1.柔性生產

柔性生產是一種以“制造系統(tǒng)響應內外環(huán)境變化的能力”為核心的生產模式，由英國Molins公司在1965年首次提出；1998年美國里海大學和GM公司共同提出柔性生產模式AM（Agile manufacturing），現已成為“21世紀制造業(yè)戰(zhàn)略”[1]。相對于“成本增加、過量庫存、適應市場的靈敏度低”的剛性生產模式而言，柔性生產更能增強制造企業(yè)的靈活性和應變能力，縮短產品生產周期，提高設備利用率和員工勞動生產率，改善產品質量，更能夠適應市場需求多變和市場競爭激烈，是市場導向型的按需生產的先進生產模式。

柔性生產系統(tǒng)，集中了精益生產、并行工程、敏捷制造、智能制造等生產模式的要義。在一個現代化的柔性智能制造系統(tǒng)中，可能包含上述一個或者多個生產模式，形成系統(tǒng)工程，從而實現工廠小批量、多品類、多流程、多形態(tài)、多單元的快速轉換與協(xié)同生產[2]。面對個性化需求、數字化轉型、智能化升級的市場環(huán)境，柔性生產系統(tǒng)更需要具備虛擬制造和訂單仿真、提前預警的能力，即運用仿真、建模、虛擬現實等技術，提供三維可視環(huán)境，從產品設計、研發(fā)到生產制造全過程進行模擬，以實現在產品生產制造以前，就能準確預估產品的可制造性和可流動性，從而降低成本，實現彈性生產，縮短交付周期。

2.柔性生產模式對物流的要求

一方面，柔性生產系統(tǒng)通常具備機器柔性、工藝柔性、產品柔性、維護柔性、生產能力柔性、擴展柔性、運行柔性等特征，但其核心是“有效實現訂單交付”，亦即需要將不同訂單的物料（原材料、在制品、成品等）有效組織起來，按照精益生產的原則，實現物料的有序流動，使得復雜多樣的物料“在恰當的時候、以恰當的數量、出現在恰當的位置（工位）”，從而實現柔性生產與柔性交付。

另一方面，根據“大物流小生產”的原則，以及“制造工廠物流中心化”的發(fā)展趨勢，柔性生產的本質和基礎是物流的柔性[3]。如，豐田生產模式就是以物流均衡和工序平衡為基本原則，通過目標追蹤法進行混流排產，實現整體物流均衡、運作高效、產出柔性的混線生產模式。

因此，實現柔性生產的重中之重，就是要構建一套足以支持柔性生產要求的柔性物流系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有廣泛的適用性，需要滿足生產需求的柔性和物流系統(tǒng)自身柔性兩個方面的要求。滿足生產需求柔性，包括產品多樣化、淡旺季需求波動、交付周期波動、業(yè)務場景多樣性等方面；滿足物流系統(tǒng)自身柔性，包括物流系統(tǒng)可擴展性、物流能力柔性、可遷移性、多場景適用性等方面。

1.系統(tǒng)規(guī)劃、理順邏輯，建設“柔性能力”是一個系統(tǒng)工程

“柔性”是相對的，沒有統(tǒng)一標準，不同行業(yè)、不同環(huán)境、不同企業(yè)、不同車間和產線，其柔性的要求都不一樣。但是任何柔性物流的切入點，都需要遵循和匹配柔性制造工藝的要求，使之成為柔性制造工藝的一個部分，并以此來實現柔性物流場景設計。通過“規(guī)劃一體化、建設一體化、運營一體化”，來實現柔性能力的提升。

為此，需要明確企業(yè)在3～5年周期內需要怎樣的“柔性度”，比如要兼容多少產品、適用多少場景、匹配哪些場景、滿足多大的能力邊界等。當然，工廠規(guī)劃不應一味追求柔性，不能為了柔性而柔性，一般情況下，（過度的）柔性化設計會導致更大的投入。同時，需要系統(tǒng)思考實現柔性物流的能力和技術選擇。柔性與剛性是相對的，有些沒有必要表現為柔性的地方，可以采用相對剛性的設計，有時通過剛性的物流技術實現柔性的業(yè)務邏輯，可能更加經濟、合理。在并行工程和智能制造的需求下，基于對未來的產品、場景、當量的評估與預測，需要借助模型、算法和仿真技術，規(guī)劃“多劇本”物流系統(tǒng)部署，通過應用柔性化設施、保留系統(tǒng)可擴展性（可增可減）、設備租賃、多系統(tǒng)結合互補、淡旺季版本切換等措施，以應對需求變化、產品迭代、訂單波動和業(yè)務場景增加等。

2.設計柔性化物流的最小物流單元

單純地設計“制造物流柔性化”是沒有意義的，因為這過于抽象。在某個特定的制造系統(tǒng)中，只有提前尋找（規(guī)劃）到該系統(tǒng)的最小物流單元，并使之合理化、標準化、數字化、智能化（Smart Unit, SU），才能夠將其通過不同的產品邏輯和制造邏輯、交付邏輯進行梳理，構建成為柔性化的物流流線與制造動線，形成制造系統(tǒng)和物流系統(tǒng)連接的紐帶，并且在制造－物流作業(yè)場景實現聯動。

無論產品、場景、物料有多復雜，都可以基于物料的特性進行分類和SU設計。比如，按照物料的體積、重量可以分為大、中、小物料，按照物料的形狀可以分為條狀、面狀、體狀，在此基礎上進行SU設計，在包裝類型、尺寸等方面盡量進行標準化設計，從而使得物流系統(tǒng)從需要解決成千上萬的產品、物料、場景組合問題，簡化為通過柔性化物流工藝邏輯處理少量的SU設計和聯動的問題。比如，某汽車廠通過包裝標準化設計，將上萬種物料的包裝統(tǒng)一成5種標準料箱、4種類型標準料架（料架尺寸和底盤標準化，上部結構個性化設計以滿足不同物料的放置需求），大幅降低了物流系統(tǒng)的復雜度和物流管理難度。在SU設計的基礎上，進一步通過條碼、RFID、包裝與物流設備匹配性與兼容性設計等，實現物流單元的智能化和能動性，匹配甚至調度智能物流系統(tǒng)。

3.智能工廠物流中心化引領柔性制造升級

在以消費者需求為導向的柔性交付體系中，柔性生產強調大規(guī)模定制的能力，固定的產線、大規(guī)模（排隊而非并行）的生產模式正在被顛覆，取而代之的是生產與物流高度融合的柔性化產線或車間。在“智能工廠物流中心化”導向下，柔性智能工廠的規(guī)劃更多表現為，將智能生產設施嵌入到智能物流系統(tǒng)中，使其成為柔性化物流系統(tǒng)的一個不可缺少的環(huán)節(jié)和部分，生產被認為是在物流過程中嵌入一個符合供應鏈價值導向和運作要求的工廠、車間或產線，而物流單元（產品或者SU）貫通供應鏈始末，成為端到端協(xié)同打通的有效承載，從而實現有效交付。此時的智能工廠，既能夠滿足標準化、大規(guī)模、低成本生產的需求，也能夠滿足定制化、小批量、柔性化生產的需求。

4.“貨到人”揀選是柔性制造物流系統(tǒng)的關鍵

在柔性生產系統(tǒng)中，不同于大規(guī)模流水線單一品種按順序流動的模式，存在單件流、混流、交叉流、項目制、作業(yè)島等多種形式，這對物料的齊套揀選與配送上線提出多樣化的挑戰(zhàn)。比如，SPS齊套配送、多工位單臺套配送、單工位多臺套配送、固定批量多臺套配送等。飛機、輪船等大型裝備、工程機械、汽車、高端裝備、機械設備等離散制造行業(yè)，往往都是多種配送方式并存。在傳統(tǒng)模式下，需要大量的物流功能區(qū)域（面積）和人員才能完成物料揀配作業(yè)，并且難以保證及時性、準確性和齊套性。如今，在越來越多的智能工廠中，“貨到人”揀選技術和自動化立體倉儲技術結合應用，既解決了工廠空間有效利用的問題，又滿足了多種模式和場景的高效揀選需要。而“貨到人”技術在柔性制造物流系統(tǒng)中應用的主要問題是，不同的揀選單元、揀選模式對應流量和作業(yè)量的差異巨大，比如整箱出庫和單臺套揀選，其流量差異可達上十倍甚至百倍。因此，企業(yè)需要明確SU設計、揀選模式和流量，才能科學匹配合適的物流技術來滿足該場景。

5.構建柔性叫料系統(tǒng)，賦能智能制造

無論生產系統(tǒng)如何復雜，柔性智能物流系統(tǒng)必須具備的核心能力之一，是能夠將工位物流需求通過模型和算法，準確地轉化成可執(zhí)行的指令，從而精準地指揮物流系統(tǒng)，將準確的物流單元（SU）連續(xù)不斷地配送至指定的工位或作業(yè)區(qū)域[4]。比如，在某冰箱智能工廠內，一條產線同時混線生產十多個型號產品，某個工位生產的產品不斷發(fā)生無明顯規(guī)律的變化，這也就意味著該工位需要的物料也在不斷切換，且不同的工位采取跟線排序配送、跟單配送、共享配送等多種配送邏輯。該工廠通過搭建多產品混流生產復雜環(huán)境下的算法模型，整合智能排程、在線產品實時采集、工位庫存水位設置和實時扣減等信息，精確計算工位物料需求，按工位、按物料生成準確可執(zhí)行的物料拉動指令，實現物流系統(tǒng)的自決策和自調試，提高產線柔性生產能力。

而在傳統(tǒng)的工廠，通常會在工位（線邊）出現十多種物料（包裝單元），既占用很大的存儲面積，又需要作業(yè)人員耗時間和精力去辨識物料，并且需要做迂回反復的物料搬運、倒騰作業(yè)，大大提高了作業(yè)的復雜度和產品質量的不穩(wěn)定性，如此便自然難以保證有效的“柔性化”。

6.基于供應鏈全過程協(xié)同拉通的快速交付系統(tǒng)

柔性物流系統(tǒng)能否支撐柔性生產，很大程度上取決于企業(yè)是否具備柔性、快速的供應鏈響應和交付能力?？焖俳桓断到y(tǒng)強調供應鏈端到端的拉通，以快速交付為終極目的，以供應鏈計劃為龍頭，建立需求計劃－生產計劃－物流計劃－供應計劃的協(xié)同機制，實現各物流節(jié)點上的準時化（JIT）、協(xié)同化運作，比如供應商物料準時化和排序化到貨、Milk-run上門收貨、第三方物流（3PL）準時化配送、自制件跟隨總裝線生產、成品下線直發(fā)/下線裝柜等。通過這些模式和策略，構成基于供應鏈全過程協(xié)同拉通的快速交付系統(tǒng)，確保整個系統(tǒng)能夠快速響應市場需求變化，滿足多樣化客戶需求，降低整個系統(tǒng)的成本[5]。

整個供應鏈的庫存部署也是物流系統(tǒng)實現柔性的關鍵所在。一方面，庫存可以很好地中和上下節(jié)點之間節(jié)拍、周期、批量、換型、工作時間、質量差異等方面的差異，使得制造過程能夠順利進行。另一方面，在柔性物流系統(tǒng)中，物料通常呈現多品種、多批次、小批量供應的特征，管理相對比較復雜，容易出現不齊套、缺料、呆滯、找料、錯料等方面的問題。因此，柔性智能物流系統(tǒng)需要有效地支撐庫存的自動進出、實時進賬、庫位管理、自動盤點、狀態(tài)管理等功能，能夠與生產計劃和物流作業(yè)計劃進行預測性匹配，在確保賬實一致性的同時，為物料的供應提供準確的信息支持。

1.高端裝備的“智能工廠物流中心化”柔性制造系統(tǒng)

高端裝備制造一般屬于典型的離散制造模式，需求個性化、項目制特點較為明顯，具有工藝路線長且復雜、工藝斷點多、物料種類多、中間庫存多、生產現場亂等特征。某高端裝備制造企業(yè)基于“智能工廠物流中心化”的設計理念，規(guī)劃和建設了一個物料搬運距離近、員工勞動強度低、人機高度協(xié)同、參觀體驗佳的友好型高端裝備制造智能工廠。如圖1、圖2所示，該工廠以自動化立體庫為核心功能區(qū)域進行布局，通過“一個物流中心”串聯了所有工序，將原來復雜的工序間配送路線轉換為庫內運作，生產與數字化物流系統(tǒng)融為一體，充分體現了“智能工廠物流中心化”的規(guī)劃、建設與運營理念。在此基礎上，實現物料入庫、齊套、出庫的全過程信息化調度、實物流和信息流高度同步、關鍵物料可精準追溯、物料全局齊套管理和缺料風險自動預警。同時，該工廠顛覆了機加行業(yè)的作業(yè)方式，基本杜絕物料搬運對叉車、行車和人工的依賴。

圖1 某高端裝備智能工廠的物流中心化布局思路對比

2.多訂單多產線模式下的小件物料“云物流”系統(tǒng)

在傳統(tǒng)模式下，制造企業(yè)小件物料的物流業(yè)務環(huán)節(jié)較多，類似零件多，存在錯配錯選風險，人工揀選、盤點工作量大。某家電制造工廠創(chuàng)造性地構建了工位拉動小件空中“云物流”系統(tǒng)。如圖3所示，將小件物料的存、運、配規(guī)劃至產線的上空。該系統(tǒng)推動供方來料采用輸送鏈及CTU入庫存儲，利用產線上方空間，打造經濟適用、快速響應、垂直運作、高端質感的小件立體智能物流系統(tǒng)；同時，通過智能叫料系統(tǒng)調度空中線及CTU配送至線邊工位，實現在線掃描自動識別，減少人為判斷，避免信息丟失或錯誤；此外，該系統(tǒng)借助RFID技術實現多訂單、多產線、多型號模式下物料自動匹配及在線實時盤點。

圖2 智能工廠物流中心化場景

圖3 多訂單多產線模式下的小件物料云物流系統(tǒng)

3.多型號混線生產模式的積放鏈系統(tǒng)

柔性智能積放鏈系統(tǒng)在（冰箱門體、洗衣機控制面板、汽車門體、空調、暖通行業(yè)的配管生產、成衣行業(yè)、家紡家居企業(yè)等）多型號混線生產模式下多有應用。以冰箱門體物流場景為例，門體與箱體匹配是冰箱多型號混線生產模式下的一大痛點，在傳統(tǒng)模式下，往往門體庫存在生產線邊堆積如山，整體品質及錯裝風險較高。門體積放鏈系統(tǒng)采用差速懸掛鏈技術，通過機械手自動下線裝車、RFID進行型號綁定、“貪婪算法”分配最優(yōu)巷道、懸掛鏈積放存儲、門箱型號匹配、懸掛鏈排序配送上線等技術，實現物料自動分揀、自動配送、型號自動匹配。如圖4、圖5所示。

圖4 門體積放鏈存放系統(tǒng)

圖5 工位門箱單套匹配

4.“去中心化”制造的柔性產線與成套配送系統(tǒng)

“去中心化”制造的特點是個性化（項目制）、體積大、節(jié)拍慢、物料多、生產離散（甚至是孤島式生產），直接采用專用的智能物流設備（如重載AGV）作為工位載體，或者采用固定工位加工的方式。如圖6所示，此時工廠里見不到傳統(tǒng)的組裝流水線，取而代之的是一個個AGV移動工作臺和物流分組，沿著工藝路線自動行走，穿梭于各個物流群組中，且能夠攜帶產品在裝配過程中的重要信息，這些信息可以有效避免工人實際操作中發(fā)生人為差錯。這種采用AGV作為產線裝配與物料搬運載具的生產模式，不再有傳統(tǒng)流水線的剛性束縛，大大提高了生產柔性和響應速度。

圖6 AGV產線示意

與之相匹配的，“去中心化”工廠普遍采用單臺套配送的方式。單臺套配送發(fā)源于豐田汽車，稱為SPS（Set Parts Supply）系統(tǒng)，目前不僅在包括新能源汽車生產的絕大多數整車廠普及應用，在高端裝備、飛機動車輪船等大型產品、工程機械、儲能設備等工廠中也得到廣泛應用。單臺套配送每次揀選和配送單臺份的物料，使得整個物流系統(tǒng)具備極致的柔性，可減少和消除多料、少料、錯料的情況，同時也減少生產線人員檢查、跟蹤、整理、尋找、管理物料的時間，消除線邊多余物料，并徹底實現零部件的可追溯性。圖7為豐田汽車單臺套上線（SPS）模式。

圖7 豐田汽車SPS運作模式

與汽車行業(yè)單臺套隨行不同的是，由于“去中心化”制造節(jié)拍慢、單工位物料多，上述這些行業(yè)的企業(yè)往往采用單工位、單臺套配送，或者單工位、多臺套配送的方式，且物料在工裝車上放置多采用“影子板”模式，如圖8所示。其目的是通過隔板上的形狀、數量和標識，來防止物料錯漏，并起到質量防護作用。這樣，既具備了單臺套配送的優(yōu)點，又結合了行業(yè)生產的特征，使得整個柔性物流系統(tǒng)更加匹配“去中心化”的柔性制造[6]。

圖9 某“去中心化”制造工廠的 “影子板”單臺套配送模式

5.不同生產節(jié)拍的柔性混線生產系統(tǒng)

以空調行業(yè)為例，傳統(tǒng)的空調產線一般采取大批量生產的模式，先生產一種型號，再生產下一種型號，這種情況下該產線只能生產少數節(jié)拍相同或相近的機型。如果在同一條產線生產的機型節(jié)拍差異較大時（比如在同一條產線生產大中小多種型號的空調），型號切換將導致較大的效率損失，并增加交付的機會成本及風險。如圖9所示，該工廠將豐田混線生產和單臺套配送模式引入空調產線，使得一條空調產線能夠同時生產不同結構、不同體積的多種機型。同時，基于多種機型總工時的平衡，實現了產線的平準化生產，消除了換型效率損失（綜合生產效率提高17.4%），使得產線能夠在每個時段都能同時高效生產多個機型的產品。

圖9 兩種生產模式對比示意

6.關鍵零部件行業(yè)“智能工廠物流中心化”

以機電行業(yè)為例，機電行業(yè)某智能工廠面向產品多樣化、需求個性化、生產定制化、交付柔性化等方面的要求，智能工廠內部的生產和物流充分融合，形成“智能工廠物流中心化”的布局和運營邏輯。圖10為某機電企業(yè)的物流－生產布局邏輯，其最大特點在于物流和生產渾然一體，該工廠沒有嚴格意義上的產線，取而代之的是具有不同功能和工藝特征的加工中心，加工中心由不同的設備和加工單元構成，所有的加工單元之間通過物流路線進行連接。

圖10 智能工廠物流中心化布局邏輯

生產過程中，針對某一個產品并沒有一條完全固定的產線，而是由AGV作為載具，按照生產計劃排程的順序和加工路線，通過“原材料出庫－加工中心1－加工中心2－加工中心3－加工中心4－加工中心5－入庫暫存－裝車發(fā)運”完成整個生產過程。某些產品需要按照順序經過每個加工中心，某些產品不需要經過某個加工中心則由系統(tǒng)指揮AGV直接跳過，再進入下個加工中心，以此實現生產的高度柔性化，如圖10藍色和紅色路線所示，訂單A和訂單B為系統(tǒng)通過運算規(guī)劃其各自的加工路線，通過AGV完成工序間的對接和物料配送。

概括而言，在柔性生產模式下打造柔性物流系統(tǒng)需要在4個方面發(fā)力：

1.提升柔性能力。柔性生產模式強調的是“柔性能力”，主要體現在柔性生產和柔性交付能力，由此需要以終為始地通過定義“柔性交付”能力，倒逼“柔性生產”能力，并以此作為物流服務的核心，來梳理“柔性物流”的基礎邏輯，從而提煉出柔性物流系統(tǒng)規(guī)劃、構建和運營的主要旋律。

2.優(yōu)化柔性工藝。柔性生產模式下，制造業(yè)物流系統(tǒng)升級需要緊密結合產品策略和產品工藝需求，做到柔性制造工藝和物流工藝一體化。但是，由于制造和物流畢竟有所側重，所以制造批量和物流批量有所異同，這需要根據特定的制造和物流場景來設定，由此也決定了SU的設計，從而定義了柔性物流的流動基礎和物流技術選型的導向。

3.強化柔性信息平臺。柔性生產模式下物流系統(tǒng)更需要強調信息－物理系統(tǒng)的對應性，在定義“柔性物流系統(tǒng)”的先期，就應該規(guī)劃“柔性物流信息平臺”，而不是僅僅通過傳統(tǒng)的WMS軟件來滿足“作業(yè)要求”，沒有物流工藝分析（對每個物料SU進行詳細的規(guī)劃和設計Plan For Every Part PFEP）、設計、仿真（甚至早期預警）的物流信息系統(tǒng)是不合時宜的；沒有解決工位“柔性配送（feeding）”需求的物流模式和信息拉動，是不負責任的。

4.提升柔性思想。柔性生產模式下制造業(yè)物流系統(tǒng)升級更需要有“柔性”的思維，這對于物流團隊的專業(yè)素養(yǎng)要求更高，甚至需要有一定的創(chuàng)新和改革的能力，需要打破過去的批量思維、模塊思維、中心思維，從而擺脫路徑依賴，規(guī)劃出具有真正能夠表達“每一個物料的聲音（Voice Of Material, VOM）”的柔性物流（對話而非調度）系統(tǒng)。