基于機(jī)器視覺(jué)的物流系統(tǒng)智能化發(fā)展研究

劉 爽（貴州大學(xué) 管理學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

近年來(lái)，隨著線上直播平臺(tái)的增多，主播帶貨已成為一大熱點(diǎn)，加上原有的電商平臺(tái)的不斷發(fā)展，極大地的增加了消費(fèi)者線上購(gòu)買(mǎi)商品的頻率，使得商家每日需要處理的包裹數(shù)量巨大。包裹從賣(mài)方發(fā)貨到買(mǎi)方簽收之間還要經(jīng)歷多個(gè)流程，如商品的入庫(kù)貼簽、集中存儲(chǔ)、分揀歸類(lèi)、裝車(chē)運(yùn)輸、簽收掃描等環(huán)節(jié)。每一個(gè)環(huán)節(jié)的工作看似簡(jiǎn)單，但要高效、準(zhǔn)確地完成以上流程并非易事，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧物流誕生了。

智慧物流依托人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，搭建了一個(gè)全方位的綜合性物流管理系統(tǒng)，它可以通過(guò)先進(jìn)的信息采集和處理方式，完成物流和商品信息的數(shù)字化加工，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新、數(shù)據(jù)共享和自我調(diào)整功能。智慧物流通過(guò)信息的高效流轉(zhuǎn)，減少了流程中很多重復(fù)性的工作，達(dá)到了降本增效目的，該系統(tǒng)將是未來(lái)物流行業(yè)發(fā)展的方向，國(guó)家也出臺(tái)了很多文件和制定了相關(guān)政策鼓勵(lì)物流行業(yè)更加智能、更加高效和更加綠色的發(fā)展[1]。

機(jī)器視覺(jué)作為機(jī)械設(shè)備的“眼睛”，通過(guò)硬件和軟件的組合可以準(zhǔn)確地完成物體的外觀測(cè)量、定位和特征檢測(cè)等工作。在快遞物流行業(yè)，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)功能單一，對(duì)場(chǎng)景的適應(yīng)能力差，運(yùn)用范圍受到限制，識(shí)別精度也參差不齊，隨著深度學(xué)習(xí)等智能算法的出現(xiàn)和三維掃描技術(shù)的升級(jí)，極大地改善了執(zhí)行速度和識(shí)別精度，顯著提高了快遞物流行業(yè)的智能化程度[2]。

1 物流系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

1.1 視覺(jué)識(shí)別模塊。機(jī)器視覺(jué)不是一個(gè)單一的模塊，它是通過(guò)光源、相機(jī)、傳感器和集成了圖像處理功能的處理器組成的系統(tǒng)。光源主要是為圖像采集時(shí)提供照明，光源的種類(lèi)和顏色有多種，應(yīng)用的場(chǎng)景和識(shí)別的目標(biāo)不一樣，它的配置就有所差異。相機(jī)負(fù)責(zé)抓拍圖片，按照靶面類(lèi)型不同可以分為線陣相機(jī)和面陣相機(jī)，兩者的差異主要是圖片生成的方式不一樣，按照芯片類(lèi)型不同還可以分為CCD 相機(jī)和CMOS 相機(jī)。CCD 相機(jī)體積小、重量輕、低功耗、響應(yīng)快。CMOS 相機(jī)成像快、幀率高。傳感器主要是由電控系統(tǒng)控制，配合相機(jī)或機(jī)械臂完成拍照或抓取動(dòng)作。處理器集成了圖像處理算法，可以快速地輸出坐標(biāo)、尺寸和其他參數(shù)，是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心構(gòu)成部件[3]。

1.2 機(jī)構(gòu)執(zhí)行模塊。機(jī)構(gòu)執(zhí)行模塊包含機(jī)械裝置和控制器，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)輸出的一系列指令。由于被檢測(cè)物體大多處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須保證執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)作頻率與當(dāng)前物體移動(dòng)的速度相匹配，同時(shí)控制器還需要將圖像處理后的結(jié)果傳遞給末端執(zhí)行部件，驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置完成特定動(dòng)作。常用的機(jī)械裝置大多數(shù)采用氣動(dòng)系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)[4]。

圖1 視覺(jué)系統(tǒng)的組成

圖2 圖像處理的基本流程

1.3 電路控制模塊。電路控制主要還是采用PLC 控制，它體積小、工作性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，廣泛運(yùn)用于快遞行業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。首先需要根據(jù)項(xiàng)目需求選擇一款合適的控制器，然后根據(jù)項(xiàng)目流程完成PLC 的I/O 分配。同時(shí)對(duì)相關(guān)組態(tài)和通訊設(shè)置進(jìn)行修改，完成與相機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)的信息交互。當(dāng)物體通過(guò)傳送帶運(yùn)送到位時(shí)，接近開(kāi)關(guān)響應(yīng)，同時(shí)給PLC 一個(gè)輸入信號(hào)，此時(shí)PLC 給相機(jī)一個(gè)高電頻信號(hào)，促使相機(jī)執(zhí)行拍照動(dòng)作。圖片經(jīng)過(guò)處理以后會(huì)輸出位置參數(shù)，此時(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)將發(fā)送到PLC，PLC 接收到這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)邏輯上的計(jì)算和處理后發(fā)送給伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化控制，大大減少人工成本和流程的作業(yè)時(shí)間。

2 機(jī)器視覺(jué)在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 在商品分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用。物流的分揀作業(yè)是物流運(yùn)輸過(guò)程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在我國(guó)分揀環(huán)節(jié)很多時(shí)候還是需要人力來(lái)完成，分揀工作量大、效率低、成本高、出錯(cuò)率高。因此，在物流分揀領(lǐng)域，如何用機(jī)器代替人工成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。目前，快遞轉(zhuǎn)運(yùn)中心使用的主流分揀方式為交叉帶分揀，杭州海康機(jī)器人股份有限公司推出了一套交叉帶整場(chǎng)自動(dòng)化分揀的解決方案，主要包括：交叉帶分揀、矩陣分揀、交叉帶檢測(cè)、條碼識(shí)別等多方案配合，用以解決快遞物流行業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)痛點(diǎn)，助力快遞物流企業(yè)降本增效，提高競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)的大型物流公司也開(kāi)始研制自己的分揀系統(tǒng)[5]，余明江等人[6]利用STM32 單片機(jī)、OpenMV 攝像頭、壓力傳感器等組成了一套分揀系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)械夾的設(shè)計(jì)，增加了物品的安全性。羅健等人[7]提出了雙目視覺(jué)的物流分揀方法，通過(guò)分析和改進(jìn)測(cè)量算法，提高了測(cè)量精度和計(jì)算速度，董楠[8]提出的激光掃描分揀入庫(kù)方法在系統(tǒng)訂單分揀時(shí)極大地提高了包裹入庫(kù)的效率。

2.2 在倉(cāng)儲(chǔ)管理中的應(yīng)用。當(dāng)今，隨著科技的高速發(fā)展，物流行業(yè)發(fā)展迅猛，這就要求物流與倉(cāng)儲(chǔ)管理二者要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的包裹展開(kāi)入庫(kù)、運(yùn)送、分揀及派送進(jìn)行高效的處理，過(guò)去的倉(cāng)儲(chǔ)管理體系很難滿足當(dāng)下快節(jié)奏的配送要求。全自動(dòng)物流機(jī)器人是智能倉(cāng)儲(chǔ)管理中不可或缺的工具，憑借全天候不停歇地執(zhí)行各項(xiàng)運(yùn)輸程序，相比于人力工作而言，極大地降低了成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，新的現(xiàn)代智能倉(cāng)儲(chǔ)管理體系隨之建立起來(lái)，目前已經(jīng)在各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了智能化運(yùn)行，能夠?qū)ξ锛M(jìn)行全程跟蹤以及可視化管理。目前在物流倉(cāng)儲(chǔ)中基于機(jī)器視覺(jué)的主要研究方向包括優(yōu)化小車(chē)的行走路徑[9]，提高貨架的利用率[10]，監(jiān)督倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中人員的不安全行為[11]和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)[12]等，并取得了不錯(cuò)的成果。

2.3 在終端配送中的應(yīng)用。終端配送系統(tǒng)的智能化應(yīng)用離不開(kāi)機(jī)器視覺(jué)的集成，如終端智能倉(cāng)庫(kù)。終端智能配送機(jī)器人等，顯著地便利了我們的生活，提高了快遞配送的效率。智能快遞柜作為解決“最后一公里”配送問(wèn)題方案[13]已經(jīng)應(yīng)用于社區(qū)，無(wú)人車(chē)被視為快遞三輪車(chē)的有效替代者，或?qū)⒏膶?xiě)最終的配送格局。同時(shí)借助5G 技術(shù)的無(wú)人機(jī)配送也在快速推進(jìn)，國(guó)外麻省理工學(xué)院創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)也在針對(duì)終端配送問(wèn)題研制快遞智能小車(chē)，但是如何降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，還有較長(zhǎng)的探索之路要走[14-15]。

3 面臨的問(wèn)題及解決方案

3.1 自動(dòng)分揀過(guò)程中對(duì)包裹的識(shí)別能力有待加強(qiáng)。由于分揀作業(yè)時(shí)包裹的規(guī)格尺寸不一，形狀各不相同，條碼時(shí)有遮擋，導(dǎo)致設(shè)備很難對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行快速準(zhǔn)確的解碼，甚至誤讀相鄰包裹的代碼。如何提高智能識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用效果成為物流分揀環(huán)節(jié)的一個(gè)技術(shù)瓶頸。未來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)將集中在以下方面。一是利用深度學(xué)習(xí)的智能算法提高包裹種類(lèi)的識(shí)別精度，通過(guò)提供大量不同場(chǎng)景拍攝的圖片進(jìn)行訓(xùn)練，以及網(wǎng)絡(luò)模型的不斷學(xué)習(xí)優(yōu)化，能夠去除背景的干擾，快速準(zhǔn)確地完成識(shí)別和抓取工作。二是利用三維視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)形狀尺寸參數(shù)測(cè)量。三是設(shè)計(jì)高效的單件分離技術(shù)，通過(guò)對(duì)包裹實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位，再搭配智能控制系統(tǒng)完成單個(gè)包裹的固定間隔式分離，提升轉(zhuǎn)運(yùn)效率，減少人為干預(yù)。

3.2 專業(yè)人才的稀缺。物流行業(yè)的智能化發(fā)展，是多項(xiàng)技術(shù)協(xié)同作用的結(jié)果，包括機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、電路控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等。它們之間相互結(jié)合帶動(dòng)著整個(gè)行業(yè)的變革，由于系統(tǒng)存在多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，對(duì)操作人員或開(kāi)發(fā)人員的專業(yè)知識(shí)要求較高，他既要對(duì)整個(gè)環(huán)節(jié)的框架結(jié)構(gòu)清楚明了，還要有解決分支模塊的專業(yè)技能，這樣的復(fù)合型人才很少，使得不同的人員對(duì)系統(tǒng)的操作和維護(hù)效果差異很大。為了解決這一問(wèn)題，首先應(yīng)該鼓勵(lì)各大高校在本科生和研究生的培養(yǎng)過(guò)程中，多參加一些具體的項(xiàng)目，在項(xiàng)目中將學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，不能只停留于實(shí)驗(yàn)室單一的模擬環(huán)境，只有在真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景中才能檢驗(yàn)方法的有效性。其次應(yīng)該鼓勵(lì)企業(yè)加大新進(jìn)技術(shù)人才輪崗學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，通過(guò)師帶徒的模式、實(shí)質(zhì)性的考核標(biāo)準(zhǔn)和激勵(lì)機(jī)制，推動(dòng)年輕人快速成長(zhǎng)。

3.3 終端智能化設(shè)備成本較高。智能化終端設(shè)備的出現(xiàn)一定程度上緩解了包裹出庫(kù)效率低的問(wèn)題，比如智能快遞柜和無(wú)人配送小車(chē)在大學(xué)校園中的廣泛應(yīng)用。但是隨著維護(hù)成本的增加和交通運(yùn)輸條件的限制等原因，使得這一模式很難在大多數(shù)地方推廣。成本一直是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，一味地加大投入而收效甚微，這個(gè)項(xiàng)目就失去了它存在的意義。智能快遞柜推廣難主要在于群眾對(duì)收費(fèi)合理性的質(zhì)疑以及企業(yè)運(yùn)行維護(hù)成本高。首先，建議政府和社區(qū)聯(lián)合設(shè)立快遞服務(wù)平臺(tái)，用于快遞柜的存放，免去企業(yè)租賃費(fèi)用。其次，企業(yè)應(yīng)健全收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，使得收費(fèi)更加透明合理。針對(duì)無(wú)人配送小車(chē)的推廣，第一步應(yīng)改善小車(chē)內(nèi)置道路識(shí)別算法的適應(yīng)性，提高小車(chē)出行的安全性和高效性，簡(jiǎn)化取貨流程加快出貨速度，第二步則是增加宣傳力度，面向大眾普及小車(chē)的功能和帶來(lái)的便利。

4 結(jié)束語(yǔ)

智慧物流是未來(lái)物流行業(yè)發(fā)展的必由之路，隨著智能化的不斷升級(jí)加上“數(shù)字驅(qū)動(dòng)”，物流行業(yè)的產(chǎn)業(yè)分工將更加細(xì)化和全面，資源配置將得到進(jìn)一步優(yōu)化。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的智能化技術(shù)，在分揀、碼垛、缺陷檢測(cè)、終端配送等環(huán)節(jié)發(fā)揮著巨大的作用。降低了企業(yè)的運(yùn)用成本，縮短了包裹流通的時(shí)間，減少了流程中的資源消耗和碳排放，今后也將在不斷優(yōu)化和高度集成的過(guò)程中迎接更加艱巨的挑戰(zhàn)，不斷推動(dòng)著物流系統(tǒng)朝著更加智能化、綠色化發(fā)展。