如何優(yōu)化內(nèi)部物流以簡化和加速工業(yè) 4.0 供應鏈運行 - 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機器人 (AMR) 和自動導引車 (AGV) 在工業(yè) 4.0 倉庫和生產(chǎn)設施中高效地搬運材料。本文將討論如何在系統(tǒng)層面使用 AMR 和 AGV 實施內(nèi)部物流，并根據(jù)需要快速、安全地運送材料。本系列[第二部分]重點介紹使用案例，以及 AMR 和 AGV 如何利用傳感器識別、跟蹤物品，ML 和 AI 如何在整個倉庫和生產(chǎn)設施中支持材料識別、搬運和交付。

在工業(yè) 4.0 時代，將物料從倉庫的收貨區(qū)快速運送到發(fā)貨區(qū)，或從生產(chǎn)設施的一個地點快速運送到另一個地點——這稱為內(nèi)部物流——是簡化和加快供應鏈運行的關鍵環(huán)節(jié)。內(nèi)部物流不僅僅追求速度，它還必須高效、準確，并減少浪費，以獲得最大效益。自主移動機器人 (AMR) 和自動引導車輛 (AGV) 對改善內(nèi)部物流至關重要。

AMR 和 AGV 看起來相似，但工作方式不同。傳統(tǒng) AGV 經(jīng)過預先編程，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)部物流加速供應鏈運行。然后，本文比較了 AGV 和 AMR 的操作和使用，并簡要介紹了兩者在導航和避障能力、靈活性、安全性、部署挑戰(zhàn)、維護、擁有成本方面的差異。同時，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)字孿生來增強未來的內(nèi)部物流運作。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。Digi-Key 為這兩種方式的內(nèi)部物流提供全套[自動化產(chǎn)品]。

內(nèi)部物流的定義

內(nèi)部物流利用網(wǎng)絡物理系統(tǒng)進行部署，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)還必須通過互聯(lián)網(wǎng)和本地運營流程與更大的供應鏈相整合。

在倉庫中，該系統(tǒng)應知道設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，以及來料在更廣泛的供應鏈中的位置。

在工廠中，內(nèi)部物流應知道特定生產(chǎn)流程需要什么物料，并通過協(xié)調(diào)有關設施中現(xiàn)有物料的信息和其他物料何時到達的信息，結合機器和操作人員可用性，來最大限度地提高調(diào)度效率。

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

內(nèi)部物流影響著工藝工程、系統(tǒng)設計、項目管理、物料需求規(guī)劃和許多其他職能。物料在整個設施內(nèi)自動移動是最大限度地發(fā)揮內(nèi)部物流優(yōu)勢的關鍵。

物料搬運選項

AMR 和 AGV 設計用于將物料從一個地方運送到另一個地方，從而提高內(nèi)部物流運作的效率、準確性、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：

• 推車也被稱作“底部裝載車”或“底部運輸車”，它可移動到待搬運物品的下方，將其垂直舉起，然后運往目的地。這種車輛可以設計為舉升和運輸 1 噸或更重的物品。
• 牽引車或拖車連接一輛或多輛裝載物料的自動或非自動推車，將它們從一個地方拉到另一個地方。大多數(shù)牽引車的額定載荷約為 1 噸，但也有額定載荷為 20 噸的型號。此外，有些型號可以自主運行，有些型號則由操作員手動駕駛。
• 機器人叉車有多種配置，包括托盤搬運車、平衡叉車和窄通道叉車。根據(jù)設計的不同，它們可以搬運幾噸重的貨物，并可將貨物舉升到 10 米以上的高度。
• 運載小車是一種自動化移動平臺，可以從輸送線末端、機器人裝載站和其他自動化系統(tǒng)中取走物料。運載小車的載重能力往往低于其他類型的 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。基本區(qū)別包括：

• AGV 利用磁條、地板上的膠帶/油漆或地板中的電線所構成的外部軌道從一個地方移動到另一個地方；沒有這些外部軌道，AGV 寸步難移。
• AMR 綜合使用內(nèi)部傳感器、無線連接的外部傳感器、人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 來規(guī)劃最高效的路線，并動態(tài)避開障礙物。

AGV 是在引入工業(yè) 4.0 倉庫和工廠之前開發(fā)的，但近來發(fā)生了一些演變以適應工業(yè) 4.0 應用，因此兩者之間的區(qū)別已不像以前那么明顯。異同點包括：

導航和避障。導航是最大的區(qū)別。AGV 只能在預定的路線上行駛，而 AMR 可以在預定區(qū)域或環(huán)境中以變化路線行駛。由于 AMR 自主移動，因此具有廣泛的避障能力，包括識別新的障礙物（如放置在先前暢通的過道上的托盤），以及感知和避開路線上的人員。早期型號的 AGV 避障能力有限，設計用于沒有人的區(qū)域。新型的 AGV 包括更多種類的傳感器，使其在人身邊使用時更安全。不過，雖然 AGV 可以識別障礙物，但無法像 AMR 那樣繞過障礙物。相反，AGV 會停下來，直到障礙物被移開。障礙物被移開后，某些型號可以自動恢復行駛。

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，而無需進行物理改動。而將 AGV 引入新環(huán)境時，必須安裝或修改導軌，以支持需要的行駛路線。此外，AGV 只能執(zhí)行單一任務，即將物料從一個預定點運送到另一個預定點，其可能因環(huán)境發(fā)生變化而中斷運行，例如新增設備需要更改行駛路線。

安全性。AMR 的避障能力更強，因此一般認為 AMR 比 AGV 更安全。但這不是一個簡單的問題。兩者都可以配備緊急停止開關和傳感器，以識別并避免撞到障礙物，包括人。AMR 是為在人身邊使用而設計的，包含許多安全措施。不過，AGV 的行駛路線是預定的，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。兩種技術都支持高安全性。

部署挑戰(zhàn)。AGV 和 AMR 需要特定的基礎設施來支持其部署。一般來說，與 AGV 相比，AMR 部署可以更快地完成，而且破壞性較小。AGV 需要安裝導軌，以支持點對點導航。AMR 依靠整個設施中安裝的各種傳感器來幫助提供精細的態(tài)勢感知和導航支持。AMR 適用于更復雜的環(huán)境和應用。例如，可以對 AMR 進行編程，使其在“跟我走”應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，因為在這種環(huán)境中，相機而變是應有之義，必須予以有效支持（圖 2）。

維護。這取決于具體情況。與 AMR 相比，AGV 更簡單，傳感器更少，所需的維護可能也更少。然而，AGV 所需的支持基礎設施可能會受到損壞，需要額外的維護。就 AMR 而言，各種傳感器可能需要維護，軟件也需要定期更新。與 AMR 相比，AGV 需要在人車分離的區(qū)域內(nèi)行駛，這往往意味著 AGV 需要行駛更長的距離才能到達目的地。更長的行駛距離會增加 AGV 的磨損，從而可能增加維護成本。因此，AGV 和 AMR 哪個需要更多維護取決于具體應用。

成本。與 AMR 相比，AGV 更簡單，成本更低。AGV 需要安裝導軌，而 AMR 需要一套外部傳感器和無線連接，因此安裝成本的差異較為復雜，難以確定。與支持 AMR 所需的基礎設施相比，AGV 的導軌需要更多的維護，因此 AGV 的運營成本更高。最后，AMR 通常可以更快地部署，與設施停機相關的成本更低，因而更適合在工業(yè) 4.0 應用中使用。

數(shù)字孿生、數(shù)字線程和內(nèi)部物流

數(shù)字孿生和數(shù)字線程可以成為內(nèi)部物流部署的有用工具。數(shù)字孿生是復雜網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（如內(nèi)部物流所用系統(tǒng)）的精細虛擬模型。數(shù)字孿生利用從各種來源獲得的數(shù)據(jù)創(chuàng)建，這些來源包括設施中的傳感器、設施的計算機輔助設計 (CAD) 模型、設施中運行的設備上的傳感器提供的反饋等。數(shù)字孿生用于提供倉庫或工廠運行情況的實時模擬，以幫助優(yōu)化流程，并及時查明潛在問題以防止其發(fā)生（圖 3）。數(shù)字線程與數(shù)字孿生相伴而生，包括數(shù)字孿生在整個運行生命周期中所有活動的完整歷史。

內(nèi)部物流中的數(shù)字孿生和數(shù)字線程正處于早期發(fā)展階段。運行的可預測性對于提高內(nèi)部物流系統(tǒng)效率非常重要。AMR、AGV 和機器人的運行具有高度的可預測性和可重復性，在工業(yè) 4.0 中使用它們可以簡化數(shù)字孿生技術的使用。將它們納入數(shù)字孿生中可支持設施內(nèi)的車隊優(yōu)化和管理，并實現(xiàn)預防性維護以盡量降低對運行效率的影響。

數(shù)字孿生有大量實時數(shù)據(jù)的支持，包括環(huán)境條件以及有關機器和流程狀態(tài)的功能和運行數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生利用這些數(shù)據(jù)模擬實際系統(tǒng)，并預測完整機器和個別組件（如 AGV 和 AMR 中的電池組）的狀態(tài)以優(yōu)化其性能。

數(shù)字孿生對現(xiàn)實世界的模擬越精準，效益就越大。內(nèi)部物流系統(tǒng)通常將自動化系統(tǒng)與人整合在一起。將人類活動納入數(shù)字孿生中，可以進一步提高模擬的準確性和內(nèi)部物流的效益。內(nèi)部物流、數(shù)字孿生、數(shù)字線程與人工智能和機器學習的結合，預計將成為支持全自動工業(yè) 4.0 工廠和倉庫出現(xiàn)的重要因素。

結語

內(nèi)部物流是指物料在倉庫或工廠等工業(yè)設施內(nèi)移動。AGV 和 AMR 是用于實現(xiàn)物料流動自動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 應用。當與數(shù)字孿生、人工智能和機器學習相結合時，內(nèi)部物流可支持全自動工廠和倉庫的發(fā)展。