成品高架庫兼容三種運輸模式的柔性設計分析

張永壽，吳伯剛，杜 晶，吳貴文

（紅塔煙草（集團）有限責任公司 裝備技術部，云南 玉溪 653100）

1 引言

隨著物流技術的發展，煙草行業無論是工業還是商業，成品件煙的儲存普遍采用立體高架庫，工業、商業在內部物流基本都實現了成品件煙出入庫的全自動化，但由于歷史的原因，在工商交接的環節，自動化程度還較低，仍存在大量的人工裝卸作業，為進一步提高工商交接的自動化程度，2007年，國家煙草專賣局頒布了《煙草行業聯運通用平托盤》標準，推動成品件煙工商托盤聯運模式。目前，煙草行業成品件煙的運輸形成了浙江中煙為主的30件托盤聯運模式、福建中煙為主的24 件紙滑托盤聯運模式以及傳統的單件件煙裝卸三種模式并存的局面。從現代物流的發展趨勢來看，發達國家已經普及托盤運輸，托盤運輸是現代物流的重要標志，目前由于工商在用的托盤標準尚不統一、工業碼垛件煙數不統一、車輛裝載率低、托盤費用管理問題、工業原有高架庫和運輸車輛必須改造才能滿足托盤聯運要求等因素限制，煙草行業的成品件煙裝卸運輸模式短時間難以統一，具體以哪種模式為主尚不明確。

2 卷煙成品三種裝卸模式比較

2.1 傳統件煙裝卸模式

傳統件煙裝卸模式目前仍然是多數工業公司使用的模式，該模式的運作流程為：卷煙工廠生產的件煙（如圖1所示），由機器人在托盤上按兩層立箱兩層平箱的方式進行28 件碼垛（如圖2所示），碼垛完成的實物托盤，由RFID讀寫器在預先安裝于托盤上的RFID電子芯片中寫入28件煙的一號工程碼，然后由入庫輸送設備整托盤送入高架庫存儲。

卷煙工廠成品出庫時，先由出庫輸送設備把整托盤件煙送至機器人拆卸站臺進行拆垛，拆垛后的件煙經合流分揀系統、伸縮鏈板機直接送入配送車輛內，人工在車廂內對件煙進行裝載，配送車輛到達商業公司后，人工對件煙進行卸貨，然后按商業的組盤要求，以人工（或自動碼垛）的方式在托盤上重新碼盤，碼盤完成后在托盤的RFID電子芯片中寫入托盤件煙的一號工程碼，整托盤入庫存儲。該模式的主要優點是：

圖1 件煙箱

圖2 28件件碼垛方式

（1）由于是單件煙裝車，幾乎可以100%利用配送車輛的空間，運輸費用低，特別是對于在全國銷售的大品牌，可以節省大量的運輸費用。

（2）以件煙形式運輸到商業公司，工業不需要周轉托盤，商業也不需要保管托盤，可以節約托盤采購、回運、存儲管理費用。

（3）件煙在商業公司重新組盤，人工組盤能適應各種特殊規格的件煙的碼垛要求，可以靈活適應商業公司的儲存模式，充分利用商業的存儲空間。

主要缺點是：

（1）工業人工件煙裝車，裝車效率很低，大約800件/h[1]，人工費用高，工人勞動強度大，人工裝車過程中件煙的破損率較高。如果訂單數量不是28件的整數倍，最后一托盤的件煙在裝車過程中需要對拆卸下來的發貨件煙逐一人工掃描一號工程碼，效率低，信息跟蹤易出錯。

（2）工業出庫配置拆垛機器人、合流分揀線、伸縮鏈板機等設備，投資高，如果不配置上述設備，完全采用人工叉車叉托盤到配送車輛上人工拆垛裝車方式，作業現場比較混亂，易出現搬運工人裝錯車，造成品牌差錯或一號工程碼差錯等嚴重質量事故。

（3）工商協同差。件煙到達商業公司后，需要人工卸貨并重新組盤入庫，需要逐一掃描件煙的一號工程碼并重新處理后寫入托盤的RFID電子標簽，入庫效率很低，如果采用純人工處理，商業需要大量的搬運人員，人工費用高，作業現場混亂，件煙破損率高，易發生件煙信息錯誤，且破損煙、信息錯誤的件煙處理麻煩。如果商業采用人工卸貨，自動掃件煙碼、機器人自動組盤入庫的方式，一是商業需要增加入庫設備投資；二是由于各工業公司各種特殊規格卷煙的存在，自動碼垛難以適應所有的件煙規格；

（4）商業環節重新組盤無論是自動碼垛還是人工碼垛，商業都需要較大的卸貨場地。

2.2 整托盤裝卸模式

浙江中煙從2003年開始向省內外商業客戶提供成品卷煙托盤聯運運輸服務，該模式的運作流程為：卷煙工廠生產的件煙，由機器人在1 250mm×1 000mm×150mm 的托盤（如圖3所示，通常為木托盤或塑料托盤）上按3層立箱方式進行30件碼垛（如圖4所示），碼垛完成的實物托盤，由RFID 讀寫器在預先安裝于托盤上的RFID 電子芯片中寫入30 件煙的一號工程碼，件煙實托盤再由打帶機進行縱橫捆扎固定或裹膜機進行裹膜纏繞，然后調度管理系統指揮入庫輸送設備、巷道堆垛機協同作業，把實物托盤送入高架庫存儲。

卷煙廠接到成品出庫訂單后，進行整托盤出庫作業，一般由人工叉車進行整托盤單層裝車(只有成品尾數才產生散件煙)，然后運送到商業公司，整托盤卸車后直接整托盤進入商業配送中心儲存。該模式的主要優點是：

（1）工業出庫環節、商業入庫環節可以通過掃托盤電子標簽一次完成30 件煙的一號工程碼信息提取，效率極高，且電子標簽隨托盤一起運送至商業公司，發生信息錯誤的概率極低。

圖3 木托盤

圖4 30件碼垛方式

（2）整托盤出入庫，作業效率高，作業現場整潔，裝車效率可以達到1 800 件/h，且可減少人工件煙裝卸造成的件煙破損。

（3）工業企業可以節約拆垛機器人 (或拆垛設備)和高速分揀設備、自動伸縮裝車設備及相關配套設備的投資。

（4）工商協同好。托盤運輸至商業公司，商業公司整托盤入庫上架，與件煙裝車模式相比，商業公司可以大幅降低件煙重新組盤的人工費、入庫效率高，30件垛形可充分利用商業高架庫庫容。

主要缺點是：

（1）配送車輛的裝載率明顯降低，只有件煙配送時的70%左右[2]，增加運輸費用，如果是長途運輸，將會造成驚人的運輸費用增加。

（2）托盤隨車到達商業公司，工業需要對托盤進行回收運輸，增加了托盤回收運輸費用。特別是由于目前卷煙工業使用的托盤尺寸、材質尚不統一，既有木托盤，也有塑料托盤，尺寸也有1 250mm×1 000mm及1 200mm×1 000mm兩種，托盤上安裝的RFID 電子標簽標準也不統一（需要的讀寫器不一致），為保障回收的托盤在工業環節的良好使用，各個工業公司需要商業公司出完貨后才能回收自己的托盤，周轉率降低，工業的托盤數量和費用明顯增加。同時，由于回收不及時，商業公司需要很大的周轉空間存儲20 多個工業公司配送過來的周轉托盤，增加了存儲費和管理費。同時，托盤在運輸、周轉過程中的修補費、保管費等處理也比較麻煩。

（3）采用30件煙立箱碼垛方式，為保持運輸環節件煙垛型穩定，防止倒塌，工業需要在入庫環節對件煙垛進行捆扎或裹膜纏繞，與件煙裝車模式相比，需要增加部分成品托盤外包裝輔材、設備投資。

2.3 紙滑托盤裝卸模式

2014年，福建中煙開始嘗試使用紙滑托盤裝卸模式，目前該模式已在福建中煙所有商業公司應用。紙滑拖（如圖5所示）是內帶RFID、厚度為1mm左右、重量約1kg的牛皮紙質，具有較高的韌性，并能回收重復使用。該模式的運作流程為：卷煙工業成品高架庫存儲的托盤組（空托盤組垛入庫時每個托盤上已放置了紙滑拖），經托盤碼分機拆解為單個托盤，帶紙滑拖的空托盤由輸送設備送至碼垛工位，機器人按兩層立箱1 層平箱的方式進行24 件碼垛（如圖6所示），碼垛完成的實物托盤，由RFID 讀寫器在預先安裝于紙滑拖上的RFID 電子芯片中寫入24 件煙的一號工程碼，然后由入庫輸送設備整托盤送入高架庫存儲。

成品出庫時，帶有紙滑拖的件煙托盤，輸送至出庫站臺，先由裹膜機進行纏膜處理，然后再由帶有推拉器的專用叉車夾住紙滑拖的翼邊，將整垛件煙拖至叉車叉臂上，經過出庫掃碼器掃描芯片信息后送至配送車輛上的具體裝載位置，然后夾持器松開紙滑拖的翼邊，推拉器往前撐住件煙，抽出叉臂，完成紙滑托盤的裝車。配送車輛到達商業公司后，紙滑托盤整托盤從車輛上卸出，直接整托盤進入商業配送中心儲存。該模式的主要優點是：

圖5 紙滑拖

圖6 24件碼垛方式

（1）配送車輛的裝載率高。國內車輛運輸道路的普遍限高為4.5m，24 件紙滑托盤碼垛方式的高度不超過1.40m，兩層的高度不超過2.80m，車輛的底盤高度不超過1.5m，按兩層裝載，高度不超過4.3m，工業送貨車輛可以按照上下兩層左右兩垛，一個橫切面四托盤的裝載模式，裝載率可以達到件煙裝載的96%。

（2）工業出庫環節、商業入庫環節可以通過掃描紙滑拖電子標簽一次完成整托盤件煙的一號工程碼信息提取，效率極高，且電子標簽隨紙滑拖一起運送至商業公司，發生信息錯誤的概率極低；

（3）整托盤出入庫，裝車效率可以達到1 600 件/h[1]。既解決了件煙裝卸模式作業效率低、作業現場混亂、人工費用高、件煙人為破損率高的問題，又解決了整托盤裝卸模式托盤采購費用、回運費用、管理費用高的問題，商業公司可以大幅減少托盤存儲場地。

（4）工業企業可以節約拆垛機器人 (或拆垛設備)和高速分揀設備、自動伸縮裝車設備及相關配套設備的投資。

主要缺點是：

（1）工業卷煙工廠高架倉庫倉儲容量損失14%（28 件變為24 件），商業公司倉儲容量損失20%（30件變為24件）。

為了實現“基礎厚、口徑寬、能力強、素質高”的人才培養目標，在課程內容設置上應充分考慮到石油類高校非焊接專業學生相應的基礎知識和專業應用特點，如石油化工機械主要涉及到各種化工容器、反應塔、加熱爐和換熱器的制造與安裝。油氣儲運專業涉及到各種儲油罐、油氣管道、油槽車和油輪等制造工程。因此，需要從《金屬焊接》課程本身出發，使課程內容與相應支持課程內容相融合，從而構成“學有基礎、用有對象”的課程知識體系。

（2）工業和商業都需要采購部分帶推拉器的專用叉車，由于紙滑托盤的裝卸要求操作更精細，需要對原有的叉車操作工進行培訓。同時，為保證紙滑托盤在長途運輸過程中的穩定、不大幅度位移，工業紙滑托盤出庫時，需要使用塑料薄膜纏繞垛煙，工業需要增加纏繞設備投資。

（3）與件煙裝卸相比，需要增加運營費用，紙滑拖約20 元/張，裹膜約6 元/垛。為降低運營費用，需要對紙滑拖進行回收利用。

3 高架庫柔性設計分析

從上述分析中可以看出，卷煙成品三種裝卸模式各有優缺點，煙草行業商業公司和工業卷煙廠受歷史因素的影響，改變裝卸模式需要付出較大的代價，預計短期內行業成品卷煙的裝卸模式難以統一，幾種裝卸模式還將并存一段時間，在這種情況下，對目前正在或將要進行技術改造的工業卷煙廠來說，成品高架庫無論按哪種模式設計，都存在設計模式一旦與將來行業統一模式不一致，又要重新改造的問題。一旦出現這種情況，一是造成投資浪費；二是再次改造將對生產造成很大的影響；三是如果前期設計考慮不周，預留的場地不夠，將來可能無法改變裝卸模式。鑒于此，筆者認為，目前進行或即將進行技術改造的工業卷煙廠，對成品高架庫的設計，需要充分考慮對三重模式的兼容性，即設計時應考慮一旦需要改變裝卸模式，一是需要有預留的場地進行改造；二是不需要進行很大的改造，進行較小的投資即可實現裝卸模式的轉變。下面筆者介紹入庫環節、存儲環節、出庫環節滿足三種裝卸模式柔性設計的思考及需注意的一些方面：

3.1 入庫環節

入庫環節主要需要從以下幾個方面進行柔性設計，成品庫設計如圖7所示。

（1）碼垛機器人的選型。傳統件煙裝卸模式采用28件碼垛方式，整托盤件煙模式采用30件碼垛方式，紙滑托盤模式采用24 件碼垛方式，為實現兼容，碼垛機器人要按滿足30件煙碼垛要求選擇手臂加長型的，同時，要設置24件、28件、30件三種碼垛程序，碼垛模式可靈活切換。機器人手抓的選擇要既可以抓取立箱，也可以抓取平箱。

（2）空間位置的預留。24 件碼垛模式為兩層立箱1層平箱、28件碼垛模式為兩層立箱兩層平箱，此兩種碼垛模式結構比較穩定，在工業卷煙廠的入庫過程中，一般距離較短，入庫過程中垛型變形很小，不需要進行特殊處理。30件碼垛模式為3層立箱，垛型不穩定，為防止入庫過程中垛型變形或散垛，需要進行捆扎后才能入庫。因此，在設計時必須在機器人碼垛區預留打帶機的安裝位置（如圖7所示）。如果采用24件或28件入庫模式，則預留打帶機安裝空間，如果采用30 件碼垛模式，則需要采購安裝打帶機。

（3）打帶機安裝位置的選擇。30 件模式件煙打帶需要給打帶機添加尼龍帶、件煙護角等輔料，目前一般是人工添加，因此，打帶機的安裝位置應預留在機器人碼垛區的兩端，方便人工添加輔料，特別是對于輔料不存放在高架庫的情況，如果打帶機的安裝位置預留在機器人碼垛區的中部，碼垛區設備密集，人工很難把打帶輔料送到打帶機上。鑒于此，一般建議打帶機的輔料還是存放在高架庫，需要時可以從庫中自動輸送到捆扎輔料存放站臺，這種情況下，需要考慮輔料用完后輔料空托盤的碼垛及回庫路徑。

圖7 成品入庫設計

3.2 存儲環節

24 件碼垛模式，木托盤上放置紙滑拖，考慮整托盤出庫時帶推拉器的專用叉車存取方便，一般紙滑拖在木托盤的橫向、縱向都分別突出40mm。

存儲環節要兼容三種卷煙成品裝卸模式，從設計上主要是考慮預留貨架貨格、巷道的尺寸：

（1）貨格寬度尺寸。在進行貨架貨格設計時，一般按一個貨格存放兩托盤件煙進行設計，為保證將來貨架貨格可以適應三種托盤的存儲，貨架設計時應保證：貨格的長度應按滿足24 件紙滑拖件煙托盤存儲的方式設計，貨格長度尺寸應比28 件及30 件件煙碼垛模式加長80mm，貨格內部凈長應為2 390mm或稍大于2 390mm（如圖11所示）。

圖8 一層立箱俯視圖

圖9 二層立箱俯視圖

圖10 平箱俯視圖

圖11 貨格寬度設計

（2）貨格的高度尺寸。為保證將來貨架貨格可以適應三種托盤的存儲，貨格的高度應按30 件碼垛方式設計，單層貨格存儲凈空間的高度一般應不低于2 190mm（已考慮的貨格中間噴淋頭的安裝位置，如圖12所示）。

（3）巷道寬度尺寸。24件紙滑拖碼垛方式，托盤在貨架上存放時，紙滑拖在巷道寬度方向突出木托盤40mm，同時，巷道堆垛機在進行托盤存、放過程中，堆垛機載貨臺上的托盤上紙滑拖也突出40mm，因此，與28 件、30 件碼垛方式相比，巷道寬度需要加寬80mm，巷道的總寬度應為1 700mm 或稍大于1 700mm（如圖13所示）。

3.3 出庫環節

要適應上述三種模式發貨，出庫環節主要需要從以下幾個方面進行柔性設計：

（1）出庫模式選擇。出庫模式只能采用整托盤出庫模式（如圖14所示）（不能采用合流分揀模式）。在這種情況下，如果未來采用24 件紙滑拖或者30 件整托盤出庫方式，可以進行簡單纏膜處理后直接出庫，如果采用單件煙裝車模式，則28 件碼垛的成品件煙整托盤輸送到出庫站臺后，由人工叉車直接叉送到運輸車輛上，人工拆垛后單件裝車。

圖12 貨格高度設計

圖13 巷道寬度設計

圖14 成品出庫設計

（2）預留紙滑拖出庫模式的功能位置。為滿足24 件紙滑拖出庫模式，需要預留幾個功能、位置：①為保證24件碼垛的件煙從工業到商業的長途運輸中托盤不倒塌，24 件碼垛的件煙，在出庫前，必須進行纏膜處理。因此，在整托盤出庫緩存通道上必須預留纏膜機的安裝位置（如圖14所示）。如果采用24件紙滑拖出庫模式，需安裝纏膜機，24件碼垛的成品托盤經纏膜機纏膜后，送至末端出庫緩存站臺，由帶有推拉器的專用叉車夾住紙滑托的翼邊整垛取走。②為保障帶有推拉器的專用叉車夾住紙滑拖的翼邊把整垛件煙拖至叉車叉臂上的過程中木托盤保持不動，末端出庫緩存站臺須設置止擋塊，如圖15所示：

圖15 出庫站臺止擋塊

③為保障成品碼垛時木托盤上配置了紙滑拖，須預留成品發貨后空木托盤回庫時加載紙滑拖的位置和功能。紙滑拖輔料托盤從高架庫調出后送往紙滑拖輔料站臺，成品發貨形成的空托盤，在回庫組盤前，由人工或機器自動從紙滑拖輔料站臺取紙滑拖按規定的方向放置在單個木托盤上（如圖16所示），配置了紙滑拖的單個木托盤經過托盤碼分機組成托盤組，成垛進入高架庫存儲，供成品碼垛使用。如果成品出庫過程中使用了環形穿梭車，要特別注意紙滑拖的邊翼方向，經過環形穿梭車出庫后，紙滑拖的邊翼方向與在高架庫存儲時位置相反，設計時要考慮此情況，確保帶有推拉器的專用叉車能夠夾持到紙滑拖。

（3）預留三種出庫模式互換的功能位置。如果成品出庫以24 件紙滑拖、30 件整托盤、28 件碼垛單件裝車中的某一種模式為主，但有少量其它2種模式出庫的要求，則可以考慮預留互換出庫的功能位置，如圖17所示。

圖16 紙滑拖放置設計

圖17 三種出庫模式互換設計

例如，假如目前成品入庫以28件碼垛，出庫以單件煙裝車模式為主，當有少量24件紙滑拖或30件整托盤出庫需求時，輸送系統把現有成品托盤送至成品拆垛工位，由機器手進行件煙拆垛，拆垛的件煙經過件煙輸送通道，再由另外一臺機器手按24 件或30 件的形式在成品碼垛工位碼垛成型，24 件或30 件的成品垛經短距離輸送后，由裹膜機纏膜，送至末端出庫緩存站臺，直接出庫。

4 結語

本文針對卷煙成品三種裝卸運輸模式，提出了工業卷煙廠高架庫應對的兼容設計思路。兼容設計雖然能夠兼容三種裝卸運輸模式，但也會產生一些問題：一是兼容設計的貨架貨格存儲高度按30 件3層立箱的高度設計，如果將來存放按24件成品垛，整個存儲容量將損失20%；二是兼容設計考慮的因數多，為保證兼容，要求工業卷煙廠在成品出入庫區預留更大的空間位置，造成一定的空間浪費和建設費用的上升；三是兼容設計采用整托盤出庫人工裝車模式，出庫的自動化程度會有所降低。因此，兼容設計主要是行業裝卸運輸模式不統一的情況下的一種應對模式。