對快遞柜空間結構優化方法及其裝置的研究

李亦君

摘 要：隨著快遞業的迅速發展，快遞柜的使用已普及開來。但在自身發展中因運營成本高，公共地塊布置受限等因素，在投放時被嚴格控制數量，且快遞柜格口類型單一，使得尺寸大小不一的快件在存儲時空間利用率不高，投遞極不靈活，不能滿足社會需求。對此為課題，通過光電距離傳感器快速判斷快件尺寸，自動選擇相應的存儲空間，這種方式優于目前快遞員人工選擇存儲空間，進一步提高了快遞柜的運營效率。該裝置根據大數據統計，可將空間利用率最大化。

關鍵詞：智能；快遞柜；空間利用；STC89C52；容件率；傳感器

中圖分類號：TU399 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）13-0067-04

1 引言

1.1 快遞柜結構優化課題由來

隨著網絡技術的發展，網購因方便快捷、價格優惠、不受時空限制等優勢已成為用戶重要的消費方式。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上進行改進，實現“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行效率。

1.2 快遞柜結構優化課題背景

通過查閱大量與智能快遞柜有關的文獻資料，并走訪了身邊的用戶了解到：現在中國的快遞柜行業雖參與者眾多，但主流快遞柜服務商設備單元柜型大都只有大、中、小三種，規格單一，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。由于在當初快遞柜設計時僅考慮若干柜子型號比例，而電子商務物流的形態主要是雜貨，尺寸大小不一，小至戒指，大至小型家具，對于當前的快遞柜，小了浪費柜體空間，大了卻不能實現自提，柜體空間預先設定使得投遞極不靈活。平均一組快遞柜的研發及運行成本約為3-4萬元，加上管理人員工資、電費、網費等，快遞柜投資和維護成本高。而且快遞柜鋪設一般集中在城市中容積率較高的地區，受公共地塊的限制，這些因素導致快遞柜投放時被嚴格控制數量，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查研究現狀

為了進一步了解快遞柜的使用現狀，在學校、企事業、社區、快遞公司進行了問卷調查，回收有效問卷167份，部分統計結果如圖1，2，3。統計結果匯總如下：（1）91%的調查對象使用過快遞柜；（2）69%的調查對象使用快遞柜時遇到滿柜情況；（3）從完善建議中了解到42.3%調查對象期待在小區內增加快遞柜數量，希望快遞柜格口類型多樣化，15.5%的調查對象期望快遞柜設置在大樓入口處。通過實地調查后發現：目前我所居住的小區有2000戶居民，而快遞柜只有300格，如沒有快遞員早上投，業主中午取的話，一天最多代收300個包裹。

1.4 課題設想及意義

采用STC89C52單片機、紅外距離傳感器作為數據采集和控制系統，由電磁鐵，機械鎖等進行裝置的機械結構控制，通過隔離板致動器（電磁鐵）動作，實現柜體空間自由分配，以極大的靈活性實現了“小空間大利用”的突破。在快遞柜原有系統不變基礎上，通過傳感器測定包裹大小，選擇相應的儲存柜體，計算機自動選擇所對應的空柜，選中柜區內隔板收起或展開，自由組合成獨立的儲存空間，柜門自動組合連鎖打開，完成投遞。

本課題意在通過采用彈性存儲空間設計，實現“小空間大利用”，在寸土寸金的都市提高快遞柜的容件率，對電子商務企業，快遞企業，物業公司以及用戶都具有重要的意義。

2 快遞柜結構優化理論分析

本課題以近鄰寶改版前后柜子尺寸、數量的變化及其容件率進行對比，作為定量分析。

改版前格口尺寸（單位cm）：小柜（34*11*48）共10個，中柜（34*21*48）共8個，大柜（34*41*48）共2個，柜高190cm。改版后格口尺寸：超小柜（30（38）*6.5*48）共12個，小柜（30（38）*13*48）共10個，中柜（30（38）*26*48）共4個，大柜（30（38）*52*48）共2個，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，適當地增加快遞柜的高度，原改版前快遞柜柜寬只有一種規格，現改成30cm和38cm兩種混合規格，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比：（以單列快遞柜為例）改版前的快遞柜格口分三種規格：小柜、中柜、大柜。小柜10個，中柜8個，大柜2個，假定三種不同大小類型（大、中、小）的快遞件進行投遞，計算數據測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格，同時其他格口規格略做調整，超小柜12個，小柜10個，中柜4個，大柜2個，最后計算數據測得改版后的快遞柜容件率達到25.6%。根據快遞柜現場常規設置一般采用6-8列柜子布置，綜合計算改版后的快遞柜容件率可以增加32.4%-43.2%。

根據以上計算數據得出：適當增加柜口類型（規格），有利于快遞柜空間的合理優化，大大提高快遞柜的運營效率。計算得出將單列快遞柜占滿時的空間利用率如表1（體積單位：m3），容件率計算如圖4。

通過以上數據分析得出結論：快遞柜存儲結構合理的優化，能夠有效提高快遞柜容件率，大大增加快遞柜運營效率。

3 快遞柜結構空間及控制模式的優化

3.1 研究目標

在柜體空間合理優化方面，采用彈性結構可擴展存儲空間設計，通過可變存儲分格自由變換儲存空間，實現“小空間大利用”的技術突破，有效緩解當下快遞柜數量不足產生的問題，滿足用戶個性化投遞要求。

3.2 研究思路

對快遞柜現有固定存儲空間進行優化，將其分格統一改為大柜，同時在每個單元大柜中增設若干個可變存儲分格，充分利用快遞柜空間，提高快遞柜的使用效率。

3.3 系統設計

本課題對于存儲空間的優化實現為“彈性可擴展存儲空間”的結構設計，通過隔離板致動器（電磁鐵）的動作，實現柜體內空間的自由分配，以極大的靈活性實現了“小空間大利用”的突破。

設想裝置可操作最小單元由四個可變單元柜構成，現將各可變單元柜編號為1，2，3，4。假設裝置排柜時可預先從快遞商服務器獲取當天送達的快件信息等參數，則裝置默認按照先排超小件，再排小、中件，最后排大件的排柜順序進行分配，生成具體排柜表，再根據實際情況進行動態調整。具體控制模式如下：

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

3.3.1 裝載超小柜控制模式

當快遞員投放超小件時，從編號1到4的按順序選擇，哪個柜子空的，哪個就打開，構成一個超小柜進行投遞。

3.3.2 裝載小柜/中柜控制模式

算法先從4321順序進行選擇，投遞中件時，柜子432如全部空的，三個柜子打開，中間隔板回縮，構成一個中柜進行投遞；如432只要有一個不是空柜，那么內部程序自動選擇321，三個柜子如全部空的，那么它們之間隔板回縮，三個柜子構成中柜，聯鎖打開柜門進行投遞，如其中有柜子被占用，那么中柜無法構成，此單元作為中柜滿柜處理。如投遞小件時，那么柜43空的，它們之間的隔板回縮，構成小柜可投遞，如其中有快件，那么程序會繼續選擇32或者21進行投遞。當不存在連續的兩個相鄰空單元格可用時，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，構成一個大柜可投遞，如只要其中有一個柜子占用，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 硬件設計

3.6.1 彈性可擴展存儲空間結構

將普通快遞柜的固定柜型柜體進行修改，去除固定隔板。發現常見快遞柜柜型主要分為大、中、小三種，若設定小柜為1U，則中柜為2U，大柜為4U。因此將4U大柜內的隔板去除，作為最小操作單元，安裝三個可動折疊式封隔器（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，封隔器收起，相鄰柜門連鎖并打開，以此實現柜體規格的動態調整。

3.6.2 紅外距離傳感器（快件尺寸測量）

為判斷快遞件尺寸，于快遞柜機柜操作面上安裝四個等間距的紅外距離傳感器，當快遞員掃描錄入快件時，傳感器被快遞件遮擋，可根據傳感器被遮擋的數量判斷需分配的柜型。

4 智能新型快遞柜的實物制作

4.1 實物設計

本課題使用Autodesk AutoCAD軟件對模型結構與電路進行設計。如圖9，第一代模型采用機械連桿傳動結構，選用材料為金屬板，僅用于驗證裝置機械結構原理的可行性；第二代模型完成了機械與電子部分的聯動，材料改為6mm亞克力板，質輕，透明度高，易加工，方便模型的加工組裝以及對裝置內部結構的觀察。

4.2 模型制作

在切割完亞克力板后，將裝置結構進行了組裝，并且將裝置電路與傳感器等合并安裝。

在組裝的過程中，嚴格按照AutoCAD等設計軟件繪制的設計圖進行組裝，并根據STC單片機與紅外光電距離等傳感器和線路連接的實際情況對組件進行適當的修改，完成對成品的組裝。

4.3 功能測試

由于本課題所做的裝置僅僅是模型，且在真實的實際應用情景下進行裝置的測試并不可行，因此本課題將僅對模型所能實現的功能進行測試。在真實環境下的測試可能會在將來進一步研究中實現。

本課題測試了裝置操作機構的運行。當紅外光電距離傳感器檢測到快件尺寸，單片機用“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，關閉柜門，裝置隨即將此柜標記為已占用；取走包裹后，對應柜門及隔板復位到可用狀態；當紅外光電距離傳感器檢測到錄入的快件無法存放于快遞柜時，單片機發出連續兩聲“嘀”聲表明快遞柜已滿箱。測試場景圖10所示：

經過測試，該模型可實現預期的設想，并且具有相當的可實現性，預期在整合測試和實際測試中會有較好的測試結果。

5 總結與展望

未來將利用大數據平臺技術對快遞柜使用情況及郵件信息統計和分析，篩選出符合主流小件信息參數，根據數據信息調節“可變存儲空間”最小單元柜尺寸，將快遞柜空間利用率發揮到極致。采用計算機視覺技術，快速識別快件信息并同時估測其尺寸，自動完成快件錄入操作。將快遞柜與傳統信報箱合為一體，設置在樓棟出入口，用戶將擁有自己獨立的智能電子信報箱，超薄信件可直接投入用戶信報箱內，避免快遞柜資源浪費，在投放或收取件時均需通過IC卡、手機APP等進行身份驗證，有效杜絕垃圾信件與小廣告干擾。當快遞柜或智能電子信報箱收到郵件時，系統會自動通過短信方式通知用戶，避免用戶不能及時收件；增加用戶水、電、天然氣等在線繳費功能。進一步完善快遞柜快件簽收機制，通過簽收回單、網絡電子驗證、多角度視頻監控等手段確保快件安全，統一快遞包裝盒形式（材質、結構等），回收再利用，制定合理獎懲機制。

參考文獻

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