如何优化内部物流以简化和加速工业 4.0 供应链运行 - 第 1/2 部分

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

内部物流使用自主移动机器人 (AMR) 和自动导引车 (AGV) 在工业 4.0 仓库和生产设施中高效地搬运材料。本文将讨论如何在系统层面使用 AMR 和 AGV 实施内部物流，并根据需要快速、安全地运送材料。本系列[第二部分]重点介绍使用案例，以及 AMR 和 AGV 如何利用传感器识别、跟踪物品，ML 和 AI 如何在整个仓库和生产设施中支持材料识别、搬运和交付。

在工业 4.0 时代，将物料从仓库的收货区快速运送到发货区，或从生产设施的一个地点快速运送到另一个地点——这称为内部物流——是简化和加快供应链运行的关键环节。内部物流不仅仅追求速度，它还必须高效、准确，并减少浪费，以获得最大效益。自主移动机器人 (AMR) 和自动引导车辆 (AGV) 对改善内部物流至关重要。

AMR 和 AGV 看起来相似，但工作方式不同。传统 AGV 经过预先编程，以最低的成本执行有限的功能，而新型 AGV 像 AMR 一样配备了传感器，从而模糊了二者之间的界限。出于安全考虑，传统 AGV 在与人隔离的区域中运行，但新型 AGV 配备了防碰撞传感器，可确保更高水平的安全性。

本文首先说明了什么是内部物流，以及如何利用内部物流加速供应链运行。然后，本文比较了 AGV 和 AMR 的操作和使用，并简要介绍了两者在导航和避障能力、灵活性、安全性、部署挑战、维护、拥有成本方面的差异。同时，本文还探讨了 AMR 与 AVG 之间日渐模糊的界限，最后讨论了如何利用数字孪生来增强未来的内部物流运作。本系列的第二篇文章将深入探讨 AMR 和 AGV 所需的各种传感器技术。Digi-Key 为这两种方式的内部物流提供全套[自动化产品]。

内部物流的定义

内部物流利用网络物理系统进行部署，旨在优化内部配送和生产流程。为了充分发挥作用，内部物流系统还必须通过互联网和本地运营流程与更大的供应链相整合。

在仓库中，该系统应知道设施中所有物料在什么地方，履行未交货订单需要什么物料，完成订单可能缺少什么物料，以及来料在更广泛的供应链中的位置。

在工厂中，内部物流应知道特定生产流程需要什么物料，并通过协调有关设施中现有物料的信息和其他物料何时到达的信息，结合机器和操作人员可用性，来最大限度地提高调度效率。

完全整合关于物料供应、人员及其技能和位置、机器及其可用性的信息后，企业便可最大限度地减少库存，增加大规模定制的灵活性，并提高质量，从而降低成本（图 1）。

内部物流影响着工艺工程、系统设计、项目管理、物料需求规划和许多其他职能。物料在整个设施内自动移动是最大限度地发挥内部物流优势的关键。

物料搬运选项

AMR 和 AGV 设计用于将物料从一个地方运送到另一个地方，从而提高内部物流运作的效率、准确性、生产率和安全性。这些系统可以根据其载荷配置进行区分。AMR 和 AGV 有多种配置，分别适合不同的内部物流功能：

• 推车也被称作“底部装载车”或“底部运输车”，它可移动到待搬运物品的下方，将其垂直举起，然后运往目的地。这种车辆可以设计为举升和运输 1 吨或更重的物品。
• 牵引车或拖车连接一辆或多辆装载物料的自动或非自动推车，将它们从一个地方拉到另一个地方。大多数牵引车的额定载荷约为 1 吨，但也有额定载荷为 20 吨的型号。此外，有些型号可以自主运行，有些型号则由操作员手动驾驶。
• 机器人叉车有多种配置，包括托盘搬运车、平衡叉车和窄通道叉车。根据设计的不同，它们可以搬运几吨重的货物，并可将货物举升到 10 米以上的高度。
• 运载小车是一种自动化移动平台，可以从输送线末端、机器人装载站和其他自动化系统中取走物料。运载小车的载重能力往往低于其他类型的 AMR 和 AGV。

AGV 与 AMR 有何区别？

AGV 和 AMR 可能有相似的配置，但它们的功能并不相同。基本区别包括：

• AGV 利用磁条、地板上的胶带/油漆或地板中的电线所构成的外部轨道从一个地方移动到另一个地方；没有这些外部轨道，AGV 寸步难移。
• AMR 综合使用内部传感器、无线连接的外部传感器、人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 来规划最高效的路线，并动态避开障碍物。

AGV 是在引入工业 4.0 仓库和工厂之前开发的，但近来发生了一些演变以适应工业 4.0 应用，因此两者之间的区别已不像以前那么明显。异同点包括：

导航和避障。导航是最大的区别。AGV 只能在预定的路线上行驶，而 AMR 可以在预定区域或环境中以变化路线行驶。由于 AMR 自主移动，因此具有广泛的避障能力，包括识别新的障碍物（如放置在先前畅通的过道上的托盘），以及感知和避开路线上的人员。早期型号的 AGV 避障能力有限，设计用于没有人的区域。新型的 AGV 包括更多种类的传感器，使其在人身边使用时更安全。不过，虽然 AGV 可以识别障碍物，但无法像 AMR 那样绕过障碍物。相反，AGV 会停下来，直到障碍物被移开。障碍物被移开后，某些型号可以自动恢复行驶。

灵活性。AMR 具有更大的灵活性，可以重新编程以部署到新的环境中，而无需进行物理改动。而将 AGV 引入新环境时，必须安装或修改导轨，以支持需要的行驶路线。此外，AGV 只能执行单一任务，即将物料从一个预定点运送到另一个预定点，其可能因环境发生变化而中断运行，例如新增设备需要更改行驶路线。

安全性。AMR 的避障能力更强，因此一般认为 AMR 比 AGV 更安全。但这不是一个简单的问题。两者都可以配备紧急停止开关和传感器，以识别并避免撞到障碍物，包括人。AMR 是为在人身边使用而设计的，包含许多安全措施。不过，AGV 的行驶路线是预定的，工作人员可以提前知道它们的位置，因此能够更容易地避免与它们发生接触。两种技术都支持高安全性。

部署挑战。AGV 和 AMR 需要特定的基础设施来支持其部署。一般来说，与 AGV 相比，AMR 部署可以更快地完成，而且破坏性较小。AGV 需要安装导轨，以支持点对点导航。AMR 依靠整个设施中安装的各种传感器来帮助提供精细的态势感知和导航支持。AMR 适用于更复杂的环境和应用。例如，可以对 AMR 进行编程，使其在“跟我走”应用中与订单拣货员协同工作。一般而言，这些差异使 AMR 更适合用于工业 4.0 环境，因为在这种环境中，相机而变是应有之义，必须予以有效支持（图 2）。

维护。这取决于具体情况。与 AMR 相比，AGV 更简单，传感器更少，所需的维护可能也更少。然而，AGV 所需的支持基础设施可能会受到损坏，需要额外的维护。就 AMR 而言，各种传感器可能需要维护，软件也需要定期更新。与 AMR 相比，AGV 需要在人车分离的区域内行驶，这往往意味着 AGV 需要行驶更长的距离才能到达目的地。更长的行驶距离会增加 AGV 的磨损，从而可能增加维护成本。因此，AGV 和 AMR 哪个需要更多维护取决于具体应用。

成本。与 AMR 相比，AGV 更简单，成本更低。AGV 需要安装导轨，而 AMR 需要一套外部传感器和无线连接，因此安装成本的差异较为复杂，难以确定。与支持 AMR 所需的基础设施相比，AGV 的导轨需要更多的维护，因此 AGV 的运营成本更高。最后，AMR 通常可以更快地部署，与设施停机相关的成本更低，因而更适合在工业 4.0 应用中使用。

数字孪生、数字线程和内部物流

数字孪生和数字线程可以成为内部物流部署的有用工具。数字孪生是复杂网络物理系统（如内部物流所用系统）的精细虚拟模型。数字孪生利用从各种来源获得的数据创建，这些来源包括设施中的传感器、设施的计算机辅助设计 (CAD) 模型、设施中运行的设备上的传感器提供的反馈等。数字孪生用于提供仓库或工厂运行情况的实时模拟，以帮助优化流程，并及时查明潜在问题以防止其发生（图 3）。数字线程与数字孪生相伴而生，包括数字孪生在整个运行生命周期中所有活动的完整历史。

内部物流中的数字孪生和数字线程正处于早期发展阶段。运行的可预测性对于提高内部物流系统效率非常重要。AMR、AGV 和机器人的运行具有高度的可预测性和可重复性，在工业 4.0 中使用它们可以简化数字孪生技术的使用。将它们纳入数字孪生中可支持设施内的车队优化和管理，并实现预防性维护以尽量降低对运行效率的影响。

数字孪生有大量实时数据的支持，包括环境条件以及有关机器和流程状态的功能和运行数据。数字孪生利用这些数据模拟实际系统，并预测完整机器和个别组件（如 AGV 和 AMR 中的电池组）的状态以优化其性能。

数字孪生对现实世界的模拟越精准，效益就越大。内部物流系统通常将自动化系统与人整合在一起。将人类活动纳入数字孪生中，可以进一步提高模拟的准确性和内部物流的效益。内部物流、数字孪生、数字线程与人工智能和机器学习的结合，预计将成为支持全自动工业 4.0 工厂和仓库出现的重要因素。

结语

内部物流是指物料在仓库或工厂等工业设施内移动。AGV 和 AMR 是用于实现物料流动自动化和加速的重要工具。虽然两者各有利弊，但 AMR 更适合工业 4.0 应用。当与数字孪生、人工智能和机器学习相结合时，内部物流可支持全自动工厂和仓库的发展。