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★杭州迦智科技有限公司李澤邦，徐征

1　背景

在“中國制造2025”的時代背景下，智能制造領域不斷高速發(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，導致各企業(yè)需要不斷提升自身工廠運行效率以及降低工廠整體運營成本。浙江中控作為在智能制造領域的頭部企業(yè)，急需一種方法來解決如何在降低工廠運營成本的情況下提升整體年產能的問題。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)需要同時具備支持內部生產及外發(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)建設工程，通過構建“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　項目難點

2.1　物料尺寸多且差異大導致存儲空間利用難

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-成品的生產全流程，因此，需要處理端子、格柵、線材、服務器等原材料、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。庫存量也從幾個到幾百萬個不等。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，因其除了在工廠內裝配成品柜體的需求以外，需要在項目地進行柜體裝配。考慮上述工藝需求，以及場地的限制，富陽工廠計劃運用一套自動化物流系統(tǒng)同時承載原材料及半成品的內部生產供料與對外項目物料發(fā)貨的雙重功能，這一功能集成化的設計需求在實際運營中面臨著明顯的系統(tǒng)性矛盾。從內部生產角度而言，系統(tǒng)需要嚴格遵循生產計劃的剛性要求，按照產線穩(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線運轉效率，造成生產經濟損失。而對外發(fā)貨功能則呈現(xiàn)出完全不同的動態(tài)特征，受客戶訂單隨機性及供應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：當系統(tǒng)資源被突發(fā)性發(fā)貨需求大量占用時，如何確保生產供料的優(yōu)先級和穩(wěn)定性不受沖擊。例如：峰值情況下，關鍵設備處理能力的瓶頸（庫內自動取卸貨設備、提升設備、AMR等），以及緩存區(qū)容量設計的矛盾（生產緩存需要持續(xù)緩沖能力，而發(fā)貨緩存需應對瞬時峰值）。

3　 項目解決方案

3.1　利用多倉庫模塊協(xié)同作業(yè)，實現(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，對物料尺寸進行分類，結合物料來料特性，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對料箱物料時，會存在一個托盤上僅有一兩箱的情況，空間浪費嚴重。

針對這一痛點，迦智科技采用托盤倉儲模塊結合料箱倉儲模塊的“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備選擇方面，結合中控廠房可用高度20m，SKU多，批量小，需要任意存取的特征，且綜合效率需要達到120托盤/小時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)雖能適應高度要求，但其較弱的任意存取能力難以應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系統(tǒng)，其強任意存取能力和自身設備效率，可確保3000+托盤的存取效率達120托/小時。

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450箱的流量需求以及系統(tǒng)的互備能力，一般可適應高度為20米的單巷道料箱自動化設備類型及特征見表3。

表3 常用料箱自動化倉儲設備類型及特征

分析表3，僅有多層料箱穿梭車可以滿足富陽工廠450箱/小時的流量，同時具備單巷道的多設備互備能力。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。兩個庫之間采用分揀站臺結合輸送線的形式進行連接，以實現(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　增加生產緩存模塊，實現(xiàn)全場物流智能化調度

為保障中控富陽工廠生產物料的穩(wěn)定供給，半成品物料的穩(wěn)定接收，同時應對外發(fā)物流的波動性帶來的沖擊，本項目考慮在立庫模塊與生產系統(tǒng)之間增加緩存模塊，如圖3所示，該物流系統(tǒng)架構將立體倉庫模塊作為主要存儲主體，緩存模塊作為產線供料主體。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物流供料帶來的影響。

圖3 富陽工廠物流系統(tǒng)架構（外發(fā)物流、生產物流）

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），結合富陽工廠未來生產擴展需求，中控項目組聯(lián)合迦智科技規(guī)劃建設分布式CTU（料箱機器人）緩存模塊。該方案充分考慮建筑層高限制與柔性擴展要求，通過模塊化CTU倉集群實現(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際情況，同時考慮單層多CTU模塊的協(xié)同作業(yè)需求，本項目采用AMR（Autonomous Mobile Robot，自主移動機器人）實現(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　建設全場資源調度系統(tǒng)，實現(xiàn)同系統(tǒng)多倉

庫智能調度基于富陽工廠生產和外發(fā)工藝特性，綜上所述，本項目構建多層級自動化物流系統(tǒng)架構，如圖6所示。該系統(tǒng)通過模塊化設計實現(xiàn)物流資源的有機整合。

圖6 富陽工廠整體自動化物流系統(tǒng)模塊架構

圖中，實線表示實際的物料流向，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，導致同品類物料可能離散存儲于多個倉儲單元。當生產工單或外發(fā)訂單觸發(fā)時，如何實現(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)的全場資源調度系統(tǒng)通過以下技術路徑實現(xiàn)智能決策：

（1）訂單結構解析與任務分解：通過全場資源調度系統(tǒng)，運用數(shù)據(jù)轉換技術將外部訂單轉化為標準化內部處理執(zhí)行單，如圖7所示；

圖7 全場資源調度系統(tǒng)執(zhí)行單管理界面

（2）多目標優(yōu)化決策：基于智能算法，同步考量運輸成本（物料終點距離）、可用倉庫庫存可用量及設備負載均衡（堆垛機、CTU、多層料箱穿梭車等實時工況）進行綜合動態(tài)加權決策；

（3）多物料協(xié)同調度：通過構建時間約束，實現(xiàn)同一訂單內物料盡可能于同一時刻到達，減少訂單因物料先后到達時間差異大而導致效率低下的問題。

4　項目效益

4.1　多設備“貨到人”作業(yè)，提升人效

通過部署“立體倉庫系統(tǒng)+CTU與AMR機器人集群+智能輸送系統(tǒng)”多維綜合智能物流系統(tǒng)，構建場內物流全面智能化“貨到人”作業(yè)體系，實現(xiàn)物流貨架倉儲區(qū)域內的無人化作業(yè)，倉儲區(qū)域到庫內任意點的無人化搬運。人員作業(yè)模式從原先的頻繁到庫內進行找料搬運優(yōu)化為只需要在固定位置進行作業(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，大幅降低人員的勞動作業(yè)強度，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

依托全場資源調度系統(tǒng)構建富陽工廠場內物流數(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)，設備狀態(tài)等物流數(shù)據(jù)信息放置于一套系統(tǒng)，一個界面予以展示，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備運作畫面，直觀的整體信息展示使得異常事件判斷及響應周期達到分鐘級別。同時，通過多維度數(shù)據(jù)的記錄可輔助管理人員進行預測性維護、業(yè)務預測以及資源預配置，綜合提升整體管理決策效率。

4.3　有效平衡生產與發(fā)貨間的動態(tài)矛盾

通過多倉融合、多級緩存，以及全場資源調度系統(tǒng)的動態(tài)調度，創(chuàng)新性實現(xiàn)生產供料保障與外發(fā)物流服務的雙向增益。在系統(tǒng)架構層面，采用多層分布式倉儲模塊與中央立庫的模塊化結合設計：各樓層CTU倉通過實時全場調度系統(tǒng)中庫存管理功能構建動態(tài)安全庫存體系，形成生產供料的梯度緩存。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度系統(tǒng)實現(xiàn)毫秒級數(shù)據(jù)互通，當CTU倉執(zhí)行生產供料任務時，立庫模塊可全面支持外發(fā)物流職能，成功構建起“生產優(yōu)先、外發(fā)彈性”的智能物流調度體系。消除了因外發(fā)訂單激增導致的生產斷料風險，又實現(xiàn)了發(fā)貨效率的指數(shù)級提升。經實踐驗證，在保障產線連續(xù)穩(wěn)定運行的同時，系統(tǒng)可應對單日發(fā)貨量達基準值3倍以上的突發(fā)性外發(fā)訂單場景。

5　結語

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+全場智能調度”的創(chuàng)新架構，在實現(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，增強了生產供料穩(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對未來業(yè)務的增長。

目前，隨著控制柜制造業(yè)智能化轉型加速，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行多倉庫物料動態(tài)調配，通過統(tǒng)一的調度系統(tǒng)將傳統(tǒng)人員需要判斷選擇物料最合適的出庫倉庫，同時在多個操作系統(tǒng)操作的復雜場景，轉變?yōu)橄到y(tǒng)自主決策，大幅降低人員操作的復雜度。同時，多倉的協(xié)同也可幫助控制柜生產工廠有效緩解動態(tài)外發(fā)物流需求與穩(wěn)定生產供料需求的矛盾，提升企業(yè)整體業(yè)務柔性。中控富陽工廠的智能化升級成功實踐案例也驗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用的技術路徑。

摘自《自動化博覽》2025年4月刊