向下的构建方式，一个智能工厂的厂内物流项目构建首先要结合业主所在行业的特点与业主的个性化需求，比如土建要求、生产产线要求、生产产能要求、自动化等级等，建立智能工厂厂内物流的基本方向，对于物流流量小、物流范围小、物流复杂程度高的场景，可选择工具辅助的方式构建；对于物流流量小、物流范围小、物流复杂程度低的场景，可选择机械作业的方式构建；对于物流流量大、物流范围大、物流复杂程度高的场景，可选择局部自动的方式构建；对于物流流量大、物流范围大、物流复杂程度低的场景，可选择全局自动的方式构建。

2. 数据收集与分析

可选择物流系统集成商或专业的物流咨询公司进行整体方案的规划，系统地整理智能工厂厂内物流的处理对象、集装器具、工艺流程、物流流量、物流流向、工单分析、库存周期、功能区域、消防要求、建筑要求、温湿度要求、洁净室要求、作业人员需求、收发货车辆数据等，为后续的初步方案规划提供设计输入数据。常用的物流数据分析方法有PFEP分析法、ABC分析法、EIQ分析法等，不再赘述。

3. 物流设备选型

按照物料集装器具来分类，可以分为托盘类移动机器人和料箱类移动机器人，每种移动机器人都有其适用场景和使用边界，详见表1。

就托盘货物的地面搬运和输送机接驳而言，AGV和AMR的功能多有重复，都可以进行输送机的接驳以及地面搬运，二者的区别在于AGV可以直接落地，AMR需要在地上安装固定支架或背托式活动料架，详见表2。

其他物流设备可根据具体情况进行具体分析，常用的输送设备有滚筒输送机、链条输送机、皮带机、提升机、RGV、悬挂输送机等；常用的分拣设备有摆轮分拣机、顶升移载机、交叉带分拣机、货到人拣选台GTP等；常用的立体仓库有堆垛机立库、穿梭车立库和AGV立库等；常用的包装设备有开箱机、装箱机、封箱机、打标机、打带机、缠膜机、拆码垛机器人等；常用的装卸设备有人工叉车、行架机器人、伸缩皮带机、自动装车AGV等，不一而足，择优选用。

4. 物流方案规划

由方案规划工程师根据数据分析输出结果和物流设备选型结果在业主提供的工厂基建图纸上进行物流区块的布局，首先确定每个区块（含防火分区）的位置、面积和可用净高度，以及出入口的位置、开口宽度和高度，通常需要业主提供最新的基建图纸和设备布局图。方案工程师可根据工艺流程和建筑特点进行初步方案规划，确定每个区块的物流设备布局和存储量，将1:1的物流设备图块、货架图块、其他设施图块进行有序摆放，同时将设计数据与需求数据进行对比，如果设计数据无法满足需求数据，需要修正物流方案或者与业主沟通进行需求数据的变更。其次，物流规划方案确定以后，需要对方案进行细化，将AP点布局、计算用电量、确定取电点、墙面预留开孔洞、地面预埋要求、操作人员需求、设备清单、备品备件清单、易损件清单、投资回收期(ROI)等方案设计出来，提交给业主。最后，需要提交商务投标文件、技术投标文件、述标文件、物流系统动画等资料，进入正式的招投标流程。

5. 物流系统施工

供应商中标之后可以开始准备项目实施阶段，在收到业主的首付款之前，仅进行计划类、设计类和文档类的工作，在收到首付款后，方可进行物料的采购并启动物流设备的加工制作，对于自制设备需要在场内进行组装和场内调试工作，测试合格后方可进行发货出厂；对于集成设备，需要进行主场检验和发货前测试，待验收合格后可直发业主现场。现场项目经理根据安装顺序和项目计划组织物流设备和物流设施的安装调试，并处理现场出现的各种问题，通常是先进行单机调试，再进行系统联调，最后进行试运行、陪产和业主操作人员的培训，直到客户同意在验收单上签字。

6. 物流系统运维

通常情况下，物流设备的质保期为1年，在质保期内，供应商需免费提供售后服务、远程监控、预防性维修、备品备件和易损易耗件等服务，以保证业主的物流系统运转良好。在质保期外，在与业主达成一致后，供应商可以根据服务内容和发生费用情况适当收取一定的费用。

四、基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流系统的项目优势

5年内经过超过100个基于AGV/AMR的厂内物流项目实践，涵盖化纤行业、机械制造行业、汽车零部件行业、3C行业、新能源行业、食品医药行业、烟草行业、商业物流行业、电力电子行业等，此类项目的优势主要有以下几个方面：

1. 智能化程度高

AGV为自动导引车辆，可以完成自动运行、自动避障、自动导航、自动充电、主动安全保护等功能。AMR为自主移动车辆，AMR拥有AGV的所有功能，同时将导航方式进行了升级，使用激光SLAM或视觉SLAM技术取代了传统的二维码惯性导航，可自主规划路线和避障，运行轨迹更加流畅，复杂场地的适应性更高。所有的AGV/AMR车辆调度均由一套TMS/AGVS系统进行管理调度，经过数据优化和算法优化，可以提供最优的物流路径和物流流程。

2. 系统拓展性高

AGV/AMR属于离散型的单元化物流设备，与传统的固定路线的输送存储设备相比，具有良好的系统拓展性。AGV/AMR有任务时才启动工作，无任务时在充电维修区进行充电或待机，不占用厂内通道或暂存区空间，同时AGV/ARM激活的数量可根据不同时期内的物流流量进行动态调整，真正的按需进行分派车辆任务。如果未来产量增加，需要增加AGV/AMR的数量，只需要将新增加的AGV/AMR车辆加入TMS中即可，可在不停产的情况下快速实施。如果需要拓展或更改AGV/AMR的工作区域或者工作路线，只要将新的更改方案添加到地图中即可。这是传统的输送设备无法比拟的。

3. 项目实施周期短

AGV/AMR单机设备多为标准化产品，生产周期短，供货周期短；AGV/AMR单机设备为移动机器人，无需对地面进行改造施工，通电就能运行；AGV/AMR交管软件具有良好的鲁棒性和易操作性，工程师可快速进行地图绘制和现场调试，随着数字孪生技术的使用，AGV/AMR系统的调试可以在虚拟空间内完成初步测试，再到现场整体程序灌制，大大节省现场调试时间；AP点接入、网络搭建和电脑硬件可在AGV/AMR进场前进行安装施工，也可与AGV单机调试同步进行，节省整个项目的实施周期。

五、基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流系统的客户收益

如前所述，随着全球经济一体化、国家智能制造产业规划和我国制造业实力的增强，传统行业的订单和产能不断增加，新兴产业也在不断涌现；企业却遇到了招工难、交货期短、产能受限等诸多困境，通过对工厂进行智能化升级改造，可以化解这些痛点，为企业带来收益。

1. 智能工厂用工人数减少

自动化工厂消灭了低水平需重复的工种，智能化工厂消灭了中水平需动脑的工种，AGV/AMR可以取代的工作包括：物料搬运、托盘堆高、物料存取、产线对接、产线配送、电梯呼叫、快速门控制、空托盘收集、机床上下料、自动装卸等。未来的工厂，将会是真正意义上的“无人工厂”。

2. 订单处理及时高效

智能工厂具有高度智能化，可对订单进行预测和前置处理，并进行合理的排产和生产；高柔性，可灵活应对订单的多品种、多批次、小批量的客制化需求；高效率，智能工厂可24小时连续不间断地运行。

3. 项目投资回收期更短

基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流项目实施周期短，上线时间快，业主可在2年内回收投资。同时，政府大力扶植传统企业进行智能化升级改造，建设“智能工厂”，可对企业进行税收优惠和政府补贴。智能工厂的建成大大提高了企业自身的形象，可创造出良好的社会效益和经济效益。物流被称为企业的第三利润源泉，通过良好的物流规划，使得少库存或者零库存成为可能。

综上所述，基于AGV/AMR的智能工厂厂内物流的构建具有良好的理论基础和实践基础，具有广泛的应用空间和市场前景，在广大AGV/AMR仁人志士的共同努力下，必将迎来新一轮的高速发展的黄金时代。

参考文献:

[1] 邱伏生.智能工厂物流构建-规划、运营与转型升级[M].北京:机械工业出版社,2022,4.