★杭州迦智科技有限公司李澤邦，徐征

1　背景

在“中國制造2025”的時(shí)代背景下，智能制造領(lǐng)域不斷高速發(fā)展，市場對于智能控制柜的需求不斷增長。另一方面，國內(nèi)控制柜制造廠家超千家，高速的市場需求增長以及愈加激烈的市場競爭，導(dǎo)致各企業(yè)需要不斷提升自身工廠運(yùn)行效率以及降低工廠整體運(yùn)營成本。浙江中控作為在智能制造領(lǐng)域的頭部企業(yè)，急需一種方法來解決如何在降低工廠運(yùn)營成本的情況下提升整體年產(chǎn)能的問題。自動化物流系統(tǒng)作為工廠降本增效的核心環(huán)節(jié)，其效益已在多行業(yè)得到驗(yàn)證。然而，根據(jù)浙江中控存儲物料尺寸多且差異較大，物流系統(tǒng)需要同時(shí)具備支持內(nèi)部生產(chǎn)及外發(fā)等工藝特性，對于自動化物流系統(tǒng)提出了更高的要求。基于此，浙江中控富陽工廠聯(lián)合杭州迦智科技啟動智能化物流系統(tǒng)建設(shè)工程，通過構(gòu)建“存儲-揀選-配送”一體化智能物流體系，探索控制柜制造業(yè)物流智能化升級新方法。

2　項(xiàng)目難點(diǎn)

2.1　物料尺寸多且差異大導(dǎo)致存儲空間利用難

浙江中控富陽工廠自動化物流系統(tǒng)需要全面支持控制柜原材料-半成品-成品的生產(chǎn)全流程，因此，需要處理端子、格柵、線材、服務(wù)器等原材料、半成品物料。

對于原材料物料及半成品物料而言，系統(tǒng)需要處理的物料尺寸超400種。其中，原材料物料最小包裝尺寸長13.1mm，寬14.1mm，高7.5mm，最大尺寸長92.5mm，寬66.5mm，31.5mm，整體體積差異超40倍。庫存量也從幾個(gè)到幾百萬個(gè)不等。多品種，存量差異極大的物料特征對于自動化物流系統(tǒng)提出了如何盡可能提高空間利用率以及如何保證所有物料平穩(wěn)輸送的雙重問題。

2.2　生產(chǎn)與外發(fā)物流帶來的節(jié)拍沖突

在浙江中控富陽工廠的智能化升級改造規(guī)劃中，因其除了在工廠內(nèi)裝配成品柜體的需求以外，需要在項(xiàng)目地進(jìn)行柜體裝配。考慮上述工藝需求，以及場地的限制，富陽工廠計(jì)劃運(yùn)用一套自動化物流系統(tǒng)同時(shí)承載原材料及半成品的內(nèi)部生產(chǎn)供料與對外項(xiàng)目物料發(fā)貨的雙重功能，這一功能集成化的設(shè)計(jì)需求在實(shí)際運(yùn)營中面臨著明顯的系統(tǒng)性矛盾。從內(nèi)部生產(chǎn)角度而言，系統(tǒng)需要嚴(yán)格遵循生產(chǎn)計(jì)劃的剛性要求，按照產(chǎn)線穩(wěn)定節(jié)拍持續(xù)供料，任何物料供給的延遲或中斷都將直接影響產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)效率，造成生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。而對外發(fā)貨功能則呈現(xiàn)出完全不同的動態(tài)特征，受客戶訂單隨機(jī)性及供應(yīng)鏈波動等多重因素影響，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析單日發(fā)貨量可能呈現(xiàn)10倍以上的波動，高峰期每天需處理超過3000箱的發(fā)貨需求，低谷期則可能驟降至100箱以下。

以上物流特征帶來的核心挑戰(zhàn)在于：當(dāng)系統(tǒng)資源被突發(fā)性發(fā)貨需求大量占用時(shí)，如何確保生產(chǎn)供料的優(yōu)先級和穩(wěn)定性不受沖擊。例如：峰值情況下，關(guān)鍵設(shè)備處理能力的瓶頸（庫內(nèi)自動取卸貨設(shè)備、提升設(shè)備、AMR等），以及緩存區(qū)容量設(shè)計(jì)的矛盾（生產(chǎn)緩存需要持續(xù)緩沖能力，而發(fā)貨緩存需應(yīng)對瞬時(shí)峰值）。

3　 項(xiàng)目解決方案

3.1　利用多倉庫模塊協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)物料柔性存儲

常規(guī)存儲方式分為料箱存儲或托盤存儲，根據(jù)常規(guī)料箱尺寸即長600mm，寬400mm，高300mm，對物料尺寸進(jìn)行分類，結(jié)合物料來料特性，中控富陽工廠所要處理的物料存在物料尺寸小，存量大；尺寸小，存量小；尺寸大，存量大等情況，具體見表1。

表1 中控富陽工廠物料情況

根據(jù)物料情況，單一的自動化倉儲系統(tǒng)，例如：堆垛機(jī)托盤倉儲系統(tǒng)，多穿料箱倉儲系統(tǒng)，MiniLoad料箱倉儲系統(tǒng)等，僅能存儲某一種形式的物料，若采用料箱倉儲形式則難以兼容大尺寸物料，若采用托盤倉儲形式則在應(yīng)對料箱物料時(shí)，會存在一個(gè)托盤上僅有一兩箱的情況，空間浪費(fèi)嚴(yán)重。

針對這一痛點(diǎn)，迦智科技采用托盤倉儲模塊結(jié)合料箱倉儲模塊的“雙模塊協(xié)同倉儲系統(tǒng)”解決方案，在托盤倉儲的自動化設(shè)備選擇方面，結(jié)合中控廠房可用高度20m，SKU多，批量小，需要任意存取的特征，且綜合效率需要達(dá)到120托盤/小時(shí)考慮市場常用托盤倉儲系統(tǒng)特征，見表2。

表2 常用托盤自動化倉儲設(shè)備類型及特征

對比分析表2可見，子母車與四向車系統(tǒng)雖能適應(yīng)高度要求，但其較弱的任意存取能力難以應(yīng)對小批量高頻次作業(yè)；AGV叉車系統(tǒng)雖靈活性高，但10米的高度限制無法充分利用垂直空間。最終選定托盤堆垛機(jī)系統(tǒng)，其強(qiáng)任意存取能力和自身設(shè)備效率，可確保3000+托盤的存取效率達(dá)120托/小時(shí)。

中控富陽工廠所需托盤存量需要大于3000托，在確定托盤自動化存儲系統(tǒng)后，由于空間受限，留給料箱存儲的空間僅有一條巷道。考慮富陽工廠每小時(shí)450箱的流量需求以及系統(tǒng)的互備能力，一般可適應(yīng)高度為20米的單巷道料箱自動化設(shè)備類型及特征見表3。

表3 常用料箱自動化倉儲設(shè)備類型及特征

分析表3，僅有多層料箱穿梭車可以滿足富陽工廠450箱/小時(shí)的流量，同時(shí)具備單巷道的多設(shè)備互備能力。因此，考慮采用多層料箱穿梭車作為自動化存儲設(shè)備。方案示意如圖1所示。

圖1 中控富陽工廠自動化物流系統(tǒng)立庫部分示意圖

對于上述表1中提及的物料尺寸、存量、出庫形式矛盾的問題，本項(xiàng)目利用雙模塊協(xié)同倉儲系統(tǒng)的互聯(lián)互通加以解決，例如，小件物料存量大，同時(shí)出庫形式為料箱的情況，以托盤庫作為主要存儲主體，料箱庫作為主要出庫分揀主體。兩個(gè)庫之間采用分揀站臺結(jié)合輸送線的形式進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)雙模塊的互聯(lián)互通，如圖2所示。

圖2 中控富陽工廠雙模塊互聯(lián)互通部分圖

3.2　增加生產(chǎn)緩存模塊，實(shí)現(xiàn)全場物流智能化調(diào)度

為保障中控富陽工廠生產(chǎn)物料的穩(wěn)定供給，半成品物料的穩(wěn)定接收，同時(shí)應(yīng)對外發(fā)物流的波動性帶來的沖擊，本項(xiàng)目考慮在立庫模塊與生產(chǎn)系統(tǒng)之間增加緩存模塊，如圖3所示，該物流系統(tǒng)架構(gòu)將立體倉庫模塊作為主要存儲主體，緩存模塊作為產(chǎn)線供料主體。通過雙層存儲體系，可一定程度上緩解外發(fā)物流不確定性對生產(chǎn)物流供料帶來的影響。

圖3 富陽工廠物流系統(tǒng)架構(gòu)（外發(fā)物流、生產(chǎn)物流）

針對富陽工廠物料特性與各樓層層高約束的特征（箱式物料為主，單層凈空高度4米），結(jié)合富陽工廠未來生產(chǎn)擴(kuò)展需求，中控項(xiàng)目組聯(lián)合迦智科技規(guī)劃建設(shè)分布式CTU（料箱機(jī)器人）緩存模塊。該方案充分考慮建筑層高限制與柔性擴(kuò)展要求，通過模塊化CTU倉集群實(shí)現(xiàn)空間垂直維度的充分利用，如圖4所示。

圖4 富陽工廠CTU模塊

工廠廠區(qū)各樓層存在人員動線與物流通道交叉的實(shí)際情況，同時(shí)考慮單層多CTU模塊的協(xié)同作業(yè)需求，本項(xiàng)目采用AMR（Autonomous Mobile Robot，自主移動機(jī)器人）實(shí)現(xiàn)立體倉庫與CTU模塊間的智能接駁。如圖5所示，該接駁系統(tǒng)通過動態(tài)路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)跨功能區(qū)的柔性連接，有效解決傳統(tǒng)輸送線剛性連接帶來的空間占用與布局限制問題。

圖5 立庫模塊-CTU模塊AMR接駁場景

3.3　建設(shè)全場資源調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同系統(tǒng)多倉

庫智能調(diào)度基于富陽工廠生產(chǎn)和外發(fā)工藝特性，綜上所述，本項(xiàng)目構(gòu)建多層級自動化物流系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示。該系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)物流資源的有機(jī)整合。

圖6 富陽工廠整體自動化物流系統(tǒng)模塊架構(gòu)

圖中，實(shí)線表示實(shí)際的物料流向，虛線表示模塊間物料存在聯(lián)通的工藝需求。由于空間的限制，分布式倉儲模式下單模塊容量受限，導(dǎo)致同品類物料可能離散存儲于多個(gè)倉儲單元。當(dāng)生產(chǎn)工單或外發(fā)訂單觸發(fā)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)跨模塊倉儲資源的最優(yōu)選擇成為系統(tǒng)效能提升的核心優(yōu)化問題。針對此，迦智科技研發(fā)的全場資源調(diào)度系統(tǒng)通過以下技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)智能決策：

（1）訂單結(jié)構(gòu)解析與任務(wù)分解：通過全場資源調(diào)度系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)將外部訂單轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)部處理執(zhí)行單，如圖7所示；

圖7 全場資源調(diào)度系統(tǒng)執(zhí)行單管理界面

（2）多目標(biāo)優(yōu)化決策：基于智能算法，同步考量運(yùn)輸成本（物料終點(diǎn)距離）、可用倉庫庫存可用量及設(shè)備負(fù)載均衡（堆垛機(jī)、CTU、多層料箱穿梭車等實(shí)時(shí)工況）進(jìn)行綜合動態(tài)加權(quán)決策；

（3）多物料協(xié)同調(diào)度：通過構(gòu)建時(shí)間約束，實(shí)現(xiàn)同一訂單內(nèi)物料盡可能于同一時(shí)刻到達(dá)，減少訂單因物料先后到達(dá)時(shí)間差異大而導(dǎo)致效率低下的問題。

4　項(xiàng)目效益

4.1　多設(shè)備“貨到人”作業(yè)，提升人效

通過部署“立體倉庫系統(tǒng)+CTU與AMR機(jī)器人集群+智能輸送系統(tǒng)”多維綜合智能物流系統(tǒng)，構(gòu)建場內(nèi)物流全面智能化“貨到人”作業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)物流貨架倉儲區(qū)域內(nèi)的無人化作業(yè)，倉儲區(qū)域到庫內(nèi)任意點(diǎn)的無人化搬運(yùn)。人員作業(yè)模式從原先的頻繁到庫內(nèi)進(jìn)行找料搬運(yùn)優(yōu)化為只需要在固定位置進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)路徑從原先的每天上千公里縮短至固定工位的5米范圍內(nèi)，大幅降低人員的勞動作業(yè)強(qiáng)度，綜合人效提升3倍以上。

4.2　物流信息全面互通，提升管理效率

依托全場資源調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)建富陽工廠場內(nèi)物流數(shù)據(jù)中臺，聯(lián)通數(shù)據(jù)孤島，同步配置數(shù)據(jù)大屏，將倉庫庫存狀態(tài)，出入庫作業(yè)狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)等物流數(shù)據(jù)信息放置于一套系統(tǒng)，一個(gè)界面予以展示，如圖8所示。

圖8 富陽工廠數(shù)字大屏

管理人員可通過統(tǒng)一界面，直觀看到各類物流信息和設(shè)備運(yùn)作畫面，直觀的整體信息展示使得異常事件判斷及響應(yīng)周期達(dá)到分鐘級別。同時(shí)，通過多維度數(shù)據(jù)的記錄可輔助管理人員進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)、業(yè)務(wù)預(yù)測以及資源預(yù)配置，綜合提升整體管理決策效率。

4.3　有效平衡生產(chǎn)與發(fā)貨間的動態(tài)矛盾

通過多倉融合、多級緩存，以及全場資源調(diào)度系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)度，創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)供料保障與外發(fā)物流服務(wù)的雙向增益。在系統(tǒng)架構(gòu)層面，采用多層分布式倉儲模塊與中央立庫的模塊化結(jié)合設(shè)計(jì)：各樓層CTU倉通過實(shí)時(shí)全場調(diào)度系統(tǒng)中庫存管理功能構(gòu)建動態(tài)安全庫存體系，形成生產(chǎn)供料的梯度緩存。立庫模塊則依托其高密度存儲特性，建立核心庫存池。雙模塊通過全場資源調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)毫秒級數(shù)據(jù)互通，當(dāng)CTU倉執(zhí)行生產(chǎn)供料任務(wù)時(shí)，立庫模塊可全面支持外發(fā)物流職能，成功構(gòu)建起“生產(chǎn)優(yōu)先、外發(fā)彈性”的智能物流調(diào)度體系。消除了因外發(fā)訂單激增導(dǎo)致的生產(chǎn)斷料風(fēng)險(xiǎn)，又實(shí)現(xiàn)了發(fā)貨效率的指數(shù)級提升。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，在保障產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，系統(tǒng)可應(yīng)對單日發(fā)貨量達(dá)基準(zhǔn)值3倍以上的突發(fā)性外發(fā)訂單場景。

5　結(jié)語

迦智科技針對中控富陽工廠打造的多模塊融合方案，通過“多模塊協(xié)同倉儲+柔性搬運(yùn)+全場智能調(diào)度”的創(chuàng)新架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)倉儲空間利用率提升、綜合人效增長、物流管理能力提升的同時(shí)，增強(qiáng)了生產(chǎn)供料穩(wěn)定性與外發(fā)物流彈性的動態(tài)平衡能力。此方案也有助于中控富陽工廠更好地應(yīng)對未來業(yè)務(wù)的增長。

目前，隨著控制柜制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型加速，企業(yè)采用智能化物流解決方案的數(shù)量也逐漸增加。尤其是多倉儲系統(tǒng)配合場景，迦智多模塊融合方案可有效進(jìn)行多倉庫物料動態(tài)調(diào)配，通過統(tǒng)一的調(diào)度系統(tǒng)將傳統(tǒng)人員需要判斷選擇物料最合適的出庫倉庫，同時(shí)在多個(gè)操作系統(tǒng)操作的復(fù)雜場景，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)自主決策，大幅降低人員操作的復(fù)雜度。同時(shí)，多倉的協(xié)同也可幫助控制柜生產(chǎn)工廠有效緩解動態(tài)外發(fā)物流需求與穩(wěn)定生產(chǎn)供料需求的矛盾，提升企業(yè)整體業(yè)務(wù)柔性。中控富陽工廠的智能化升級成功實(shí)踐案例也驗(yàn)證了迦智科技融合解決方案的有效性，為控制柜制造業(yè)的智能化升級提供了具有可以復(fù)用的技術(shù)路徑。

摘自《自動化博覽》2025年4月刊