未來汽車工廠與智慧物流
文｜深圳市今天國際物流技術股份有限公司
鄭鑫、曾巍巍
隨著工業4.0的推進，我們對於未來汽車智慧工廠以及 ofollow,noindex" target="_blank"> 智慧物流 有了全新的認識。未來智慧工廠的幾大特點也浮現了出來。本文基於對工業4.0、物聯網技術、智慧製造以及雲技術的研究，提出未來智慧工廠可能的執行模式並予以說明論述。
現階段，越來越多的企業正在以工業4.0為目標，建設專屬於自己的智慧工廠與智慧物流。伴隨著智慧工廠和智慧物流的不斷深入研究，未來工廠及物流的工作模式越來越清晰，本文以汽車工廠執行模式為例，從6個方面對未來汽車工業的智慧化改變進行討論。
智慧工廠，就是利用各種現代化的技術，實現工廠的辦公、管理及生產自動化，達到加強及規範企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產、提供決策參考、加強外界聯絡、拓寬國際市場的目的。
智慧物流是通過大資料、雲端計算、智慧硬體等智慧化技術和手段，提高物流系統思維、感知、學習、分析決策和智慧執行的能力，提升整個物流系統的智慧化、自動化水平。智慧物流具有兩個特點：
一是互聯互通，資料驅動：所有物流要素互聯互通並且數字化，以“資料”驅動一切洞察、決策、行動；
二是深度協同，高效執行：跨集團、跨企業、跨組織之間深度協同，基於全域性優化的智慧演算法，排程整個物流系統中各參與方高效分工協作。
未來工廠智慧化的六個方面
1.資訊生產，訂單內容可更新
工廠中的生產模式大體可以分為訂單生產MTO（Make To Order）和庫存生產MTS（Make To Stock）兩種。訂單生產MTO指的是企業根據客戶訂單的需求量和交貨期來進行生產安排，其宗旨在於降低庫存，不做任何庫存存放，有訂單才安排生產，無訂單則調整生產。庫存生產MTS又稱為現貨生產，通過成品庫存隨時滿足使用者需求，產品在接到訂單之前就已經生產出來，客戶訂單上的商品可以隨時從貨架上取到。這類產品通常屬於大眾化的通用規格的消費品，也可能是企業的自主品牌產品，主要隨著市場的需求並參考本身的庫存存量，來決定是否要安排生產計劃。
現代汽車行業屬於傳統的製造業。在汽車市場上長久以來奉行的是“汽車企業生產什麼、消費者選擇什麼”的銷售理念，定製化服務只存在於極少數高檔定製服務的車企中（產量很低）。汽車工廠的生產計劃完全是按照自己根據市場調研做出的分析後製定的，車型、配置、顏色等在生產前就已經完全確定，汽車零部件的供應商則是根據汽車廠的生產計劃來進行配合生產的。汽車工廠的生產過程是大規模、批量化的生產，生產不輕易調節改變，如圖1。
汽車生產的過程中，絕大多數整車廠宣稱實現了“零庫存”，而零部件供應商的倉庫卻很“飽滿”。“零庫存”對於整車廠來講節約了生產成本，但對於零配件供應商來說卻是無法迴避的成本。伴隨著資訊科技的飛速發展，步入工業4.0階段的車企訂單化生產即將到來。當汽車在客戶下訂單的時候即產生數字化的訂單模型（包括客戶選擇的訂製功能）。零部件供應商與車企同步得到訂單，這樣零部件供應商飽滿的倉庫將不再需要，汽車行業生產成本將進一步降低。
未來的汽車消費者不僅僅可以在汽車4S店訂購汽車，而且會越來越多的體驗在汽車企業的官方網站乃至電商平臺上訂購汽車。未來對於汽車的可選擇配置也會變得多種多樣，消費者可以根據自己的喜好訂購個性化配置的汽車，而汽車企業生產使用的柔性化智慧生產裝置提供的混線生產能力也恰恰可以滿足消費者的這種需求。
在汽車行業，未來的資訊科技並不僅僅是汽車企業內部資訊化的管理技術，而是在整個汽車製造行業、整個供應鏈中廣泛實施的資訊互聯技術。伴隨著工業網際網路技術以及雲技術的發展，帶來的不僅僅是汽車生產週期的縮短，未來消費者同時可以享受到更大的消費裕度，既可以時時觀測到自己訂購的汽車處於哪個生產階段，又可以對於汽車尚未安裝的定製功能（甚至已經安裝的部分）進行線上調整， 未來汽車工廠 對訂單中尚未製造的部分可以迅速進行調節，就算生產中已經生產過的流程，也是支援調整與更新，這只是成本問題而並非技術問題。這一切全部來自於工業4.0中供應鏈的自適應技術與車企生產過程中柔性更高的智慧化裝置的使用。對於未來智慧工廠中由智慧裝置生產出的汽車，當然也是智慧的，如圖2。
2.虛擬生產，設計生產數字化
未來汽車工廠的生產將轉變為全程的數字化、資訊化生產。這種數字化、資訊化不僅僅是汽車設計模型的數字化、生產零部件的數字化、資訊化，而是整個工廠中生產流程、生產工藝的數字化、資訊化，是整個汽車生產供應鏈中所包含的所有內容的數字化、資訊化。
虛擬製造技術因其原則上不消耗任何實際資源，同時能夠在計算機上對產品的設計、加工、裝配、執行乃至測試提供相應的結論，所以這項技術在越來越多行業及產品上得到應用。
1997年美國俄亥俄州舉辦的虛擬製造使用者專題討論會上，人們根據製造過程的側重點不同將虛擬製造大致可以分為三類：以設計為核心的虛擬設計製造（例如:Solidworks、Catia等）、以生產為核心的虛擬生產製造（例如:AutoMod、Flexsim等）和以控制為中心的虛擬控制製造（例如Labview等）。
對於虛擬製造技術，其本身具備的優勢是不言而喻的。
（1）由於虛擬設計技術的產生，原來產品的開發過程不再或少量需要製造樣件、樣機來進行測試產品的可製造性和裝配的可行性，而且可以動態的演示設計產品的各種工作狀況及相關的測試效能，使設計週期顯著變短，節約企業研發成本。
圖3為今天國際物流技術股份有限公司為某專案設計研發的AGV，專案研發設計時間短、要求高、任務重，通過虛擬設計製造技術反覆校核設計尺寸、安裝流程，最終經現場裝配驗證產品效能優異，完全滿足設計要求。虛擬設計軟體已經成為今天國際物流技術股份有限公司設計工程師標準設計工具。
（2）虛擬製造技術可以模擬整個生產過程的工藝流程，同時對流程中的瓶頸點、流程中需要注意的核心引數（路徑節點流量、生產工作節拍、快取區的大小等）進行優化設計，使生產任務平衡合理的分配到各個工位，甚至可以模擬工人的疲勞程度，對整個系統進行優化配置。
圖4為今天國際物流技術股份有限公司為某物流中心專案製作的專案模擬截圖，專案包含：托盤堆垛機、箱式堆垛機、托盤輸送線、箱式輸送線、分揀線、拆碼垛機器人、AGV等。對於這種多裝置耦合的複雜物流系統，通常情況下針對專案中的核心單機裝置能力進行計算是無法檢驗說明整個系統的理論工作能力的。而通過模擬模擬針對這個專案中的每一個裝置進行單獨建模，按照1:1組成專案裝置的整體佈局，輸入實際流量和軟體排程原則即可以對專案系統進行模擬執行模擬，可以很好的檢驗專案中的單機工作能力以及由多種單機耦合在一起的複雜物流系統執行的專案整體工作能力。當針對專案的整體工作能力進行模擬驗證後，通常情況下還可以對專案綜合能力為目標對專案進行效能優化。事實證明模擬模擬在專案規劃驗證階段得出的結論與專案實施後現場進行的測試基本相同，對專案中目標效能的優化也實現了系統能力的提升。
（3）虛擬控制技術則通過對控制系統進行模擬除錯，除錯成功後生成PLC程式碼，直接傳輸至現場待除錯裝置上的PLC，將除錯時間大大縮短，圖5為某專案虛擬模擬PLC除錯介面截圖。
伴隨著網際網路的迅速發展，遠端除錯、全球化除錯已經成為可能。現階段今天國際物流技術股份有限公司正在使用虛擬控制軟體針對專案進行PLC虛擬除錯工作。首先在虛擬軟體中對某專案裝置進行虛擬建模，將專案中的物流裝置1:1建造後輸入相應的工作流程邏輯。當相應的工作流程除錯通暢後再針對專案中使用的PLC品牌進行虛擬除錯，真實模擬專案中的動作及相關工作引數設定，最終輸出PLC程式。使用這種除錯工具，電控工程師在專案現場只需要進行簡單的驗證除錯工作，大大縮短到了電氣工程師現場工作的時間、降低了現場工作強度。
對於汽車工廠這樣一個生產節拍要求高、工藝流程複雜、生產裝置系統、物流輸送系統等多系統耦合在一起的複雜系統，設計、生產執行引數的選擇稍微不慎將對整個系統帶來災難性的後果，而虛擬製造技術完美的解決了這個問題。虛擬製造技術可以提供產品的模型設計、生產加工的優化，還可以通過模擬優化各種複雜工況流程與流程之間切換所產生的影響。而對於未來以工業4.0為基礎的訂單式生產的汽車智慧製造企業來說，生產中多品種產品的混線生產模式將變成常態，而這正是虛擬製造技術的價值所在。
3.混線生產，生產流程柔性化
進入工業4.0時代，智慧工廠中將使用越來越多的智慧裝置，同時生產流程的柔性將帶來翻天覆地的變化。
生產管理模式的發展大致經歷了四個階段，如圖6。
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手工作坊生產：工業革命之前，人們在簡陋條件下手工生產產品；
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單件小批量生產：工業革命開始，手工模式被取代；
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大批量生產：第二次、第三次工業革命開始，大規模流水裝配線、自動化生產線產生；
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多品種小批量柔性生產：工業4.0開始，該種模式能夠在一條生產線上混線生產多種不同產品。
汽車生產長久以來一直是大規模流水裝配線生產，生產模式則是按照庫存生產模式執行的。汽車廠商根據市場上的銷售反饋做出預估銷量，然後對生產車型、配置進行排產。汽車工廠的產品存在著多種不同的配置選擇，同時為了適用於不同的行駛區域，增加了總裝車間裝配的複雜性。
多品種、小批量、多批次、生產重複性低，是訂單式生產企業的主要特點。訂單式生產也是工業4.0中重要的組成部分，是未來智慧工廠的主要生產模式。未來的汽車工廠中會使用越來越多的智慧AGV或可變軌EMS等高柔性輸送裝置來替代現階段單調的自動化輸送流水線。生產線上的智慧生產裝置也將變成越來越多的可換手型的可以實施多種工作的機器人。未來承載零部件的AGV與承載車體的AGV甚至包括承載機器人專用卡具的AGV之間可以相互通訊編隊（工業物聯網，萬物相聯），同進同退進出裝配工位以防止安裝出錯，而且生產線上的智慧機器人同樣可以通過RFID等資訊識別技術確認安裝資訊，並將生產過程的相關資訊反饋至遠端數字雲平臺。
4.資訊共享，供應鏈自適應化
供應鏈是指圍繞核心企業，通過對資訊流、物流、資金流的控制，從採購原材料開始，製成中間產品，最後由銷售網路把產品送到消費者手中的將供應商、製造商、分銷商、零售商直到終端使用者連成一個整體的功能網鏈結構模式。
基於工業4.0技術，在客戶訂單產生之時，客戶定製汽車的所有資料資訊已經一併產生，包括汽車所有零部件的供應商、汽車將具體在哪個工廠生產、生產工藝中將使用哪些智慧生產裝置以及物流中需要哪家物流供應商等，即供應鏈產生。隨著時間的推移，汽車訂單中的原料供應商、零配件供應商、物流運輸提供商等組成產業鏈中的每一個環節都可能會因為各式各樣的原因而發生改變，甚至客戶的定製需求想法都有可能會隨時間改變的，而這時智慧供應鏈的自適應技術便施展其能力。
自適應技術：是一類新的“智慧元件/智慧結構”，這些智慧元件在工作條件改變的時候具有一個主動適應和目標優化調節的機械特性。這種主動的元件滿足改善系統機械特性、效率、效能及其他特性的要求。自適應技術是一種決定性的面向未來的技術，它能在產品的經濟性、安全性和舒適性獲得最優化的同時，減少乃至避免震盪以及不希望的畸變和噪音。應用自適應技術的產品和方法能夠獲得決定性的競爭優勢。
工業4.0中的供應鏈自適應技術將完美的解決供應鏈中資料改變這種問題。對於消費者下達的訂單，在雲平臺中汽車生產廠、零部件供應商及三方物流服務商共同擁有訂單資料資訊，而對於消費者中途改變的訂單內容，主機廠和零部件供應商及三方物流服務商可以通過平臺對生產任務以及物流運輸的貨物進行優化調整，實現整個產業鏈的零庫存生產。整個流程不再需要各方管理者做煩躁的資料計算工作，而只是稽核、批准。計算改變所涉及到的巨大的資訊訪問量、運算量等則由雲技術完成。
為今天國際物流技術股份有限公司為某生產企業研發的物流管控平臺演示圖。平臺為該公司實現了原材料、輔料、五金備件從原產地到旗下五家生產工廠的運輸、成品從五家生產工廠到最後的商業配送的實時跟蹤管理，實現了統一管理、統一平臺、統一監管的目的。對於相應急需物資的調配也給出智慧物流的解決方案。該管控平臺實現了對倉儲作業、運輸作業、養護作業以及物流資源、物流成本、物流績效以及物流安全的綜合管理。未來的管控平臺將逐漸合併為一個巨大的資訊計算儲存平臺，雲平臺。
5.資訊儲存，生產資料雲端儲存
雲端計算平臺也稱為雲平臺。“雲端計算”現階段最廣為接受的是美國國家標準與技術研究院（NIST）的定義：雲端計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網路訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網路、伺服器、儲存、應用軟體、服務），這些資源能夠被快速提供，而只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的互動。實現雲端計算這種模式所使用的技術就是雲端計算技術。
汽車生產的發展方向是訂單化：既多品種，小批量的s生產方式。未來汽車工廠按客戶訂單進行混線生產成為常態。汽車的混線生產的技術研究主要集中在兩個方面：生產線的平衡問題和混線生產的排產問題。生產線平衡是把不同車型的裝配任務分配到生產線上的不同工位，保證各個工位對多種車型的裝配時間接近，提高生產效率；生產線排產則是受到客戶對不同車型訂單的影響，需要對訂單做出實時反映，保證客戶訂單車輛的交付。現實中的生產則涉及更多種方面的因素制約，各方面的影響因素耦合在一起共同作用於生產線，需要強大的計算能力進行分析計算，雲端計算技術則正好解決這一難題。
在工業4.0的作用下，汽車行業的生產逐漸實現全程數字化。不僅僅是汽車設計生產模型的數字化，而是整個汽車工廠工作流程、生產工藝的全程數字化，生產過程中整個產業鏈供給的數字化。對於生產模型、生產流程、生產工藝、產業鏈的整體排程的複雜數學模型的模擬模擬，遠端的雲平臺計算則可以顯示出其強大的運算能力。虛擬模擬技術與雲端計算技術相結合可以快速模擬計算出各種工況對於產品生產及工期的執行影響，最後給出最優的生產方案。而對於實際生產中訂單包含的零件供應商的生產狀態與庫存、零部件在三方物流中的運輸狀況以及汽車工廠的生產進度所產生的新狀況，雲平臺都可以實時對情況進行最優化調節。汽車工廠、零部件供應商、三方物流服務商產生的資料一併儲存於雲平臺，任意端客戶可以實時更新查詢。這種生產全程的數字化跟蹤優化和資料儲存查詢在之前的生產過程中是遠遠無法想象的，帶之而來的是工廠也將翻天覆地的變化。
6.資源共享，工廠全球本地化
伴隨著3D列印技術及智慧工廠的快速發展，智慧裝置的能力越來越強，社會生產力將大幅提高。在這種情況下，虛擬技術的應用（生產產品的數字化與生產工藝的數字化）使未來生產變得越來越簡單，同時智慧生產裝置強大的功能使得產品的生產不再受到生產條件方面的限制，使得客戶訂單本地化生產成為現實。未來汽車廠負責客戶需求產品的設計與生產工藝的制定，產品的生產則完全可以由“雲生產”中的本地“雲工廠”完成。
“雲生產”的定義：是一種按照使用量進行付費的工廠執行模式。客戶通過有效的、便捷的網路訪問方式，對分佈於全球的可配置的智慧工廠資源池（資源包括：附近原料儲備、智慧工廠的生產能力、物流運輸資源等）進行查詢，將這些資源統一配置後，客戶付出極少的管理工作及與生產商的互動，生產商根據客戶提供的數字化生產資料進行智慧生產。這種生產方式就是“雲生產”。提供這種生產模式的工廠就是“雲工廠”。
“雲生產”將工廠原有規模經濟生產模式轉變為區域經濟生產模式，將智慧工廠原本屬於自己企業可供使用的富餘的生產製造能力轉變為具備區域優勢的、可以服務於全球共享的生產能力。在“雲生產”的使用過程中，使用者可以統一查詢某地區的可以調配使用的生產能力，系統同時提供該區域是否有合適的原材料資源及物流運輸資源，當各方面匹配後系統針對使用者專案進行綜合成本計算。這種模式免去了原本只屬於某地某工廠的大規模的原料採購、成品運輸的成本及時間消耗。這種產品生產本地化的“雲生產”模式將大幅降低物流運輸成本，尤其是遠距離的跨國專案，是未來智慧工廠的一種發展趨勢。
在未來汽車工廠很有可能形成一種模式，即假設某個豐田的智慧工廠分享富裕的生產力作為雲工廠後，生產線上可能生產著賓士、寶馬、奧迪等各大公司各種款式的車型（生產數字資訊加密處理）。對於消費者來講享受到的是快捷的定製化服務，而對於不同品牌汽車工廠來講則省掉了大筆的運輸費用和時間成本。當然這些還僅僅是一些關於汽車工業發展的猜想，讓我們拭目以待看看未來汽車工業的智慧工廠、智慧物流的發展之路。
二、展望
工業4.0給每個行業帶來巨大的改變，同時既是機遇也是挑戰。對於汽車工業4.0的發展，我們只有直面改變，提前做好準備，才能在未來的競爭中立於不敗之地。期待我國的汽車企業能夠努力奮進，抓住機遇，迎頭趕上，讓我國早日成為世界汽車智慧製造強國。