上海天睿物流咨询有限公司

柔性生产模式对物流的要求

1.柔性生产

柔性生产是一种生产模式，它以“制造系统响应内外环境变化的能力”为核心，由英国公司在1965年首次提出，1998年美国里海大学和GM公司共同提出柔性生产模式AM（ ），现已成为“21世纪制造业战略”[1] 。柔性生产更能增强制造企业的灵活性，更能增强制造企业的应变能力，能缩短产品生产周期，能提高设备利用率，能提高员工劳动生产率，能改善产品质量，更能够适应市场需求多变，更能够适应市场竞争激烈，是市场导向型的按需生产的先进生产模式，这相对于“成本增加、过量库存、适应市场的灵敏度低”的刚性生产模式而言 。

柔性生产系统，集合了精益生产、并行工程、敏捷制造、智能制造等生产模式的关键要点。在现代化的柔性智能制造系统里，或许涵盖上述一种或多种生产模式，构成系统工程，借此达成工厂小批量、多品类、多流程、多形态、多单元的快速转变与协同生产[2]。在面对个性化需求、数字化转型、智能化升级的市场环境时，柔性生产系统更需具备虚拟制造和订单仿真、提前预警的能力，也就是运用仿真、建模、虚拟现实等技术，提供三维可视环境，对产品从设计、研发到生产制造的全过程进行模拟，借此在产品生产制造前，能准确预估产品的可制造性和可流动性，进而降低成本，实现弹性生产，缩短交付周期。

2.柔性生产模式对物流的要求

柔性生产系统通常具备机器柔性、工艺柔性、产品柔性、维护柔性、生产能力柔性、扩展柔性、运行柔性等特征，其核心是“有效实现订单交付”，需要将不同订单的物料（原材料、在制品、成品等）有效组织起来，要按照精益生产的原则，实现物料的有序流动，让复杂多样的物料“在恰当的时候、以恰当的数量、出现在恰当的位置（工位）”，进而实现柔性生产与柔性交付。

另一方面，依据“大物流小生产”的原则，还有“制造工厂物流中心化”的发展趋势，柔性生产的本质与基础是物流的柔性[3]。比如，丰田生产模式是以物流均衡和工序平衡作为基本原则，借助目标追踪法来进行混流排产，达成整体物流均衡、运作高效、产出柔性的混线生产模式 。

因此，实现柔性生产，重中之重是要构建一套柔性物流系统，这套系统要能支持柔性生产要求，它具有广泛的适用性，需满足生产需求的柔性，还要满足物流系统自身柔性这两个方面的要求。满足生产需求柔性，这包括产品多样化，淡旺季需求波动，交付周期波动，业务场景多样性等方面 ；满足物流系统自身柔性，这包括物流系统可扩展性，物流能力柔性，可迁移性，多场景适用性等方面。

柔性物流系统升级的基本范式与核心要点

1.系统规划、理顺逻辑，建设“柔性能力”是一个系统工程

“柔性”具有相对性，不存在统一标准，在不同行业、不同环境、不同企业、不同车间以及产线中，对柔性的要求各不相同。然而，任何柔性物流的切入点，都要遵循并匹配柔性制造工艺的要求，使其成为柔性制造工艺的一部分，进而实现柔性物流场景设计。要通过“规划一体化、建设一体化、运营一体化”来提升柔性能力。

为此，要明确企业在3至5年周期内所需的“柔性度”，例如要兼容多少产品，要适用多少场景，要匹配哪些场景，要满足多大的能力边界等 。当然，工厂规划不应一味追求柔性，不能为了柔性而柔性 。一般情况下，过度的柔性化设计会导致更大的投入 。同时，要系统思考实现柔性物流的能力和技术选择 。柔性和刚性是相互对立的，在一些没必要展现为柔性的地方，能够采用相对刚性的设计，有时借助刚性的物流技术达成柔性的业务逻辑，或许会更经济、合理。在并行工程和智能制造的需求背景下，要对未来的产品、场景、当量进行评估与预测，基于此，需借助模型、算法和仿真技术，来规划“多剧本”物流系统部署，可通过应用柔性化设施，保留系统可扩展性（即系统可增可减），采取设备租赁方式，实现多系统结合互补，进行淡旺季版本切换等措施，以此来应对需求变化、产品迭代、订单波动以及业务场景增加等情况。

2.设计柔性化物流的最小物流单元

单纯地设计“制造物流柔性化”是没有意义的，因为这过于抽象。在某个特定制造系统里，要提前寻找到该系统的最小物流单元，使其合理化、标准化、数字化、智能化，将其通过不同产品逻辑、制造逻辑、交付逻辑梳理，构建成柔性化物流流线与制造动线，形成制造系统和物流系统连接的纽带，在制造－物流作业场景实现联动 。

不管产品多么复杂，不论场景多么复杂，无论物料多么复杂，都能够依据物料的特性来进行分类，还能够依据物料的特性来进行SU设计。按照物料的体积、重量，可将其分为大、中、小物料，按照物料的形状，能把它分为条状、面状、体状，基于此开展SU设计，在包装类型、尺寸等方面尽力进行标准化设计，如此一来，物流系统从要解决成千上万的产品、物料、场景组合问题，简化成通过柔性化物流工艺逻辑处理少量的SU设计和联动问题。某汽车厂开展包装标准化设计工作，把上万种物料的包装进行统一，使其成为5种标准料箱、4种类型标准料架，其中料架尺寸和底盘实现标准化，上部结构则进行个性化设计，以此满足不同物料的放置需求，最终大幅降低了物流系统的复杂度以及物流管理难度。在SU设计的基础上，进一步开展条码设计，进行RFID设计，开展包装与物流设备匹配性与兼容性设计等，实现物流单元的智能化，实现物流单元的能动性，匹配智能物流系统，甚至调度智能物流系统。

3.智能工厂物流中心化引领柔性制造升级

在以消费者需求为导向的柔性交付体系里，柔性生产着重大规模定制的能力，固定的产线被颠覆，大规模排队而非并行的生产模式也被颠覆，生产与物流高度融合的柔性化产线或车间取而代之。在“智能工厂物流中心化”导向下，柔性智能工厂的规划有更多表现，将智能生产设施嵌入智能物流系统，使其成为柔性化物流系统不可缺少的环节与部分，生产被看作是在物流过程中嵌入符合供应链价值导向及运作要求的工厂、车间或产线，物流单元（产品或者SU）贯通供应链始终，成为端到端协同打通的有效承载，进而实现有效交付。此时的智能工厂，能够满足标准化生产的需求，能够满足大规模生产的需求，能够满足低成本生产的需求，还能够满足定制化生产的需求，能够满足小批量生产的需求，能够满足柔性化生产的需求。

4.“货到人”拣选是柔性制造物流系统的关键

在柔性生产系统里，其模式与大规模流水线单一品种按顺序流动不同，存在多种形式，包括单件流、混流、交叉流、项目制、作业岛等，这给物料的齐套拣选与配送上线带来了多样化挑战，例如SPS齐套配送、多工位单台套配送、单工位多台套配送、固定批量多台套配送等。飞机、轮船等大型装备，工程机械，汽车，高端装备，机械设备等离散制造行业，通常多种配送方式同时存在。在传统模式里，完成物料拣配作业需要大量的物流功能区域以及人员，而且很难确保及时性、准确性和齐套性。如今，在越来越多的智能工厂里，“货到人”拣选技术与自动化立体仓储技术结合起来应用，这解决了工厂空间有效利用的问题，还满足了多种模式和场景的高效拣选需求。“货到人”技术应用于柔性制造物流系统时，主要存在这样的问题，不同的拣选单元、拣选模式所对应的流量和作业量差异极大，例如整箱出库和单台套拣选，它们的流量差异能达到上十倍甚至百倍。所以，企业要明确SU设计、拣选模式以及流量，才能够科学地匹配适宜的物流技术，以此满足该场景 。

5.构建柔性叫料系统，赋能智能制造

柔性智能物流系统必须具备核心能力，无论生产系统怎样复杂，其中之一是，能把工位物流需求借助模型和算法，准确转化成可执行指令，进而精准指挥物流系统，持续不断地将准确的物流单元（SU）配送至指定工位或作业区域[4] 。在某冰箱智能工厂内，一条产线同时进行混线生产，生产十多个型号的产品，某个工位生产的产品不断发生变化，且变化无明显规律，这意味着该工位需要的物料也在不断切换，不同的工位采取多种配送逻辑，包括跟线排序配送、跟单配送、共享配送等 。该工厂搭建了多产品混流生产复杂环境下的算法模型，整合了智能排程、在线产品实时采集、工位库存水位设置和实时扣减等信息，精确计算出工位物料需求，按工位、按物料生成了准确可执行的物料拉动指令，实现了物流系统的自决策和自调试，提高了产线柔性生产能力。

在传统工厂里，工位（线边）通常会出现十多种物料（包装单元），这占用了很大的存储面积，作业人员辨识物料需要耗费时间和精力，还要做迂回反复的物料搬运、倒腾作业，这大大提高了作业的复杂度，还导致产品质量不稳定，所以自然难以保证有效的“柔性化”。

6.基于供应链全过程协同拉通的快速交付系统

柔性物流系统能不能支撑柔性生产，在很大程度上要取决于企业有没有柔性、快速的供应链响应能力，以及有没有柔性、快速的供应链交付能力。快速交付系统着重于供应链从起始到终端的贯通，将快速交付当作最终目标，把供应链计划作为核心，构建需求计划、生产计划、物流计划、供应计划的协同机制，达成各物流节点的准时化、协同化运作，像供应商物料准时且按序到货、Milk-run上门收货、第三方物流准时配送、自制件随总装线生产、成品下线后直接发货/下线装柜等 。通过这些模式和策略，构成一个基于供应链全过程协同拉通的快速交付系统，这个系统能确保快速响应市场需求变化，能满足多样化客户需求，还能降低整个系统的成本[5]。

库存部署是整个供应链的关键所在，它能让物流系统实现柔性。一方面，库存可中和上下节点在节拍、周期、批量、换型、工作时间、质量差异等方面的不同，使制造过程顺利开展。另一方面，在柔性物流系统里，物料一般呈现出多品种供应的特点，物料还呈现多批次供应的特点，物料也呈现小批量供应的特点，其管理相对较为复杂，容易出现不齐套的问题，容易出现缺料的问题，容易出现呆滞的问题，容易出现找料的问题，容易出现错料等方面的问题。因此，柔性智能物流系统要有效地支撑库存的自动进出功能，要支撑实时进账功能，要支撑库位管理功能，要支撑自动盘点功能，要支撑状态管理等功能，它能够与生产计划进行预测性匹配，还能与物流作业计划进行预测性匹配，在确保账实一致性的同时，为物料的供应提供准确的信息支持。

不同作业场景下柔性物流的表现形式及物流技术应用特点

1.高端装备的“智能工厂物流中心化”柔性制造系统

高端装备制造一般属于典型的离散制造模式，其需求个性化，项目制特点较为明显，具有工艺路线长且复杂的特征，具有工艺断点多的特征，具有物料种类多的特征，具有中间库存多的特征，具有生产现场乱的特征。某高端装备制造企业依据“智能工厂物流中心化”这一设计理念 ，进行了规划 ，建设了一个友好型高端装备制造智能工厂 ，该工厂物料搬运距离近 ，员工劳动强度低 ，人机高度协同 ，参观体验佳 。该工厂的布局以自动化立体库作为核心功能区域，如图1、图2所示，其通过“一个物流中心”串联起所有工序，把原来复杂的工序间配送路线转变为库内运作，使生产与数字化物流系统融合为一体，充分展现了“智能工厂物流中心化”的规划、建设以及运营理念。在此基础上，要实现物料入库、齐套、出库全过程的信息化调度，让实物流和信息流高度同步，使关键物料能够精准追溯，达成物料全局齐套管理以及缺料风险自动预警。同时，该工厂对机加行业的作业方式进行了颠覆，基本杜绝了物料搬运对叉车、行车和人工的依赖。

图1 某高端装备智能工厂的物流中心化布局思路对比

2.多订单多产线模式下的小件物料“云物流”系统

在传统模式下，制造企业小件物料的物流业务环节不少，类似零件数量多，有出现错配错选的风险，人工拣选和盘点的工作量很大。某家电制造工厂创新性地搭建了工位拉动小件空中“云物流”系统。如图3所示，把小件物料的存储、运输、配送规划到产线的上空 。该系统促使供方来料运用输送链及CTU进行入库存储，借助产线上方的空间，打造出小件立体智能物流系统，该系统经济适用、响应快速、运作垂直且质感高端；与此同时，通过智能叫料系统对空中线及CTU进行调度，将其配送至线边工位，实现在线扫描并自动识别，减少人为判断，防止信息丢失或出现错误；另外，该系统依靠RFID技术，在多订单、多产线、多型号模式下实现物料自动匹配以及在线实时盘点。

图2 智能工厂物流中心化场景

图3 多订单多产线模式下的小件物料云物流系统

3.多型号混线生产模式的积放链系统

柔性智能积放链系统在多种型号混线生产模式下有很多应用，这些模式包括冰箱门体、洗衣机控制面板、汽车门体、空调、暖通行业的配管生产、成衣行业、家纺家居企业等。以冰箱门体物流场景为例，在冰箱多型号混线生产模式下，门体与箱体匹配是一个大痛点。在传统模式下，门体库存常常在生产线边堆积如山，整体品质以及错装风险都比较高。门体积放链系统运用差速悬挂链技术，借助机械手自动下线装车，利用RFID进行型号绑定，采用“贪婪算法”分配最优巷道，通过悬挂链积放存储，实现门箱型号匹配，再经悬挂链排序配送上线等技术，达成物料自动分拣、自动配送、型号自动匹配 。如图4、图5所示。

图4 门体积放链存放系统

图5 工位门箱单套匹配

4.“去中心化”制造的柔性产线与成套配送系统

“去中心化”制造有其特点，呈现出个性化（项目制），体积较大，节拍缓慢，物料众多，生产离散（甚至是孤岛式生产），直接采用专用的智能物流设备（如重载AGV）作为工位载体，或者采用固定工位加工的方式。如图6所示，此时工厂里看不到传统的组装流水线，一个个AGV移动工作台和物流分组取而代之，它们沿着工艺路线自动行走，穿梭于各个物流群组中，还能够携带产品在装配过程中的重要信息，这些信息可有效避免工人实际操作中发生人为差错。这种生产模式采用AGV作为产线装配与物料搬运载具，它不再受传统流水线的刚性束缚，大大提高了生产柔性，也大大提高了响应速度。

图6 AGV产线示意

与之相匹配的，“去中心化”工厂普遍采用单台套配送的方式 。这种配送方式发源于丰田汽车 ，被称为SPS（Set ）系统 。目前它不仅在绝大多数整车厂普及应用 ，这些整车厂包括新能源汽车生产厂 ，还在高端装备工厂 、飞机动车轮船等大型产品工厂 、工程机械工厂 、储能设备工厂中得到广泛应用 。单台套配送每次拣选并配送单台份的物料，这能让整个物流系统拥有极致的柔性，可减少、消除多料、少料、错料的状况，还能减少生产线人员检查物料的时间，减少跟踪物料的时间，减少整理物料的时间，减少寻找物料的时间，减少管理物料的时间，消除线边多余物料，并且彻底实现零部件的可追溯性。图7为丰田汽车单台套上线（SPS）模式。

图7 丰田汽车SPS运作模式

与汽车行业单台套随行不同，由于“去中心化”制造节拍慢，单工位物料多，上述这些行业的企业往往采用单工位、单台套配送的方式，或者采用单工位、多台套配送的方式，且物料在工装车上放置多采用“影子板”模式，如图8所示，其目的是通过隔板上的形状、数量和标识防止物料错漏，并起到质量防护作用。这样，具备了单台套配送的优点，结合了行业生产的特征，使得整个柔性物流系统更加匹配“去中心化”的柔性制造[6] 。

图9 某“去中心化”制造工厂的“影子板”单台套配送模式

5.不同生产节拍的柔性混线生产系统

以空调行业为例，传统空调产线通常采用大批量生产模式，先生产一种型号，接着生产下一种型号，在此情形下，该产线仅能生产少数节拍相同或相近的机型。若在同一条产线生产的机型节拍差异较大（比如在同一条产线生产大中小多种型号的空调），那么型号切换会致使较大的效率损失，还会增加交付的机会成本及风险。如图9所示，该工厂把丰田混线生产模式引入空调产线，还引入了单台套配送模式，一条空调产线因此能够同时生产多种机型，这些机型结构不同，体积也不同。同时，基于多种机型总工时的平衡，实现了产线的平准化生产，消除了换型效率损失，综合生产效率提高了17.4%，产线在每个时段都能同时高效生产多个机型的产品 。

图9 两种生产模式对比示意

6.关键零部件行业“智能工厂物流中心化”

以机电行业为例，机电行业有某智能工厂，它面向产品多样化的要求，面向需求个性化的要求，面向生产定制化的要求，面向交付柔性化等方面的要求，在该智能工厂内部，生产和物流充分融合，形成了“智能工厂物流中心化”的布局和运营逻辑。图10展示的是某机电企业的物流－生产布局逻辑，它的最大特点是物流与生产融合为一体，该工厂不存在严格意义上的产线，而是有具备不同功能和工艺特征的加工中心，这些加工中心由不同设备和加工单元组成，所有加工单元之间依靠物流路线来连接 。

图10 智能工厂物流中心化布局逻辑

在生产过程里，不存在针对某一个产品的完全固定的产线，而是以AGV作为载具，依照生产计划排程的顺序以及加工路线，经由“原材料出库”，接着到“加工中心1”，再到“加工中心2”，然后是“加工中心3”，随后是“加工中心4”，再之后是“加工中心5”，接着是“入库暂存”，最后是“装车发运”，以此完成整个生产过程。某些产品要按顺序逐个经过每个加工中心，某些产品若无需经过某个加工中心，就由系统指挥AGV直接跳过，然后进入下一个加工中心，如此实现生产的高度柔性化，如同图10蓝色和红色路线所展示的那样，订单A与订单B是系统经运算规划出各自加工路线的，借助AGV完成工序间的对接以及物料配送。

结语

概括来说，要在柔性生产模式下打造柔性物流系统，需要在四个方面付出努力：

提升柔性能力，柔性生产模式所强调的“柔性能力”，主要体现在柔性生产能力与柔性交付能力上，因此要以终为始，通过定义“柔性交付”能力，倒逼“柔性生产”能力，将此作为物流服务的核心，梳理“柔性物流”的基础逻辑，进而提炼出柔性物流系统规划、构建及运营的主要旋律。

优化柔性工艺，在柔性生产模式下，制造业物流系统升级要紧密结合产品策略与产品工艺需求，达成柔性制造工艺和物流工艺一体化，然而，制造与物流毕竟各有侧重，致使制造批量和物流批量存在异同，这需依据特定的制造和物流场景来设定，由此决定了SU的设计，进而定义了柔性物流的流动基础以及物流技术选型的导向。

3.强化柔性信息平台。柔性生产模式下的物流系统，更要强调信息与物理系统的对应性。在定义“柔性物流系统”的前期，就应规划“柔性物流信息平台”。不能仅靠传统的WMS软件来满足“作业要求”。没有物流工艺分析，即对每个物料SU进行详细规划和设计Plan For Part PFEP的物流信息系统，是不合时宜的。没有解决工位“柔性配送（）”需求的物流模式和信息拉动，是不负责任的。

提升柔性思想，柔性生产模式下制造业物流系统升级需要有“柔性”思维，这对物流团队专业素养要求更高，甚至需要有一定创新和改革能力，要打破过去的批量思维、模块思维、中心思维，以此摆脱路径依赖，规划出能真正表达“每一个物料的声音（Of, VOM）”的柔性物流（对话而非调度）系统。

参考文献:

管理科学技术名词审定委员会编著，管理科学技术名词，北京，科学出版社，2016年出版，第228页。

[2]邱伏生.智能供应链[M].机械工业出版社,2019.

陈明、梁乃明所著，名为《智能制造之路-数字化工厂》的书籍，由机械工业出版社于2016年出版。

严隽薇著有《现代集成制造系统概论——理念、方法、技术、设计与实施》，该书由清华大学出版社于2007年出版。

邱伏生，其研究主题为制造企业的供应链信息平台发展与应用，发表于《物流技术与应用》2020年第2期 。

理查德.B.蔡斯、尼古拉斯.J.阿奎拉诺、F.罗伯特.雅各布斯所著的《运营管理》，由机械工业出版社于2004年在北京出版发行 。

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编辑、排版：罗丹

本文内容来源于《物流技术与应用》2024年第3期（点击查看掌上电子刊），进行了删减修改。