海烟物流承担着上海全市卷烟的分拣配送工作。随着人力成本不断上升以及卷烟产品类型与订单结构的变化，早在2003年建成的物流系统亟待升级。在综合分析各方面条件后，海烟物流选择了就地技改方案。本文全面介绍了该项目从设计规划到具体实施过程中的诸多细节与宝贵经验。
上海海烟物流发展有限公司（简称“海烟物流”）承担了上海全市卷烟的分拣配送工作，其物流配送中心位于长宁区，北临苏州河，东、南连接中环路。整个物流园区占地面积约7万平米，联合工房建筑面积约4万平米，联合工房内曾建有卷烟与非烟两套物流系统，其中卷烟物流系统于2001年开始建设，2003年投用。十多年来，该物流系统有效地支撑了海烟物流业务的开展。
随着市场的变化，海烟物流不断面临着新的挑战。一方面，随着劳动力成本的提升，物流成本的压力增大；另一方面，伴随着卷烟营销的变化，物流服务多样化、个性化的需求更为明显，物流系统已不适应变化的订单结构，物流运作效率低。因此，海烟物流在2017年提出了对物流系统进行整体升级的设想。为保持业务的连续性，并充分利用现有资源，控制整体投资，公司决定采用在物流中心联合工房内进行就地技术改造的建设方案，整合卷烟与非烟物流系统的场地，统一作为卷烟物流运作使用。
物流系统布局
就地技改优劣势
就地技改具有投资省，无需选址、购地，审批环节少，项目实施周期短等诸多优势。但就地技改一直以来都是物流系统改造的难点，海烟物流主要面对的两大难点是：建设条件受限，项目建设与物流运营难以兼顾。
首先是项目建设条件受限。物流系统的改造，工艺流程的制定是首要工作。就地技改，顾名思义，是在原有地址进行改造，方案设计受已有条件的限制，比如，现有园区的建筑面积、绿化、道路、供电、容积率等条件均会成为项目建设的已有约束条件。特别是在原有的联合工房内进行的物流系统改造，建筑的结构形式、面积、层高、楼面承重等都会成为制定技术方案过程中的限制性条件。
其次是在平衡项目建设与日常运营方面管理难度大。物流的日常运营与项目的建设在同址、同步开展，安全管理、现场协调工作多、难度大。就地技改是对已经运行的物流系统进行改造，在技术方案的制定过程中应充分考虑项目的实施过程与物流运作的协同，尽可能从空间或时间上做到有效隔离，确保物流仓储、分拣、配送业务的正常进行，不受项目建设的干扰。因此，项目建设期的安全管理以及生产调度也是需要重点关注的内容。
工艺设计原则及规则
针对就地技改的特点，海烟物流在技改方案的制定阶段确立了两项原则：一是物流工艺与技术方案的制定应充分考虑建设条件和设计规范的因素；二是物流系统建设与实施方案应包含过渡期的物流运行方案。
具体而言，结合项目建设目标的需要，项目组在前期方案的制定中明确了以下规则：
1.保持联合工房的原有结构、建筑面积以及外立面不变。主要从规划审批和报建审批两方面考虑，避免了“新改扩”项目对规划调整的重新报批，也避免了由于建筑结构变化后需要按照新规范重新进行结构设计和抗震鉴定。虽然原有的非烟产品作业区，在拆除部分设备后，场地具有较大的净空高度，可以有较大的设计空间，但方案设计中仍应保持单层建筑的结构，在部分区域根据需要搭设设备平台，但不建设钢混平台或作业平台，不增设楼面。
2.尽量保持原有联合工房的功能区域设置，不改变原有消防分区。从消防设计方面考虑，原有功能区域定义为作业区的区域，在新的设计方案中仍保持作业区定位，不设置具有仓储功能或仓储特性的环节。
3.工艺流程设计以及设备选型与布置应基于现有各区域楼面承载能力。在充分了解原有建筑结构和楼面载荷的基础上，结合建筑情况，确定各区域的楼面载荷，而这些数据作为设备选型与布局的限制性条件，这主要从建筑结构方面考虑，避免改造对建筑结构造成影响。
4.项目实施过程中，为保障原有物流系统的运行，制定临时过渡方案，保持空压、配电等动力配套设施正常供应；保证给排水、消防设施的正常功能。
项目建设方案
基于以上限制性的因素，在初步设计阶段，我们在申报方案的基础上多次调整、采取了折中或替代的方式，完善并形成了项目建设方案。
1.对采用多层穿梭车与备货道相结合的备货方案进行了修改，取消了多层穿梭车布局在卷烟分拣区的设计，避免对原有建筑的消防分区进行调整。
2.将拆垛与码垛机械手集中布局在原非烟产品的高架库区域。这是因为机械手对地面载荷具有较高的要求，如果布置在收货区或分拣区需要对相应区域的建筑结构进行调整，而原非烟产品高架库区具有较高的楼面承载能力，满足机械手对地面载荷的要求。
3.取消了增设电梯的设计，需要进行的物料垂直搬运尽量采用对基础和承载要求较低的托盘垂直提升机，垂直提升机设置在原非烟产品高架库内，避免对建筑结构进行调整。
4.调整了空压系统的设计方案，机械手在抓取烟箱中所需要的负压采用分布式风机的形式提供，避免对空压机房进行大规模整体改造，以保持项目建设阶段的物流分拣系统的运行。
仓储设备利旧
就地改造除了利用原有土地、厂房外，我们对联合工房内的设备也进行了评估，结合设备状态和改造需求，决定对高架库与堆垛机也采用利旧方式。主要具有以下优点：
1.节约投资
高架库的核心设备采用的是瑞典Accalon的堆垛机和托盘输送线，由于历年精心维护，设备虽然已经使用超过15年，但截至停用之前，设备运行稳定、故障率低，经检查，机件的状况良好，可以继续使用。为达到长期使用的目标，利旧方案中在分类评估的基础上保持了现有设备的机械结构和主要部件，而对电控系统进行整体更新，特别是替换已经换代的零件，确保了备件的可持续供应，节约了大量的设备采购费用。
2.降低了建设风险并缩短了改造的时间
现有高架库具有约20000个货位和10台堆垛机，如果全部更新为新的设备，拆除的工作量非常大，同时由于施工条件的限制，大型起重设备无法进入库内，因此拆除过程中需要实施大量的登高、起重、动火作业，安全管理压力大，周期长。而利旧改造，无需进行大范围的拆除作业，避免了大量的高风险施工，而且改造作业可以分批次进行，施工安排较为便利，调试简单，项目建设周期短。
物流作业各环节的设计
整体规划中，根据物流中心的职能，设立卷烟收货、仓储、备货、分拣、出货五大环节。
1.收货
收货区域设置整件收货与整托盘收货两种形式。件烟收货采用人工收货、机械手自动码盘的技术方案，在月台设置具有俯仰功能的伸缩式输送机，件烟经入库扫描和检测后被运送至自动码盘区，由机械手进行自动码盘。在此区域再次扫描件烟标签，系统确认产品规格的同时，将件烟信息写入承载托盘的RFID芯片，作为入库的身份标识。经过改造，收货作业的劳动强度大幅降低，收货能力和人均作业效率都有了明显提升，收货能力达到每小时3200件。
整托盘入库区域的低位提升机
整托盘收货采用托盘输送线并线入库的方式，利用月台渡板实现月台与车辆的对接，低位提升机的运用实现了平面搬运和托盘输送线的衔接。在收货区，作业人员使用托盘搬运车就可以完成卸货、入库的作业，减少了中转过程。与之前相比，减少了叉车的使用，工作更为连贯，设备利用率高，大幅提升了收货效率。改造完成后，整托盘的收货能力达到每小时100托盘。
2.仓储
仓储环节采用10个巷道的自动化高架库。高架库内的设备和设施，如堆垛机、托盘输送线、货架等均采用利旧整修的方式。我们对机械磨损件，如堆垛机的地轨、部分货叉、钢丝绳进行了更换整修后，保持了机械结构的完好；对电控系统和电气元器件进行了整体更新，采用了具有能量回收功能的驱动设计，设备运行能耗显著降低。完成改造后，总货位数达到近19000个，在充分利旧的基础上，为工商协同、减轻工业卷烟仓储压力提供了可能。
利旧整修后的堆垛机与高架库
3.备货
采用AGV与积放式备货道相结合的分布式备货方案。创新地将AGV与备货道相结合，利用潜伏式AGV将出货托盘运送到拆盘机械手位置。利用AGV灵活搬运的特点，在机械手抓取订单分拣所需的件烟后，由系统指挥AGV将托盘转运至暂存位，或将空托盘送至空托盘叠垛工位；抓取的件烟则自动运送至积放式备货道，经排序后送到分拣线。利用较小的场地实现了卷烟拆盘、暂存、排序等功能，满足系统对110个规格的卷烟进行拆盘、排序的需要，可以同时为6条高速分拣线补货，补货能力达到每小时3600件。
多工位机械手拆盘方案
4.分拣
全自动高速条烟分拣系统
卷烟分拣采用标准烟分拣线和异型烟分拣线分离的方式。这是基于海烟物流自身的订单结构分析做出的安排。标准烟分拣线处理110个规格的卷烟，采用成熟的高速自动分拣技术，自动开箱、自动补货、自动分拣、自动包装。订单在包装前经视觉系统进行品牌识别，确保订单执行准确，分拣效率达到30000条/小时。
半自动异型烟分拣系统
异型烟分拣采用半自动分拣方式，包装环节采用柔性抓取，系统跟踪不同规格卷烟的执行顺序，每次抓取时，吸盘进行主动适应的调整，一次性抓取不同尺寸规格的卷烟，包装效率达到5000条/小时。这种设计降低了订单结构对整个物流系统作业效率的影响，有效保证了各分拣线能力的实现。
适用于多规格卷烟拆盘的机械手夹具
5.出货
分拣完成的卷烟将被送到出货缓存区，等待装车。由于场地限制，主要的分拣设备均布置在联合工房多层建筑的各层楼面，上下四层，垂直高差近20米，出货的物流动线设计难度较大。但经过科学规划，利用件烟输送线、托盘垂直提升机等设备进行衔接，在设备能力匹配和功能设计上也充分考虑了分合流、工作节拍、异常处理等各类情况。改造完成后，各作业环节衔接紧密，物流运作较为顺畅，没有明显的瓶颈环节，为运作的连贯性提供了支撑。出货缓冲区布局在联合工房的一楼，方案中充分利用了原有的联合工房北区和西区的月台，用于送货车辆装车，可以同时停靠46辆车。这一设计减少了车辆等待时间，大幅提升了车辆利用效率，为车辆的灵活调配提供了便利。
月台装车
物流系统柔性化设计
结合多年的物流系统使用经验，我们感到，物流系统的规划与设计不仅要基于对历史数据的分析，还要对物流的需求以及各类可能发生的情况进行系统思考，在实现物流各环节功能的基础上进行针对性的设计，使其在使用中能灵活应对各类情况。简言之就是，物流系统要保持较高的柔性，具体而言要考虑满足以下要求：
一是应对物流波动能力强。物流系统应对物流波动能力强，在仓储、分拣作业高峰期能科学应对，满足市场需求，在销售淡季可以适时调整，控制成本。
二是备货与分拣系统适应订单结构变化。备货、分拣系统适应订单结构变化，总体分拣能力不会因为订单结构的变化发生大幅的波动。适应未来业务发展，在异型卷烟、细支卷烟销量增长上有系统的解决方案。
三是物流系统具有较高的可用性。物流系统可用性高，当发生单点故障时，系统具有完善的应对措施，物流运作不会受到整体影响。
四是物流系统便于拓展。物流系统具有一定的拓展空间和较好的改造柔性。信息系统采用模块化设计理念，并在设备的关键环节充分考虑未来扩展的需要，预留必要的接口和改造条件。实施信息系统升级、优化，设备局部技术改造较为便利。
物流系统柔性化设计在本次技改中的具体体现如下：
1.整托盘收货与输送
在散件收货区预留了一个收货月台，未布置大量的件烟收货设备，适当的留白是应对未来托盘联运的发展。当散件与整托盘收货比例变化时可灵活安排车辆的停靠，便于生产能力的调配。托盘输送线设置两个独立的入库口，在大幅提升入库能力的同时，在设计中还预留了通联装置，可根据需要调配每个入口的优先权，必要时可以优化整托盘运输能力。另外，为服务托盘联运，应对多种托盘的混用，方案中除了设置4套独立的空托盘拆分装置，以便于处理不同类型的托盘之外，还预留了硬件接口，只需局部改造即可满足未来托盘种类增加的需要。
2.散件收货
人工码盘工位
在4套机械手码盘系统之外，设立两个人工码盘位。该工位可用于零散件烟、烟箱材质不适应以及收货波动时的特例处置。另外，在4套码盘系统的件烟输送中，还设置了贯穿线，实现了同层入库输送线之间的互通互联。当任何一套系统发生故障，其任务均可切换至其他码盘机械手，确保了收货作业的持续。
3.高架库
在高架库的应用逻辑中，强化品规均布原则的智能性特点，在平衡工作任务的同时，充分保留系统柔性。入库时，任一堆垛机出现故障，其任务可以转移至其他巷道的堆垛机执行；出库时，WMS系统也会监控堆垛机的运行状态，将任务自动分配给在线的堆垛机，而品规均布原则保证了这一功能的实现。在堆垛机空闲时，还可以对托盘位进行整理，以利于保持进出库作业的高效。
4.AGV分布式备货
发挥软件与控制系统智能化的特点，保持备货柔性。AGV在备货环节的运用使机械手的灵活性有了大幅的提升。首先，场地占用的减少，使得单个机械手可以同时处理7个托盘位，再辅以AGV小车智能调度，单个机械手可以处理的卷烟品规数大幅提升，理论上讲，具体数量不受物理位置的限制，提高了拆盘系统应对不同需要的柔性。对拆盘机械手而言，每个拆垛工位的定义可以灵活设置，在系统中可以动态设定每个拆垛位的性质，在实际的应用中，无论是订单结构变化还是设备可用状态发生变化，均可以通过系统的调度来应对，而无需进行硬件的调整。
5.分拣线
分拣线的配置是基于对海烟物流历史订单的分析以及对未来卷烟销售的预测。特别是异型烟分拣，由于在2017年立项时，上海市内销售的异型烟较少，还不到总销量的3%，而且细支卷烟在异型烟中的占比也非常小，相比较其他省市的卷烟销售结构而言，有很大的不同。基于对未来异型烟销售量增长的确定性和异型卷烟规格不确定的判断，我们选择了细支与异型卷烟合并分拣的策略，在订单合并方面做出了让步，但保持了分拣系统对未来卷烟订单结构变化的柔性。
异型烟分拣线的核心装置 - 柔性吸盘
在异型烟分拣方案的选择上，卷烟的抓取采用可以单独调整的柔性吸盘，以适应不同的卷烟包装尺寸；在分拣模块上，采用多层架构，预留拓展成为3个包装站的接口，便于未来局部扩能。
实施效果
经过一年多的项目实施，物流系统于2019年11月顺利投入运行，并经历了2020年元春高强度作业验证。在这期间，物流中心日分拣、配送量达到设计能力的150%，订单结构也与日均情况差异很大，但在长达20多天的大负荷作业中，物流系统运行正常，顺利完成每天的分拣任务，实现了项目建设的既定目标，即：满足营销需要，提升卷烟分拣、配送能力，适应市场需求变化；提高系统柔性，适应营销订单结构调整以及应对未来变化的能力。另一方面，也提升了海烟物流的服务能力，为缩短客户订单的响应时间，服务于同城卷烟工业企业创造了条件。
