智能工厂规划技术应包括产品设计、工艺设计、生产制造、物流、销售、采购等环节，本文以“工厂规划厂区布局”为主要论点，对于相关联的要素进行概述。

典型的汽车工厂一般由冲压、焊接、涂装、总装组成，本文以红旗繁荣汽车厂的厂区作为主要研究对象进行研究。

本文首先对智能工厂模型进行研究，然后在模型基础上搭建智能工厂框架并完善智能工厂方案。最后对标智能工厂方案，结合红旗繁荣汽车厂智能化提升方案。

1 智能工厂规划概述

智能工厂规划应遵循以下原则:

1.1 高质量发展

各车间工艺流程严格按照“质量第一的原则”进行设计。采用过程检查及调整，杜绝质量问题向后传递。良好的车间环境，可以提高员工工作效率和质量。为保证关键工序质量一致性，对于重点的加工、焊接、喷漆、装配、检测工艺尽可能选用自动化程度高的设备。设置完善的质量信息系统，可以实现过程监控与质量追溯完善性。设置完善的质量监查体系，从而促进生产质量的提高。

1.2 精益化

工厂及车间布局精益，避免无效面积，保证人流、物流路径短捷。各车间以最优化排产，实现车间人员、能源、材料的最小投入。采用看板、排序、零部件成套供应(SPS)、准时化供货相结合的物流方式，实现物料的最佳配送模式。对设备规划进行综合分析，提高设备的综合性价比。综合分析模块化装配协作成本，设置合适的加工深度。通过物流指示系统，可以实现车间物流的精益化管理，从而减少物料、人员、车辆的浪费。

1.3 标准化

通过同步工程(SE)工程尽可能实现车间装备、工具、器具等的标准化，提高可互换性，从而提升工厂运行效率、降低成本。

1.4 柔性化

柔性有度是指在尽可能少的产品平台前提下，实现尽可能多的产品种类共线生产，满足未来更多的个性化需求。设置车身编组站实现标准化生产。生产线高度柔性化，可以提高操作工人的人机工程性。通过信息系统与自动化设备的结合提高设备的柔性化。

1.5 自动化

对于影响产品质量的关键装配工位，可以设置自动化装配设备，从而提高产品装配质量；对于劳动强度较大的工位，采用自动化装配来降低劳动强度；对于劳动密集的物流配送工作，采用自动化输送设备，从而提高劳动生产率；对于人员不易控制的关键质量检查工作，采用自动化检查、检测设备，从而提高产品质量。

1.6 信息化

设置基于数据采集系统的全方位制造执行系统(MES)，通过车间物流配送、装配工艺、设备运行的自动化控制以及工艺、物流、设备、质量数据信息化管理，从而实现车间整体运行智能化。

1.7 绿色制造

优化工艺布局，合理布置车间功能区划，有效降低厂房高度需求，可在一定程度上降低能耗。检测返修区与总装车间相对独立，可提高整个车间工作环境。设备选型及元器件选择采用节能型产品，可有效降低设备能耗。设置能源管理系统，通过数据分析逐步提高能源利用效率。厂房设计时按照绿色建筑概念进行设计:充分考虑建筑节能；车间工艺照明采用LED灯；公用设备选型时选用节能设备；利用自然能源为车间提供能源，如太阳能发电、地源热泵空调系统；充分利用中水等。综合分析成本前提下，尽可能选用电动及油压脉冲工具，以降低能耗及噪声。

1.8 数字化设计

新建总装应完善厂房、生产线、设备等设施的三维数字化。原有车间通过改造项目或专项工作形成三维车间模型。同步工程阶段通过三维数字化仿真手段进行工厂同步规划。通过物流仿真软件对生产线物流及物料物流进行仿真，并在工厂建设过程中实时匹配现场调整。在工厂运行过程中通过与MES系统互联，实现仿真模型的实时跟踪，并在未来工厂改造过程中发挥作用。

2 智能工厂规划的主要因素

2.1. 数据采集与管理

数据是智能工厂建设的血液，在各应用系统之间流动。在智能工厂运转的过程中，会产生设计、工艺、制造、仓储、物流、质量、人员等业务数据，这些数据可能分别来自ERP、MES、APS、WMS、QIS等应用系统。生产过程中需要及时采集产量、质量、能耗、加工精度和设备状态等数据，并与订单、工序、人员进行关联，以实现生产过程的全程追溯。

此外，在智能工厂的建设过程中，需要建立数据管理规范，来保证数据的一致性和准确性。还要预先考虑好数据采集的接口规范，以及数据采集与监视控制系统(SCADA)的应用。企业需要根据采集的频率要求来确定采集方式，对于需要高频率采集的数据，应当从设备控制系统中自动采集。

2.2 设备联网

实现智能工厂乃至工业4.0,推进工业互联网建设，实现MES应用，最重要的基础就是要实现M2M,也就是设备与设备之间的互联，建立工厂网络。

企业应该对设备与设备之间如何互联，采用怎样的通信方式、通信协议和接口方式等问题建立统一的标准。在此基础上，企业可以实现对设备的远程监控，当机床联网之后，可以实现分布式数控(DNC)应用。设备联网和数据采集是企业建设工业互联网的基础。

2.3 厂区智能物流

推进智能工厂建设，生产现场的智能物流十分重要，尤其是对于离散制造企业。智能工厂规划时，要尽量减少无效的物料搬运。很多制造企业在装配车间建立了集中拣货区(KittingArea)，根据每个客户订单集中配货，并通过摘取式拣货系统(DPS)进行快速拣货，配送到装配线，消除了线边仓。离散制造企业在两道机械工序之间可以采用带有导轨的工业机器人、桁架式机械手等方式来传递物料，还可以采用自动导向车(AGV)、有轨制导车辆(RGV)或者悬挂式输送链等方式传递物料。立体仓库和轨道系统的应用，也是企业在规划智能工厂时，需要进行系统分析的内容。

2.4 生产质量管理与设备管理

提高质量是企业永恒的主题，在智能工厂规划时，生产质量管理和设备管理更是核心的业务流程。贯彻质量是设计、生产出来，而非检验出来的理念。 

质量控制在信息系统中需嵌入生产主流程，如检验、试验在生产订单中作为工序或工步来处理；质量控制的流程、表单、数据与生产订单相互关联、穿透；构建质量管理的基本工作路线:质量控制设置→检测→记录→评判→分析→持续改进。 

设备是生产要素，发挥设备的效能(OEE—设备综合效率)是智能工厂生产管理的基本要求。OEE的提升标志产能的提高和成本的降低。生产管理信息系统需设置设备管理模块，使设备释放出最高的产能，通过生产的合理安排，使关键设备减少等待时间。

在设备管理模块中，要建立各类设备数据库、设置编码，及时对设备进行维保；通过实时采集设备状态数据，为生产排产提供设备的有力数据；建立设备的健康管理档案，并根据积累的设备运行数据建立故障预测模型，进行预测性维护，最大限度地减少设备的非计划性停机；进行设备的备品备件管理。

2.5 智能装备的应用

制造企业在规划智能工厂时，必须高度关注智能装备的最新发展。机床设备正在从数控化走向智能化，很多企业在设备上下料时采用了工业机器人。在未来的工厂中，金属增材制造设备将与切削加工(减材)、成型加工(等材)等设备组合起来，从而极大地提高材料利用率。

2.6 智能产线规划

智能产线是智能工厂规划的核心环节，企业需要根据生产线要生产的产品族、产能和生产节拍，采用价值流图等方法来合理规划智能产线。

2.7 制造执行系统MES

MES是智能工厂规划落地的着力点，上接企业资源计划系统(ERP)，下接现场的可编程逻辑控制器(PLC)、数据采集器、条形码、检测仪器等设备。MES旨在加强物资需求计划的执行功能，贯彻落实生产策划，执行生产调度，实时反馈生产进展。为提高产品准时交付率、提升设备效能、减少等待时间，MES系统需导入生产作业排产功能，为生产计划安排和生产调度提供辅助工具，从而提升计划的准确性。

2.8 生产监控及指挥系统

流程行业企业的生产线配置了集散控制系统(DCS)或PLC控制系统，通过组态软件可以查看生产线上各个设备和仪表的状态，但大多数离散制造企业还没有建立生产监控与指挥系统。

实际上，离散制造企业也非常需要建设集中的生产监控与指挥系统，在系统中呈现关键的设备状态、生产状态、质量数据，以及各种实时的分析图表，可通过看板直观展示。并提供多种类型的内容呈现，用以辅助决策。

总之，要做好智能工厂的建设，需要综合运用这些核心要素，从各个视角综合考虑，从投资预算、技术先进性、投资回收期、系统复杂性、生产的柔性等多个方面进行综合权衡、统一规划，建立具有前瞻性和实效性的智能工厂。

3 智能工厂规划厂区优化布局

针对汽车整车厂的总图规划，既要考虑项目决策初期的项目选址条件、产品及纲领条件，又要考虑汽车整车厂自身的生产管理模式、零部件配套模式、物流服务模式等条件。即使在同一地区、产品相近、纲领相同的整车厂，其总图规划方案也不可能完全相同。但冲压、焊装、涂装、总装、电池四大工艺车间是新能源整车厂总图规划必备的功能组成部分。汽车整车厂常用的平面布置方式有“L”形、“I”形、“U”形、“T”形、“Y”形等五种布局方式，扩建的方法主要有镜像扩建法和贴建扩建法两种。

3.1 “L”形布局

“L”形布局的优点是布局规整、用地紧凑、流线清晰、物流通畅、负荷中心集中，利于预留二期产能的扩建，如图1所示。二期扩建时冲压车间、焊装车间及涂装车间可以紧邻一期车间贴建，可以共用部分车间站房辅房、生产设施及车间管理人员。“L”形布局的缺点是二期的两个总装车间距离较远，站房辅房、设施及管理人员无法共用，整车试车流线相互干扰、相互交叉。

图1 “L”形布局及扩建模式

3.2 “I”形布局

“I”形布局的优点是布局规整、分区明确、流线清晰、物流通畅、负荷中心集中，适用于无二期产能扩建的小纲领项目，如图2所示。“I”形布局的缺点是进行二期扩建的局限性较大，扩建后的各车间共用性较差，工艺路线过长、物流不畅。

图2 “I”形布局及扩建模式

3.3 “U”形布局

“U”形布局的优点是布局紧凑、工艺路线合理、物流通畅、整车试车流线清晰，动力站房可布置在负荷中心，后期扩建思路多，是汽车整车厂总图规划最常用的布置思路，如图3所示。且“U”形布局在总图规划工作中还可衍生出“O”形布局和“S”形布局等多种衍生形式。

图3 “U”形布局及扩建模式

3.4

“T”形布局 

“T”形布局具有工艺流线清晰、迂回少的特点，如图4所示。但“T”形布局的用地布局松散、占地面积大、能耗负荷分散、物流不畅、不利于二期产能的扩建。

图4 “T”形布局及扩建模式

3.5 “Y”形布局

“Y”形布局优点是工艺流线清晰、迂回少、物流线路短、中心地段可设置动能中心和生产管理中心，可节约后期运营能耗，从而提高管理效率，如图5所示。“Y”形布局的缺点是占地面积大、布局松散、易形成三角空地、土地利用率低、二期扩建局限性太大。针对此布局的扩建方法可采用贴建扩建法。

图5“Y”形布局及扩建模式

3.6 “红旗”工厂布局

“红旗”工厂布局及扩建模式，如图6所示。结合地块现有情况，着重体现在工厂组成的各功能分区之间的最优化融合，通过规划影响因素的优先级关系，整合规划布局。对规划要素进行标准化设计，归纳总结成5个方面分别是:

1)厂前区布局:朝向城市主干道；与工厂生产区的联系关系；与主物流垂直向或首尾端平行向。

2)生产区布局:采用标准生产车间的布局形式，占据厂区中部，便于与其他功能区联系。

3)能源供给区布局:靠近生产负荷中心，兼顾与市政相应介质的接入。

4)生产辅助区布局:功能区主要为职工停车场、班车站、物流车辆等待区等辅助设施；与生产区的接触面积需求大，且便于与外部联系。

5)成品车停放及路试区布局:满足路试跑道长度要求；临近无城市道路侧、限制出入口开设侧、城市支路及与人流垂直向或首尾端平行向。

智能化工厂规划随着智能设施、手段的不断更新，向着大联合厂房的布局方向发展。要求厂区规划时能考虑智能化设施与要素对厂区土建设计的相关需求。可以预测，智能化带来的革命性的变化，在硬件配套的规划前期就要考虑，并不断创新。

图6“红旗”工厂布局及扩建模式

4 智能工厂规划厂区智能设施

智能工厂规划厂区智能设施针对的工厂技术措施对象包括:智能生产水平相关，能源智能管理水平相关，安放、消防智能管理水平相关，环境、设备设施及其他智能管理水平相关。

从智能系统方面研究厂区智能设施应用场景，结合上述四个方面提升厂区规划的智能化要素设计。大致概括分析如下:

1)结合智能制造进行厂区规划，部分核心业务有信息化基础设施，可实现数据共享等。在厂区规划中要提前将其可实现的基础设施等作为规划的要素考虑，甚至改变工厂布局方式，如对智能化设施投入的越来越多，工厂规划联合厂房的诉求会越来越大。

探讨通过智能化设施，与生产系统互通，建立更加完善的生产管控，如外来物料的卸货点尽量靠近使用点，缩短室内运距，靠近生产区域，优化车间布局与厂区规划布局。

2)结合厂区建筑的能源智能管理对厂区的智能运行进行规划。

探讨建立覆厂区各建筑各类用能系统的能源管理平台，实现对建筑进行主要用能设备的跟踪监管。探讨主要用能设备系统，如冷热源机房、电梯、照明系统等建立智能控制系统，实现安全、高效的智能化运行。

探讨通过对可再生能源利用的量化跟踪管理，为实现低碳经济下的绿色环保建筑提供有效支撑。如建立储能电池，应将储能电池的运行监测及控制与园区能源管理结合。

3)根据厂区的安防消防智能管理对厂区的智能运行进行规划。如:

探讨基于BIM的安防消防监测系统，消防监测点能与安防视频监控联动，加强安全问题定位效率和准确度，形成厂区全方位三维安全管理系统。

探讨基于BIM系统的巡更管理模式，实施监督安全巡更完成情况，并能实现历史可追溯。

探讨安防消防工单系统，通过手机应用推送到园区机电工程管理人员，并由专门主管审核工单完成情况。

4)根据厂区厂房的环境、设备设施及其他智能管理要求对厂区的智能设施进行规划。如:探讨建立覆盖园区各个空间的环境监测管理系统，根据各空间环境管理要求，形成环境监控报警机制。

探讨建立智能技术带来的低成本应用。例如，增加大门数量、缩短场内入流、无人值守、无门卫室、厂内设多处员工停车场、电子值守；探讨厂区交通系统。如向途中的物流驾驶员预报厂内停车等待状态，提前调整运时；厂内十字路口设置交通管控系统，针对交叉口交叉车辆，增加平面交通的流量管控及规范化管理。

5 结论

本文总共分为5章，针对汽车工厂智能厂区规划技术进行了研究，研究对象包括:智能工厂规划概述、智能工厂规划的主要因素、智能工厂规划厂区优化布局、智能工厂规划厂区智能设施。本文在编制过程中，编制小组经过广泛的调查研究，认真总结实践经验，参考有关国际标准和国外先进标准，并在广泛调研的基础上，编制了«智能工厂规划厂区优化布局探讨»。

通过物联网、大数据和移动互联网等新一代信息技术和先进管理模式，加强汽车工厂厂区规划设计，以促进厂区智能化场景提升，降低厂区无效空间使用，提高厂区整体经济效益为目标，以创新厂区规划设计为主线，探讨如何运用智能化手段，整合厂区内外资源和服务，实现厂区规划智能化导入发展，支持汽车工厂运营管理高效化和产业发展高端化。

文章来源于《2024 中国汽车工程学会年会论文集》 作者：机械工业第九设计研究院股份有限公司 李欣瑞