如何進行智能工廠物流規劃
——“智能工廠物流構建”系列連載之一

文/邱伏生 李志強 王 莉

上海天睿物流咨詢有限公司

【本文內容為《智能工廠物流構建—規劃、運營與轉型升級》一書的主要觀點摘要。下期預告：智能工廠場景下的關鍵物流技術】

編者按：由中國機械工程學會物流工程分會以及上海天睿物流咨詢有限公司組織專家編寫的新書《智能工廠物流構建——規劃、運營與轉型升級》，于2022年5月出版發行。全書共分為九章，內容涉及智能工廠物流規劃、建設與運營，智能化物流技術研究與應用等多個方面。作者選取書中核心內容編輯成7篇在本刊連載，具體包括：如何進行智能工廠的物流規劃，智能工廠場景下的關鍵物流技術，智能工廠物流信息平臺的基本架構，物流系統方案落地中的項目管理，制造企業物流智能化轉型，智能工廠物流運營管理的切入點，以及對我國智能工廠物流規劃與運營的建議。

在價值鏈運營環境下，物流已經成為智能工廠的核心要素，工廠規劃和運營管理必須要具備“流動思維”和“供應鏈交付思維”。“大交付、大物流、小生產”、“制造工廠物流中心化”的工廠規劃和運營理念，在制造業中已經得到越來越多的認同和實踐。在以消費者需求為導向的智能交付體系中，生產被認為是物流過程的一個節點，是在供應鏈、物流過程嵌入一個符合供應鏈價值導向和運作要求的工廠、車間或產線。而物流和物流管理貫通供應鏈始末，成為端到端協同打通的有效承載，對于工廠而言，生產只是過程，滿足消費者需求才是目的。

一、智能工廠物流規劃的總體邏輯

智能工廠規劃應以智能工廠物流規劃為主線，對基建、產品、制造、信息等進行統籌和協同規劃，實現端到端價值鏈的拉通，從而確保工廠規劃滿足企業運營的需求。

制造工廠物流規劃包含到貨、卸貨、包裝、存儲、搬運、配送、工位使用、揀選、發運等物流節點的統籌規劃，涉及生產與物流全過程的用地、建筑、面積、設施、物料及產品、人員、時間、信息等諸多要素。基于智能工廠系統性和一體化規劃的訴求，智能工廠物流規劃主要包括物流、基建、產品、制造、信息五個維度。智能工廠規劃需要企業結合自身的實際情況，制定并提煉出五個維度的相關要素，并以物流為規劃的主線，協同聯動其他規劃線路，綜合考慮，系統設計，從而達到一次規劃、分步實施的策略。

制造工廠的使命是滿足產品的快速交付，物料在價值鏈各個環節的流動過程中實現價值創造、價值傳遞和價值獲取。在智能工廠規劃過程中，五個規劃維度之間相互關聯、相互協作，不能單獨推進各自的相關事務。比如：

1.某一類物料流轉載體的選取，決定了“物流維度”中流轉環節的存儲形式、空間面積、配送頻次，以及是否需要立體庫存儲、自動化配送等；

2.這一系列的問題，需要“產品維度”重視標準化、模組化的研發，每一種物料的包裝是否便于采用自動化的方式進行存儲和配送，降低產品、物料、工藝的復雜度，從而對其他維度產生積極的影響；

3.對于“基建維度”而言，如果這個物料流轉載體需要在立體庫存儲，載體的長寬和存儲類型（單深或者雙深）決定了立體庫巷道的寬度，結合物流的存量、流量和建筑消防規范，決定了立體庫的建筑主體長寬高尺寸、載荷、平整度等參數。

4.在進行智能產線規劃時需要“制造維度”，協同考慮每一種物料上料的自動化對接，如上料物流輸送設施的空間、上料工位與載體對接、便于與工位機器人對接的載體內部定位隔襯、工位機器人屬具與物流容器設計的協同等；

5.需要“信息維度”考慮物流信息采集形式，比如條形碼、二維碼還是RFID，以及哪些環節需要采集哪些信息，這些信息如何實現聯動和集成，信息采集方式決定了物流器具信息載體的位置以及信息采集點的布置。

二、智能工廠物流規劃的步驟

智能工廠物流規劃是一個系統規劃的過程，需要遵循一定的步驟。圖1所示為智能工廠物流規劃的一般步驟，包括需求梳理、概念設計、初步規劃、詳細規劃、方案驗證等階段。

圖1 智能工廠物流規劃的一般步驟

1.需求梳理

需求梳理主要是明確規劃需求和約束條件。

梳理及理解需求是規劃的前提，此階段重點需要綜合內外部需求，定義規劃需求，明確規劃方案需要從哪些方面進行提升，以及整體推進策略、范圍和方向，作為后續規劃的輸入及依據。

需求梳理方法主要有現場調研、人員訪談、流程跟蹤、問卷調查、數據收集、會議討論、現有文件審查等。調查不僅僅是針對物流部門，而需要調研整個工廠的運營體系，因為不同部門對現狀問題的理解不盡相同。同時，設計相應表格收集數據，這些表格需要具有一定的邏輯和相互關系，收集的數據量、覆蓋周期、覆蓋范圍等都需要定義清晰，以確保數據收集的有效性。

需求梳理是規劃的起始，獲得合理、有效、準確的規劃需求，除了需要有效的數據支持和對運營現狀的理解，也需要規劃團隊以假設為導向，向業務部門描述未來智能工廠的場景和形態，以確保獲得廣泛的建議和理解；以事實為依據，基于現有的業務痛點，整理規劃的需求，用系統的邏輯串聯現有痛點和規劃需求，確保規劃需求的準確性、系統性和前瞻性。

2.概念設計

概念設計是定義智能工廠輪廓與特征。

在需求梳理基礎上，需要定義智能工廠的“長相”、構建智能工廠物流藍圖，統一各種不同的功能性要求和觀點，找到最合理的綜合體，從而達成某種規劃導向的共識，指導后續的規劃思路和結構特征。智能工廠概念設計模型如圖2所示。

圖2 智能工廠物流概念設計模型

概念設計階段輸出的主要內容包括以下部分：

（1）工廠物流戰略：基于戰略制定考慮的因素，按其制定步驟，輸出工廠物流戰略。值得說明的是，物流戰略并非一個口號，可能包括可衡量的績效指標、可操作的中長期規劃等。

（2）工廠能力清單：主要是指該智能工廠所具備的各類能力要素，比如該工廠能快速響應客戶訂單、能夠支持定制、具備生產柔性、具備數字化特征、具有可參觀性等。

（3）工廠藍圖：工廠藍圖可以理解為工廠“長相”，如前文所述，按照物流規劃維度分類，主要包括物流、基建、產品、制造、信息五個維度的輪廓。比如物流的藍圖，包括工廠物流整體運作邏輯、工廠物流能力成長路徑、園區物流大致流向等；基建的藍圖，包括建筑的概念業態，比如園區大致的開門、建筑物數量、建筑物層數、建筑形式（鋼結構、混凝土等）、建筑物間邏輯關系等要素。

（4）物流技術選擇：概念設計階段的物流技術選擇，主要是指基于工廠痛點、關鍵環節等輸出的物流技術概念，比如來料托盤件采用堆垛機立體庫、成品下線及轉運采用輸送線等。值得說明的是，對于同一關鍵環節，在概念設計階段可能會輸出兩種或以上的物流技術。

（5）工廠物流規劃創意：主要包括工廠物流規劃具有的亮點、突破點等。比如小汽車停車方式，常規方式可能考慮地面或者地下停車，但提出樓頂停車可能是規劃中的一個亮點。再如，對于某些尺寸不規則的托盤類大件，如何兼容性存儲是一個難點，此時通過柔性化的托盤設計，最終實現多尺寸的存儲兼容，可以理解為規劃中的一個突破點。

（6）工廠規模與大致流量：工廠規模主要指基于此概念設計，該智能工廠可匹配的年產能、月度峰值產能、均值產能等，比如可匹配年產能300萬臺，月度峰值產能35萬臺，均值產能25萬臺。大致流量主要指經過數據概算，可以大致呈現各環節流量數據，比如園區各物流門的流量、建筑物間的流量、工序間的流量等。

（7）工廠運作模式與物流工藝：基于工廠戰略定位及價值導向，輸出的工廠運作模式主要指工廠運作方向，比如強調以交付為目標的運營管理、強調信息集成互聯的差異管理等。物流工藝指物料從到貨、卸貨、收貨、檢驗、入庫、存儲、揀選、配送，以及產成品入庫、存儲、發運全流程的物流運作大致方法和技術。

3.初步規劃

初步規劃是明確智能工廠物流系統如何構建。

初步規劃階段需要充分考慮工廠建設面臨的客觀存在的約束，將概念設計的“夢工廠”逐步具化成為“現實工廠”。在概念設計基礎上，進一步對園區布局、功能區域、自動化元素導入等進行分析，從而明確智能工廠物流系統如何構建，并為設計院總平圖設計提供依據。智能工廠物流初步規劃模型如圖3所示。

初步規劃階段輸出的主要內容包括以下部分：

（1）廠區物流布局方案：主要包括園區開門、園區道路、卸貨區域、建筑業態（包括建筑的長寬高、層數、結構形式））以及生活配套設施（主要指停車場、食堂、宿舍等）等。針對生活配套設施的規劃，以體現人文關懷為主，比如為了避免員工日曬雨淋，可以考慮在廠區規劃風雨連廊以連接廠房、食堂和宿舍。

概念設計階段的物流技術選擇，主要是指基于工廠痛點、關鍵環節等輸出的物流技術概念，比如來料托盤件采用堆垛機立體庫、成品下線及轉運采用輸送線等。值得說明的是，對于同一關鍵環節，在概念設計階段可能會輸出兩種或以上的物流技術。

（2）工廠功能區域布局方案：工廠功能區域主要包括物流區域和生產區域。物流區域一般指原材料和成品的收發貨區域和存儲、周轉區域。根據企業規模、生產模式、管理水平等不同，物流區域可能與生產區域連為一體，呈現多點分布的細胞化排布，也可能是物流區域（如倉庫）獨立于生產區域集中排布。生產區域主要是指生產作業加工區域，包括前工序和組裝工序區域。

（3）輔助區域布局方案：輔助區域主要包括園區輔助區域以及建筑物內輔助區域。園區輔助區域主要包括高壓變電站、低壓變電站、空壓機房等；危險品倉或氣站包括溶劑室、氣瓶間等；安防設施包括門衛崗、圍墻、消防控制室、監控室；環境設施包括污水處理站、工業垃圾站、廢料回收房；以及生產相關的地磅等。建筑物內的輔助設施主要包括洗手間、生產辦公室、茶水間、設備輔助用房等。

（4）物流能力與資源初步配置：對各環節的物流能力與資源進行初步配置，比如各物流區域規劃多少面積、各類物料存儲方式、配送方式初步配置、某個料箱件立體庫需要規劃的庫位數及基于流量的物流設施數量初步測算等。

（5）物流設施參數初步定義：主要包括物流設施類型、數量等參數初步定義，比如某個環節初步定義需要配置潛伏式AGV、并對其初步的數量進行測算等。

（6）物流相關初步建筑參數：主要包括生產建筑形式、建筑輪廓、高度、層高、柱距、防火分區、載荷、雨棚等。

4.詳細規劃

詳細規劃是明確智能工廠如何配置資源。

規劃的最終目的是落地運營，因此本階段的關鍵是，通過細化設計的PFEP，對物流技術進行研究、選擇、確認及應用，對物流流程進行梳理、對智能化物流場景開展研究及設計、對環境進行設計、選擇信息技術并對建筑參數進行細化等，最終輸出詳細規劃方案，具體到每一個物料、每一個工位和每一平方米的方案細化，并在此基礎上配置資源，進一步確保方案落地。智能工廠物流詳細規劃模型，如圖4。

圖4 智能工廠物流詳細規劃模型

詳細規劃階段輸出的主要內容包括以下部分：

（1）建筑空間及平面布局方案：指細化到每一平方米的每個區域（主要包括收發貨區、原材料存儲區、半成品區、成品區、容器具存放區、不良品區、備品備件區、叉車區等）的詳細布置，比如存儲區存儲的物料類型、存儲方式、器具的擺放方式等，以及各區域間詳細的物流動線以及與線邊工位的具體對接形式等。

（2）物流相關詳細建筑參數：詳細建筑參數主要用于支持設計院施工圖設計，主要包括物流設備開孔尺寸、設備吊裝口、立體庫建筑參數（水平度、不均勻沉降、加強筋距離等）、防火卷簾/水幕尺寸的詳細尺寸、電梯數量及電梯參數等。

（3）作業場景方案：基于入廠物流、生產物流、成品物流各段物流設計的運作場景，比如每類物料如何到貨、卸貨、存儲、出庫、配送等。

（4）生產設施配置方案：指生產環節選取的生產設施、設備類型、數量及能力要求等，與生產工藝強相關。

（5）物流設施配置方案：包括各環節選取的具體物流技術、涉及的物流設備及設施類型、數量及能力要求等。

（6）物流信息化功能需求：基于作業場景方案及運營邏輯，明確智能工廠物流系統信息化整體框架，并在此基礎上提出各環節信息化功能需求，主要包括入廠物流、倉庫管理、物料配送、成品物流、容器具管理、應急物流等環節，同時明確各流程活動節點的輸入、信息驅動、信息采集、輸出等信息。

（7）物流運營工藝邏輯：從到貨、卸貨、收貨、檢驗、存儲、配送、成品入庫及發運全流程的物流運作邏輯，比如物料包裝基礎要求、庫存周期的控制、庫存面積的控制、揀選及齊套提前期等。

（8）參觀通道設計方案：基于企業參觀需求設計參觀通道方案，具體包括參考通道走向、主要參觀景點等。

（9）工廠環境設計方案：包括工廠人文、休息、關懷在內的工廠環境設計。

（10）投資預算：基于物流設施配置方案，并參考國內主流物流設備供應商價格，進行詳細的物流設施投資預算，用以進一步支撐企業決策。

詳細規劃階段，需要針對零部件物流規劃、物流區域規劃、生產物流動線設計、線邊工位空間規劃、成品物流規劃等方面進行詳細規劃設計，遵循“三個一”方針，即細化到“每一平方米、每一個物料、每一個工位”的規劃，并需要協同多個外部和內部的部門對每一個節點的物流設施、設備等進行詳細規劃并輸出技術參數和標準。此階段需要進行詳細規劃要素梳理、建筑參數需求定義、并進行物流設施配置以及物流流程設計。

5.方案驗證

方案驗證是使用仿真技術驗證方案的合理性和可行性。

本階段的關鍵是采用仿真技術，包括流程仿真和數據仿真，對方案進行進一步驗證，從而發現風險、規避風險。在詳細規劃基礎上，需要通過仿真技術對智能工廠物流方案進行驗證，以便對方案進行優化及修正。工廠物流系統仿真是對實際物流運作場景建立一個系統模型，然后再基于這個模型做實驗，在實驗基礎上分析系統特性，優化系統的目標參數，或者評估系統運行效率。通過計算機建模技術構建仿真模型，從而研究工廠物流規劃中存在的問題，進而通過優化使得物流系統最優、避免運營過程中發生瓶頸。方案驗證的主要目的包括：

（1）將問題具體化。物流系統是一個相對復雜、綜合性強的系統，利用仿真模型可以將復雜問題具體化、將物流場景呈現清晰化，從而了解系統的可行性和可靠性，驗證理論的正確性，尋找解決問題的方法。

（2）降低物流投資成本。物流規劃后涉及的往往是物流投資，比如物流設備的購置，利用物流仿真技術可以對設備作業效率、設備的利用率進行分析，從而優化設備數量配置；針對不同的規劃方案，可以通過方案的建模，尋找在滿足規劃需求的條件下，最小物流資源投入的方案（相同物流資源投入，產出最大的方案），以降低物流投資；此外，依靠數學模型可以解決一些常見的物流問題如生產物料排隊、緩存空間大小、出入庫與庫存能力評估等，從而避免人為經驗過分放大系統能力帶來的資源浪費。

物流系統是一個相對復雜、綜合性強的系統，利用仿真模型可以將復雜問題具體化、將物流場景呈現清晰化，從而了解系統的可行性和可靠性，驗證理論的正確性，尋找解決問題的方法。

（3）降低溝通成本。在物流規劃中，一般涉及較多的物流新技術、新理念，企業管理人員或決策者對此相對陌生。規劃人員與管理人員在溝通過程中往往存在較多理解上的障礙，此時，利用三維動態仿真技術將規劃方案進行直觀呈現及表達，比如直觀動態地模擬堆垛機、貨架系統、AGV系統、往復式穿梭車系統、自動分揀系統等各環節的物料處理的作業流程，以及叉車、托盤碼垛機器人等設備的運動與時間的精確模擬，生成快速、流暢及專業的模型動畫。通過模擬仿真幫助了解整個物流系統流程運作流程，以此有效降低溝通成本、提高溝通效率。

（4）識別物流系統瓶頸。借助物流仿真技術，從原材料到貨、檢驗、入庫、出庫、成品入庫、成品出庫、成品裝車發運進行全面綜合性的分析，比如對物流動線尤其是物流主通道的流量進行測試、分析通道通行情況，判斷其是否堵塞、是否有必要做分流，從而為方案優化提供支撐，又比如對配送方案合理性進行驗證，配送裝載單元、配送頻次、配送路徑優化、緩存區大小、揀選拆包作業等設置是否合理，是否存在無法滿足車間需求的情況等。通過物流仿真技術，從而找到系統存在的瓶頸，較為準確地評估系統運行的各項關鍵參數，為生產與物流系統規劃提供決策與優化依據。此外，物流仿真技術中的三維動態模型對應方案的直觀表達，可以幫助檢查各個子系統空間位置的合理性，避免設備、人員、建筑等關鍵要素存在干涉。

當然，采用仿真技術可以解決規劃中的某些問題，但仿真并非全能，仍然存在一些不足，比如：

（1）局部的最優化分析與求解并不能使整個物流系統的效率達到最優化。例如庫存的周期與響應時間是一對矛盾的參數。

（2）工廠物流系統是十分復雜的系統，涉及計劃、物流、生產等多個要素，并且每個要素在實際運行過程中都可能有一定的波動，因此要對整個工廠物流系統運用數學模型進行建模是非常困難的。

（3）數學模型的求解結果是在一定的前提條件下成立的，在實際運作過程中由于各種突發異常或者生產條件的變化，導致整個物流系統的運作發生較大的變化。

三、結語

智能工廠物流規劃的目的，正是以物流規劃和運營為主線、以工廠有效運營為導向、“以終為始”進行規劃，實現所有規劃和資源要素的聯動和拉通。不考慮物流運營管理的規劃都是沒有“靈魂”的規劃，站在未來持續經營的長久過程來看，最終都可能導致企業產生巨大的系統效率損失和改造成本。