自動化物流在鋼管涂敷作業的應用研究

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摘要：隨著“十五五”規劃對新型工業化與現代化工業產業體系建設的戰略部署，自動化物流技術在工業工程領域的應用廣度與深度持續拓展。傳統鋼管涂敷作業生產線普遍面臨產能釋放不足、物流成本偏高、工序間作業負荷失衡、物流銜接效率低下等問題，嚴重制約了企業生產物流自動化轉型升級。本文根據鋼管涂敷作業的行業發展現狀與技術瓶頸，從工廠布局、智能裝備、調度規劃等維度構建自動化物流體系，并通過實際案例驗證其應用實效，旨在為鋼管涂敷行業的物流自動化升級提供理論支撐與實踐范式。

關鍵詞：鋼管涂敷作業；自動化物流；智能物流調度規劃

作者：鄒子龍 孔瑞林

中海油能源發展股份有限公司清潔能源分公司

一

引言

自動化物流作為現代制造業的核心支撐環節，憑借其高效性、精準性和可持續性優勢，在提升生產效率、降低運營成本、優化資源配置等方面發揮了重要作用[1]。海洋鋼管涂敷作業是海洋管道工程中的關鍵工序，主要涉及在鋼管表面施加多種涂層以抵御海水腐蝕、機械損傷及環境影響，確保管道在惡劣海洋環境下的長期安全與服役壽命。該作業的核心目標是提供長效防腐保護。典型涂層系統包括防腐層、保溫層、配重層以及外嵌陽極等[2]。

根據涂層系統的不同，多產品種類覆蓋的企業工廠會設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車間之間流轉進行多涂層涂敷。鋼管涂敷作業是海洋管道工程中確保管道長期耐腐蝕、抗機械損傷的核心環節，直接關系到海洋工程的安全性與壽命[3]。

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

二

鋼管涂敷作業自動化物流體系構建

鋼管涂敷作業具有物料特性特殊（鋼管重量大、易磕碰、涂層需防護）、工序流轉復雜（多車間多涂層交叉作業）、作業場景多樣（室內車間+室外堆場） 等顯著特點，自動化物流體系構建需圍繞“適配鋼管屬性、銜接涂敷工序、提升流轉效率”核心目標，形成“布局層—設備層—調度層”體系，如圖1所示。其中布局層聚焦工廠布局和物流路徑規劃，設備層包括設備的參數選型和智能化設備集成，調度層的應用包含智能調度模塊和系統管理模塊。

圖1 鋼管涂敷作業自動化物流體系構建

1.工廠布局和物流路徑規劃

在進行工廠布局時需從功能與性能雙角度推進。布局方案構建在功能上，完成作業單位初步劃分，明確各區域核心職能；性能上，聚焦布局方案，堅守高效、安全、有序原則[4]。鋼管涂敷作業中成品及半成品類型多、占地大、存放時間久，因此倉儲空間的布局是其核心。倉庫布局內容包括以下幾個方面：（1）原材料庫按性質分類存儲，優化空間利用，標識清晰便于管理；（2）外購件及配件庫將常用品置于靠近進出庫口的位置，嚴控質量、分類標識；（3）成品庫執行先進先出，做好產品標識與防護；（4）線邊倉緊鄰生產線，合理控量且便于管理。整體需統籌空間利用率、作業效率等因素，保障倉庫高效運作。

在動態路徑規劃方面，實現外部物流與內部物流的分離、空中物流與地面物流的分離、辦公區域與生產物流的分離，通過路線方案迭代優化及在線實時調整，有效降低車輛空載率、縮減行駛里程，提升貨品周轉效率。結合大數據分析與預測技術，可實現庫存精準管控，降低庫存積壓、缺貨及運營成本，兼具節能減排效益[5]。實現物流車輛裝卸無人化、堆場堆碼無人化、管件搬運無人化、車間銜接無人化。

2.智能化設備選型與集成

基于鋼管特性與作業場景配置智能物流裝備，構建“起吊—搬運—存儲—監控”全流程適配體系，核心聚焦裝備選型的精準性與作業安全性。進行涂敷作業的鋼管在水泥配重涂敷后可達幾十噸，吊具選型優先采用承插式吊具。在物料搬運環節，針對鋼管重量大、易磕碰的特點，采用AGV（重載型）替代傳統抓管車，配備定制化轉運載具，實現鋼管原料從原材料庫到預處理車間、半成品在各涂敷車間之間的自動化搬運；在涂敷生產線上下料環節，配置智能門吊，精準完成鋼管的抓取、定位與放置，避免人工操作導致的涂層損傷。

通過智能化設備的集成應用，不僅能實現生產節拍的精準可控，還能依托設備協同調度機制保障各工序銜接順暢；還能實現生產數據的透明可視化，實時采集設備運行參數、物料流轉狀態等核心信息，為管理決策提供數據支撐；同時促進上下游環節的高效聯動，打通原料供應、生產加工、倉儲轉運等全鏈條信息壁壘。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荷，顯著提升整體作業效能，助力產業實現低碳化發展目標[6]。

3.智能物流調度與規劃機制

智能調度與管理系統是鋼管涂敷作業優化體系的核心樞紐，構建“1個平臺+3個子系統”架構，實現物流與生產全流程協同管控，破解傳統作業工序銜接不暢、資源配置失衡等痛點。構建一體化智能調度平臺，作為核心樞紐整合生產計劃、物流作業、設備運行、庫存狀態等全維度數據，配套MES、WMS、ERP，采用大數據分析與智能算法，實現物流作業的動態調度與優化。新型物流調度要實現從靜態管理向動態優化、從單一功能向綜合智能的根本性轉變[7]。

三

鋼管涂敷作業自動化物流案例分析

為驗證基于自動化物流的鋼管涂敷作業優化體系的實踐可行性與應用價值，本文選取HY公司作為實證研究對象。該公司是海洋管道工程領域具有代表性的鋼管涂敷企業，其生產規模與業務范圍貼合行業主流水平，且面臨的物流與生產協同痛點具有典型性。

1.鋼管涂敷作業工藝及工廠布局

在本項目中，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如圖2所示。綜合考慮全流程物料流轉（包括原材料、半成品及成品）、空間需求、輔助區域規劃、通道規劃和寬度、安全、空間利用率和靈活性、技術和自動化等多個方面，進行工廠車間和倉儲布局，科學劃分存儲區域，明確原材料存儲區（堆場C1、堆場B1、骨料倉、材料庫）、半成品存儲區（堆場A1、堆場A2）、成品存儲區（堆場D、堆場C2、堆場B2），同時預留充足的物流垛口與AGV作業通道，避免交叉擁堵，縮短流轉路徑。工廠布局如圖3所示。鋼管涂敷作業車間根據生產需求設置對應數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 鋼管涂敷作業工藝

圖3 工廠布局

2.物流運輸與設備

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

圖4 總體物流方案

智能龍門吊集成多傳感器網絡和中央終端系統，實時采集數據并生成最優路徑，通過自動化控制系統實現自主導航、自動定位與貨物抓取，減少人工干預。智能AGV設置有控制系統、導航系統、安全系統、調度系統等智能系統模塊，能夠實現自動導航和自動避障報警功能。

采用智能龍門吊負責外部物流中的車輛貨物裝卸、堆場堆垛及物料搬運至 AGV對接區支架處，實現堆場堆碼無人化；通過RGV與行吊對接，完成內部物流中車間出入口與堆場之間的物料轉運，構建“智能龍門吊+重載AGV+RGV +智能機械臂”的全流程無人化搬運體系。

表2 智能龍門吊規格及需求量

表3 AGV規格及需求量（部分）

根據智能龍門吊與重載AGV的作業效率，結合各車間生產產能與物料流轉需求，得到設備型號及配置數量（參見表2、表3）。需求數量計算公式為：

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。同時考慮到保溫車間與配重車間不同時生產，因此建立AGV錯峰調用機制。根據不同車間的生產節拍差異，在其中一個車間不進行生產活動時調用該車間對接AGV進行其他運輸工作，動態調配跨區域AGV資源。可減少AGV（35T）4臺，降低設備投入成本約30%。

3.AGV智能物流調度系統

此案例的調度系統包括調度軟件、服務器、PC監控終端、調度網絡。調度系統可實現多車調度、路徑規劃、碰撞規避、任務管理、數據分析等功能，如圖5所示。

圖5 調度系統

無縫對接 MES、WMS、ERP等系統，實現多機型、多集群、跨場景調度。主要功能包括：

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

（2）狀態監視：調度控制系統可監視區域內的各種情況，并可在主界面和查詢界面顯示，供用戶查看。

（3）對外通信：系統需提供數據讀取接口，并支持對數據庫中數據的讀取；系統需支持OPC或Web Service（或SQL SERVER通信接口），實現對數據庫中數據的訪問。系統的數據輸入應同時具備手工錄入、制造執行、數據采集等系統集成自動輸入的功能。

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

調度系統與AGV以指令的方式進行交互，可以將分解后的任務指令發送至某一臺AGV，并實時監控各AGV的運行狀態。調度系統可與上層信息系統，通過MES，WMS等定制化接口，調度系統接收上層信息系統下發的任務，并反饋任務執行情況，以及AGV狀態。本案例AGV運行區域較大，跨越多個廠房，且包括室外區域，因此采用5G調度網絡。

4.實施效果評價

為驗證自動化物流方案在鋼管涂敷作業中的實際成效，本研究基于HY公司的實際生產數據與仿真模型，從物流轉運效率、生產效率兩個維度進行量化評估，并結合仿真與實際情況差異進行分析。

（1）物流轉運效率

物流轉運效率聚焦于物料在全流程流轉中的時間利用率與周轉能力，核心衡量自動化物流體系對“原料—半成品—成品”流轉周期的優化效果。物流轉運效率提升主要通過單位時間內物料周轉量和平均流轉時間兩個指標進行評估。計算公式如下：

優化前產品單批次平均轉運周期可由生產現場數據得到，優化后產品單批次平均轉運周期經仿真模擬后計算得出，對比參見表4。實施自動化物流系統后，鋼管涂敷作業整體平均物流轉運效率提升約10%。

表4 物流轉運效率提升

（2）生產效率

生產效率是單位時間內完成合格產品的產量提升幅度，核心反映物流銜接效率改善對生產節拍的正向拉動作用。通過單位時間內合格產品產出量計算：

優化前產品單批次單位時間產量可由生產現場數據得到，優化后產品單批次單位時間產量經仿真模擬計算得出，對比參見表5。實施自動化物流系統后，鋼管涂敷作業整體平均生產效率提升約7.4%。

表5 生產效率提升

（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備與堆場地基改造，預計總投資金額為3788.50萬元，其中設備成本投入占比約80%。

產能效益提升方面，源于生產效率優化帶來的合格產品產出增加，結合前文生產效率提升數據（整體平均提升7.4%），HY公司2024年度整體營業收入4.22億元，由產品生產銷售產生的營收按照50%計算，則產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+設備協同調度”，大幅減少物流環節人工需求，包括龍門吊操作員4名、車間物流轉運員9名。

綜上所述，預計靜態投資回報周期為27個月。測算未包含間接效益（如涂層損傷率降低減少的返工成本、設備利用率提升降低的折舊分攤、節能減排帶來的能耗成本節約等），若計入間接效益，投資回報周期可進一步縮短；另外自動化物流體系的設備使用壽命約10年，長期運營過程中可持續產生穩定效益，且能適配未來產能擴張與產品升級需求，具備長期投資價值。

（4）仿真誤差分析

仿真模型基于實際工廠布局、設備參數、生產節拍與訂單數據進行構建，并采用離散事件仿真方法模擬物料流轉過程。盡管如此，仿真結果與實際情況仍可能存在一定差異，主要來源于以下幾個方面：

①設備實際運行穩定性：仿真假設設備持續無故障運行，實際中可能存在停機維護、故障處理等非計劃性中斷；

②人為操作與調度干預：仿真中調度系統為理想狀態，實際中可能存在人為調度調整或應急處理；

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

為縮小仿真與真實場景的偏差，可采取以下措施對模型構建及數據驗證進行精確性提升：

①數據校準：基于HY公司過去12個月的生產日志，提取更多真實數據用于仿真模型的參數校準，確保模型貼合實際生產規律；

②場景復刻：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，精準模擬AGV交叉作業、設備對接流程等關鍵環節；

③多場景驗證：除基準場景外，額外模擬訂單峰值、設備故障、原料短缺等特殊場景，驗證自動化物流體系的抗干擾能力，確保仿真結果的魯棒性。

綜合上述差異分析及控制措施，本次仿真結果與真實場景的預期偏差可控制在±5%以內，核心指標（物流轉運效率、生產效率）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際應用效果。

四

總結

本文針對傳統鋼管涂敷作業物流環節存在的效率低、精準性差、銜接不暢等問題，構建了基于自動化物流的鋼管涂敷作業優化體系。通過HY公司作業案例驗證說明，該優化體系可有效縮短物料流轉周期、降低人工成本、提升產品質量與生產效率，為鋼管涂敷行業的自動化與智能化升級提供了可行的理論支撐與實踐范式。

參考文獻:

[1]謝昊天,李昌臣,陳沛東,等.自動化倉儲物流在先進制造技術中的發展概況[J].中國儲運,2025,(11):57-58.

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[3]張玉勇.深水海管涂敷鋼管表面處理的質量管理[J].中國海洋平臺,2020,35(02):94-96.

[4]孔繁森,盧振林,孔亮.工廠布局的概念設計[J].工業工程,2025,28(02):160-170.

[5]姚力銘.智能技術賦能物流調度與動態路徑規劃創新[J].中國物流與采購,2025,(16):105-106.

[6]熊冬冬.物流智能多式聯動裝備智慧化改造應用探討[J].通訊世界,2024,31(04):193-195.

[7]孫元琛.AI驅動下物流產業智能調度系統設計[J].高科技與產業化,2025,31(09):40-42.

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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