對(duì)快遞柜空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其裝置的研究

李亦君

摘 要：隨著快遞業(yè)的迅速發(fā)展，快遞柜的使用已普及開來。但在自身發(fā)展中因運(yùn)營(yíng)成本高，公共地塊布置受限等因素，在投放時(shí)被嚴(yán)格控制數(shù)量，且快遞柜格口類型單一，使得尺寸大小不一的快件在存儲(chǔ)時(shí)空間利用率不高，投遞極不靈活，不能滿足社會(huì)需求。對(duì)此為課題，通過光電距離傳感器快速判斷快件尺寸，自動(dòng)選擇相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，這種方式優(yōu)于目前快遞員人工選擇存儲(chǔ)空間，進(jìn)一步提高了快遞柜的運(yùn)營(yíng)效率。該裝置根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可將空間利用率最大化。

關(guān)鍵詞：智能；快遞柜；空間利用；STC89C52；容件率；傳感器

中圖分類號(hào)：TU399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）13-0067-04

1 引言

1.1 快遞柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化課題由來

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)購(gòu)因方便快捷、價(jià)格優(yōu)惠、不受時(shí)空限制等優(yōu)勢(shì)已成為用戶重要的消費(fèi)方式。快遞員因滿柜，或柜型單一不能投遞，只能將快件堆放在車上或公共過道處苦等，投遞效率低。因此本課題主要嘗試在原有快遞柜的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)“小空間大利用”，在寸土寸金的都市提高快遞柜的容件率與運(yùn)行效率。

1.2 快遞柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化課題背景

通過查閱大量與智能快遞柜有關(guān)的文獻(xiàn)資料，并走訪了身邊的用戶了解到：現(xiàn)在中國(guó)的快遞柜行業(yè)雖參與者眾多，但主流快遞柜服務(wù)商設(shè)備單元柜型大都只有大、中、小三種，規(guī)格單一，空間利用率低，而目前所有快遞柜都無法容納超大件（4U以上）的存放。由于在當(dāng)初快遞柜設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮若干柜子型號(hào)比例，而電子商務(wù)物流的形態(tài)主要是雜貨，尺寸大小不一，小至戒指，大至小型家具，對(duì)于當(dāng)前的快遞柜，小了浪費(fèi)柜體空間，大了卻不能實(shí)現(xiàn)自提，柜體空間預(yù)先設(shè)定使得投遞極不靈活。平均一組快遞柜的研發(fā)及運(yùn)行成本約為3-4萬元，加上管理人員工資、電費(fèi)、網(wǎng)費(fèi)等，快遞柜投資和維護(hù)成本高。而且快遞柜鋪設(shè)一般集中在城市中容積率較高的地區(qū)，受公共地塊的限制，這些因素導(dǎo)致快遞柜投放時(shí)被嚴(yán)格控制數(shù)量，且分布不合理，不能滿足用戶需求。

1.3 快遞柜使用情況的調(diào)查研究現(xiàn)狀

為了進(jìn)一步了解快遞柜的使用現(xiàn)狀，在學(xué)校、企事業(yè)、社區(qū)、快遞公司進(jìn)行了問卷調(diào)查，回收有效問卷167份，部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1，2，3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總?cè)缦拢海?）91%的調(diào)查對(duì)象使用過快遞柜；（2）69%的調(diào)查對(duì)象使用快遞柜時(shí)遇到滿柜情況；（3）從完善建議中了解到42.3%調(diào)查對(duì)象期待在小區(qū)內(nèi)增加快遞柜數(shù)量，希望快遞柜格口類型多樣化，15.5%的調(diào)查對(duì)象期望快遞柜設(shè)置在大樓入口處。通過實(shí)地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：目前我所居住的小區(qū)有2000戶居民，而快遞柜只有300格，如沒有快遞員早上投，業(yè)主中午取的話，一天最多代收300個(gè)包裹。

1.4 課題設(shè)想及意義

采用STC89C52單片機(jī)、紅外距離傳感器作為數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，由電磁鐵，機(jī)械鎖等進(jìn)行裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制，通過隔離板致動(dòng)器（電磁鐵）動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)柜體空間自由分配，以極大的靈活性實(shí)現(xiàn)了“小空間大利用”的突破。在快遞柜原有系統(tǒng)不變基礎(chǔ)上，通過傳感器測(cè)定包裹大小，選擇相應(yīng)的儲(chǔ)存柜體，計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇所對(duì)應(yīng)的空柜，選中柜區(qū)內(nèi)隔板收起或展開，自由組合成獨(dú)立的儲(chǔ)存空間，柜門自動(dòng)組合連鎖打開，完成投遞。

本課題意在通過采用彈性存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“小空間大利用”，在寸土寸金的都市提高快遞柜的容件率，對(duì)電子商務(wù)企業(yè)，快遞企業(yè)，物業(yè)公司以及用戶都具有重要的意義。

2 快遞柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論分析

本課題以近鄰寶改版前后柜子尺寸、數(shù)量的變化及其容件率進(jìn)行對(duì)比，作為定量分析。

改版前格口尺寸（單位cm）：小柜（34*11*48）共10個(gè)，中柜（34*21*48）共8個(gè)，大柜（34*41*48）共2個(gè)，柜高190cm。改版后格口尺寸：超小柜（30（38）*6.5*48）共12個(gè)，小柜（30（38）*13*48）共10個(gè)，中柜（30（38）*26*48）共4個(gè)，大柜（30（38）*52*48）共2個(gè)，柜高215cm。

近鄰寶改版后的智能快遞柜在占地面積不變的情況下，適當(dāng)?shù)卦黾涌爝f柜的高度，原改版前快遞柜柜寬只有一種規(guī)格，現(xiàn)改成30cm和38cm兩種混合規(guī)格，并增加了超小格口，格口類型明顯增多，大大提高了快遞柜空間使用率。

將改版前和改版后的近鄰寶做一下對(duì)比：（以單列快遞柜為例）改版前的快遞柜格口分三種規(guī)格：小柜、中柜、大柜。小柜10個(gè)，中柜8個(gè)，大柜2個(gè)，假定三種不同大小類型（大、中、小）的快遞件進(jìn)行投遞，計(jì)算數(shù)據(jù)測(cè)得改版前的快遞柜容件率為20.2%，改版后的快遞柜增加了超小柜規(guī)格，同時(shí)其他格口規(guī)格略做調(diào)整，超小柜12個(gè)，小柜10個(gè)，中柜4個(gè)，大柜2個(gè)，最后計(jì)算數(shù)據(jù)測(cè)得改版后的快遞柜容件率達(dá)到25.6%。根據(jù)快遞柜現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)設(shè)置一般采用6-8列柜子布置，綜合計(jì)算改版后的快遞柜容件率可以增加32.4%-43.2%。

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)得出：適當(dāng)增加柜口類型（規(guī)格），有利于快遞柜空間的合理優(yōu)化，大大提高快遞柜的運(yùn)營(yíng)效率。計(jì)算得出將單列快遞柜占滿時(shí)的空間利用率如表1（體積單位：m3），容件率計(jì)算如圖4。

通過以上數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：快遞柜存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)化，能夠有效提高快遞柜容件率，大大增加快遞柜運(yùn)營(yíng)效率。

3 快遞柜結(jié)構(gòu)空間及控制模式的優(yōu)化

3.1 研究目標(biāo)

在柜體空間合理優(yōu)化方面，采用彈性結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)，通過可變存儲(chǔ)分格自由變換儲(chǔ)存空間，實(shí)現(xiàn)“小空間大利用”的技術(shù)突破，有效緩解當(dāng)下快遞柜數(shù)量不足產(chǎn)生的問題，滿足用戶個(gè)性化投遞要求。

3.2 研究思路

對(duì)快遞柜現(xiàn)有固定存儲(chǔ)空間進(jìn)行優(yōu)化，將其分格統(tǒng)一改為大柜，同時(shí)在每個(gè)單元大柜中增設(shè)若干個(gè)可變存儲(chǔ)分格，充分利用快遞柜空間，提高快遞柜的使用效率。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題對(duì)于存儲(chǔ)空間的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)為“彈性可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過隔離板致動(dòng)器（電磁鐵）的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)柜體內(nèi)空間的自由分配，以極大的靈活性實(shí)現(xiàn)了“小空間大利用”的突破。

設(shè)想裝置可操作最小單元由四個(gè)可變單元柜構(gòu)成，現(xiàn)將各可變單元柜編號(hào)為1，2，3，4。假設(shè)裝置排柜時(shí)可預(yù)先從快遞商服務(wù)器獲取當(dāng)天送達(dá)的快件信息等參數(shù)，則裝置默認(rèn)按照先排超小件，再排小、中件，最后排大件的排柜順序進(jìn)行分配，生成具體排柜表，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體控制模式如下：

裝置最小單元由四個(gè)可變柜構(gòu)成，編號(hào)為1、2、3、4，默認(rèn)按照先排超小件，再排小、中件，最后排大件的順序進(jìn)行分配。投放超小件時(shí)，優(yōu)先從1到4的順序排柜，打開可用柜；投遞小件時(shí)，先從4到1的順序排柜，若箱43空，隔板收回，構(gòu)成小柜可投遞，如有快件，則依次選擇32、21進(jìn)行投遞；投遞中件時(shí)，優(yōu)先從4到1順序進(jìn)行選擇，箱432如全空，隔板收回，三個(gè)箱子連鎖打開，構(gòu)成中柜可投遞，如有快件，則選擇321進(jìn)行投遞；如有大件投遞時(shí)，箱4321空，隔板收回，構(gòu)成大柜可投遞。

3.3.1 裝載超小柜控制模式

當(dāng)快遞員投放超小件時(shí)，從編號(hào)1到4的按順序選擇，哪個(gè)柜子空的，哪個(gè)就打開，構(gòu)成一個(gè)超小柜進(jìn)行投遞。

3.3.2 裝載小柜/中柜控制模式

算法先從4321順序進(jìn)行選擇，投遞中件時(shí)，柜子432如全部空的，三個(gè)柜子打開，中間隔板回縮，構(gòu)成一個(gè)中柜進(jìn)行投遞；如432只要有一個(gè)不是空柜，那么內(nèi)部程序自動(dòng)選擇321，三個(gè)柜子如全部空的，那么它們之間隔板回縮，三個(gè)柜子構(gòu)成中柜，聯(lián)鎖打開柜門進(jìn)行投遞，如其中有柜子被占用，那么中柜無法構(gòu)成，此單元作為中柜滿柜處理。如投遞小件時(shí)，那么柜43空的，它們之間的隔板回縮，構(gòu)成小柜可投遞，如其中有快件，那么程序會(huì)繼續(xù)選擇32或者21進(jìn)行投遞。當(dāng)不存在連續(xù)的兩個(gè)相鄰空單元格可用時(shí)，裝置作為小柜滿柜處理。

3.3.3 裝載大柜控制模式

如有大件投遞，柜4321空，它們之間隔板回縮，構(gòu)成一個(gè)大柜可投遞，如只要其中有一個(gè)柜子占用，此單元作為大柜滿柜處理。如圖5，圖6。

3.4 工作流程圖（如圖7）

3.5 程序算法流程圖（如圖8）

3.6 硬件設(shè)計(jì)

3.6.1 彈性可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間結(jié)構(gòu)

將普通快遞柜的固定柜型柜體進(jìn)行修改，去除固定隔板。發(fā)現(xiàn)常見快遞柜柜型主要分為大、中、小三種，若設(shè)定小柜為1U，則中柜為2U，大柜為4U。因此將4U大柜內(nèi)的隔板去除，作為最小操作單元，安裝三個(gè)可動(dòng)折疊式封隔器（折疊隔板）與三扇連鎖柜門與柜門鎖。在需要合并相鄰小柜時(shí)，封隔器收起，相鄰柜門連鎖并打開，以此實(shí)現(xiàn)柜體規(guī)格的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.6.2 紅外距離傳感器（快件尺寸測(cè)量）

為判斷快遞件尺寸，于快遞柜機(jī)柜操作面上安裝四個(gè)等間距的紅外距離傳感器，當(dāng)快遞員掃描錄入快件時(shí)，傳感器被快遞件遮擋，可根據(jù)傳感器被遮擋的數(shù)量判斷需分配的柜型。

4 智能新型快遞柜的實(shí)物制作

4.1 實(shí)物設(shè)計(jì)

本課題使用Autodesk AutoCAD軟件對(duì)模型結(jié)構(gòu)與電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖9，第一代模型采用機(jī)械連桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，選用材料為金屬板，僅用于驗(yàn)證裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的可行性；第二代模型完成了機(jī)械與電子部分的聯(lián)動(dòng)，材料改為6mm亞克力板，質(zhì)輕，透明度高，易加工，方便模型的加工組裝以及對(duì)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察。

4.2 模型制作

在切割完亞克力板后，將裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了組裝，并且將裝置電路與傳感器等合并安裝。

在組裝的過程中，嚴(yán)格按照AutoCAD等設(shè)計(jì)軟件繪制的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行組裝，并根據(jù)STC單片機(jī)與紅外光電距離等傳感器和線路連接的實(shí)際情況對(duì)組件進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，完成?duì)成品的組裝。

4.3 功能測(cè)試

由于本課題所做的裝置僅僅是模型，且在真實(shí)的實(shí)際應(yīng)用情景下進(jìn)行裝置的測(cè)試并不可行，因此本課題將僅對(duì)模型所能實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行測(cè)試。在真實(shí)環(huán)境下的測(cè)試可能會(huì)在將來進(jìn)一步研究中實(shí)現(xiàn)。

本課題測(cè)試了裝置操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。當(dāng)紅外光電距離傳感器檢測(cè)到快件尺寸，單片機(jī)用“嘀”聲表明可以投遞快件，600毫秒后隔板收起，柜門連鎖打開，快件放入，關(guān)閉柜門，裝置隨即將此柜標(biāo)記為已占用；取走包裹后，對(duì)應(yīng)柜門及隔板復(fù)位到可用狀態(tài)；當(dāng)紅外光電距離傳感器檢測(cè)到錄入的快件無法存放于快遞柜時(shí)，單片機(jī)發(fā)出連續(xù)兩聲“嘀”聲表明快遞柜已滿箱。測(cè)試場(chǎng)景圖10所示：

經(jīng)過測(cè)試，該模型可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)想，并且具有相當(dāng)?shù)目蓪?shí)現(xiàn)性，預(yù)期在整合測(cè)試和實(shí)際測(cè)試中會(huì)有較好的測(cè)試結(jié)果。

5 總結(jié)與展望

未來將利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)對(duì)快遞柜使用情況及郵件信息統(tǒng)計(jì)和分析，篩選出符合主流小件信息參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息調(diào)節(jié)“可變存儲(chǔ)空間”最小單元柜尺寸，將快遞柜空間利用率發(fā)揮到極致。采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，快速識(shí)別快件信息并同時(shí)估測(cè)其尺寸，自動(dòng)完成快件錄入操作。將快遞柜與傳統(tǒng)信報(bào)箱合為一體，設(shè)置在樓棟出入口，用戶將擁有自己獨(dú)立的智能電子信報(bào)箱，超薄信件可直接投入用戶信報(bào)箱內(nèi)，避免快遞柜資源浪費(fèi)，在投放或收取件時(shí)均需通過IC卡、手機(jī)APP等進(jìn)行身份驗(yàn)證，有效杜絕垃圾信件與小廣告干擾。當(dāng)快遞柜或智能電子信報(bào)箱收到郵件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過短信方式通知用戶，避免用戶不能及時(shí)收件；增加用戶水、電、天然氣等在線繳費(fèi)功能。進(jìn)一步完善快遞柜快件簽收機(jī)制，通過簽收回單、網(wǎng)絡(luò)電子驗(yàn)證、多角度視頻監(jiān)控等手段確?？旒踩?，統(tǒng)一快遞包裝盒形式（材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等），回收再利用，制定合理獎(jiǎng)懲機(jī)制。

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