李亦君

摘 要：随着快递业的迅速发展，快递柜的使用已普及开来。但在自身发展中因运营成本高，公共地块布置受限等因素，在投放时被严格控制数量，且快递柜格口类型单一，使得尺寸大小不一的快件在存储时空间利用率不高，投递极不灵活，不能满足社会需求。对此为课题，通过光电距离传感器快速判断快件尺寸，自动选择相应的存储空间，这种方式优于目前快递员人工选择存储空间，进一步提高了快递柜的运营效率。该装置根据大数据统计，可将空间利用率最大化。

关键词：智能；快递柜；空间利用；STC89C52；容件率；传感器

中图分类号：TU399 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）13-0067-04

1 引言

1.1 快递柜结构优化课题由来

随着网络技术的发展，网购因方便快捷、价格优惠、不受时空限制等优势已成为用户重要的消费方式。快递员因满柜，或柜型单一不能投递，只能将快件堆放在车上或公共过道处苦等，投递效率低。因此本课题主要尝试在原有快递柜的基础上进行改进，实现“小空间大利用”，在寸土寸金的都市提高快递柜的容件率与运行效率。

1.2 快递柜结构优化课题背景

通过查阅大量与智能快递柜有关的文献资料，并走访了身边的用户了解到：现在中国的快递柜行业虽参与者众多，但主流快递柜服务商设备单元柜型大都只有大、中、小三种，规格单一，空间利用率低，而目前所有快递柜都无法容纳超大件（4U以上）的存放。由于在当初快递柜设计时仅考虑若干柜子型号比例，而电子商务物流的形态主要是杂货，尺寸大小不一，小至戒指，大至小型家具，对于当前的快递柜，小了浪费柜体空间，大了却不能实现自提，柜体空间预先设定使得投递极不灵活。平均一组快递柜的研发及运行成本约为3-4万元，加上管理人员工资、电费、网费等，快递柜投资和维护成本高。而且快递柜铺设一般集中在城市中容积率较高的地区，受公共地块的限制，这些因素导致快递柜投放时被严格控制数量，且分布不合理，不能满足用户需求。

1.3 快递柜使用情况的调查研究现状

为了进一步了解快递柜的使用现状，在学校、企事业、社区、快递公司进行了问卷调查，回收有效問卷167份，部分统计结果如图1，2，3。统计结果汇总如下：（1）91%的调查对象使用过快递柜；（2）69%的调查对象使用快递柜时遇到满柜情况；（3）从完善建议中了解到42.3%调查对象期待在小区内增加快递柜数量，希望快递柜格口类型多样化，15.5%的调查对象期望快递柜设置在大楼入口处。通过实地调查后发现：目前我所居住的小区有2000户居民，而快递柜只有300格，如没有快递员早上投，业主中午取的话，一天最多代收300个包裹。

1.4 课题设想及意义

采用STC89C52单片机、红外距离传感器作为数据采集和控制系统，由电磁铁，机械锁等进行装置的机械结构控制，通过隔离板致动器（电磁铁）动作，实现柜体空间自由分配，以极大的灵活性实现了“小空间大利用”的突破。在快递柜原有系统不变基础上，通过传感器测定包裹大小，选择相应的储存柜体，计算机自动选择所对应的空柜，选中柜区内隔板收起或展开，自由组合成独立的储存空间，柜门自动组合连锁打开，完成投递。

本课题意在通过采用弹性存储空间设计，实现“小空间大利用”，在寸土寸金的都市提高快递柜的容件率，对电子商务企业，快递企业，物业公司以及用户都具有重要的意义。

2 快递柜结构优化理论分析

本课题以近邻宝改版前后柜子尺寸、数量的变化及其容件率进行对比，作为定量分析。

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

近邻宝改版后的智能快递柜在占地面积不变的情况下，适当地增加快递柜的高度，原改版前快递柜柜宽只有一种规格，现改成30cm和38cm两种混合规格，并增加了超小格口，格口类型明显增多，大大提高了快递柜空间使用率。

将改版前和改版后的近邻宝做一下对比：（以单列快递柜为例）改版前的快递柜格口分三种规格：小柜、中柜、大柜。小柜10个，中柜8个，大柜2个，假定三种不同大小类型（大、中、小）的快递件进行投递，计算数据测得改版前的快递柜容件率为20.2%，改版后的快递柜增加了超小柜规格，同时其他格口规格略做调整，超小柜12个，小柜10个，中柜4个，大柜2个，最后计算数据测得改版后的快递柜容件率达到25.6%。根据快递柜现场常规设置一般采用6-8列柜子布置，综合计算改版后的快递柜容件率可以增加32.4%-43.2%。

根据以上计算数据得出：适当增加柜口类型（规格），有利于快递柜空间的合理优化，大大提高快递柜的运营效率。计算得出将单列快递柜占满时的空间利用率如表1（体积单位：m3），容件率计算如图4。

通过以上数据分析得出结论：快递柜存储结构合理的优化，能够有效提高快递柜容件率，大大增加快递柜运营效率。

3 快递柜结构空间及控制模式的优化

3.1 研究目标

在柜体空间合理优化方面，采用弹性结构可扩展存储空间设计，通过可变存储分格自由变换储存空间，实现“小空间大利用”的技术突破，有效缓解当下快递柜数量不足产生的问题，满足用户个性化投递要求。

3.2 研究思路

对快递柜现有固定存储空间进行优化，将其分格统一改为大柜，同时在每个单元大柜中增设若干个可变存储分格，充分利用快递柜空间，提高快递柜的使用效率。

3.3 系统设计

本课题对于存储空间的优化实现为“弹性可扩展存储空间”的结构设计，通过隔离板致动器（电磁铁）的动作，实现柜体内空间的自由分配，以极大的灵活性实现了“小空间大利用”的突破。

设想装置可操作最小单元由四个可变单元柜构成，现将各可变单元柜编号为1，2，3，4。假设装置排柜时可预先从快递商服务器获取当天送达的快件信息等参数，则装置默认按照先排超小件，再排小、中件，最后排大件的排柜顺序进行分配，生成具体排柜表，再根据实际情况进行动态调整。具体控制模式如下：

装置最小单元由四个可变柜构成，编号为1、2、3、4，默认按照先排超小件，再排小、中件，最后排大件的顺序进行分配。投放超小件时，优先从1到4的顺序排柜，打开可用柜；投递小件时，先从4到1的顺序排柜，若箱43空，隔板收回，构成小柜可投递，如有快件，则依次选择32、21进行投递；投递中件时，优先从4到1顺序进行选择，箱432如全空，隔板收回，三个箱子连锁打开，构成中柜可投递，如有快件，则选择321进行投递；如有大件投递时，箱4321空，隔板收回，构成大柜可投递。

3.3.1 装载超小柜控制模式

当快递员投放超小件时，从编号1到4的按顺序选择，哪个柜子空的，哪个就打开，构成一个超小柜进行投递。

3.3.2 装载小柜/中柜控制模式

算法先从4321顺序进行选择，投递中件时，柜子432如全部空的，三个柜子打开，中间隔板回缩，构成一个中柜进行投递；如432只要有一个不是空柜，那么内部程序自动选择321，三个柜子如全部空的，那么它们之间隔板回缩，三个柜子构成中柜，联锁打开柜门进行投递，如其中有柜子被占用，那么中柜无法构成，此单元作为中柜满柜处理。如投递小件时，那么柜43空的，它们之间的隔板回缩，构成小柜可投递，如其中有快件，那么程序会继续选择32或者21进行投递。当不存在连续的两个相邻空单元格可用时，装置作为小柜满柜处理。

3.3.3 装载大柜控制模式

如有大件投递，柜4321空，它们之间隔板回缩，构成一个大柜可投递，如只要其中有一个柜子占用，此单元作为大柜满柜处理。如图5，图6。

3.4 工作流程图（如图7）

3.5 程序算法流程图（如图8）

3.6 硬件设计

3.6.1 弹性可扩展存储空间结构

将普通快递柜的固定柜型柜体进行修改，去除固定隔板。发现常见快递柜柜型主要分为大、中、小三种，若设定小柜为1U，则中柜为2U，大柜为4U。因此将4U大柜内的隔板去除，作为最小操作单元，安装三个可动折叠式封隔器（折叠隔板）与三扇连锁柜门与柜门锁。在需要合并相邻小柜时，封隔器收起，相邻柜门连锁并打开，以此实现柜体规格的动态调整。

3.6.2 红外距离传感器（快件尺寸测量）

为判断快递件尺寸，于快递柜机柜操作面上安装四个等间距的红外距离传感器，当快递员扫描录入快件时，传感器被快递件遮挡，可根据传感器被遮挡的数量判断需分配的柜型。

4 智能新型快递柜的实物制作

4.1 实物设计

本课题使用Autodesk AutoCAD软件对模型结构与电路进行设计。如图9，第一代模型采用机械连杆传动结构，选用材料为金属板，仅用于验证装置机械结构原理的可行性；第二代模型完成了机械与电子部分的联动，材料改为6mm亚克力板，质轻，透明度高，易加工，方便模型的加工组装以及对装置内部结构的观察。

4.2 模型制作

在切割完亚克力板后，将装置结构进行了组装，并且将装置电路与传感器等合并安装。

在组装的过程中，严格按照AutoCAD等设计软件绘制的设计图进行组装，并根据STC单片机与红外光电距离等传感器和线路连接的实际情况对组件进行适当的修改，完成对成品的组装。

4.3 功能测试

由于本课题所做的装置仅仅是模型，且在真实的实际应用情景下进行装置的测试并不可行，因此本课题将仅对模型所能实现的功能进行测试。在真实环境下的测试可能会在将来进一步研究中实现。

本课题测试了装置操作机构的运行。当红外光电距离传感器检测到快件尺寸，单片机用“嘀”声表明可以投递快件，600毫秒后隔板收起，柜门连锁打开，快件放入，关闭柜门，装置随即将此柜标记为已占用；取走包裹后，对应柜门及隔板复位到可用状态；当红外光电距离传感器检测到录入的快件无法存放于快递柜时，单片机发出连续两声“嘀”声表明快递柜已满箱。测试场景图10所示：

经过测试，该模型可实现预期的設想，并且具有相当的可实现性，预期在整合测试和实际测试中会有较好的测试结果。

5 总结与展望

未来将利用大数据平台技术对快递柜使用情况及邮件信息统计和分析，筛选出符合主流小件信息参数，根据数据信息调节“可变存储空间”最小单元柜尺寸，将快递柜空间利用率发挥到极致。采用计算机视觉技术，快速识别快件信息并同时估测其尺寸，自动完成快件录入操作。将快递柜与传统信报箱合为一体，设置在楼栋出入口，用户将拥有自己独立的智能电子信报箱，超薄信件可直接投入用户信报箱内，避免快递柜资源浪费，在投放或收取件时均需通过IC卡、手机APP等进行身份验证，有效杜绝垃圾信件与小广告干扰。当快递柜或智能电子信报箱收到邮件时，系统会自动通过短信方式通知用户，避免用户不能及时收件；增加用户水、电、天然气等在线缴费功能。进一步完善快递柜快件签收机制，通过签收回单、网络电子验证、多角度视频监控等手段确保快件安全，统一快递包装盒形式（材质、结构等），回收再利用，制定合理奖惩机制。

参考文献

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