柔性生产系统与生产物流系统规划建设

文/王 鹏 祁 英 李智昊 初春光

由于市场需求变化和市场环境带来的不确定性正对企业运营产生突出影响，增强制造企业生产系统与生产物流系统的柔性，已经越来越成为企业应对变化的有力武器，以及保持企业可持续发展，提高竞争能力的重大保障措施。

随着物流技术的变化和发展，柔性化理念已经深入人心，甚至已经成为未来智能制造和智能物流技术发展的一个重要方向。那么什么是柔性？柔性生产系统和生产物流系统的内涵包括什么？企业在什么条件和情况下应该着手考虑构建柔性生产系统和生产物流系统？又该如何建？实现生产系统和生产物流系统柔性化的意义是什么？对这些问题的认识和理解其实一直以来不仅困扰着研究柔性生产系统和生产物流系统柔性化的专家学者们，也影响着制造行业和物流行业的实践者们在规划和构建智能制造和生产物流系统时的架构和指标考量。正是基于以上背景，本文将从制造企业的角度谈一下未来柔性生产系统和生产物流系统规划建设方面的一些新认识和理解。

柔性生产系统和生产物流系统的含义

什么是柔性呢？柔性可以表述为两个方面：1）系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；2）系统适应内部变化的能力，在有干扰（如机器出现故障）情况下系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。

“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，难以应付多品种中小批量的生产。如果要生产其它品种的产品，则必须对其结构进行大幅度调整，重新配置系统各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。

激烈的市场竞争迫使传统的大规模生产方式发生改变，要求对传统的零部件生产工艺加以改进。随着批量生产逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力，生产系统柔性化越来越重要。

生产系统的柔性化主要有七大特征，主要包括：

机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。

工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。

产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。

维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。

生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。

扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。

运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。

所谓“柔性生产系统”，是指在成组技术的基础上，以多台(种)数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。即由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换、高效率制造中小批量多品种产品的自动化制造系统。柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和，是技术密集型的技术群，凡是侧重于柔性,适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。柔性生产系统解决的是个性化和定制化时代，生产系统如何提升效率的问题。柔性制造总的趋势是，生产线越来越短，越来越简，设备投资越来越少。

所谓“物流系统的柔性化”，是指通过系统组成结构、人员组织、运作方式和装备组成等方面的动态变化，对需求变化作出快速反应，满足不同种类物流作业的要求，同时消除冗余损耗，力求获得最大效益。

图1：未来柔性化数字工厂蓝图

柔性生产系统和生产物流系统发展新趋势

以汽车制造为例，随着消费者对“高质量”生活的需要，汽车已经不单单是消费者的代步工具，也是张扬个性和满足更多娱乐体验的“移动生活体”，传统的大规模生产已经越来越不能满足消费者对于汽车的多元化诉求。同时，未来的汽车消费者不仅仅可以在汽车4S店订购汽车，而且会越来越多地在汽车企业的官方网站乃至电商平台上订购汽车。未来消费者既可以时时查看自己订购的汽车处于哪个生产阶段，又可以对于汽车尚未安装的定制功能（甚至已经安装的部分）进行在线调整，汽车工厂迅速更新，这只是成本问题而并非技术问题。

传统制造的汽车生产过程中，绝大多数整车厂宣称实现了“零库存”，而零部件供应商的仓库却很“饱满”。“零库存”对于整车厂来讲节约了生产成本，但对于零配件供应商来说却是无法回避的成本。应对这些变化，就要求物流系统需要更高的柔性化，伴随着信息技术的飞速发展，步入工业4.0阶段的车企订单化生产即将到来。当汽车在客户下订单的时候即产生数字化的订单模型（包括客户选择的订制功能）。零部件供应商与车企同步得到订单，这样零部件供应商将不再需要饱满的仓库，汽车行业生产成本将进一步降低。

对制造业物流来说，柔性制造对物流的需求与过去已经大为不同。以汽车制造为例，组装车间的组装线已经完全拆除，代之以AGV为载体的移动式生产线。这种移动式生产线的最大好处是柔性化。比如车型的变化，不仅仅是各组件的变化，还有整个工艺路线的变化，各个组装站点构成一个单元，需要组装的汽车通过预先设置好的路线，完成整个组装过程。此外，因为柔性生产线避开了几乎所有的障碍物，所以对于安装工具的配置就灵活得多，这是传统生产线所难以实现的。

在国家推动“工业4.0”和“中国制造2025”战略背景下，我们觉得柔性生产系统和生产物流系统应该至少经历四个发展阶段。

数字化制造+物流：大量应用数字化装备、数字化设计、数字化建模与仿真等技术进行数字化能力构建，实现从自动化、信息化向数字化、智能化的迈进。

网络化制造+物流：推动互联网和物流业深度融合，人、流程、数据和事物等过去相互孤立的节点被网络连接起来，通过企业内、企业间的协同，通过各种社会资源的集成与优化，“网络化制造+物流”重塑物流业的价值链，推动制造业数字化制造发展到数字化网络化制造阶段。以汽车行业为例，在工业4.0的作用下，汽车生产逐渐实现全程数字化。不仅仅是汽车设计生产模型的数字化，而是整个汽车工厂工作流程、生产工艺的全程数字化，生产过程中整个产业链供给的数字化。对于实际生产中订单包含的零件供应商的生产状态与库存、零部件在三方物流中的运输状况以及汽车工厂的生产进度所产生的新状况，云平台都可以实时进行最优化调节。汽车工厂、零部件供应商、三方物流服务商产生的数据一并存储于云平台，任意端客户可以实时更新查询。这种生产全程的数字化跟踪优化和数据存储查询在之前的生产过程中是无法想象的，工厂也将随之发生翻天覆地的变化。

数字化网络化智能化制造+物流：

在互联网、云计算、大数据、区块链和物联网等新一代信息技术快速发展形成群体性突破的推动下，以大数据智能、跨媒体智能、人机混合增强智能、群体智能等为代表的新一代人工智能技术加速发展，为物流业实现战略性突破提供了技术保障。以汽车行业为例，工业4.0中的供应链自适应技术将完美的解决供应链中数据改变这种问题。对于消费者下达的订单，在云平台中汽车生产厂、零部件供应商及三方物流服务商共同拥有订单数据信息，而对于消费者中途改变的订单内容，主机厂和零部件供应商及三方物流服务商可以通过平台对生产任务以及物流运输的货物进行优化调整，实现整个产业链的零库存生产。计算改变所涉及到的巨大的信息访问量、运算量等则由云技术完成。

生态化制造+物流：未来新一代智能制造工厂将为制造业的设计、制造、服务等各环节及其集成带来根本性变革，新技术、新产品、新业态、新模式将层出不穷，深刻影响和改变社会的产品形态、生产方式、服务模式，乃至人类的生活方式和思维模式，极大地推动社会生产力的发展。新一代智能制造将给制造业带来革命性的变化，将成为制造业未来发展的核心驱动力。伴随着物联网技术、AI、大数据、5G、工业云、3D打印技术及智能工厂的快速发展，智能设备的能力越来越强，生态化、共享化将成为未来智能制造的发展方向，社会生产力将大幅提高。以汽车行业为例，未来汽车工厂负责客户需求产品的设计与生产工艺的制定，产品的生产则完全可以由“云共享生产”体系中的本地“云工厂”完成。“云共享生产”将工厂原有规模经济生产模式转变为区域生态经济生产模式，将智能工厂原本属于自己企业可供使用的富余的生产制造能力转变为具备区域优势的、可以服务于全球共享的生产能力。在“云共享生产”的使用过程中，免去了原本只属于某地某工厂的大规模的原料采购、成品运输的成本及时间消耗。这种产品生产本地化的区域生态经济生产模式将大幅降低物流运输成本，尤其是远距离的跨国项目，是未来智能工厂的一种发展趋势。在未来汽车工厂很有可能形成一种模式，即假设某个红旗或者奔腾的智能工厂分享富余的生产力作为云工厂后，生产线上可能生产着大众、奔驰、宝马、沃尔沃等各大公司各种款式的车型（生产数字信息加密处理）。对于消费者来讲享受到的是快捷的定制化服务，而对于不同品牌汽车工厂来讲则省掉了大笔的运输费用和时间成本。

图2：柔性生产系统和生产物流系统的四个发展阶段

智能制造背景下物流系统柔性化的具体体现

物流系统柔性化集中体现在物流系统的网联结构和运营策略两个方面。网联结构决定了物流系统资源和能力在整个系统中的配置和定位问题，从根本上解决了物流系统柔性能力的可实现程度；运营策略基于一定的物流网络结构，对物流系统中资源和能力的运用，决定了物流系统所表现出来的柔性能力大小。

以物流中心为例，物流系统柔性化具体表现为：

物流装备柔性化：物流装备是物流系统中物流作业得以完成所需要的硬件设施、设备和器具等。物流装备柔性化体现为物流装备自身的多用途性、接口的通用性或可转换性，以及多种装备动态多重组合的便捷性等等。要实现物流装备柔性化，物流设施、设备和器具的标准化、单元化、模块化非常重要。

物流作业能力柔性化：物流终端客户的需求受时间、地域、气候等多种因素的影响，具有很强的波动性。物流中心往往都是被动地接受客户需求变化，不能完全通过自身的调节功能将客户需求的波动平均化。当终端客户物流需求改变时，柔性化要求物流中心要经济地提升作业能力，通过对物流设施和设备的重新组合，增减作业人员以调整物流运作模式，完成动态变化的物流作业要求，而不是以固有的模式、较高的投入，按照最大需求能力去设计建设物流系统。

物流系统扩展柔性化：物流系统柔性化还表现在物流系统的扩展能力方面，从组织层面考虑系统资源的获取柔性，也就是能否通过灵活设计物流系统组织模式，比如通过外包、战略合作或企业联盟等方式获取额外资源等。物流系统扩展能力不单纯指物流作业量的增长幅度，还包括客户需求的多样性对物流中心提出更多的功能性诉求。例如，在有限的空间内利用有限的资源实现差异化、多样化的服务。这就要求物流系统必须具备更强的适用性，即当客户需求和物流作业要求变化时，可以对资源进行优化配置，增加功能模块，扩展系统功能结构。特别是对作业时间、仓储条件有特殊要求的物流服务需求，物流系统扩展柔性化将为物流中心开拓更广阔的服务领域。

物流系统运行模式柔性化：是指在实现资源动态配置的基础上，按照不断变化的需求和不确定性环境，对物流作业方式、物流作业工具及物流作业人员等进行重新整合和再造，来满足终端客户差异化需求。应该注意的是物流系统运行模式柔性化与操作规范化和标准化并不矛盾，而是建立在规范化和标准化基础之上，它强调资源动态优化配置所产生的物流运行模式的转换和改变，充分共享现有资源，实现资源全程动态优化配置。

实现物流系统柔性化的意义

实现物流系统柔性化是企业适应当前市场细分、用户需求多元化形势的必然选择。在生产制造领域，使用柔性化的生产设备，运用JIT等方式组织生产，满足小批量、多批次产品以及客户定制等需求的柔性生产模式已经普遍应用，但与之配套的物流系统柔性化目前尚未形成较为完整的体系结构。因此，企业应建立以客户为中心的物流服务网联，使供应链上各物流节点能根据企业自身及用户需求的变化，动态策划、组织与实施物流活动，进而实现企业效益的最大化。柔性化的物流运作模式还需要在管理方法和实践应用方面进行不断摸索。