自動化物流在鋼管涂敷作業(yè)的應(yīng)用研究

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摘要：隨著“十五五”規(guī)劃對新型工業(yè)化與現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)的戰(zhàn)略部署，自動化物流技術(shù)在工業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用廣度與深度持續(xù)拓展。傳統(tǒng)鋼管涂敷作業(yè)生產(chǎn)線普遍面臨產(chǎn)能釋放不足、物流成本偏高、工序間作業(yè)負(fù)荷失衡、物流銜接效率低下等問題，嚴(yán)重制約了企業(yè)生產(chǎn)物流自動化轉(zhuǎn)型升級。本文根據(jù)鋼管涂敷作業(yè)的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)瓶頸，從工廠布局、智能裝備、調(diào)度規(guī)劃等維度構(gòu)建自動化物流體系，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證其應(yīng)用實(shí)效，旨在為鋼管涂敷行業(yè)的物流自動化升級提供理論支撐與實(shí)踐范式。

關(guān)鍵詞：鋼管涂敷作業(yè)；自動化物流；智能物流調(diào)度規(guī)劃

作者：鄒子龍 孔瑞林

中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司

一

引言

自動化物流作為現(xiàn)代制造業(yè)的核心支撐環(huán)節(jié)，憑借其高效性、精準(zhǔn)性和可持續(xù)性優(yōu)勢，在提升生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營成本、優(yōu)化資源配置等方面發(fā)揮了重要作用[1]。海洋鋼管涂敷作業(yè)是海洋管道工程中的關(guān)鍵工序，主要涉及在鋼管表面施加多種涂層以抵御海水腐蝕、機(jī)械損傷及環(huán)境影響，確保管道在惡劣海洋環(huán)境下的長期安全與服役壽命。該作業(yè)的核心目標(biāo)是提供長效防腐保護(hù)。典型涂層系統(tǒng)包括防腐層、保溫層、配重層以及外嵌陽極等[2]。

根據(jù)涂層系統(tǒng)的不同，多產(chǎn)品種類覆蓋的企業(yè)工廠會設(shè)置不同類型的涂敷車間，因此原料、半成品管和成品管會在各個(gè)車間之間流轉(zhuǎn)進(jìn)行多涂層涂敷。鋼管涂敷作業(yè)是海洋管道工程中確保管道長期耐腐蝕、抗機(jī)械損傷的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到海洋工程的安全性與壽命[3]。

目前傳統(tǒng)工廠面對多樣化的產(chǎn)品規(guī)格和日益增長的訂單需求，經(jīng)常性出現(xiàn)物流成本高?、?靈活性不足、?倉儲與配送壓力、?區(qū)域限制與信息不透明等問題。因此，將自動化物流技術(shù)應(yīng)用于鋼管涂敷作業(yè)工程不僅能為海洋管道工程注入了創(chuàng)新動力，也為推動綠色、安全和高效的智能化工廠建設(shè)提供了全新的解決方案。

二

鋼管涂敷作業(yè)自動化物流體系構(gòu)建

鋼管涂敷作業(yè)具有物料特性特殊（鋼管重量大、易磕碰、涂層需防護(hù)）、工序流轉(zhuǎn)復(fù)雜（多車間多涂層交叉作業(yè)）、作業(yè)場景多樣（室內(nèi)車間+室外堆場） 等顯著特點(diǎn)，自動化物流體系構(gòu)建需圍繞“適配鋼管屬性、銜接涂敷工序、提升流轉(zhuǎn)效率”核心目標(biāo)，形成“布局層—設(shè)備層—調(diào)度層”體系，如圖1所示。其中布局層聚焦工廠布局和物流路徑規(guī)劃，設(shè)備層包括設(shè)備的參數(shù)選型和智能化設(shè)備集成，調(diào)度層的應(yīng)用包含智能調(diào)度模塊和系統(tǒng)管理模塊。

圖1 鋼管涂敷作業(yè)自動化物流體系構(gòu)建

1.工廠布局和物流路徑規(guī)劃

在進(jìn)行工廠布局時(shí)需從功能與性能雙角度推進(jìn)。布局方案構(gòu)建在功能上，完成作業(yè)單位初步劃分，明確各區(qū)域核心職能；性能上，聚焦布局方案，堅(jiān)守高效、安全、有序原則[4]。鋼管涂敷作業(yè)中成品及半成品類型多、占地大、存放時(shí)間久，因此倉儲空間的布局是其核心。倉庫布局內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）原材料庫按性質(zhì)分類存儲，優(yōu)化空間利用，標(biāo)識清晰便于管理；（2）外購件及配件庫將常用品置于靠近進(jìn)出庫口的位置，嚴(yán)控質(zhì)量、分類標(biāo)識；（3）成品庫執(zhí)行先進(jìn)先出，做好產(chǎn)品標(biāo)識與防護(hù)；（4）線邊倉緊鄰生產(chǎn)線，合理控量且便于管理。整體需統(tǒng)籌空間利用率、作業(yè)效率等因素，保障倉庫高效運(yùn)作。

在動態(tài)路徑規(guī)劃方面，實(shí)現(xiàn)外部物流與內(nèi)部物流的分離、空中物流與地面物流的分離、辦公區(qū)域與生產(chǎn)物流的分離，通過路線方案迭代優(yōu)化及在線實(shí)時(shí)調(diào)整，有效降低車輛空載率、縮減行駛里程，提升貨品周轉(zhuǎn)效率。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)庫存精準(zhǔn)管控，降低庫存積壓、缺貨及運(yùn)營成本，兼具節(jié)能減排效益[5]。實(shí)現(xiàn)物流車輛裝卸無人化、堆場堆碼無人化、管件搬運(yùn)無人化、車間銜接無人化。

2.智能化設(shè)備選型與集成

基于鋼管特性與作業(yè)場景配置智能物流裝備，構(gòu)建“起吊—搬運(yùn)—存儲—監(jiān)控”全流程適配體系，核心聚焦裝備選型的精準(zhǔn)性與作業(yè)安全性。進(jìn)行涂敷作業(yè)的鋼管在水泥配重涂敷后可達(dá)幾十噸，吊具選型優(yōu)先采用承插式吊具。在物料搬運(yùn)環(huán)節(jié)，針對鋼管重量大、易磕碰的特點(diǎn)，采用AGV（重載型）替代傳統(tǒng)抓管車，配備定制化轉(zhuǎn)運(yùn)載具，實(shí)現(xiàn)鋼管原料從原材料庫到預(yù)處理車間、半成品在各涂敷車間之間的自動化搬運(yùn)；在涂敷生產(chǎn)線上下料環(huán)節(jié)，配置智能門吊，精準(zhǔn)完成鋼管的抓取、定位與放置，避免人工操作導(dǎo)致的涂層損傷。

通過智能化設(shè)備的集成應(yīng)用，不僅能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的精準(zhǔn)可控，還能依托設(shè)備協(xié)同調(diào)度機(jī)制保障各工序銜接順暢；還能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的透明可視化，實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、物料流轉(zhuǎn)狀態(tài)等核心信息，為管理決策提供數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)促進(jìn)上下游環(huán)節(jié)的高效聯(lián)動，打通原料供應(yīng)、生產(chǎn)加工、倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)等全鏈條信息壁壘。物流裝備智能升級改造，可有效降低一線操作人員的勞動負(fù)荷，顯著提升整體作業(yè)效能，助力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳化發(fā)展目標(biāo)[6]。

3.智能物流調(diào)度與規(guī)劃機(jī)制

智能調(diào)度與管理系統(tǒng)是鋼管涂敷作業(yè)優(yōu)化體系的核心樞紐，構(gòu)建“1個(gè)平臺+3個(gè)子系統(tǒng)”架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物流與生產(chǎn)全流程協(xié)同管控，破解傳統(tǒng)作業(yè)工序銜接不暢、資源配置失衡等痛點(diǎn)。構(gòu)建一體化智能調(diào)度平臺，作為核心樞紐整合生產(chǎn)計(jì)劃、物流作業(yè)、設(shè)備運(yùn)行、庫存狀態(tài)等全維度數(shù)據(jù)，配套MES、WMS、ERP，采用大數(shù)據(jù)分析與智能算法，實(shí)現(xiàn)物流作業(yè)的動態(tài)調(diào)度與優(yōu)化。新型物流調(diào)度要實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)管理向動態(tài)優(yōu)化、從單一功能向綜合智能的根本性轉(zhuǎn)變[7]。

三

鋼管涂敷作業(yè)自動化物流案例分析

為驗(yàn)證基于自動化物流的鋼管涂敷作業(yè)優(yōu)化體系的實(shí)踐可行性與應(yīng)用價(jià)值，本文選取HY公司作為實(shí)證研究對象。該公司是海洋管道工程領(lǐng)域具有代表性的鋼管涂敷企業(yè)，其生產(chǎn)規(guī)模與業(yè)務(wù)范圍貼合行業(yè)主流水平，且面臨的物流與生產(chǎn)協(xié)同痛點(diǎn)具有典型性。

1.鋼管涂敷作業(yè)工藝及工廠布局

在本項(xiàng)目中，成品倉庫存儲的物料為防腐管、單層保溫管、鋼套鋼保溫管、配重管等。不同類型的涂敷鋼管制造工藝及車間流轉(zhuǎn)如圖2所示。綜合考慮全流程物料流轉(zhuǎn)（包括原材料、半成品及成品）、空間需求、輔助區(qū)域規(guī)劃、通道規(guī)劃和寬度、安全、空間利用率和靈活性、技術(shù)和自動化等多個(gè)方面，進(jìn)行工廠車間和倉儲布局，科學(xué)劃分存儲區(qū)域，明確原材料存儲區(qū)（堆場C1、堆場B1、骨料倉、材料庫）、半成品存儲區(qū)（堆場A1、堆場A2）、成品存儲區(qū)（堆場D、堆場C2、堆場B2），同時(shí)預(yù)留充足的物流垛口與AGV作業(yè)通道，避免交叉擁堵，縮短流轉(zhuǎn)路徑。工廠布局如圖3所示。鋼管涂敷作業(yè)車間根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)置對應(yīng)數(shù)量的物流垛口作為出入口。車間出入口AGV配置參見表1。

表1 車間出入口AGV配置

圖2 鋼管涂敷作業(yè)工藝

圖3 工廠布局

2.物流運(yùn)輸與設(shè)備

物流方案如圖4所示。鋼管涂敷作業(yè)主要物流設(shè)備涉及智能龍門吊、重載AGV、RGV。

圖4 總體物流方案

智能龍門吊集成多傳感器網(wǎng)絡(luò)和中央終端系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并生成最優(yōu)路徑，通過自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自動定位與貨物抓取，減少人工干預(yù)。智能AGV設(shè)置有控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等智能系統(tǒng)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動導(dǎo)航和自動避障報(bào)警功能。

采用智能龍門吊負(fù)責(zé)外部物流中的車輛貨物裝卸、堆場堆垛及物料搬運(yùn)至 AGV對接區(qū)支架處，實(shí)現(xiàn)堆場堆碼無人化；通過RGV與行吊對接，完成內(nèi)部物流中車間出入口與堆場之間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)，構(gòu)建“智能龍門吊+重載AGV+RGV +智能機(jī)械臂”的全流程無人化搬運(yùn)體系。

表2 智能龍門吊規(guī)格及需求量

表3 AGV規(guī)格及需求量（部分）

根據(jù)智能龍門吊與重載AGV的作業(yè)效率，結(jié)合各車間生產(chǎn)產(chǎn)能與物料流轉(zhuǎn)需求，得到設(shè)備型號及配置數(shù)量（參見表2、表3）。需求數(shù)量計(jì)算公式為：

理論需求向上取整，總共需要門吊A（Gn=50t，S=21m）4臺，門吊B（Gn=50t，S=45m）1臺；型號為45TAGV4臺，型號為35T的AGV9臺。同時(shí)考慮到保溫車間與配重車間不同時(shí)生產(chǎn)，因此建立AGV錯峰調(diào)用機(jī)制。根據(jù)不同車間的生產(chǎn)節(jié)拍差異，在其中一個(gè)車間不進(jìn)行生產(chǎn)活動時(shí)調(diào)用該車間對接AGV進(jìn)行其他運(yùn)輸工作，動態(tài)調(diào)配跨區(qū)域AGV資源。可減少AGV（35T）4臺，降低設(shè)備投入成本約30%。

3.AGV智能物流調(diào)度系統(tǒng)

此案例的調(diào)度系統(tǒng)包括調(diào)度軟件、服務(wù)器、PC監(jiān)控終端、調(diào)度網(wǎng)絡(luò)。調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多車調(diào)度、路徑規(guī)劃、碰撞規(guī)避、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)分析等功能，如圖5所示。

圖5 調(diào)度系統(tǒng)

無縫對接 MES、WMS、ERP等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)型、多集群、跨場景調(diào)度。主要功能包括：

（1）通信管理：可以管理和查看連接到調(diào)度系統(tǒng)的各個(gè)組件，包括AGV、叫料盒、web登錄終端等。

（2）狀態(tài)監(jiān)視：調(diào)度控制系統(tǒng)可監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的各種情況，并可在主界面和查詢界面顯示，供用戶查看。

（3）對外通信：系統(tǒng)需提供數(shù)據(jù)讀取接口，并支持對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的讀取；系統(tǒng)需支持OPC或Web Service（或SQL SERVER通信接口），實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的訪問。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入應(yīng)同時(shí)具備手工錄入、制造執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)集成自動輸入的功能。

（4）交通管制：對于多車系統(tǒng)，尤其是運(yùn)行路線有交叉的，按需進(jìn)行交通管制，合理安排車輛錯車或等待，避免出現(xiàn)擁堵或阻塞。

調(diào)度系統(tǒng)與AGV以指令的方式進(jìn)行交互，可以將分解后的任務(wù)指令發(fā)送至某一臺AGV，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各AGV的運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)度系統(tǒng)可與上層信息系統(tǒng)，通過MES，WMS等定制化接口，調(diào)度系統(tǒng)接收上層信息系統(tǒng)下發(fā)的任務(wù)，并反饋任務(wù)執(zhí)行情況，以及AGV狀態(tài)。本案例AGV運(yùn)行區(qū)域較大，跨越多個(gè)廠房，且包括室外區(qū)域，因此采用5G調(diào)度網(wǎng)絡(luò)。

4.實(shí)施效果評價(jià)

為驗(yàn)證自動化物流方案在鋼管涂敷作業(yè)中的實(shí)際成效，本研究基于HY公司的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與仿真模型，從物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率、生產(chǎn)效率兩個(gè)維度進(jìn)行量化評估，并結(jié)合仿真與實(shí)際情況差異進(jìn)行分析。

（1）物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率

物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率聚焦于物料在全流程流轉(zhuǎn)中的時(shí)間利用率與周轉(zhuǎn)能力，核心衡量自動化物流體系對“原料—半成品—成品”流轉(zhuǎn)周期的優(yōu)化效果。物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率提升主要通過單位時(shí)間內(nèi)物料周轉(zhuǎn)量和平均流轉(zhuǎn)時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評估。計(jì)算公式如下：

優(yōu)化前產(chǎn)品單批次平均轉(zhuǎn)運(yùn)周期可由生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到，優(yōu)化后產(chǎn)品單批次平均轉(zhuǎn)運(yùn)周期經(jīng)仿真模擬后計(jì)算得出，對比參見表4。實(shí)施自動化物流系統(tǒng)后，鋼管涂敷作業(yè)整體平均物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率提升約10%。

表4 物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率提升

（2）生產(chǎn)效率

生產(chǎn)效率是單位時(shí)間內(nèi)完成合格產(chǎn)品的產(chǎn)量提升幅度，核心反映物流銜接效率改善對生產(chǎn)節(jié)拍的正向拉動作用。通過單位時(shí)間內(nèi)合格產(chǎn)品產(chǎn)出量計(jì)算：

優(yōu)化前產(chǎn)品單批次單位時(shí)間產(chǎn)量可由生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到，優(yōu)化后產(chǎn)品單批次單位時(shí)間產(chǎn)量經(jīng)仿真模擬計(jì)算得出，對比參見表5。實(shí)施自動化物流系統(tǒng)后，鋼管涂敷作業(yè)整體平均生產(chǎn)效率提升約7.4%。

表5 生產(chǎn)效率提升

（3）成本分析

本次自動化物流改造的核心投入聚焦于堆場設(shè)備與堆場地基改造，預(yù)計(jì)總投資金額為3788.50萬元，其中設(shè)備成本投入占比約80%。

產(chǎn)能效益提升方面，源于生產(chǎn)效率優(yōu)化帶來的合格產(chǎn)品產(chǎn)出增加，結(jié)合前文生產(chǎn)效率提升數(shù)據(jù)（整體平均提升7.4%），HY公司2024年度整體營業(yè)收入4.22億元，由產(chǎn)品生產(chǎn)銷售產(chǎn)生的營收按照50%計(jì)算，則產(chǎn)能效益的提升對整體營收的提升額為：

人員成本方面，自動化物流體系通過“無人化搬運(yùn)+設(shè)備協(xié)同調(diào)度”，大幅減少物流環(huán)節(jié)人工需求，包括龍門吊操作員4名、車間物流轉(zhuǎn)運(yùn)員9名。

綜上所述，預(yù)計(jì)靜態(tài)投資回報(bào)周期為27個(gè)月。測算未包含間接效益（如涂層損傷率降低減少的返工成本、設(shè)備利用率提升降低的折舊分?jǐn)偂⒐?jié)能減排帶來的能耗成本節(jié)約等），若計(jì)入間接效益，投資回報(bào)周期可進(jìn)一步縮短；另外自動化物流體系的設(shè)備使用壽命約10年，長期運(yùn)營過程中可持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定效益，且能適配未來產(chǎn)能擴(kuò)張與產(chǎn)品升級需求，具備長期投資價(jià)值。

（4）仿真誤差分析

仿真模型基于實(shí)際工廠布局、設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)節(jié)拍與訂單數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建，并采用離散事件仿真方法模擬物料流轉(zhuǎn)過程。盡管如此，仿真結(jié)果與實(shí)際情況仍可能存在一定差異，主要來源于以下幾個(gè)方面：

①設(shè)備實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性：仿真假設(shè)設(shè)備持續(xù)無故障運(yùn)行，實(shí)際中可能存在停機(jī)維護(hù)、故障處理等非計(jì)劃性中斷；

②人為操作與調(diào)度干預(yù)：仿真中調(diào)度系統(tǒng)為理想狀態(tài)，實(shí)際中可能存在人為調(diào)度調(diào)整或應(yīng)急處理；

③外部物流銜接效率：仿真中假設(shè)外部車輛與堆場對接無縫，實(shí)際中可能受天氣、交通等因素影響。

為縮小仿真與真實(shí)場景的偏差，可采取以下措施對模型構(gòu)建及數(shù)據(jù)驗(yàn)證進(jìn)行精確性提升：

①數(shù)據(jù)校準(zhǔn)：基于HY公司過去12個(gè)月的生產(chǎn)日志，提取更多真實(shí)數(shù)據(jù)用于仿真模型的參數(shù)校準(zhǔn)，確保模型貼合實(shí)際生產(chǎn)規(guī)律；

②場景復(fù)刻：按1:1比例還原工廠布局、物流通道寬度、車間出入口位置、堆場存儲容量等物理場景，精準(zhǔn)模擬AGV交叉作業(yè)、設(shè)備對接流程等關(guān)鍵環(huán)節(jié)；

③多場景驗(yàn)證：除基準(zhǔn)場景外，額外模擬訂單峰值、設(shè)備故障、原料短缺等特殊場景，驗(yàn)證自動化物流體系的抗干擾能力，確保仿真結(jié)果的魯棒性。

綜合上述差異分析及控制措施，本次仿真結(jié)果與真實(shí)場景的預(yù)期偏差可控制在±5%以內(nèi)，核心指標(biāo)（物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率、生產(chǎn)效率）的仿真值具有較高可信度，能夠客觀反映自動化物流方案的實(shí)際應(yīng)用效果。

四

總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)鋼管涂敷作業(yè)物流環(huán)節(jié)存在的效率低、精準(zhǔn)性差、銜接不暢等問題，構(gòu)建了基于自動化物流的鋼管涂敷作業(yè)優(yōu)化體系。通過HY公司作業(yè)案例驗(yàn)證說明，該優(yōu)化體系可有效縮短物料流轉(zhuǎn)周期、降低人工成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率，為鋼管涂敷行業(yè)的自動化與智能化升級提供了可行的理論支撐與實(shí)踐范式。

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編輯、排版：王茜

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