智能工厂物流系统总体规划导向与逻辑

2021年03月08日 265 本文共6438字,预计阅读时间19分钟

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。本文具体分析了智能工厂物流系统的规划目的、规划内容、规划原则与步骤,对如何从源头上实现智能工厂建设能够满足时代和企业不断发展的需要提供了极具价值的参考。

一、规划的目的

智能工厂物流规划的目的,正是以物流规划和运营为主线、以工厂有效运营为导向、“以终为始”进行规划,实现所有规划和资源要素的联动和拉通。不考虑物流运营管理的规划都是没有“灵魂”的规划,站在未来持续经营的长久过程来看,最终都可能导致企业产生巨大的系统效率损失和改造成本。

智能工厂物流规划的目的具体体现在:

1.配合达成智能工厂规划的目的

智能工厂物流规划作为智能工厂规划中的重要构成和主线,其首要目的是配合达成智能工厂规划的目的。

2.实现智能工厂物流中心化

为了匹配越来越多的个性化需求,智能工厂需要具备大规模定制的能力,固定的产线和大规模生产模式将被颠覆,取而代之的是生产与物流高度融合的柔性化产线或车间。智能工厂的规划更多的表现为,将智能生产设施嵌入到智能物流系统中,成为流线化物流系统的一个不可缺少的环节和部分,从而实现 “智能工厂物流中心化”。此时的智能工厂既能够满足定制化、小批量生产的需求,也能够满足标准化、大规模生产的需求。

3.实现制造资源联动

由于物流贯穿端到端交付的始终,通过物流的有效规划,能够联动供应商、物流设施、生产设施、物料及产品、人员等所有制造资源,实现采购、制造、销售以及人、机、料、法、环、测、数的协同联动,最终达成以客户和消费者为中心的价值型、服务型制造。

4.支持智能工厂的有效运营

在智能工厂物流规划的过程中,需要将工厂运营管理的价值导向、目标、逻辑、流程、规则等纳入其中,通过物流规划实现所有资源的联动和拉通,平衡工厂运营的效率、成本和交付,最终支持智能工厂的有效运营,具体表现为减少效率损失、提升服务水平、提高库存周转、降低运营成本等,最终达成消费者体验最佳。不以有效运营为目的的规划都是没有“灵魂”的规划,最终都将导致企业产生巨大的系统效率损失和改造成本。

二、物流规划的维度

图1  智能工厂战略定位和物流规划维

1.物流规划的五个维度

制造工厂物流规划包含到货、卸货、包装、存储、搬运、配送、工位使用、拣选、发运等物流节点的统筹规划,涉及到生产与物流全过程的用地、建筑、面积、设施设备、物料及产品、人员、时间、信息等诸多要素。基于智能工厂系统性和一体化规划的诉求,智能工厂物流规划主要包括物流、基建、产品、制造、信息五个维度。

(1)物流维度

物流维度包括采购、入厂、装卸、检验、存储、拣选、输送及配送、工位作业、成品发运等整个端到端的流转过程规划,包括与之相关的计划、库存、订单、成本、包装、参数、设施设备等方面的逻辑规划。物流线规划致力于物流的精益化、数字化、智能化,物流线贯穿整个规划过程,与基建、产品、制造、信息等四个维度紧密联动,实现端到端价值链的拉通,物料快速流转。

(2)基建维度

基建维度主要包含建筑业态的表达、配套和辅助设施的定义,以及绿色动力能源的应用等方面的要素。基建线规划的元素与建筑的平面布局、功能区域定位强相关。厂区具体如何布局,如何定义厂房、区域之间的关联逻辑,需要从物料的流动特性出发,据此排布所有的功能区域(包括开门、厂房、办公楼、辅房、厕所、实验室、检测室、动力房、装卸货场、道路、绿化、停车场等)。

(3)产品维度

产品维度主要包含产品特征、产品需求和订单特征、产品工艺特征、产品可制造性和可流动性以及物料及产品的标准化、模块化等方面的要素,规划时产品线特征需要联动物料及产品尺寸、包装、器具、设备、环境等进行各个物流环节尺寸链、数量链的设计和匹配。

(4)制造维度

制造维度主要包含生产模式、车间和产线、工艺布局、自动化、数字化、智能化、生产各环节联动需求、制造设备配置与布置、生产相关部门运营管理需求等方面的要素。制造线规划时需要遵循“大交付、大物流、小生产”的原则,将生产制造作为整个物料流动价值链的一个环节,致力于拉通整个价值链而不是某一个车间,实现价值链上的物料和产品的快速流动。

(5)信息维度

信息维度主要包含一体化信息平台构建、人机物全面“上网”、全方位信息实时化管理、实时信息采集和信息双向传输、智能化差异管控等方面的要素。智能工厂需要实现信息流和实物流实时对应和映射,云端与实物之间可以双向通讯互联,各类信息集成共享、自主分析和决策。

2.五个维度的联动关系

智能工厂规划需要结合自身的实际情况,制定并提炼出五个维度的相关要素,并以物流为规划的主线,协同联动其他规划线路,综合考虑,系统设计,从而达到一次规划、分步实施的策略。

制造工厂的使命是满足产品的快速交付,物料在价值链各个环节的流动过程中实现价值创造、价值传递和价值获取。在智能工厂规划过程中,五个规划维度之间相互关联、相互协作,不能单独推进各自的相关事务。比如:

(1)某一类物料流转载体的选取,决定了“物流维度”中流转环节的存储形式、空间面积、配送频次,以及是否需要立体库存储、自动化配送等;

(2)这一系列的问题,需要“产品维度”重视标准化、模组化的研发,每一种物料的包装是否便于采用自动化的方式存储和配送,降低产品、物料、工艺的复杂度,从而对其他维度产生积极的影响;

(3)对于“基建维度”而言,如果这个载体需要在立体库存储,载体的长宽和存储类型(单深或者双深货位)决定了立体库巷道的宽度,结合物流的存量、流量和建筑消防规范,决定了立体库的建筑主体长宽高尺寸、载荷、平整度等参数。

(4)需要“制造维度”在进行智能产线规划时,需协同考虑每一种物料上料的自动化对接,比如上料物流输送设施的空间、上料工位与载体对接、便于与工位机器人对接的载体内部定位隔衬、工位机器人与物流容器设计的协同等;

(5)需要“信息维度”考虑物流信息采集形式,比如条形码、二维码还是RFID,以及哪些环节需要采集哪些信息,这些信息如何实现联动和集成,信息采集方式决定了器具信息载体的位置以及信息采集点的布置。

智能工厂规划应以智能工厂物流规划为主线,对基建、产品、制造、信息等进行统筹和协同规划,实现端到端价值链的拉通,从而确保工厂规划满足企业运营的需求。

三、物流规划的基本原则

智能工厂物流规划旨在实现实物流和信息流的端到端打通,提高工厂的交付效率,降低运营成本和机会成本,应从整体考虑其规划的合理性和有效性,因此物流规划需要遵循一定的原则。这些原则将工厂规划与运营的常识、技巧和逻辑归纳其中,约束规划者在规划过程中不能天马行空,成为了规划过程中必须要系统性考虑的关键因素,也是评估一个规划方案是否科学合理的基本要素。

1.迭代升级的原则

伴随着制造工厂升级过程,其物流规划应遵循精益化、数字化、智能化三种物流范式的迭代升级过程。对于智能工厂而言,未必所有环节、物料、车间、产线或工位均实现物流智能化,基于物流智能化的必要性、灵活性、经济性,在同一个智能工厂中,往往体现为三种物流范式并存。

2.物流与生产一体化的原则

在传统工厂管理及其迭代升级过程中,物流和生产往往在规划布局、设施配置、管理运作、组织绩效等方面均相对独立。而在智能工厂形态下,其规划需要充分考虑智能物流系统与智能生产系统的一体化融合,物流和生产“我中有你,你中有我”,其中既包括建筑、设施的一体化,也包括运营管理、信息系统的一体化,以实现智能工厂满足个性化需求的大规模定制生产能力。

3.互联互通的原则

传统工厂往往重点聚焦生产设施之间的联动,而智能工厂物流规划应强调整个系统资源的联动。纵向上,智能工厂应实现采购-生产-交付的从订单到人、机、料、法、环、数、测等制造资源的互联互通,对于物料流通过程中的数量、路径、时间、位置等进行实时感知和传递;横向上,智能工厂应实现众多供应商、外协制造工厂以及不同客户等主体之间的互联互通。通过智能工厂信息平台(智能工厂物流信息平台、智能决策与管理系统、企业虚拟制造平台、智能制造车间等)将这些资源和主体纳入到工业互联网(或物联网)中,使得各项资源和主体之间能够实现联网通讯,实现智能工厂全要素的互联互通,最终才能具备达成智能工厂的自感知、自决策、自调适、自学习的基础条件。

4.数字化、可视化、透明化的原则

数字化、可视化、透明化是智能工厂的重要特征表现,数据是智能工厂最重要的资源,是实现“智能”的基础能力。因此,智能工厂物流规划的过程中,应致力于实现端到端过程数据的实施采集、分析和呈现,使得整个工厂物流运营过程及订单的交付过程可视,从而支撑企业对交付、成本、库存、效率、品质等方面过程、风险和差异的透明化管理。

5.物流安全性原则

安全生产是企业最重要的原则。物流相关的卡车、叉车、AGV等搬运设施都是工厂容易发生安全事故的地方,因此,在规划时要做到行人路线与车辆路线分离、物流车辆路线与小车路线分离、内部厂房间物流路线和外部车辆路线分离,确保各种路线之间没有交叉,确实无法避免交叉的位置通过空中连接实现分离,且尽可能保证各个节点的流量均衡,从源头上切断安全隐患源,达到物流的环境安全性。

6.畅流化与价值流最优的原则

无论是从缩短订单交期、提高交付水平、提高库存周转率还是降低运营成本的角度考虑,工厂规划和运营都应遵循其流动的本质,实现实物在价值链上的快速周转,尽可能减少物料及产品在仓库、暂存区、工序间、车辆上等各个节点上的等待时间。因此,物流规划应在安全的前提下,保证物料最顺畅的流动,以产品工艺流程为导向、结合精益化的布局理念,实现内部价值流最优化。

7.智能化技术适用性和经济性原则

智能化生产和物流技术、设施的引入,需要在方案规划时进行系统化的设计,单纯站在生产或者物流的角度进行智能化设施的配置,都可能因为相互无法有效匹配而导致极大的综合成本差异。比如在进行物料包装设计时,需要考虑物料上线定位和机器人抓取的综合方案,不同的物料摆放,与之匹配的机器人抓取方案的成本可能是天壤之别;反之,在进行机器人属具设计时,也要考虑物料包装在物流过程中的一体化,否则就可能导致物流各节点上的效率损失,如物料上线前需要重新分装。

图2  智能工厂规划平衡点曲线图
图3  智能工厂物流规划的基本原则

工厂在评估和引入自动化、智能化装备时,如图3所示,需要结合行业特征、产品及工艺特征、批次批量、标准化程度、场景复杂度等,评估计算每个场景在应用自动化装备时总成本,包含直接成本、间接成本和机会成本,找到最优的成本平衡点,而不能一味去追求先进的设备和技术。在自动化导入时,需要充分考虑投资回报率的要素,既要确保一定的短期收益,也要体现一定的先进性,符合工厂未来发展、迭代的需求。因此,合理评估各个环节的自动化程度和升级的可行性,在部分关键节点上考虑自动化,非必要节点上考虑机械或者人工,相应的自动化设备也可以随着产能的逐步爬坡分期导入。但这需要企业在前期规划时制定清晰的整体方案蓝图和分步实施策略。

8.物流强度最小的原则

工厂布局规划的合理性极大程度上决定了搬运的强度,且一旦成为事实后很难改变。一般来说,以产品工艺流为导向的细胞化布局,要比以设备集约化为导向的功能型布局具有更小的物流强度。细胞化布局的各生产单元、上下游工序之间都能够形成更加贴邻的排布模式,相对较短的产线以及采用合理的物流方式(比如利用空间的高度直线配送物料),也可以减少搬运的距离从而降低物流强度。优秀的物流布局方案可以降低30%~50%的搬运强度。对于智能工厂而言,通过自动化、智能化的物流设施将物流断点进行连接,从根本上改变物流的模式,由人工物流变成自动物流,则重点需要关注的是物料流量对设备能力的影响,此时,搬运距离不一定要最短,而需要综合整个物流系统的规划进行权衡和设计。

9.合理库存部署的原则

库存是物流过程中各节点之间的“连接器”,通过库存的部署,可以平滑上下节点之间时间、节拍、计划、稳定性、品质、服务水平等方面的差异,使得整个物流过程能够顺畅、均衡。库存部署是对每一个节点上的库存进行规划的过程。首先要考虑如何实现上下工序的拉通、消除断点,即在何处应该部署库存,在何处应该消灭库存;其次要考虑库存部署的合理性,结合行业特征、供应商布局、供应商服务水平、缺料或缺货的机会成本、物流管理的复杂度等综合测算合理的库存水位,即部署多少库存是合理的。

10.企业发展的扩展性与柔性

智能工厂以客户为中心的价值导向,决定了其产品不会一成不变,工厂规划时要考虑新产品的导入。比如,某汽车零部件企业,过去以生产手动档汽车拉索为主;而在规划新工厂时,需要考虑其产能逐步向自动档汽车拉索及相关产品转移。因此,工厂需要兼顾未来产品的兼容性,采用标准化的设计理念去配置资源。

11.节能减排原则

工厂的布局规划与节能减排息息相关,规划过程中,需要通过开发相应的设备接口,实时对能源消耗情况进行量化的管理。

12.可参观性原则

相对于传统工厂,智能工厂不仅要为员工打造更舒适的作业环境、更理想的管理环境,也要让客户有更好的体验感和信任感。较高的参观性并不等于刻意投入只供参观的线体或设备的“面子工程”,而是在规划之初,把需要参观的景点(能力、优势、亮点、创新点等)设计并合理的嵌入智能工厂中。

四、物流规划的步骤

图4  智能工厂物流规划步骤及关键要素

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。如图4所示为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。

第一阶段:需求梳理——明确规划需求和约束条件。梳理及理解需求是规划的前提,此阶段重点需要综合内外部需求,定义规划需求,明确规划方案需要从哪些方面进行提升,以及整体推进策略、范围和方向,作为后续规划的输入及依据。

第二阶段:概念设计——定义智能工厂轮廓与特征。在需求梳理基础上,需要定义智能工厂的“长相”、构建智能工厂物流蓝图,统一各种不同的功能性要求和观点,找到最合理的综合体,从而达成某种规划导向的共识,指导后续的规划思路和结构特征。

第三阶段:初步规划——明确智能工厂物流系统如何构建。在概念设计基础上,进一步对园区布局、功能区域、自动化元素导入等进行分析,从而明确智能工厂物流系统如何构建,并为设计院总平图设计提供依据。

第四阶段:详细规划——明确智能工厂如何配置资源。规划的最终目的是落地运营,因此本阶段的关键是,具体到每一个物料、每一个工位和每一平方米的方案细化,并在此基础上配置资源,进一步确保方案落地。

第五阶段:方案验证——使用仿真技术验证方案的合理性和可行性。本阶段的关键是采用仿真技术,包括流程仿真和数据仿真,对方案进行进一步验证,从而发现风险、规避风险。

第六阶段:实施落地——确保规划方案有效落地及运营。此阶段,需要确保运营团队、基建施工方、软件服务商、物流集成商、产线施工方等相关团队对方案具有一致的理解。并通过项目管理,确保方案实施的整体进度、效果、质量和成本控制等。

五、结语

在以消费者需求为导向的智能交付体系中,生产被认为是物流过程的一个节点,是在供应链、物流过程嵌入一个符合供应链价值导向和运作要求的工厂、车间或产线。而物流和物流管理贯通供应链始末,成为端到端协同打通的有效承载。对于工厂而言,生产只是过程,满足消费者需求才是目的。无论是新工厂的规划,还是原有工厂的改造,无论是以何种要素作为切入点,如布局、建筑、设施、生产、物流、信息化等,都需要将工厂运营管理的价值导向、目标、逻辑、流程、规则等纳入其中,才能从源头上保证这个工厂未来是能够满足时代和企业发展需要的工厂。

来源:微信公众号 物流技术与应用

文|上海天睿物流咨询有限公司 邱伏生、李志强