智能工厂物流系统仿真规划要素

　　智能工厂物流规划是一个系统规划的过程，需要遵循一定的规划步骤。智能工厂物流规划的一般步骤包括六个阶段：需求排序、概念设计、初步规划、详细规划、方案验证、实施和落地。消费者和客户的需求驱动交付，从而驱动供应商生产、进货物流、检验和存储、成套材料、站点配送、成品仓储、存储、装运、交付等材料和产品的流程，最终实现客户体验和满意。

　　图1 物流体系与智能工厂的关系

　　如图1所示，智能工厂包含(不限于)智能生产和智能物流，智能工厂通过智能物流体系实现工厂内部的整合，以及与供应商端和客户端之间的协同，从而实现订单交付全过程的打通。智能生产作为交付过程中的一个环节，是将智能生产设施嵌入到智能物流系统中，从而实现“制造工厂物流中心化”。

　　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要具备“流动思维”和“供应链交付思维”。“大交付、大物流、小生产”、“制造工厂物流中心化”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。

　　智能工厂物流规划是一个系统规划的过程，需要遵循一定的规划步骤。智能工厂物流规划的一般步骤，包括需求梳理、概念设计、初步规划、详细规划、方案验证、实施落地等六个阶段。

　　一、智能工厂物流需求梳理

　　需求梳理方法主要有现场调研、人员访谈、问卷调查、数据收集、会议讨论、现有文件审查等。调查不仅仅是针对物流部门，而需要调研整个工厂的运营体系，不同部门对现状问题的理解不尽相同。同时，设计相应表格收集数据，这些表格需要具有一定的逻辑和相互关系，收集的数据量、覆盖周期、覆盖范围等都需要定义清晰，以确保数据收集的有效性。

　　需求梳理是规划的起始，获得合理、有效、准确的规划需求，除了需要有效的数据支持和对运营现状的理解，也需要规划团队以假设为导向，向业务部门描述未来智能工厂的场景和形态，以确保获得广泛的建议和理解;以事实为依据，基于现有的业务痛点，整理规划的需求，用系统的逻辑串联现有痛点和规划需求，确保规划需求的准确性、系统性和前瞻性。

图2 需求梳理和数据调研主要内容

　　需求梳理和数据调研重要内容如图2所示。

　　二、智能工厂物流概念设计

　　在需求梳理的基础上，概念设计结合智能工厂战略及价值导向、行业内外最佳实践、智能物流技术应用前沿、智能物流发展概念、行业及企业发展瓶颈、智能物流创意需求、智能工厂建设目标、行业竞争要点、产品及工艺特征、基础条件(比如产线节拍、产能规划、有效工作时间等)、战略绩效要求等，采用一系列的方法和技术，比如头脑风暴与专家研讨、设计概念提炼与转化、创意设计与提纯、从感性到理性的转化、从思维到轮廓的转化、从多样到确定的转化等，最终输出物流概念设计。以物流为主线的智能工厂概念设计模型如图3所示：

　　图3 以物流为主线的智能工厂概念设计模型

　　概念设计阶段输出的主要内容包括以下部分：

　　1.工厂物流战略：基于战略制定考虑的因素，按其制定步骤，输出工厂物流战略。值得说明的是，物流战略并非一个口号，可能包括可衡量的绩效指标、可操作的中长期规划等。

　　2.工厂能力清单：主要是指该智能工厂所具备的各类能力要素，比如该工厂能快速响应客户订单、能够支持定制、具备生产柔性、具备数字化特征、具有可参观性等。

　　3.工厂蓝图：工厂蓝图可以理解为工厂“长相”，如前文所述，按照物流规划维度分类，主要包括物流、基建、产品、制造、信息五个维度的轮廓。比如物流的蓝图包括工厂物流整体运作逻辑、工厂物流能力成长路径、园区物流大致流向等，基建的蓝图包括建筑的概念业态，比如园区大致的开门、建筑物数量、建筑物层数、建筑形式(钢结构、混凝土等)、建筑物间逻辑关系等要素。

　　4.物流技术选择：概念设计阶段的物流技术选择，主要是指基于工厂痛点、关键环节等输出的物流技术概念，比如来料托盘件采用堆垛机立体库、成品下线及转运采用输送线等。值得说明的是，对于同一关键环节，在概念设计阶段可能会输出两种或以上的物流技术。

　　5.工厂物流规划创意：主要包括工厂物流规划具有的亮点、突破点等。比如小汽车停车方式，常规方式可能考虑地面或者地下停车，但提出楼顶停车可能是规划中的一个亮点。又比如，对于某些尺寸不规则的托盘类大件，如何兼容性存储是其中的一个难点，此时通过柔性化的托盘设计，最终实现多尺寸的存储兼容，可以理解为规划中的一个突破点。

　　6.工厂规模与大致流量：工厂规模主要指基于此概念设计，该智能工厂可匹配的年产能、月度峰值产能、均值产能等，比如可匹配年产能300万台，月度峰值产能35万台，均值产能25万台。大致流量主要指经过数据概算，可以大致呈现各环节流量数据，比如园区各物流门的流量、建筑物间的流量、工序间的流量等。

　　7.工厂运作模式与物流工艺：基于工厂战略定位及价值导向，输出的工厂运作模式主要指工厂运作方向，比如强调以交付为目标的运营管理、强调信息集成互联的差异管理等。物流工艺指物料从到货、卸货、收货、检验、入库、存储、拣选、配送及产成品入库、存储、发运全流程的物流运作大致方法和技术。

　　在概念设计模型的基础上，通过对概念设计过程的把控，主要包括物流战略制定、概念蓝图规划以及达成路径设计，最终呈现出符合企业需求的概念设计方案。

　　三、智能工厂物流初步规划

　　初步规划阶段需要充分考虑工厂建设面临的客观存在的约束，将概念设计的“梦工厂”逐步具化成为“现实工厂”。在概念设计的基础上，初步规划结合概念设计方案、地块特征及参数、地方政策及规范条文、地块环境、产品及生产工艺、物流工艺、生产和物流当量、物流技术选择、规划原则、约束条件、运营指标等，采用PFEP的规划方法，通过对生产及物流流量测算、物流智能化导入模型、物流资源需求测算以及功能区的规划输出智能工厂初步规划。以物流为主线的智能工厂初步规划模型如图4所示：

　　图4 以物流为主线的智能工厂初步规划模型

　　初步规划阶段输出的主要内容包括以下部分：

　　1.厂区物流布局方案：主要包括园区开门、园区道路、卸货区域、建筑业态(包括建筑的长宽高、层数、结构形式等)以及生活配套设施(主要指停车场、食堂、宿舍等)等。针对生活配套设施的规划，以体现人文关怀为主，比如为了避免员工日晒雨淋，可以考虑在厂区规划风雨连廊以连接厂房、食堂和宿舍。

　　2.工厂功能区域布局方案：工厂功能区域主要包括物流区域和生产区域。物流区域一般指原材料和成品的收发货区域和存储、周转区域。根据企业规模、生产模式、管理水平等不同，物流区域可能与生产区域连为一体，呈现多点分布的细胞化排布，也可能是物流区域(如仓库)独立于生产区域集中排布。生产区域主要是指生产作业加工区域，包括前工序和组装工序区域。

　　3.辅助区域布局方案：辅助区域主要包括园区辅助区域以及建筑物内辅助区域。园区辅助区域主要包括高压变电站、低压变电站、空压机房等;危险品仓或气站：溶剂室、气瓶间等;安防设施：门卫岗、围墙、消防控制室、监控室;环境设施：污水处理站、工业垃圾站、废料回收房;以及生产相关的地磅等。建筑物内的辅助设施主要包括洗手间、生产办公室、茶水间、设备辅助用房等。

　　4.物流能力与资源初步配置：对各环节的物流能力与资源进行初步配置，比如各物流区域规划多少面积、各类物料存储方式、配送方式初步配置、某个料箱件立体库需要规划的库位数及基于流量的物流设施数量初步测算等。

　　5.物流设施参数初步定义：主要包括物流设施类型、数量等参数初步定义，比如某个环节初步定义需要配置潜伏式AGV、并对其初步的数量进行测算等。

　　6.物流相关初步建筑参数：主要包括生产建筑形式、建筑轮廓、高度、层高、柱距、防火分区、载荷、雨棚等。

　　初步规划是一个多目标、多规则的复杂最优解问题，不同行业、不同企业、不同地块、不同战略导向下，约束条件和规则都不尽相同。因此，初步规划不能转化为一个简单的数学算法模型，而是要利用数学模型的思想，针对每个具体问题，进行输入输出的分析和求解，从而得出多个相对优化的初步布局方案，并将各个方案利弊具体呈现，综合评估选择，才能保证规划的方案是相对最优的。否则，未经系统规划而草率得出的方案，因为约束条件越少，求解会越发散，形成无数个“合理解”，不同的人从自身角度出发，会形成不同的规划方案，此时更加无法形成有效的判断和决策，产生巨大的决策风险和机会成本。因此，初步规划阶段，详细且全面的输入显得尤为重要。

　　四、智能工厂物流详细规划

　　在初步规划的基础上，详细规划结合初步规划方案、具体的PFEP方案、物流技术及参数(比如搬运技术、存储技术、拣选技术等)、物流信息技术、物流运营逻辑、生产物流动线、智能制造参数、详细物流参数、关键环节聚焦、人文要求等，通过细化设计的PFEP，对物流技术进行研究、选择、确认及应用，对物流流程进行梳理、对智能化物流场景开展研究及设计、对环境进行设计、选择信息技术并对建筑参数进行细化等，最终输出详细规划方案。以物流为主线的智能工厂详细规划模型如图5所示：

　　图5 以物流为主线的智能工厂详细规划模型

　　详细规划阶段输出的主要内容包括以下部分：

　　1.建筑空间及平面布局方案：指细化到每一平米的每个区域(主要包括收发货区、原材料存储区、半成品区、成品区、容器具存放区、不良品区、备品备件区、叉车区等)的详细布置，比如存储区存储的物料类型、存储方式、器具的摆放方式等，以及各区域间详细的物流动线以及与线边工位的具体对接形式等。

　　2.物流相关详细建筑参数：详细建筑参数主要用于支持设计院施工图设计，主要包括物流设备开孔尺寸、设备吊装口、立体库建筑参数(水平度、不均匀沉降、加强筋距离等)、防火卷帘/水幕尺寸的详细尺寸、电梯数量及电梯参数等。

　　3.作业场景方案：基于入厂物流、生产物流、成品物流各段物流设计的运作场景，比如每类物料如何到货、卸货、存储、出库、配送等。

　　4.生产设施配置方案：指生产环节选取的生产设施、设备类型、数量及能力要求等，与生产工艺强相关。

　　5.物流设施配置方案：包括各环节选取的具体物流技术、涉及到的物流设备及设施类型、数量及能力要求等。

　　6.物流信息化功能需求：基于作业场景方案及运营逻辑，明确智能工厂物流系统信息化整体框架，并在此基础上提出各环节信息化功能需求，主要包括入厂物流、仓库管理、物料配送、成品物流、容器具管理、应急物流等环节，同时明确各流程活动节点的输入、信息驱动、信息采集、输出等信息。

　　7.物流运营工艺逻辑：从到货、卸货、收货、检验、存储、配送、成品入库及发运全流程的物流运作逻辑，比如物料包装基础要求、库存周期的控制、库存面积的控制、拣选及齐套提前期等。

　　8.参观通道设计方案：基于企业参观需求设计参观通道方案，具体包括参考通道走向、主要参观景点等。

　　9.工厂环境设计方案：包括工厂人文、休息、关怀在内的工厂环境设计。

　　10.投资预算：基于物流设施配置方案，并参考国内主流物流设备供应商价格，进行详细的物流设施投资预算，用以进一步支撑企业决策。

　　详细规划阶段，需要针对零部件物流规划、物流区域规划、生产物流动线设计、线边工位空间规划、成品物流规划等方面进行详细规划设计，遵循“三个一”方针，细化到“每一平方米、每一个物料、每一个工位”的规划，需要协同多个外部和内部的部门对每一个节点的物流设施、设备等进行详细规划并输出技术参数和标准。此阶段需要进行详细规划要素梳理、建筑参数需求定义，并进行物流设施配置以及物流流程设计。

　　详细规划阶段，需要考虑建筑的连接，制造设备的连接，物流设备的连接，物料/产品流转的连接，生产/工艺过程的连接，计划-执行-运营的连接，人员的连接，后勤的连接，配套设施的连接，物流容器具的连接，供应商/主机厂/客户的连接，安全/门禁的连接，外围车辆的连接，品质的连接等等。对于整个智能工厂的人机料法环要素全部形成连接。

　　五、智能工厂物流方案验证

　　在详细规划基础上，需要通过仿真技术对智能工厂物流方案进行验证，以便对方案进行优化及修正。工厂物流系统仿真是对实际物流运作场景建立一个系统模型，然后再基于这个模型做实验，在实验基础上分析系统特性，优化系统的目标参数，或者评估系统运行效率。通过计算机建模技术构建仿真模型，从而研究工厂物流规划中存在的问题，进而通过优化使得物流系统最优、避免运营过程中发生瓶颈。

　　工厂物流仿真根据其应用场景主要分为3类：虚拟现实流程动画仿真、物流离散事件数据仿真、物流系统运营仿真。针对不同的应用场景，一般选取不同的物流仿真技术，在物流规划中，主要选取虚拟现实流程动画仿真、物流离散事件数据仿真进行方案的验证。

　　1.虚拟现实流程动画仿真

　　虚拟现实仿真技术主要展示物流系统的物理空间位置以及与生产线体等其他相关设施的相对关系、工厂物流运作场景展示等，主要用于方案规划物理空间验证、方案介绍与讨论以及对外介绍与宣传等。

　　图6 虚拟现实流程动画仿真示意

　　如图6所示，其通过三维建模技术，将工厂物流规划中涉及到的各个物流作业与物流自动化系统场景进行1:1尺寸三维建模，在此基础上根据物流系统运行的流程与逻辑，赋予三维模型动态的逻辑关系，从供应商到货到成品发运进行全流程动画直观展示，从而用来研究与优化物流方案，并提供立体、可视的物流系统运作流程及逻辑。

　　2.基于离散事件的物流系统数据仿真

　　基于离散事件的物流系统数据仿真技术，主要研究多种约束条件下计算生产系统的综合产出、系统设施设备的负荷情况等。其中生产系统布局优化分析、生产线平衡优化、物料配送方案优化、作业排序与生产调度、物流设备负荷等方面有较多应用。

　　物流离散事件仿真建立在对物流系统的结构及流程分析基础上，通过对系统进行数学描述，也就是建立系统模型，然后通过合适的仿真方法，使该物流系统模拟实现的过程。通过仿真可以了解物料运输、存储的动态过程的各种统计性能，如运输设备的利用率是否合理，运输路线是否通畅，物料搬运系统的流动周期是否过长等。

　　3.物流系统运营仿真

　　物流系统运营仿真主要研究工厂运营基础数据与信息系统驱动下的生产物流系统运作分析，比如在新系统开发验证阶段，对信息系统设计开发的合理性验证(逻辑与算法的可行性);又比如在工厂运营阶段，评估日常作业排产计划的合理性等。

　　物流系统运营仿真是建立在运作计划驱动下的物流系统仿真模型。通过对工厂生产全流程进行建模并以排程系统如APS的运作计划为驱动，以生产制造执行系统如MES的生产环境资源作为约束并结合物流随机事件的动态调度策略来运行整个生产物流系统仿真模型，并进行分析优化的过程。通过大量的访谈实验，对规划的方案进行调整优化，使得工厂的运作效率达到最优。在运行阶段也可以将生产物流仿真的模型随时提取出来，然后针对生产运作的一些场景进行推演，精确的计算相关的一些指标参数，来预测工厂的运作的情况，从而为工厂的运营管理决策提供决策支持和依据。