汽车厂内物流搬运系统中AGV应用研究

李贤杰 张钦红

（上海交通大学中美物流研究院，上海 200030）

汽车厂内物流搬运系统中AGV应用研究

李贤杰 张钦红

（上海交通大学中美物流研究院，上海 200030）

本文阐述了物流领域自动化设备应用的必要性与趋势，并以汽车厂内物流搬运系统为例，构建模型定量分析了企业使用AGV替代人力前后的成本，并结合实例分析了影响成本变化的相关因素，结果表明满足一定条件下，使用AGV替代人力能够降低汽车制造企业的运输成本，提升服务质量。

厂内物流；AGV；自动化设备

1 引言

近年来，随着“用工荒”和劳动力成本的快速上涨，劳动密集型的物流企业面临着严峻的成本压力。据国家统计局发布的《国民经济和社会发展统计公报》数据显示，我国15-59岁劳动年龄人口占总人口的比重，已经从2011年峰值的69.8%降至2015年末的67.0% 。但与此同时劳动力成本持续上升，据国家统计局发布的《中国统计年鉴》数据显示，近十年来交通运输业工资年复合增长率达到了13.12%，由2005年末的20911元增至2014年末的63416元。此外，80后、90后已经开始逐渐成为低端劳动力主力，这些劳动者越来越不愿意从事物流业中重复单调、环境不佳的工作。

为应对人力上涨的挑战，以自动化替代人工操作已是当前物流业的共识。其中，AGV（Automated Guided Vehicle，即“自动导引车”）作为物料搬运的自动化装置，在物流业中开始得到大量的应用，成为应用最广泛的物流自动化设备之一。

在发达国家，物流企业早已开始在工厂内部大规模使用AGV替代人力。比如，日产的追浜工厂已有约900台AGV应用于工厂内部，成功实现了不同车型零部件供应的自动化，实现了高效率的混流生产和快捷的物流过程。而TOYOTA在肯塔基Georgetown工厂的厂内物流实施了自动化牵引车（AGT）和自动化平板车（AGC）改造项目，减少了42名工人，每年节约成本100多万美元。

在我国，AGV也逐渐受到物流企业的重视，成为物流自动化的重要选择。上海大众汽车安亭生产基地总装车间配备了7辆智能型自动牵引小车进行装配物料的输送，通过AGV物流系统，实现从卸货道口上线至流水线工位的全程自动化流转，不仅减少了铲车的数量，还降低了装配人工的体能消耗，同时也更加高效。上汽通用五菱汽车公司重庆分公司车身车间的AVG系统主要用于完成门盖内外板从冲压库房到焊接线对应工位的搬运。奇瑞捷豹路虎常熟工厂配件运输中大量使用AGV运输机器人，减少了配送人员，在提升配送效率的同时降低了员工取件时间和拿错零件的风险。

AGV具有诸多人工作业无法比拟的优势：AGV工作效率高，可实现近乎24小时的满负荷作业；AGV可靠性高，定位停车精准，可以提高物料搬运的准确性；AGV充电装置和驱动系统耗能较少，噪音较小，可以达到清洁生产，提高观赏度。不过AGV小车的智能程度较低，还无法灵活地对预先给定程序以外的事件进行处理，只能进行较为简单的搬运工作。

如何权衡以AGV取代人力的成本节约？哪些因素影响成本节约？是企业在实施物流搬运系统自动化时必须考虑的问题。然而目前学术界对这一问题的研究还不够充分，缺少定量模型的分析。本文以汽车物流企业的厂内物流为背景，构建定量模型分析以AGV替代人工的成本变化及其影响因素，进而为企业实施物流自动化提供决策借鉴。

2 研究现状

目前学术界对AGV研究主要集中在AGV的技术设计以及线路规划方面。Majdi Morteza等（2006）采用模糊控制技术进行AGV在未知环境中的导航研究。韩国LEE.Young-Jin和Suh.Jin-Ho等用神经网络和改进免疫算法(CMIA)对AGV的转向进行控制。冯海双（2013）在单AGV路径规划的基础上，对多AGV系统的路径规划算法进行研究；并分析各算法特点，选择基于有向图的算法进行多AGV路径规划。牛坤（2015）阐述了AGV总体方案，根据方案的设计要求,对其机构构型、驱动方式、传动方式和转向方式进行了选取。

关于AGV在汽车工厂内应用的文献较少，针对AGV的效益进行定量分析的文献更是稀缺。本文则构建使用AGV取代人力前后的成本模型并进行分析。

3 符号说明及模型假设

3.1 符号说明及模型假设

3.2 模型假设

1）假设所有零件配送的初始位置与终止位置皆相同，即为点对点的运输

2）改造前无AGV时，由司机进行库内集配和线边置换

3）每名员工的人工成本皆相同

4）不同零件的库内集配和线边置换时间皆相同

5）无AGV时和有AGV时物流管理成本相同

6）1个台车上只放置1个托盘

7）改造前和改造后班次一致

4 模型建立

定量模型的思想为通过对比在AGV实施前后，同一流程所需的人员、设备数量以及对应的成本，来探讨实施AGV时的成本节约值和人员减少量。

4.1 改造前无AGGVV时成本

对于某区域改造前无AGV时成本由人力成本、设备搬运费和物流管理成本组成。

β为班次数量，F 公司一般采用双班制，同时为了保证员工得到充分的作息时间，符合国家用工条件，需要增加人数作为轮换。例如F 公司在双班人力的基础上采用了 5+1 的排班方式，以班组为单位，每五个人增加一个人作为轮换，则β为2.4。

将（2）式，（3）式代入（1）式，得到（4）式，即为改造前未使用AGV的成本。

4.2 改造后引入AGV的成本

对于某区域改造后引入AGV 的成本由人工成本、设备搬运费、物流管理成本和附加费组成。引入AGV可以替代司机进行运输，但由于企业采用的AGV智能化水平较低，所以托盘的集配和置换依然采用人力进行。

与上文类似，s/vAmA表示使用AGV后的单托盘运输时间；再加上改造后的单托盘的集配和置换，得到单托盘总用时；再乘以宽放系数，除以作业工时，得到了AGV的数量。

使用AGV替代了运输，但集配和置换仍需人工，所以求得所有零件的集配与置换时间，再除以作业工时，乘以宽放系数和班次数量，就得到了引入AGV后所需要的人工数。

将（6）式，（7）式代入（5）式，得到（8）式，即为改造后引入AGV的成本。

4.3 成本节约值

成本节约值等于改造前的成本减去改造后引入AGV后的成本。将（4）式，（5）式代入（9）式，得到（10）式，即为成本节约值。

化简得到（11）式

Ji·Ki·Li单班托数需要通过原始数据计算得到，*单车用量*差异比例，得到每种零件单班需要运输的数量，再除以每个胶箱装载的零件的数目SNPi得到了每种零件需要的胶箱数，每个托盘可以装Oi个胶箱，即得到每种零件需要多少托盘，即为再对零件求和汇总，就得到了单班托数。

将（12）式代入（11）式，得到（13）式，即为最终的成本节约值。

人员缩减数等于改造前所需的工人数减去引入AGV后的人工数。

5 实例分析

表2 人工成本的构成与核算

表3 搬运成本的构成与核算

本文选取F汽车工厂2015年4月13日由北雨棚仓库运送至总装车间后悬区的部分零件，零件具体数据由于保密需要，暂不公布。

牵引车速度66米/分种，牵引车牵引6辆台车，每个托盘库内集配与线边置换时间为2.1min。则改造前需要牵引车数量为2.017辆，需要工人数4.841人。AGV运行速度30m/m，AGV牵引3辆台车，每个托盘库内集配与线边置换时间为1.7min。改造后需要AGV数量为4.906辆，需要工人数2.147人。

员工月工资2550元，则全年工资30600元，加上社保等费用后单个人工成本52949元。牵引车年消耗动力费54000元、单个购买成本40000元，则折旧费为3800、保养维修费5000元、保险费300元、事故损失费100元、物流信息费100元，合计牵引车单车成本63300元。而AGV年消耗动力费25000元、单个购买成本160000元，则折旧费为15200元，保养维修费6000元、保险费300元、事故损失费100元、物流信息费100元，合计AGV单车成本46700元；此外物流管理费2000元，软件改造费50000元。

表4 引入AGV后的经济性

经计算得改造前每年成本386002元，改造后成本394782元；改造后增加了4.906辆AGV，缩减了2.7名工人，具有显著的减人效果。改造后成本要大于改造前成本，不过两者相差不大，随着时间的推移，人力成本将会上升，AGV采购价格很有可能下降，按照这个趋势在不远的将来使用AGV将会有经济效益。

接下来本文进行各种影响因素的灵敏度分析。

5.1 AGV采购价格p和人力成本CCW

假设AGV采购价格p和人力成本CW未知，其余参数与上文实例分析一致。

△TC=2.693Cw-0.466p-7686

图1 AGV采购价格p和人力成本CW对成本节约值的影响

1）以当前人力Cw=52949为例，当AGV价格为14万时，成本相同。

2）随着AGV价格的上升，改造后成本增加，以当前人力Cw=52949为例，购买价格为13万时，成本节约5000余元，成本节约值约占改造前成本的1% ，但当购买价格上升至18万时，改造后成本超过原成本2万元。

3）随着人力成本的上升，改造收益也会随之上升，以当前AGV购买价格16万为例，人力成本少于560000时，成本无节约，而当人力成本升至59000元时，成本节约7000余元，随着时间的推移，我国人力成本将会逐年升高，改造收益也会增加。

5.2 AGV运行速度和改造后集配置换时间

假设AGV运行速度和改造后集配置换时间未知，其余参数与上文实例分析一致。

图2 AGV运行速度和改造后集配置换时间对成本节约值的影响

1）以当前tA=1.7min为例，当AGV速度约为31.3m/min时，成本相同。

2）随着AGV速度的上升，改造后所需要的AGV数量减少，成本降低，成本节约值增加。以当前tA=1.7min为例，当AGV速度为25m/min时，成本节约为-50000余元，成本节约值约占改造前成本的-12% ，但当AGV速度上升至35m/min，改造后成本比原成本缩减18000元，成本节约比例为4.6%。

3)随着tA的降低，效率提升，改造后所需工人数将会降低，改造后成本降低，成本节约值增加。以当前AGV速度30m/min为例，tA为1.9min时，改造后成本较高，而当tA降至1.5min时，成本节约10000余元，成本节约比例为2.5%。

5.3 运送距离s和班次β的关系

假设运送距离s和班次β未知，其余参数与上文实例分析一致。

△TC=-21822-188.9S+70.37βS+11146.8β

△N=1.122β

图3 AGV运行速度和改造后集配置换时间对成本节约值的影响

1）以当前s=686m为例，当班次为2.57时，成本相同。

2）随着班次的上升，成本节约值增加。以当前s=686m为例，班次为2.1时，成本节约为-25000余元，成本节约值约占改造前成本的-7.5%，但当班次上升至2.7时，成本节约值约为9000元，成本节约比例为1.8%。

图4 AGV运行速度和改造后集配置换时间对人员减少值的影响

3）随着距离的上升，成本节约值减少。以当前班次2.4为例，当距离由686m升至1286m时，成本节约值由-8500元变为-20000元。

4）随着班次的上升，人员缩减值增加。当班次由2.1增至2.7时，人员缩减值由2.25人增至3人。

6 结论

从实例中可看出，引入AGV，虽然现在成本稍高，但能达到减人效果，随着时间推移，人工成本会进一步上升，而技术提升，AGV采购价格也很可能下降，所以从长久考虑，建议引入AGV。在AGV运行路径上减少障碍和干扰，提升AGV速度。可考虑安排专人进行库内集配和线边置换，缩短运输过程外的时间，缩短成本。

[1] 国家统计局. 中国国民经济和社会发展统计公报[J]. 2010～2015

[2] 国家统计局．中国统计年鉴[J]．2005～2014

[3] 徐欢, 刘俏, 车菲,等. 搬运型AGV在物料输送系统中的应用[J]. 物流科技, 2013, 36(6):80-82.

[4] 《Material Flow》编辑部, 张毅. 日产汽车利用AGV提高混流生产效率[J]. 物流技术与应用, 2009, 14(7):46-53.

[5] Trebilcock B. Toyota Motor Manufacturing, Kentucky: Production that's world class[J]. Modern Materials Handling, 2013.

[6] 伊然. 上海大众打造七大服务 三十年卓越同行［EB/OL］. http://news.dizo.com.cn/108040.html,2014-10-23

[7] 黄西利, 覃鑫. AGV小车在车身车间应用[J]. 装备制造技术, 2015(4):201-203.

[8] 雯萱.捷豹路虎常熟工厂高效运转的背后：智能制造［EB/ OL］.http://www.qctt.cn/news/66083.html,2015-08-17

[9] 宁志民. AGV技术发展综述[J]. 导航与控制, 2014, 13(5).

[10] Majdi M, Anvar H S, Barzamini R, et al. AGV Path Planning in Unknown Environment Using Fuzzy Inference Systems[C]// E-Learning in Industrial Electronics, 2006 1ST IEEE International Conference on. 2008:64-67.

[11] Lee Y J, Suh J H, Lee J W, et al. AGV steering controller using NN identifi er and cell mediated immune algorithm[C]// Proceedings of the American Control Conference. 2004:5778-5783 vol.6.

[12] 冯海双. AGV自动运输系统调度及路径规划的研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2013.

[13] 牛坤. 自动导引小车AGV的结构设计及自主移动规划[D]. 北京邮电大学, 2015.

Research on Application of AGV in Material Handling Systems of Automotive Manufacturing Logistics

Li Xianjie Zhang Qinghong

This paper illustrates the necessity and trend of automation equipment applications in logistics. A model is proposed to analyze the economic cost using AGV instead of manpower in automotive in-plant logistics handling system. Besides, we analyze the relevant factors affecting the cost. The results show that the application of AGV can reduce transportation costs and improve service quality under certain conditions.

in-plant logistics; AGV; automation equipment

F252

A

1005-9679(2016)06-0084-05

李贤杰，上海交通大学中美物流研究院硕士研究生，研究方向：汽车物流；张钦红，上海交通大学中美物流研究院副研究员，研究方向：供应链金融。