如何優(yōu)化內(nèi)部物流以簡(jiǎn)化和加速工業(yè) 4.0 供應(yīng)鏈運(yùn)行 - 第 1/2 部分

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

內(nèi)部物流使用自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 和自動(dòng)導(dǎo)引車(chē) (AGV) 在工業(yè) 4.0 倉(cāng)庫(kù)和生產(chǎn)設(shè)施中高效地搬運(yùn)材料。本文將討論如何在系統(tǒng)層面使用 AMR 和 AGV 實(shí)施內(nèi)部物流，并根據(jù)需要快速、安全地運(yùn)送材料。本系列[第二部分]重點(diǎn)介紹使用案例，以及 AMR 和 AGV 如何利用傳感器識(shí)別、跟蹤物品，ML 和 AI 如何在整個(gè)倉(cāng)庫(kù)和生產(chǎn)設(shè)施中支持材料識(shí)別、搬運(yùn)和交付。

在工業(yè) 4.0 時(shí)代，將物料從倉(cāng)庫(kù)的收貨區(qū)快速運(yùn)送到發(fā)貨區(qū)，或從生產(chǎn)設(shè)施的一個(gè)地點(diǎn)快速運(yùn)送到另一個(gè)地點(diǎn)——這稱(chēng)為內(nèi)部物流——是簡(jiǎn)化和加快供應(yīng)鏈運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。內(nèi)部物流不僅僅追求速度，它還必須高效、準(zhǔn)確，并減少浪費(fèi)，以獲得最大效益。自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 和自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛 (AGV) 對(duì)改善內(nèi)部物流至關(guān)重要。

AMR 和 AGV 看起來(lái)相似，但工作方式不同。傳統(tǒng) AGV 經(jīng)過(guò)預(yù)先編程，以最低的成本執(zhí)行有限的功能，而新型 AGV 像 AMR 一樣配備了傳感器，從而模糊了二者之間的界限。出于安全考慮，傳統(tǒng) AGV 在與人隔離的區(qū)域中運(yùn)行，但新型 AGV 配備了防碰撞傳感器，可確保更高水平的安全性。

本文首先說(shuō)明了什么是內(nèi)部物流，以及如何利用內(nèi)部物流加速供應(yīng)鏈運(yùn)行。然后，本文比較了 AGV 和 AMR 的操作和使用，并簡(jiǎn)要介紹了兩者在導(dǎo)航和避障能力、靈活性、安全性、部署挑戰(zhàn)、維護(hù)、擁有成本方面的差異。同時(shí)，本文還探討了 AMR 與 AVG 之間日漸模糊的界限，最后討論了如何利用數(shù)字孿生來(lái)增強(qiáng)未來(lái)的內(nèi)部物流運(yùn)作。本系列的第二篇文章將深入探討 AMR 和 AGV 所需的各種傳感器技術(shù)。Digi-Key 為這兩種方式的內(nèi)部物流提供全套[自動(dòng)化產(chǎn)品]。

內(nèi)部物流的定義

內(nèi)部物流利用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)進(jìn)行部署，旨在優(yōu)化內(nèi)部配送和生產(chǎn)流程。為了充分發(fā)揮作用，內(nèi)部物流系統(tǒng)還必須通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和本地運(yùn)營(yíng)流程與更大的供應(yīng)鏈相整合。

在倉(cāng)庫(kù)中，該系統(tǒng)應(yīng)知道設(shè)施中所有物料在什么地方，履行未交貨訂單需要什么物料，完成訂單可能缺少什么物料，以及來(lái)料在更廣泛的供應(yīng)鏈中的位置。

在工廠中，內(nèi)部物流應(yīng)知道特定生產(chǎn)流程需要什么物料，并通過(guò)協(xié)調(diào)有關(guān)設(shè)施中現(xiàn)有物料的信息和其他物料何時(shí)到達(dá)的信息，結(jié)合機(jī)器和操作人員可用性，來(lái)最大限度地提高調(diào)度效率。

完全整合關(guān)于物料供應(yīng)、人員及其技能和位置、機(jī)器及其可用性的信息后，企業(yè)便可最大限度地減少庫(kù)存，增加大規(guī)模定制的靈活性，并提高質(zhì)量，從而降低成本（圖 1）。

內(nèi)部物流影響著工藝工程、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、物料需求規(guī)劃和許多其他職能。物料在整個(gè)設(shè)施內(nèi)自動(dòng)移動(dòng)是最大限度地發(fā)揮內(nèi)部物流優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

物料搬運(yùn)選項(xiàng)

AMR 和 AGV 設(shè)計(jì)用于將物料從一個(gè)地方運(yùn)送到另一個(gè)地方，從而提高內(nèi)部物流運(yùn)作的效率、準(zhǔn)確性、生產(chǎn)率和安全性。這些系統(tǒng)可以根據(jù)其載荷配置進(jìn)行區(qū)分。AMR 和 AGV 有多種配置，分別適合不同的內(nèi)部物流功能：

• 推車(chē)也被稱(chēng)作“底部裝載車(chē)”或“底部運(yùn)輸車(chē)”，它可移動(dòng)到待搬運(yùn)物品的下方，將其垂直舉起，然后運(yùn)往目的地。這種車(chē)輛可以設(shè)計(jì)為舉升和運(yùn)輸 1 噸或更重的物品。
• 牽引車(chē)或拖車(chē)連接一輛或多輛裝載物料的自動(dòng)或非自動(dòng)推車(chē)，將它們從一個(gè)地方拉到另一個(gè)地方。大多數(shù)牽引車(chē)的額定載荷約為 1 噸，但也有額定載荷為 20 噸的型號(hào)。此外，有些型號(hào)可以自主運(yùn)行，有些型號(hào)則由操作員手動(dòng)駕駛。
• 機(jī)器人叉車(chē)有多種配置，包括托盤(pán)搬運(yùn)車(chē)、平衡叉車(chē)和窄通道叉車(chē)。根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，它們可以搬運(yùn)幾噸重的貨物，并可將貨物舉升到 10 米以上的高度。
• 運(yùn)載小車(chē)是一種自動(dòng)化移動(dòng)平臺(tái)，可以從輸送線(xiàn)末端、機(jī)器人裝載站和其他自動(dòng)化系統(tǒng)中取走物料。運(yùn)載小車(chē)的載重能力往往低于其他類(lèi)型的 AMR 和 AGV。

AGV 與 AMR 有何區(qū)別？

AGV 和 AMR 可能有相似的配置，但它們的功能并不相同?；緟^(qū)別包括：

• AGV 利用磁條、地板上的膠帶/油漆或地板中的電線(xiàn)所構(gòu)成的外部軌道從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方；沒(méi)有這些外部軌道，AGV 寸步難移。
• AMR 綜合使用內(nèi)部傳感器、無(wú)線(xiàn)連接的外部傳感器、人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 來(lái)規(guī)劃最高效的路線(xiàn)，并動(dòng)態(tài)避開(kāi)障礙物。

AGV 是在引入工業(yè) 4.0 倉(cāng)庫(kù)和工廠之前開(kāi)發(fā)的，但近來(lái)發(fā)生了一些演變以適應(yīng)工業(yè) 4.0 應(yīng)用，因此兩者之間的區(qū)別已不像以前那么明顯。異同點(diǎn)包括：

導(dǎo)航和避障。導(dǎo)航是最大的區(qū)別。AGV 只能在預(yù)定的路線(xiàn)上行駛，而 AMR 可以在預(yù)定區(qū)域或環(huán)境中以變化路線(xiàn)行駛。由于 AMR 自主移動(dòng)，因此具有廣泛的避障能力，包括識(shí)別新的障礙物（如放置在先前暢通的過(guò)道上的托盤(pán)），以及感知和避開(kāi)路線(xiàn)上的人員。早期型號(hào)的 AGV 避障能力有限，設(shè)計(jì)用于沒(méi)有人的區(qū)域。新型的 AGV 包括更多種類(lèi)的傳感器，使其在人身邊使用時(shí)更安全。不過(guò)，雖然 AGV 可以識(shí)別障礙物，但無(wú)法像 AMR 那樣繞過(guò)障礙物。相反，AGV 會(huì)停下來(lái)，直到障礙物被移開(kāi)。障礙物被移開(kāi)后，某些型號(hào)可以自動(dòng)恢復(fù)行駛。

靈活性。AMR 具有更大的靈活性，可以重新編程以部署到新的環(huán)境中，而無(wú)需進(jìn)行物理改動(dòng)。而將 AGV 引入新環(huán)境時(shí)，必須安裝或修改導(dǎo)軌，以支持需要的行駛路線(xiàn)。此外，AGV 只能執(zhí)行單一任務(wù)，即將物料從一個(gè)預(yù)定點(diǎn)運(yùn)送到另一個(gè)預(yù)定點(diǎn)，其可能因環(huán)境發(fā)生變化而中斷運(yùn)行，例如新增設(shè)備需要更改行駛路線(xiàn)。

安全性。AMR 的避障能力更強(qiáng)，因此一般認(rèn)為 AMR 比 AGV 更安全。但這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。兩者都可以配備緊急停止開(kāi)關(guān)和傳感器，以識(shí)別并避免撞到障礙物，包括人。AMR 是為在人身邊使用而設(shè)計(jì)的，包含許多安全措施。不過(guò)，AGV 的行駛路線(xiàn)是預(yù)定的，工作人員可以提前知道它們的位置，因此能夠更容易地避免與它們發(fā)生接觸。兩種技術(shù)都支持高安全性。

部署挑戰(zhàn)。AGV 和 AMR 需要特定的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)支持其部署。一般來(lái)說(shuō)，與 AGV 相比，AMR 部署可以更快地完成，而且破壞性較小。AGV 需要安裝導(dǎo)軌，以支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)導(dǎo)航。AMR 依靠整個(gè)設(shè)施中安裝的各種傳感器來(lái)幫助提供精細(xì)的態(tài)勢(shì)感知和導(dǎo)航支持。AMR 適用于更復(fù)雜的環(huán)境和應(yīng)用。例如，可以對(duì) AMR 進(jìn)行編程，使其在“跟我走”應(yīng)用中與訂單揀貨員協(xié)同工作。一般而言，這些差異使 AMR 更適合用于工業(yè) 4.0 環(huán)境，因?yàn)樵谶@種環(huán)境中，相機(jī)而變是應(yīng)有之義，必須予以有效支持（圖 2）。

維護(hù)。這取決于具體情況。與 AMR 相比，AGV 更簡(jiǎn)單，傳感器更少，所需的維護(hù)可能也更少。然而，AGV 所需的支持基礎(chǔ)設(shè)施可能會(huì)受到損壞，需要額外的維護(hù)。就 AMR 而言，各種傳感器可能需要維護(hù)，軟件也需要定期更新。與 AMR 相比，AGV 需要在人車(chē)分離的區(qū)域內(nèi)行駛，這往往意味著 AGV 需要行駛更長(zhǎng)的距離才能到達(dá)目的地。更長(zhǎng)的行駛距離會(huì)增加 AGV 的磨損，從而可能增加維護(hù)成本。因此，AGV 和 AMR 哪個(gè)需要更多維護(hù)取決于具體應(yīng)用。

成本。與 AMR 相比，AGV 更簡(jiǎn)單，成本更低。AGV 需要安裝導(dǎo)軌，而 AMR 需要一套外部傳感器和無(wú)線(xiàn)連接，因此安裝成本的差異較為復(fù)雜，難以確定。與支持 AMR 所需的基礎(chǔ)設(shè)施相比，AGV 的導(dǎo)軌需要更多的維護(hù)，因此 AGV 的運(yùn)營(yíng)成本更高。最后，AMR 通?？梢愿斓夭渴?，與設(shè)施停機(jī)相關(guān)的成本更低，因而更適合在工業(yè) 4.0 應(yīng)用中使用。

數(shù)字孿生、數(shù)字線(xiàn)程和內(nèi)部物流

數(shù)字孿生和數(shù)字線(xiàn)程可以成為內(nèi)部物流部署的有用工具。數(shù)字孿生是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（如內(nèi)部物流所用系統(tǒng)）的精細(xì)虛擬模型。數(shù)字孿生利用從各種來(lái)源獲得的數(shù)據(jù)創(chuàng)建，這些來(lái)源包括設(shè)施中的傳感器、設(shè)施的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 模型、設(shè)施中運(yùn)行的設(shè)備上的傳感器提供的反饋等。數(shù)字孿生用于提供倉(cāng)庫(kù)或工廠運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)模擬，以幫助優(yōu)化流程，并及時(shí)查明潛在問(wèn)題以防止其發(fā)生（圖 3）。數(shù)字線(xiàn)程與數(shù)字孿生相伴而生，包括數(shù)字孿生在整個(gè)運(yùn)行生命周期中所有活動(dòng)的完整歷史。

內(nèi)部物流中的數(shù)字孿生和數(shù)字線(xiàn)程正處于早期發(fā)展階段。運(yùn)行的可預(yù)測(cè)性對(duì)于提高內(nèi)部物流系統(tǒng)效率非常重要。AMR、AGV 和機(jī)器人的運(yùn)行具有高度的可預(yù)測(cè)性和可重復(fù)性，在工業(yè) 4.0 中使用它們可以簡(jiǎn)化數(shù)字孿生技術(shù)的使用。將它們納入數(shù)字孿生中可支持設(shè)施內(nèi)的車(chē)隊(duì)優(yōu)化和管理，并實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)以盡量降低對(duì)運(yùn)行效率的影響。

數(shù)字孿生有大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的支持，包括環(huán)境條件以及有關(guān)機(jī)器和流程狀態(tài)的功能和運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生利用這些數(shù)據(jù)模擬實(shí)際系統(tǒng)，并預(yù)測(cè)完整機(jī)器和個(gè)別組件（如 AGV 和 AMR 中的電池組）的狀態(tài)以?xún)?yōu)化其性能。

數(shù)字孿生對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模擬越精準(zhǔn)，效益就越大。內(nèi)部物流系統(tǒng)通常將自動(dòng)化系統(tǒng)與人整合在一起。將人類(lèi)活動(dòng)納入數(shù)字孿生中，可以進(jìn)一步提高模擬的準(zhǔn)確性和內(nèi)部物流的效益。內(nèi)部物流、數(shù)字孿生、數(shù)字線(xiàn)程與人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合，預(yù)計(jì)將成為支持全自動(dòng)工業(yè) 4.0 工廠和倉(cāng)庫(kù)出現(xiàn)的重要因素。

結(jié)語(yǔ)

內(nèi)部物流是指物料在倉(cāng)庫(kù)或工廠等工業(yè)設(shè)施內(nèi)移動(dòng)。AGV 和 AMR 是用于實(shí)現(xiàn)物料流動(dòng)自動(dòng)化和加速的重要工具。雖然兩者各有利弊，但 AMR 更適合工業(yè) 4.0 應(yīng)用。當(dāng)與數(shù)字孿生、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合時(shí)，內(nèi)部物流可支持全自動(dòng)工廠和倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展。