面向物流倉儲的基于邊緣計算的高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別研究

摘 要：高價值工業(yè)制品具有重要的經濟和戰(zhàn)略價值，其物流倉儲過程中的破損和損失不僅會帶來高昂的直接和間接成本，還會對生產和供應鏈產生嚴重的影響。其中，及時發(fā)現和處理高價值工業(yè)制品外包裝表面的破損可以避免貨物繼續(xù)損壞。邊緣計算可以通過利用物聯網、圖像處理、人工智能等先進技術，對貨物外包裝表面破損情況進行實時監(jiān)測和預警，從而大幅提高物流倉儲的安全性和效率。文章面向物流倉儲，基于邊緣計算對高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別展開研究，以期為構建現代化物流和倉儲體系、提高高價值工業(yè)制品的物流運輸質量提供一定參考。

關鍵詞：物流倉儲；邊緣計算；高價值工業(yè)制品；外包裝；破損識別

中圖分類號：F259.27 文獻標志碼：A DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.06.035

Abstract： High-value industrial products have important economic and strategic value. The damage and loss during its logistics and warehousing process not only brings high direct and indirect costs， but also has a serious impact on production and supply chains. Among them， timely detection and handling of damage to the outer packaging surface of high-value industrial products can prevent further damage to the goods. Edge computing can use advanced technologies such as the Internet of Things， image processing， and artificial intelligence to conduct real-time monitoring and early warning on the surface damage of the external packaging of goods， thus greatly improving the safety and efficiency of logistics warehousing. This paper is oriented to logistics warehousing. Based on edge computing， the research on the identification of the surface damage of the outer packaging of high-value industrial products is carried out in order to provide some reference for building a modern logistics and warehousing system and improving the logistics transportation quality of high-value industrial products.

Key words： logistics warehousing; edge computing; high-value industrial products; outer packaging; damage identification

0" " 引" " 言

近年來，隨著全球貿易的增長和工業(yè)制品的廣泛應用，物流行業(yè)飛速發(fā)展。我國物流行業(yè)整體運輸量在2021年已經超過529萬噸，比去年同比增長50萬噸左右（如圖1）。物流倉儲市場規(guī)模越來越大，2021年，我國智能倉儲物流行業(yè)市場規(guī)模達到1 145.5億元（如圖2）。

與此同時，物流倉儲行業(yè)面臨越來越大的挑戰(zhàn)。尤其對高價值工業(yè)制品而言，其外包裝表面的破損問題一直是其關注的焦點。外包裝表面的破損不僅會導致貨物損壞，還會給企業(yè)帶來巨大的經濟損失和聲譽風險。在傳統的物流倉儲過程中，對于高價值工業(yè)制品外包裝的破損識別主要依賴人工的目視檢查，這種方法存在效率低下、準確性不高的問題。隨著邊緣計算技術的快速發(fā)展和廣泛應用，基于邊緣計算的高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別成為一個備受關注的研究領域。通過在物流倉儲場景中部署智能傳感器和相機，將采集的圖像數據傳送至邊緣節(jié)點進行實時的圖像處理和分析，可以快速準確地識別高價值工業(yè)制品外包裝表面的破損情況。本文基于邊緣計算技術，開展面向物流倉儲的高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別研究，以期為物流行業(yè)提供一些借鑒。

目前，針對邊緣算法在物流倉儲中的應用較少，但有部分學者針對物流倉儲中的智能識別進行了研究。王雨寒（2022）[1]將雙目立體視覺引入物流倉庫的監(jiān)測中，通過雙目相機監(jiān)測貨物和工作人員的位置信息，并利用改進的目標檢測算法LECA-YOLOv5 檢測工作人員異常行為，以提高物流倉庫的工作效率和安全水平；劉星余（2021）[2]設計了分揀機器人系統，并對其多目標識別和定位進行實驗驗證；張鑫鑫（2020）[3]設計了基于計算機視覺的物流倉儲安全智能監(jiān)控管理系統的功能結構，系統具有智能化、實時性的特點，可以對物流倉儲中的異常人員和異常行為進行自動分析和預警；陳斌（2018）[4]指出在物流倉儲智能系統的應用中，一定要突出其實用性，讓其可以真真正正地發(fā)揮作用；劉歡（2012）[5]以物流倉儲 AGV為對象，進行旨在提高圖像識別導引AGV轉向識別的準確性、實時性和穩(wěn)定性的研究。

1" " 邊緣計算在物流倉儲領域的應用

邊緣計算是一種新興技術，它將計算和數據處理從傳統的云端移動到離數據產生源頭更近的邊緣設備上。邊緣計算的部署架構如圖3所示。

在物流倉儲領域，邊緣計算的應用逐漸引起了人們的關注。邊緣計算為物流倉儲提供了更高效、實時和可靠的數據處理能力，從而改善了物流倉儲的運作效率和服務質量。首先，邊緣計算在物流倉儲中提供了更低的延遲時間。傳統的物流倉儲系統通常將數據發(fā)送到云端進行處理和分析，然后再將結果返回到邊緣設備。這種模式存在延遲時間較長的問題，不適合需要實時反饋和決策的場景。通過使用邊緣計算，物流倉儲可以在邊緣設備上進行數據處理和分析，減少數據傳輸的時間延遲，使實時反饋和決策成為可能。其次，邊緣計算在物流倉儲中提供了更好的數據安全和隱私保護。物流倉儲涉及大量的敏感數據，包括貨物信息、客戶隱私等。傳統的云計算模式需要將數據發(fā)送到云端進行處理，存在數據隱私泄露和安全性問題。邊緣計算的數據處理、存儲和傳輸都在本地進行，可以更好地保護數據的安全性和隱私。最后，邊緣計算使物流倉儲的決策更加智能化。邊緣設備上可以安裝各種傳感器和智能設備，實時采集和分析物流倉儲中的數據，如溫度、濕度、位置等信息。通過邊緣計算，物流倉儲可以進行實時的數據分析和決策，如貨物運輸路徑規(guī)劃、庫存管理等，使物流倉儲的運作更加智能化和高效。隨著邊緣計算技術的不斷發(fā)展和成熟，相信它將在物流倉儲領域發(fā)揮越來越重要的作用，推動物流倉儲行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

2" " 邊緣計算在高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別中的應用

2.1" " 邊緣計算在高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別中的作用

邊緣計算技術在高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別中起著重要的作用。它能夠將數據處理和決策能力盡可能地靠近物流倉儲系統的邊緣，提供更快速、實時和可靠的破損識別服務。首先，邊緣計算技術可以實現實時的破損識別。邊緣設備上部署的圖像處理和識別算法可以在數據產生的地方進行實時處理，減少數據傳輸的延遲。與傳統的云計算模式相比，邊緣計算能夠更快速地響應破損識別請求，并在更短的時間內得到結果，使物流倉儲能夠及時發(fā)現和處理外包裝表面的破損情況。其次，邊緣計算技術可以減少數據傳輸和存儲的需求。外包裝表面破損識別通常需要對大量的圖像數據進行處理和分析。通過邊緣計算，可以將數據處理和存儲的任務分配到邊緣設備上，減少云端的負載和網絡傳輸的壓力，提高系統的整體效率。最后，邊緣計算技術還提供了更好的容錯性和穩(wěn)定性。傳統的云計算模式中，若云端出現故障或網絡中斷，物流倉儲系統將無法正常運行。邊緣計算將數據處理和決策能力分布到邊緣設備上，即使云端出現故障，物流倉儲系統仍然可以繼續(xù)進行破損識別任務，并具備一定的容錯能力。

2.2" " 高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別的方法與算法

高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別是物流倉儲領域一項重要的內容，它可以有效地幫助企業(yè)識別和記錄在物流過程中高價值工業(yè)制品外包裝表面的破損情況，提前發(fā)現問題并采取相應的措施，保證貨物的安全和質量。高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別的方法包括圖像處理和特征提取。即通過使用計算機視覺技術，將獲取的包裝圖像輸入系統中進行處理。圖像處理方法包括去噪、增強、分割等步驟，以提高圖像質量和信息的準確性。通過特征提取算法，從圖像中提取與表面破損相關的特征，如邊緣、紋理、顏色等。這些特征可以用于后續(xù)的分類和識別任務。另外，針對高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別，常用的算法包括機器學習、深度學習和圖像處理技術。傳統的機器學習算法如支持向量機（SVM）、隨機森林等可以用于分類任務，通過訓練模型將圖像特征與表面破損類別進行關聯，從而實現自動破損識別。深度學習算法如卷積神經網絡（CNN）、循環(huán)神經網絡（RNN）等可以提取圖像的高級特征，并結合大規(guī)模的標注數據進行訓練，實現更準確的表面破損識別。最后，針對高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別，還可以采用基于規(guī)則的方法。即通過定義一系列的規(guī)則和閾值，對圖像進行分析和判定。例如，可以設置閾值來檢測圖像中的裂紋、碎片、凹陷等破損情況。以上技術可以相互結合，幫助物流倉儲實現自動化、智能化的破損識別，提高貨物的安全和質量管理效率。

3" " 高價值工業(yè)制品外包裝表面破損類型與原因分析

3.1" " 物流倉儲中高價值工業(yè)制品外包裝表面破損類型

在物流倉儲過程中，高價值工業(yè)制品的外包裝表面破損類型主要有劃痕、裝機破損、壓力變形等。劃痕是指外包裝表面因被硬物摩擦或碰撞而產生的線形損傷。劃痕會導致包裝喪失美觀，且容易影響產品的銷售和使用價值。劃痕的產生原因包括人為因素和設備因素。人為因素主要是在搬運、裝卸、儲存等環(huán)節(jié)中不注意操作，導致包裝被硬物刮擦；設備因素主要是物流設備的設計和制造不合理，如輸送帶上的不平整表面、機械部件缺陷等。撞擊破損是指外包裝在運輸和搬運過程中因受到沖擊而產生的破損。撞擊破損一般會造成包裝的破裂、變形和損壞等后果。撞擊破損的原因主要包括運輸車輛行駛不穩(wěn)定、搬運過程中發(fā)生摔落、受到顛簸和震動等。此外，如果包裝設計不合理或者材料質量差，也容易導致包裝在撞擊沖擊下破損。壓力變形是指外包裝在承受壓力作用下產生的外觀變形。例如，工業(yè)制品包裝在搬運或儲存過程中被其他物體壓迫，導致包裝變得凹陷、變形或破裂等。壓力變形的原因包括堆放不當、搬運過程中的擠壓、物流倉儲環(huán)境濕度過高等。

3.2" " 物流倉儲中高價值工業(yè)制品外包裝表面破損原因分析

包裝設計不合理是導致外包裝破損的主要原因之一。包裝材料選擇不當、包裝結構不夠牢固，或者包裝內部尺寸與產品不匹配，都容易導致外包裝在運輸或儲存過程中受到沖擊而破損。因此，在進行包裝設計時，需要充分考慮產品的特性和運輸儲存環(huán)境，選擇合適的包裝材料和結構，提高外包裝的保護性能。不當的搬運操作也是導致外包裝破損的一個重要原因。例如，在搬運過程中對包裝的抓握不當，或者使用不合適的工具和設備進行搬運，容易導致包裝出現劃痕、撞擊破損或壓力變形等情況。因此，操作人員需要經過專業(yè)培訓，掌握正確的搬運操作方法，使用適當的工具和設備，避免人為因素導致的包裝破損。此外，運輸車輛在行駛過程中受到顛簸、震動或碰撞，也會對外包裝產生沖擊力，導致劃痕、撞擊破損等。外包裝還會受到惡劣天氣的影響，如降雨、濕度過高等，使包裝材料變得濕潤，進而引發(fā)壓力變形。為避免這些問題，物流企業(yè)需要加強車輛維護，選擇適當的運輸工具和設備，同時注意天氣情況，確保運輸環(huán)境的適配性。最后，產品在儲存或運輸過程中堆疊不穩(wěn)，容易發(fā)生滑倒、傾倒等情況，導致包裝受到沖擊而破損。因此，在儲存和運輸過程中，需要合理安排堆放順序和堆疊方式，確保產品穩(wěn)定堆放，從而減少外包裝的擠壓和撞擊。

4" " 基于邊緣計算的高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別系統設計與實現

4.1" " 系統設計需求

系統流程如圖4所示，設備功能需求如下。

模型訓練：通過神經網絡模型對接收到的數據進行訓練，并保存訓練好的網絡模型。

數據預處理：根據模型對訓練數據的數量需求，進行數據擴增，如旋轉、鏡像、縮放等操作，以增加數據集的多樣性和數量。

數據采集：將拍攝或開源的數據集進行存儲，用于模型的訓練和測試。

數據轉碼：將訓練、測試或識別的數據轉換成適合神經網絡模型訓練、測試和識別的格式，如LMDB格式。

文件傳輸：使用SSH協議，在訓練、測試和識別階段進行端與端之間的文件傳輸，保證圖像數據的安全且無密傳輸。

數據清洗：對不清晰或噪聲過大的數據進行清洗和剔除，確保訓練后模型的泛化能力。

模型遷移：使用遷移學習，將云端訓練好的模型參數傳輸到邊緣設備，在邊緣設備上對新數據進行再訓練和分析，以提高模型的泛化能力并減輕云端的壓力，加快數據傳輸速度。以上功能需求可以幫助設計基于邊緣計算的高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別系統，實現對圖像數據的訓練、預處理、采集、轉碼、傳輸、清洗和模型遷移等操作，從而提高識別系統的準確性、效率和可用性。

4.2" " 系統整體設計

系統模型采用三層架構，包括終端層、邊緣層和云端層。在處理過程中，整個系統從上往下進行數據收集、處理和展示。終端層負責數據的收集模塊和展示結果模塊。在數據收集過程中，終端層需要進行數據清洗和收集，以保證收集到的數據完整且清晰。對于不清晰或噪聲過大的數據，需要進行剔除，以確保后續(xù)訓練的模型具有較高的泛化能力。邊緣層位于終端數據和云端計算模塊之間，主要功能包括遷移學習模塊和文件傳輸模塊。文件傳輸模塊使用SSH協議進行數據傳輸，在保證數據完整性的同時加快傳輸速度，SSH協議如圖5所示。通過將服務器之間設置為無密傳輸，可以加速數據傳輸，并確保數據的完整程度。遷移學習模塊利用云端訓練好的模型，對邊緣設備上的數據進行測試、識別和再訓練，以提高模型的性能和適應性。云端層負責數據處理和模型訓練。在云端層可以將數據轉換成適合Caffe框架訓練的LMDB格式，然后使用神經網絡模型對數據進行訓練。訓練好的模型可以發(fā)送到邊緣設備，供后續(xù)的識別和再訓練使用。云端層還可以將準確率和損失率等訓練指標發(fā)送回終端層進行展示。整個系統的數據流程是：終端層收集數據并發(fā)送到云端層進行訓練，然后將訓練好的模型發(fā)送到邊緣設備。邊緣設備可以在運用云端模型的基礎上對后續(xù)的數據進行識別、測試和再訓練。通過終端、邊緣和云端的協作，能夠實現高價值工業(yè)制品外包裝表面破損的識別和處理。該系統模型具有明確的層次結構和功能模塊，在物流倉儲中可以提高破損識別的準確性、效率和可靠性，為企業(yè)提供更優(yōu)質的物流保障。系統結構如圖6所示。

4.3" " 數據集收集

針對高價值工業(yè)制品外包裝表面的劃痕、壓力變形和裝機破損等破損類型，收集相應的數據集可以進行模型訓練和測試。劃痕是物流倉儲中常見的一種外包裝表面破損類型，在收集劃痕數據集時可以選擇一些具有代表性的劃痕圖片，如長度、寬度、深度等不同級別的劃痕圖片，以及一些沒有劃痕的外包裝圖片。壓力變形是在物流倉儲過程中由于貨物堆放不當或者運輸過程中受到擠壓等原因而產生的一種外包裝表面破損類型。在數據集收集中可以選擇一些具有代表性的壓力變形圖片，如不同程度、不同形狀的壓力變形圖片，以及一些沒有壓力變形的外包裝圖片。裝機破損是在物流倉儲過程中由于貨物在運輸過程中受到振動、撞擊等而產生的一種外包裝表面破損類型。在數據集收集中可以選擇一些具有代表性的裝機破損圖片，如包裝材料破損、產品部件損壞等圖片，以及一些沒有裝機破損的外包裝圖片。將以上3種類型及沒有破損的圖片制作成數據集，并在邊緣計算設備上進行訓練和測試。在數據獲取過程中發(fā)現不同數據集中的圖像大小不一致，為了滿足LMDB格式的轉換要求，需要將圖像的大小統一調整為256×256像素。為了方便處理，使用Matlab對不同數據集中的圖像名稱和格式進行統一處理，將完好無損和3種破損類型的圖像分別標記為0、1、2、3。圖像的類型和數量統計如表1所示。

4.4" " 遷移學習

遷移學習是一種機器學習技術，利用已經在相關任務上訓練好的模型的知識和參數改善在新任務上的學習表現。在高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別系統中，遷移學習可以發(fā)揮重要的作用。通過在云端對大規(guī)模數據訓練一個強大的模型，可以利用這個模型的參數和特征表示來解決邊緣設備上的破損識別任務。在云端用大量的數據進行訓練，可以得到一個具有良好泛化能力的模型。通過遷移學習，可以利用云端模型的知識和參數，加快邊緣設備上新數據的學習過程，提高破損識別模型的性能和效果。高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別系統遷移學習流程如圖7所示。

5" " 結" " 論

在物流倉儲過程中，高價值工業(yè)制品的外包裝表面破損會導致產品的質量降低和價值損失，因此準確識別和及時處理外包裝破損問題對物流企業(yè)具有重要意義。隨著邊緣計算技術的發(fā)展，其在物流倉儲中的應用也越來越受到關注?；谶吘売嬎愕母邇r值工業(yè)制品外包裝表面破損識別研究，通過將數據處理和分析推向物流倉儲現場，實現實時監(jiān)測和識別外包裝破損的手段，并提供及時的處理措施，能夠大大提高物流倉儲的效率和精度，減少包裝破損對高價值工業(yè)制品的影響，促進物流領域的發(fā)展。本文面向物流倉儲基于邊緣計算對高價值工業(yè)制品外包裝表面破損識別進行研究，以期為物流行業(yè)識別包裝破損提供參考。

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