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支持智能制造的物流系統(tǒng)建設(shè)概述
在智能制造時(shí)代，制造企業(yè)需要根據(jù)用戶需求進(jìn)行大規(guī)模定制化生產(chǎn)，并控制生產(chǎn)成本。這無(wú)疑對(duì)其物流系統(tǒng)提出了很多全新的要求。這也是為什么在研究智能制造的時(shí)候，必須重點(diǎn)研究智能物流的原因。隨著智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)已被列為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的五大核心智能制造裝備之一，越來(lái)越多的制造企業(yè)正在或準(zhǔn)備上馬智能物流建設(shè)項(xiàng)目。
2017年可以說(shuō)是我國(guó)推進(jìn)智能制造發(fā)展的關(guān)鍵年，在此趨勢(shì)下，制造企業(yè)的物流系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、供應(yīng)鏈究竟該如何升級(jí)優(yōu)化成為十分重要的課題，備受關(guān)注。因此，本期專題聚焦“面向智能制造的物流系統(tǒng)建設(shè)”主題，圍繞智慧供應(yīng)鏈、智能物流系統(tǒng)解決方案、智能物流相關(guān)技術(shù)設(shè)備、智能物流信息系統(tǒng)等企業(yè)智能物流建設(shè)的核心要素，分析需求，探討問(wèn)題，提供思路，分享經(jīng)驗(yàn)。
支持智能制造的智能物流系統(tǒng)建設(shè)
在智能制造的框架內(nèi)，智能物流將建立在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、信息物理系統(tǒng)(CPS)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)基礎(chǔ)之上，以物流系統(tǒng)實(shí)時(shí)透明和離散智能控制為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)4.0的技術(shù)對(duì)接。它旨在智能連接與集成企業(yè)內(nèi)外部全部的物流流程，終實(shí)現(xiàn)物流網(wǎng)絡(luò)全透明與離散式的實(shí)時(shí)控制。本文簡(jiǎn)要闡述了智能制造下的智能物流系統(tǒng)組成、相關(guān)技術(shù)發(fā)展，后探討了智能物流落地面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略。
在工業(yè)4.0時(shí)代，生產(chǎn)制造活動(dòng)的發(fā)起點(diǎn)不再是制造企業(yè)，而是終用戶。整個(gè)價(jià)值鏈由過(guò)去企業(yè)推動(dòng)的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩衾瓌?dòng)的模式，即一切生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的出發(fā)點(diǎn)變成了終用戶。用戶的需求變得更加個(gè)性化、化，講究參與感與快速響應(yīng)。制造企業(yè)需要有能力使用戶參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶需求進(jìn)行生產(chǎn)。這就是所謂的大規(guī)模定制模式，即，由用戶來(lái)決定企業(yè)生產(chǎn)什么、生產(chǎn)多少，此外還必須控制在較低的成本下。
在這種新的生產(chǎn)模式下，首先受到?jīng)_擊的其實(shí)正是制造企業(yè)的物流部分。為了滿足用戶定制化、快速響應(yīng)等要求，需要物料配送模式更具有高柔性的自動(dòng)化，具有根據(jù)訂單做出快速響應(yīng)的能力。這也就是為什么在研究智能制造的時(shí)候，必須重點(diǎn)研究智能物流的原因。
一、智能制造對(duì)智能物流提出的要求
在智能制造時(shí)代，大規(guī)模定制的需求對(duì)智能物流系統(tǒng)提出了很多全新的要求。例如，在汽車行業(yè)，過(guò)去消費(fèi)者可選購(gòu)的車型很少，而現(xiàn)在不僅各大品牌車型多樣化，更實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步是消費(fèi)者可對(duì)零部件種類做出更多選擇；尤其是當(dāng)零部件數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng)后，各種配置總和可達(dá)到10的32次方，這意味著在一個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，一條生產(chǎn)線不會(huì)下線兩輛相同的車型。為了支持這種生產(chǎn)模式，要求智能制造體系中的智能物流系統(tǒng)必須滿足全流程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高柔性的自動(dòng)化和智能化的要求。
1.全流程數(shù)字化
在未來(lái)智能制造的框架內(nèi)，智能物流系統(tǒng)能夠智能地連接與集成企業(yè)內(nèi)外部的全部物流流程，實(shí)現(xiàn)物流網(wǎng)絡(luò)的全透明與離散式的實(shí)時(shí)控制，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心在于數(shù)字化。只有做到全流程數(shù)字化，才能使物流系統(tǒng)具有智能化的功能。
2. 網(wǎng)絡(luò)化
智能物流系統(tǒng)中的各種設(shè)備不再是單獨(dú)孤立地運(yùn)行，它們通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能地連接在一起，構(gòu)成一個(gè)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以快速地進(jìn)行信息交換和自主決策。這樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅保證了整個(gè)系統(tǒng)的率和透明性，同時(shí)也大限度地發(fā)揮每臺(tái)設(shè)備的作用。
3.高柔性的自動(dòng)化
在大規(guī)模定制時(shí)代，生產(chǎn)本身是一種柔性化的生產(chǎn)。在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，要求對(duì)應(yīng)的物流系統(tǒng)具備更高的柔性。柔性化的物流系統(tǒng)，既包括了流程方面的要求，也包括了硬件上、布局上的柔性化要求。例如，在物流流程的設(shè)計(jì)中，盡量用多對(duì)多的方式來(lái)代替一對(duì)一的設(shè)計(jì)；硬件和布局上，盡量考慮到未來(lái)根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行布局調(diào)整以及系統(tǒng)調(diào)整的可能性。
4.智能化
智能化是智能物流系統(tǒng)提出的核心的要求，是智能物流不同于以往的大特點(diǎn)。面對(duì)大規(guī)模的定制需求，以及成本降低、效率優(yōu)化，需要將生產(chǎn)中每個(gè)環(huán)節(jié)的智能化程度提高，將它們智慧相聯(lián)，使它們具有自主決策的能力，同時(shí)去中心化，不僅是任務(wù)的執(zhí)行者，也是任務(wù)的發(fā)起者。
二、智能物流系統(tǒng)組成及其功能特點(diǎn)
智能單元化物流技術(shù)、智能物流裝備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智能物流信息系統(tǒng)是打造智能物流的核心元素。在這個(gè)智能物流系統(tǒng)中的一切設(shè)備，不管是單元化物流設(shè)備還是自動(dòng)化物流裝備，都將是自主決策、去中心化、離散控制的，它們擁有高度的自動(dòng)化和柔性。
1.智能單元化物流技術(shù)
單元化物流根據(jù)集裝器具可分為：集裝箱單元化物流、托盤(pán)單元化物流和周轉(zhuǎn)箱單元化物流。在現(xiàn)代單元化物流技術(shù)中，單元器具不僅是物料的載體，也成為信息流的載體。單元化物流的功能，是將原來(lái)分立的物流各環(huán)節(jié)有效地聯(lián)合為一個(gè)整體，使整個(gè)物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合理化。在工業(yè)4.0智能工廠框架內(nèi)，智能物流單元化技術(shù)是連接供應(yīng)商、制造商和客戶的重要環(huán)節(jié)，因此是構(gòu)建未來(lái)智能工廠的基石。智能托盤(pán)/周轉(zhuǎn)箱將成為工業(yè)4.0時(shí)代的基本智能單元，向物流系統(tǒng)發(fā)出行動(dòng)指令，利用智能物流單元化技術(shù)拉動(dòng)整個(gè)供應(yīng)鏈。
德國(guó)物流研究院(Fraunhofer IML)自主研發(fā)了一種叫做inBin的智能周轉(zhuǎn)箱技術(shù)，通過(guò)在周轉(zhuǎn)箱上加裝感知與智能控制單元，實(shí)現(xiàn)了物流單元的智能化。
InBin智能箱既能自主管理箱內(nèi)的貨物，又能向上級(jí)系統(tǒng)及時(shí)報(bào)告智能箱的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)要貨和補(bǔ)貨的功能?；谥悄芟涞妮斔拖到y(tǒng)可采用分散控制技術(shù)，智能箱不再是被動(dòng)單元，而是給輸送系統(tǒng)發(fā)號(hào)施令的“主人”。在智能箱的指揮下，輸送系統(tǒng)可以自動(dòng)地將箱子送達(dá)目的地。
2.智能物流裝備
結(jié)合射頻識(shí)別(RFID)、光電感應(yīng)、紅外感應(yīng)器、超聲波感應(yīng)、激光掃描器、機(jī)械視覺(jué)識(shí)別等技術(shù)和裝備，按約定的協(xié)議，將它們加載到物流裝備上(如搬運(yùn)裝卸、輸送、分揀、貨架等設(shè)備)，并且通過(guò)數(shù)據(jù)共享讓它們可以自主決策。近年來(lái)，自動(dòng)化物流設(shè)備技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、輕型化、節(jié)能化和綠色環(huán)保等趨勢(shì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面強(qiáng)調(diào)模塊化、系列化和通用化，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，縮短生產(chǎn)時(shí)間。
德國(guó)物流研究院研發(fā)的高柔性CTS(Cellular Transport Systems，小型自主運(yùn)輸單元)技術(shù)，有別于傳統(tǒng)的穿梭車。在這個(gè)系統(tǒng)中，每輛小車都是一個(gè)獨(dú)立單元，它們將會(huì)取代柔性差的輸送設(shè)備，可以根據(jù)所在位置與狀態(tài)自主承接合適的訂單，并與生產(chǎn)設(shè)備及其它小車智能交互，自主解決行走中遇到的問(wèn)題。
這種小車基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主控制，能利用群智能技術(shù)完成復(fù)雜運(yùn)輸任務(wù)，具有隨需隨到的運(yùn)輸能力，并且能實(shí)現(xiàn)在貨架和地面兩棲移動(dòng)，具有較好的柔性。
除了CTS技術(shù)，德國(guó)物流研究院還研發(fā)出一種會(huì)滾動(dòng)、會(huì)飛行的智能搬運(yùn)技術(shù)Bin：Go。
借助巧妙的設(shè)計(jì)，Bin：Go能在地面和螺旋架上滾動(dòng)行進(jìn)，并且自主規(guī)劃路徑，當(dāng)滾動(dòng)變得困難或低效時(shí)，它可以通過(guò)飛行來(lái)到達(dá)目的地并完成任務(wù)。這樣的小車都不再局限在平面或固定的路徑上，它們能夠在二維或三維空間自主完成搬運(yùn)作業(yè)和系統(tǒng)賦予的任務(wù)。
3. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
正如智能單元化物流和智能物流裝備中介紹的例子所描繪的，設(shè)備和設(shè)備之間直接的信息交換需要以物聯(lián)網(wǎng)作為載體。物聯(lián)網(wǎng)滿足了智能物流網(wǎng)絡(luò)化的需求，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)字化的關(guān)鍵。目前已經(jīng)可以初步實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要是WiFi和藍(lán)牙技術(shù)，但是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率很低、耗電量也大。廣域物聯(lián)網(wǎng)可以用光纖，但只適用于連接攝像頭等寬帶終端。要想達(dá)到的智能互聯(lián)，需求對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷提升。
窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作廣域網(wǎng)(LPWA)。它連接的設(shè)備更簡(jiǎn)單，具有高耦合、終端成本低、即插即用、可靠性高、統(tǒng)一的業(yè)務(wù)平臺(tái)管理等特點(diǎn)，主要面向低速率、深度覆蓋、低功耗、大數(shù)據(jù)連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。這樣的技術(shù)很好地契合了智能物流要求，實(shí)現(xiàn)各智能物流單元和智能物流裝備之間低層面的相互交流和決策，真正實(shí)現(xiàn)了一個(gè)密集網(wǎng)狀連接，提高信息交換效率及準(zhǔn)確性。
4.智能物流信息系統(tǒng)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能物流中各種設(shè)備的網(wǎng)狀連接與通訊，而在整個(gè)智能物流的頂端離不開(kāi)一個(gè)智能的云端系統(tǒng)，也就是智能物流信息系統(tǒng)。它將所有的數(shù)據(jù)信息存在云端，通過(guò)制定的協(xié)議和規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和處理，以及在使用過(guò)程中保證數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，使整個(gè)智能物流系統(tǒng)能正常運(yùn)作。依托于互聯(lián)網(wǎng)、CPS(信息物理系統(tǒng))、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，智能物流信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全透明與離散式實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和智能制造的技術(shù)對(duì)接。
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