重复使用型快递包装箱设计和派送自动化
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摘 要：文章针对快递包装袋中存在利用率低，资源浪费严重的现象，按照标准化规范，设计专用网络化快递包装箱，使快递包装箱得到重复利用，减少环境污染和资源浪费。同时配套设计智能快递驿站，实现快递收取自动化。开发快递电子标签及客户端，在分拣环节，最终实现机器的电子识别，自动抓取，自动分拣，降低工人的劳动强度，减少企业的人工成本。
关键词：包装；快递标准化；网络化
前言
网购已经成为了年轻人的主流购物方式，数据显示我国2016年收发快递超过20亿件。目前快递的包装箱主要采用的是一次性的纸箱，纸箱在使用后大多被直接遗弃，或者因为损坏无法再次利用[1-3]。
以北京某石油类院校为例，在校生人数约15000人，根据取样数据可以推算出全校每月收发快递的总数约为31178.6件。平均每个快递包装纸箱重约300g，12号纸箱批发单价为0.8元，则每月直接废弃的快递包装箱合计9353.4Kg，直接成本249442.8元。
因此，在快递收发集中的高校、社区及工厂推行重复使用型快递包装箱，从市场角度考虑是可行且必要的。目前大量大废弃包装箱得不到有效的回收和利用，造成了重大的环境污染和资源浪费。
1 标准化设计和强度分析
通过测试我们发现，现有纸质快递箱自身具有一定的强度，纸质包装箱的抗压强度与高度成反比关系，与周长成正比关系。
瓦楞纸箱是用瓦楞纸板制成的纸质容器。瓦楞纸箱以其优越的使用性能和良好的加工性能逐渐取代了木箱等运输包装容器，成为运输包装的主力。它除了保护商品、便于仓储和运输之外，还起到美化商品、宣传商品的作用。瓦楞纸箱是一种应用最广的包装制品，用量一直居各种包装制品之首。抗压强度是瓦楞纸箱在实际应用中的主要性能指标之一，准确地测其大小对于保护流通中的产品具有重要的意义。目前瓦楞纸箱的抗压强度主要是通过试验得到的，存在着一些弊端，诸如试验周期长、成本高、受试验条件限制等。近年来有不少人研究瓦楞纸板的屈曲性能，但是对瓦楞纸箱的结构屈曲研究尚少。本文利用 ANSYS软件对纸箱的有限元模型进行分析，与瓦楞纸箱的抗压试验结果进行比较，来验证纸箱模型的可行性。
在ANSYS软 件中，对于壳体程序默认的单元是 4结点的四边形单元（SHELL181）。建立的瓦楞纸箱几何模型，定义载荷和约束瓦楞纸箱在抗压试验中受到试验机上板的压缩，因此选用F=100N的载荷，作用在纸箱的上表面与下表面中心，方向垂直于上表面向下。纸箱在试验过程中，纸箱底板四个角是不发生任何位移的，因此在纸箱的底板四个角施加固定约束，4个侧板不受任何约束。
根据瓦楞纸箱的受力特点对常规的纸箱有限元模型进行修正，在4个角处添加加强筋，并利用有限元方法得到瓦楞纸箱的屈曲载荷， 在图1中，在有限元仿真分析过程中，纸板的弹性参数精确与否是有限元分析的关键。另外为了简化纸箱模型，将瓦楞纸板用与其性能相同的等效板来替代，因此有限元结果有一定的局限性。目前有限元仿真分析在纸质包装容器的设计方面 应用并不广泛，原因之一就在于材料属性，比如弹性模量、剪切模量等参数的测定方法还有待完善。
通过大量数据调查发现，日常生活中的快递箱单个质量一般在5Kg以下，快递包装自身具有一定的抗压强度，一般不会再匀速过程中损坏。因为纸质快递箱的硬度较低，不能抵抗一定的剪切力，在剪切力的作用下极易损坏。纸质包装箱的顶角和棱边在快递装卸的过程中极易损坏，这是造成快递包装箱不能重复利用的主要原因。
考虑到产品的推广和成本控制，我们在原有的纸质快递包装箱的基础之上，设计了一种加固装置，对纸质包装箱的易损坏部分进行保护。我们选用了相对成熟的PVC材料作为加固材料，该材料密度低、具有相对较好的抗弯、抗剪性质。
传统纸质快递包装箱一般采用透明胶带进行密封[4]。透明胶带在密封时相对便捷，但是在再次打开纸质包装箱的过程中会对纸质包装箱产生一定的损害，且打开过程较复杂。基于重复使用的目的，我们设计了一种方便的塑料卡扣，参见图2、图3、图4，卡扣能快速地锁闭包装箱，也能快速地打开包装箱。
在四个卡扣下留有电子记录芯片，芯片能记录和识别卡扣的锁闭和打开，这有效地保护了顾客商品的安全和用户隐私。卡扣采用工程塑料制作，能有效避免高强度使用过程中的磨损和老化问题。在快递箱的8个顶角，我们附加缓冲材料，这能有效防止快递箱在装卸过程中对顶角的破坏。
目前的快递运单信息的记录主要还是人用笔在运单上记录[5]，这样的记录方式效率低、信息容易出错，信息不易二次提取。
经过实地调查，我们发现用户在填写快递单时，因为是手写填取，时间长易出错。快递员在配送时，参照手写快递单，再次通过手机输入电话号码编辑短信，整流程较复杂。基于现状我们设计一种可以记录客户信息的电子标签，该电子标签可以通过智能手机识别客户信息，调用手机自动拨打客户电话或者向客户发送相应短信。
考虑到目前近距离无线通讯技术（NFC）技术的相对成熟和智能手机的广泛应用，我们成功设计并开发了基于安卓手机应用的快递电子标签和配套客户端，参见图5和图6，该电子标签具有以下特点：
（1）成本低，单个电子标签的成本不足一元。
（2）客户端基于安卓手机平台开发，不需要再次开发配套硬件设备。
（3）智能手机应用广泛，易于推广和维护。
经过测试，我们开发的安卓应用“快递助手”能在绝大多数安卓手机上稳定运行。在图7中，快递信息数据在云端共享，不受设备限制，易于信息共享。电子便签本身不记录用户信息，只记录用户ID，通过用户ID匹配云端用户信息，这样有效地保护能力用户的隐私，同时也提高了电子标签的识别速度。
经过实际测试，电子标签在识别过程中用时小于1s，准确率100%。
3 结束语
本文设计的包装箱是快递行业中能长期反复使用的包装方式，具有足够的强度，且绿色环保。采用本包装箱和机械抓手后，在转运途中可以直接利用机械自动识别快件信息，自动分拣，无需人工分拣，提高转运效率。采用本包装箱和机械抓手后，可以进行快速装卸，并可从一种运输工具方便地换装到另一种运输工具。简化了托寄物的包装环节，避免了现在常用的珍珠棉和胶带等减震方式减震效果差且无法多次利用等缺点，环保而高效。
参考文献
[1]徐群斐，胡永举，韩印清，等.标准化快递包装箱的结构设计与应用研究[J].交通科技与经济，2015，17（1）：28.
[2]查燕，王全权.基于网购产品生态包装研究[J].现代商贸工业，2012（14）：160.
[3]安冬梅，王汉新.提高快递包装规范性的有效对策分析[J].价值工程，2013（6）：322.
[4]吕超，段瑛瑶，杰，等.快递包装标准化研究[J].中国标准化，2015（5）：113.
[5]马祖军，代颖.逆向物流网络结构与设计[J].物流技术，2004（4）：12.
作者简介：杜洋（1993-），男，汉族，广东珠海人，本科，研究方向：海洋油气工程专业。