李曉茹 江 河 顧君忠

1(太原學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 山西 太原 030012) 2(華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 上海 200062)

0 引 言

新零售的概念對目前的供應(yīng)鏈和銷售渠道都有變革性的影響，“以人為本，智慧服務(wù)”是新零售的基本原則，強(qiáng)調(diào)商品銷售各階段的變革要以消費(fèi)者為核心[1]。高效的智能快遞柜是新零售最為重要的環(huán)節(jié)，消費(fèi)者對于商品流通最直觀的感受來自于收發(fā)快件的便捷與效率。因此，本文提出了一種系統(tǒng)，不僅具有高效的快件收發(fā)功能，而且側(cè)重于對生鮮快件的狀態(tài)監(jiān)測，并把狀態(tài)信息及時(shí)反饋給用戶，保證了生鮮快件的品質(zhì)。此外，為了保證快件送達(dá)的及時(shí)性，研究根據(jù)決策算法確定快件投遞的優(yōu)化路線。當(dāng)然，高效、安全、便捷的服務(wù)需要收費(fèi)來保持可持續(xù)性發(fā)展，研究還以用戶使用頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行嘗試性收費(fèi)。通過一段時(shí)間的實(shí)際使用和用戶問卷調(diào)查結(jié)果，驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠改善和優(yōu)化用戶快遞收發(fā)效率，為付費(fèi)的快遞用戶帶來了實(shí)質(zhì)性的好處。

1 背 景

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在以迅猛的速度在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行社會(huì)革新。物聯(lián)網(wǎng)通過互聯(lián)網(wǎng)將物理設(shè)備或虛擬設(shè)備連接起來執(zhí)行傳感、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理[2]。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，新零售與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合應(yīng)用也已成為各界非常感興趣的問題。

傳統(tǒng)快遞柜在快件分類方面存在處理不當(dāng)和管理系統(tǒng)效率低下等問題，這些對于解決新零售模式下的物流“最后一公里”問題造成了極大障礙。為了解決這些問題，本研究提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能生鮮快遞終端系統(tǒng)(Intelligent fresh express terminal system，IFLT)，該系統(tǒng)由智能生鮮快遞箱(Intelligent fresh express box，IFB)、路由器和服務(wù)器組成。服務(wù)器收集并分析IFB的狀態(tài)信息和RFID讀寫器收集的用戶信息，每個(gè)IFB都起著收發(fā)快件的作用，并通過無線通信方式執(zhí)行各種操作來解決用戶的便利性。系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以提高普通快件的存取效率和方便性，也能最大程度保持生鮮快件的快速配送。另外，對于用戶的安全與隱私也有較好保護(hù)。

2 研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的物流終端管理中，無論從管理方式還是盈利手段來看，都存在不可持續(xù)發(fā)展的問題。用戶體驗(yàn)較差、使用效率較低、無法滿足用戶的個(gè)性要求等是比較突出的問題。例如：快遞柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法滿足不同類型快件的存放，貴重商品的安全性和生鮮快件的及時(shí)性無法保證，另外快遞柜的盈利模式也不成熟，對于不同消費(fèi)人群沒有合理劃分。

物聯(lián)網(wǎng)的信息獲取可以利用RFID技術(shù)進(jìn)行設(shè)備的識別和跟蹤以及存儲(chǔ)設(shè)備信息來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有利用RFID技術(shù)的物流終端系統(tǒng)中，系統(tǒng)復(fù)雜的處理過程會(huì)使系統(tǒng)延遲并產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致用戶的最終體驗(yàn)不佳[3]。另外，基于RFID的物流終端系統(tǒng)只能進(jìn)行簡單的信息獲取和物流管理，對于個(gè)性化的服務(wù)完全無法勝任，從而給用戶帶來進(jìn)一步的不便[4]。

為了解決現(xiàn)有的物流終端系統(tǒng)中存在的各種問題，本文提出了一種新型物聯(lián)網(wǎng)智能物流終端IFLT，IFLT更適合付費(fèi)用戶在高效、精準(zhǔn)、安全、私密的環(huán)境下使用。為了提供更可靠的服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模塊和設(shè)備之間的可靠通信是必不可少的。因此，系統(tǒng)中的IFB基于無線網(wǎng)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)交換和服務(wù)會(huì)在任何時(shí)間、任何位置無縫地進(jìn)行，確保通信的可靠性。另外，應(yīng)用于私密環(huán)境的智能物流終端要求實(shí)時(shí)在線，整個(gè)系統(tǒng)的能耗較大，為了解決此問題，IFB進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)來降低能耗并延長系統(tǒng)使用壽命[5]。

3 智能物流終端系統(tǒng)架構(gòu)

IFLT的體系結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，分為用戶數(shù)據(jù)管理模塊和智能終端服務(wù)模塊兩大部分。IFB一般需要安裝在消費(fèi)者住所入戶門附近，這樣可以最大程度地保證用戶的使用方便性、安全性和私密性。IFB之間的交換信息和與服務(wù)器交換信息都可以通過無線通信進(jìn)行。

圖1 智能物流終端系統(tǒng)

3.1 用戶數(shù)據(jù)管理模塊

用戶管理服務(wù)模塊負(fù)責(zé)物流終端快遞信息和在用戶管理服務(wù)模塊中已注冊的用戶信息、用戶物流快遞量信息、用戶終端使用區(qū)域、終端的存儲(chǔ)和分類、最終的收費(fèi)管理服務(wù)等。

? 物理層完成數(shù)據(jù)收集工作，包括無源RFID標(biāo)簽、讀寫器、稱重傳感器、溫濕度傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)收集。

? 中間件層是RFID讀寫器、稱重傳感器、溫濕度傳感器與智能終端服務(wù)模塊之間的接口，提供必要的基礎(chǔ)服務(wù)，并銜接應(yīng)用系統(tǒng)的各個(gè)部分。

中間件層被視為中樞神經(jīng)系統(tǒng)，方便管理服務(wù)提供商與RFID讀寫器和稱重傳感器建立快速連接。中間件層基于管理模塊中的服務(wù)器與服務(wù)模塊中的IFB之間的協(xié)作，路由器充當(dāng)分布式服務(wù)器，在補(bǔ)充增加IFB數(shù)量時(shí)彌補(bǔ)集中式服務(wù)器的不足。中間件層通過分別對來自讀寫器和傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組和過濾，來降低了智能物流終端管理系統(tǒng)應(yīng)用程序需要處理的信息量[6]。用戶管理模塊中間件層由服務(wù)管理、維護(hù)管理和收費(fèi)管理三個(gè)部分組成。

1) 服務(wù)管理中間件包括維護(hù)用戶信息的用戶信息接口、提供移動(dòng)服務(wù)的服務(wù)提供商、統(tǒng)計(jì)信息的數(shù)據(jù)分析接口、快件管理接口、RFID卡管理接口。

2) 維護(hù)管理中間件包括IFB設(shè)備信息管理接口、 IFB設(shè)備狀態(tài)管理接口、IFB設(shè)備通信管理接口。維護(hù)管理中間件會(huì)根據(jù)管理策略分析每個(gè)IFB的資源分配狀態(tài)，并給出處理方案。

3) 收費(fèi)管理中間件負(fù)責(zé)IFB收費(fèi)過程的相關(guān)信息，包括收費(fèi)協(xié)議接口、收費(fèi)信息的安全管理接口。

3.2 智能終端服務(wù)模塊

智能終端服務(wù)模塊負(fù)責(zé)與IFB快件投遞相關(guān)的所有信息，包括每個(gè)IFB擁有的物流終端量、IFB狀態(tài)信息、IFB故障信息、處理快件的收費(fèi)服務(wù)。用戶使用專用的RFID用戶標(biāo)簽接近IFB配套讀寫器，IFB會(huì)對用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證并打開物流智能終端相應(yīng)的存儲(chǔ)終端門。之后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)重量傳感器來確定用戶是否取走全部快件，以及快件的重量狀態(tài)信息。當(dāng)用戶取走快件并關(guān)閉快遞箱門的同時(shí)，IFB將收集到的有關(guān)用戶及其物流終端狀態(tài)信息發(fā)送到服務(wù)模塊。智能終端的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖2所示)，IFB通過無線網(wǎng)交換終端容量、電池壽命和駐留信息等。

圖2 智能終端的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能終端服務(wù)模塊包括數(shù)據(jù)訪問層和用戶界面層。數(shù)據(jù)訪問層由數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序組成，這些應(yīng)用程序允許快遞服務(wù)商創(chuàng)建RFID和傳感器的相關(guān)“事件”。該層與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，并包括使用MySQL和自定義數(shù)據(jù)(即用戶信息)的數(shù)據(jù)查詢/加載方法，這些數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)給快遞管理服務(wù)提供者以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的快遞投遞[7]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 基于事件的智能物流終端

用戶使用的便利性是IFB提供服務(wù)的重點(diǎn)。為了服務(wù)的連續(xù)性和用戶的便利性，IFB會(huì)智能地檢測快遞箱容量、使用狀態(tài)、通信狀態(tài)、電源故障等問題，并通過信息共享進(jìn)行快速處理。另外，為了保證一個(gè)區(qū)域內(nèi)的IFB的可靠性和及時(shí)性，需要設(shè)立區(qū)域內(nèi)信息收集智能終端CIFB。CIFB在收集其信息后分析并管理該區(qū)域中的其他IFB，當(dāng)CIFB在智能快遞終端發(fā)生空間告急情況時(shí)，智能檢測周邊IFB狀態(tài)，選擇在位置和空間最合理的IFB進(jìn)行備用存儲(chǔ)。如果發(fā)生通信問題時(shí)，為了提高通信可靠性，CIFB會(huì)將其權(quán)限委派給另一個(gè)IFB。

在智能生鮮物流終端中，電源和通信問題是至關(guān)重要的。IFLT可以在這些事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行預(yù)警，此時(shí)，如果IFB的無法進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交換，可以通過傳感器判定是系統(tǒng)故障還是電源問題。如果是電源問題，CIFB接收到狀態(tài)信息，然后檢查同一區(qū)域內(nèi)的其他IFB。CIFB向IFLT發(fā)送消息和其他IFB的狀態(tài)信息，IFLT服務(wù)器更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，同時(shí)向區(qū)域內(nèi)的快遞員、用戶、管理員發(fā)送提示短信，進(jìn)而采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。如果發(fā)生通信問題，IFB之間通信時(shí)可以檢測到該問題，然后通過CIFB向服務(wù)器報(bào)告該通信問題。如果是CIFB發(fā)生通信問題，則應(yīng)該把權(quán)限委托給另一個(gè)IFB?？梢酝ㄟ^區(qū)域內(nèi)不同的IFB定期向在CIFB發(fā)送數(shù)據(jù)來確認(rèn)狀態(tài)，如IFB在某時(shí)間段內(nèi)未檢測到CIFB發(fā)來的消息，可確認(rèn)發(fā)生通信問題。檢測到問題的IFB向服務(wù)器發(fā)送報(bào)告，服務(wù)器計(jì)算同一區(qū)域中其他IFB的可用狀態(tài)，并將權(quán)限委托給新的CIFB。

4.2 生鮮快件的監(jiān)測

IFB中的溫濕度傳感器對快遞箱內(nèi)的溫度、濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)采集，相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到服務(wù)器，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對快遞箱內(nèi)生鮮快件所處的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集、監(jiān)控、預(yù)警。服務(wù)器根據(jù)獲得的溫濕度數(shù)據(jù)和《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)》中生鮮產(chǎn)品的最佳儲(chǔ)藏溫濕度值對生鮮快件隨著時(shí)間而產(chǎn)生的影響進(jìn)行評估，并會(huì)生成相應(yīng)信息發(fā)送給用戶。這樣既可提醒用戶及時(shí)收起快遞，也能較好地對生鮮快件投遞過程中的責(zé)任進(jìn)行劃分。此類信息均可以通過單片機(jī)自動(dòng)按照指令采集，同時(shí)單片機(jī)還把數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。采集流程如圖3所示。

圖3 溫濕度采集過程

4.3 智能物流終端的收費(fèi)策略

IFLT系統(tǒng)是針對付費(fèi)用戶提供服務(wù)的，這類用戶對服務(wù)質(zhì)量要求較高，特別是在購買昂貴快件和生鮮快件時(shí)，對于取件的便利性、安全性和隱私性要求較高，對于費(fèi)用并不會(huì)太敏感。IFLT系統(tǒng)采用用戶為本的收費(fèi)政策，代替過去的簡單計(jì)件收費(fèi)方式。自適應(yīng)收費(fèi)策略的基本思想是：把快件分為標(biāo)準(zhǔn)快件、生鮮快件、特殊快件。每類快件還有不同的細(xì)分種類，按照種類的不同進(jìn)行收費(fèi)，提高服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。IFB在租用時(shí)基準(zhǔn)費(fèi)率為每月基本收費(fèi)，最終收費(fèi)會(huì)按照細(xì)分種類表計(jì)件進(jìn)行。當(dāng)然最終費(fèi)用也會(huì)隨著快遞量和用戶使用情況進(jìn)行調(diào)整。

4.4 快遞投遞路徑與數(shù)量優(yōu)化

在以快遞員為核心的快件投遞過程中，快遞員往往是在不了解用戶是否可以接收快遞的情況下，沿固定路線行駛，采用“碰運(yùn)氣”的方式進(jìn)行投遞，效率極低，還容易讓用戶體驗(yàn)不佳。

IFLT系統(tǒng)設(shè)計(jì)了快捷路線來提高快件投遞的效率，通過監(jiān)測IFB狀態(tài)來建立一個(gè)高效的物流終端投遞系統(tǒng)?？傮w思路是：在投遞開始前，路徑規(guī)劃模塊通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器請求投遞路線的IFB的位置和數(shù)量等狀態(tài)信息[8-9]。研究使用百度地圖的移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)ν哆f路徑進(jìn)行優(yōu)化。移動(dòng)應(yīng)用程序顯示需要投遞的IFB的位置，以及基于IFB的狀態(tài)信息生成的優(yōu)化投遞路徑(如圖4所示)。

圖4 快遞投遞路徑優(yōu)化

一般而言，快遞通常每天進(jìn)行一次投遞即可，但是在快件投遞量較多的區(qū)域，投遞服務(wù)每天會(huì)進(jìn)行多次?？爝f員如果可以根據(jù)快件的數(shù)量，路途的遠(yuǎn)近和快遞箱的使用情況綜合考慮，選擇更合理的路徑進(jìn)行投遞服務(wù)，將會(huì)大大提高工作效率。

式中：Nt為每小時(shí)智能快遞柜容量；∑Nn為快遞柜剩余總量；E為快遞箱使用頻率。公式是關(guān)于物流終端投遞時(shí)間間隔，以平均每天快遞柜收費(fèi)量為基礎(chǔ)，計(jì)算快遞柜投遞量[10]。因此，IFLT根據(jù)每天的快件數(shù)量和物流終端使用情況調(diào)整快件投遞方案。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)測試

儲(chǔ)物空間的尺寸和所占比例是目前業(yè)界的一個(gè)難題，本研究假設(shè)儲(chǔ)物空間都是一樣大的。IFB儲(chǔ)物終端的儲(chǔ)物空間包括數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分，硬件部分由RFID讀寫模塊、稱重傳感器、溫濕度傳感器、條形碼掃描模塊、GSM通信模塊、STM32主控系統(tǒng)、系統(tǒng)接口、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、LCD觸屏顯示、供電模塊幾部分組成?？爝f員通過專用RFID讀寫模塊進(jìn)行快件存取操作，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開存儲(chǔ)柜門，測量快件重量的稱重傳感器位于每個(gè)IFB儲(chǔ)物空間的底部。當(dāng)放入快件的同時(shí)，稱重傳感器測量快件初始值，并根據(jù)需要通過系統(tǒng)接口將結(jié)果發(fā)送到主控系統(tǒng)和觸屏顯示器。此外，該系統(tǒng)接口還管理IFB中的所有操作，包括分析來自RFID讀寫器的輸入數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開或關(guān)閉終端箱蓋。條形碼掃描模塊用于快遞員獲取單號，并在快件存入快遞箱時(shí)由GSM模塊產(chǎn)生對應(yīng)的取件信息，同時(shí)發(fā)送給取件用戶和后臺(tái)服務(wù)器保存。智能終端的IFB結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能終端IFB結(jié)構(gòu)圖

目前還沒有條件大規(guī)模布置IFLT系統(tǒng)，所以本文選擇將IFB設(shè)置在汾東教育園區(qū)的學(xué)生公寓和學(xué)校出入口附近，通常是將IFB放置在常規(guī)物流終端箱所在的位置附近(見圖6)，即可執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)施。

圖6 智能物流終端的設(shè)置地點(diǎn)

IFLT為每個(gè)用戶的基本服務(wù)和RFID卡提供了ID和密碼。用戶包括管理員、快遞員和用戶。管理員擁有大部分的權(quán)限，可以查看每個(gè)IFB的狀態(tài)和時(shí)間日志，進(jìn)行用戶注冊和管理，并對信息進(jìn)行分類。快遞員可以查看快件信息、用戶狀態(tài)和路徑規(guī)劃模塊。用戶能查閱快遞柜的快遞量、付費(fèi)信息、快遞狀態(tài)等。當(dāng)IFB的容量達(dá)到臨界值時(shí)，或者出現(xiàn)狀態(tài)異常，快遞員可以及時(shí)檢查快遞柜的狀態(tài)并收到通知，如果生鮮快件即將度過最佳接收期，用戶也會(huì)收到通知。路徑規(guī)劃模塊可以作為快遞員投遞時(shí)路徑選擇的參考。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 系統(tǒng)的安全性。在IFLT系統(tǒng)中，安全與隱私可以得到很好的保證。首先快遞箱的安裝位置和使用方法確保了用戶和快件的安全與隱私保護(hù)性。其次，快遞員只能掌握快件的基本情況，并選擇投遞時(shí)間及路徑，對快件的其他情況無從了解。另外，從物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用安全角度看，快件標(biāo)簽、IFB讀寫器、后端無線通信安全存在脆弱性，所以研究采用了無源標(biāo)簽，成本低、內(nèi)存量少，標(biāo)簽中保留的信息僅為標(biāo)簽ID。當(dāng)快件放入快遞柜時(shí)，讀寫器才會(huì)感應(yīng)并讀取和記錄快件標(biāo)簽ID，在這種接近情況和移動(dòng)環(huán)境下，沒有足夠空間攔截標(biāo)簽和閱讀器之間的通信。即使被入侵者攔截并獲取了標(biāo)簽ID，由于無法獲得進(jìn)一步信息，也可保護(hù)用戶信息的安全與隱私。

(2) 快件收發(fā)效率和用戶使用的滿意度。為了評估IFLT系統(tǒng)性能和應(yīng)用價(jià)值，研究通過快件投遞數(shù)量，快件投遞服務(wù)質(zhì)量和用戶滿意度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。投遞數(shù)量按照每月總量統(tǒng)計(jì)，服務(wù)質(zhì)量按照投遞成功的快件總量統(tǒng)計(jì)，用戶滿意度綜合投遞質(zhì)量和用戶調(diào)查統(tǒng)計(jì)。如前所述，本文在汾東教育園區(qū)的三所高校部署了11個(gè)IFB，并進(jìn)行了5個(gè)月的試運(yùn)行，面向用戶的自適應(yīng)收費(fèi)策略也已應(yīng)用于IFLT。

表1顯示了每月快遞的物流終端量及根據(jù)物流終端量的使用滿意度情況，最初由于操作陌生和經(jīng)驗(yàn)不足，第1個(gè)月的滿意度較低。自第二個(gè)月起，隨著不斷地使用和摸索，滿意度顯著上升，并在之后兩個(gè)月達(dá)到了較高水平。本系統(tǒng)是專門為生鮮類快遞進(jìn)行設(shè)計(jì)的，便利性和高效性帶來的用戶滿意度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。本文使用問卷調(diào)查的方式，來了解用戶的使用體驗(yàn)，基本達(dá)到了預(yù)期的效果，通過增加的快遞量和滿意度較為準(zhǔn)確地顯示了IFLT的性能。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 語

本文提出了一種新零售模式下的物聯(lián)網(wǎng)生鮮快遞終端系統(tǒng)。區(qū)別于普通的快遞終端系統(tǒng)，IFLT系統(tǒng)在快遞昂貴物品或生鮮產(chǎn)品時(shí)可以滿足用戶對快遞服務(wù)的安全和隱私性需求。系統(tǒng)中的IFB是將每個(gè)存儲(chǔ)箱中投遞的快件信息傳輸?shù)椒?wù)器的集中式結(jié)構(gòu)，另外，CIFB的設(shè)計(jì)提高了每個(gè)IFB的能源效率。本系統(tǒng)為了快件投遞服務(wù)質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展，采用以用戶為導(dǎo)向的適應(yīng)性收費(fèi)政策，并提供基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，以提高處理和投遞過程的效率。本文在汾東教育園區(qū)進(jìn)行了為期5個(gè)月的試點(diǎn)，并對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。該系統(tǒng)可提高約25百分點(diǎn)的快件收發(fā)效率，用戶滿意度較高，有望以此解決貴重快件的安全性和生鮮快件的投遞難題。