丁 奧，張 媛，朱 磊，杜艷平，黃 磊

（北京印刷學院，北京 102600）

1 引言

隨著電子商務的發(fā)展，快遞行業(yè)也進入到了一個蓬勃發(fā)展的新時期。根據(jù)國家統(tǒng)計局最新公布的數(shù)據(jù)顯示，2017 年我國快遞業(yè)務量已達到401 億件，快遞業(yè)務收入4 957億人民幣，行業(yè)體量的量變也醞釀著行業(yè)更深層次的質(zhì)變。

早在2011年12月30日，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會就聯(lián)合發(fā)布了《快遞服務》[1]系列國家標準。其中對快遞術(shù)語、服務標準等做了科學的界定和規(guī)范?？梢娍爝f服務已經(jīng)從單純講求時效性的階段，進入到了追求綜合服務質(zhì)量的新階段?？爝f服務作為物流行業(yè)與大眾接觸最為密切的部分，其信息化、智能化水平在近些年來發(fā)展迅速。這其中，對于快遞物流狀態(tài)的檢測和評價是衡量快遞服務水平的一個重要維度，其信息化水平更是物流信息化的一種重要體現(xiàn)。

目前，對于快遞物流狀態(tài)檢測和評價的研究逐步深入。李利[2]針對無法實時獲取物流中貨物位置信息的問題，設計并開發(fā)了物流全程實時跟蹤查詢系統(tǒng)。許清霞[3]提出了一種貨物運輸狀態(tài)提醒裝置的設計，通過大幅度振動時向接收主機發(fā)送提醒信號，來達到保護貨物運輸安全的目的。朱安定[4]提出了一種托盤運輸在途振動檢測裝置，利用薄膜開關陣列檢測托盤在途位置變化，以此降低運輸在途不必要的包裝損耗。

上述研究，雖然對于構(gòu)建完善的快件物流過程狀態(tài)檢測系統(tǒng)具有重要借鑒意義和參考價值，但是大多局限于物流的部分環(huán)節(jié)，在全流程監(jiān)測方法和技術(shù)實現(xiàn)方面相對薄弱，因此不利于市場應用和成果推廣。此外，由于物流過程狀態(tài)監(jiān)測研究成果的局限性也間接導致目前物流過程質(zhì)量評價仍以主觀評價為主，缺乏數(shù)據(jù)支撐。

因此，本文提出了一種基于傳感器的快件物流過程檢測方法及配套系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器組合采集快件物流過程中諸如振動加速度、溫濕度、光照強度及地理位置等數(shù)據(jù)。利用智能分類算法對數(shù)據(jù)進行分析處理，判別快件物流過程異常情況類型、程度及事發(fā)地點。最后將異常情況信息實時發(fā)送給終端供用戶查詢。以此達到便于主管部門監(jiān)管、企業(yè)內(nèi)部自查、客戶知情的效果，減少甚至杜絕暴力分揀、不當運輸?shù)惹闆r的發(fā)生。

本文分別介紹了系統(tǒng)硬件組成、工作流程和功能，并在結(jié)尾處對系統(tǒng)設計工作進行了總結(jié)，對未來工作提出展望。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件由采集端（數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊模塊、電源模塊、顯示和操作模塊）、中央處理器和應用程序端組成，其邏輯關系如圖1所示。

2.1 采集端結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)組成圖示

數(shù)據(jù)采集模塊用于對快件物流過程中相關狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，由三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、溫濕度傳感器、光敏傳感器、GPS傳感器、三軸地磁傳感器及配套電路、多傳感器融合組成[5]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 采集端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于各種傳感信息的采集，其中：

三軸加速度傳感器用于采集以傳感器為坐標原點，水平面互相垂直的x、y 軸及鉛直方向z 軸三個方向的直線加速度數(shù)據(jù)。三軸直線加速度數(shù)據(jù)是運輸狀態(tài)檢測中振動情況的基本支撐數(shù)據(jù)，是判別是否發(fā)生暴力分揀及其類型（跌落、平拋等）、不當運輸及其類型（路況較差等）的基礎依據(jù)。三軸加速度傳感器采樣頻率應不低于250Hz，量程不小于±16g，z 軸初值為1g。

三軸陀螺儀用于采集x、y、z 軸方向上的角加速度數(shù)據(jù)。角加速度數(shù)據(jù)是快件物流過程狀態(tài)檢測中，判別暴力分揀、不當運輸?shù)染唧w分類情況的另一組重要數(shù)據(jù)。三軸陀螺儀采樣頻率應不低于250Hz，量程不小于±1g 。

溫濕度傳感器用于采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。溫濕度是反映一些對溫濕度要求比較敏感的特殊快件在物流過程中是否存放得當?shù)闹匾獢?shù)據(jù)。溫濕度傳感器的溫度閾值范圍不小于-30℃—50℃，濕度量程不小于20%RH—80%RH。

光敏傳感器用于采集環(huán)境光照強度情況的數(shù)據(jù)。可以根據(jù)其在物流過程中的突變值及突變導數(shù)是否超過設定的參數(shù)判別是否有包裝破損的情況，另外還可以用于某些特殊化學品運輸?shù)墓庹諒姸葘崟r監(jiān)控。光敏傳感器量程為0-500Lux。

GPS 傳感器借助GPS 系統(tǒng)采集地理位置信息數(shù)據(jù)，將地理信息與采集到的其他數(shù)據(jù)結(jié)合，準確地向用戶（包括政府監(jiān)管部門、企業(yè)、消費者）提供運輸狀態(tài)異常發(fā)生的具體地點，方便監(jiān)管、監(jiān)督、整頓，并給消費者相應的知情權(quán)。GPS 傳感器的定位誤差應小于10m。

地磁傳感器主要用于測定被測物位姿和彌補GPS 的定位精度。本文設計的系統(tǒng)采用地磁傳感器與GPS 結(jié)合定位，并結(jié)合無跡卡爾曼濾波誤差在線補償方法提高數(shù)據(jù)精度[6]。

2.3 微處理器模塊

微處理器模塊，用于采集端的控制（包括存儲空間的分配、設備休眠及喚醒的控制、快速校準等）、數(shù)據(jù)的初始判斷（通過二分類算法將數(shù)據(jù)分為異常和正常兩種情況，有異常情況發(fā)生時存儲該時間節(jié)點數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至中央處理器執(zhí)行進一步的分類算法）等。微處理器模塊可采用常見的如ARM、RPI等各類嵌入式微控制器。

2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲經(jīng)過微處理器分類后被判別為異常情況時間段的數(shù)據(jù)。可采用拓展存儲方式，如CF卡、SD卡等，具有根據(jù)實際使用情況選擇不同的存儲容量的優(yōu)點，一般情況下存儲卡容量應不小于2GB。

2.5 通訊模塊

用于實現(xiàn)采集端與中央處理器之間的信息傳輸功能。具體實現(xiàn)方式可根據(jù)實際應用場景進行選擇，一般情況使用有線通訊（USB）及無線通訊（4G）兩種方式，在一些特殊應用環(huán)境中，比如快遞分揀中心內(nèi)部自查時，根據(jù)實際應用場景，在充分考慮功耗、成本、可靠性等具體需求基礎上，亦可采Zigbee等方式通訊[7]。

2.6 電源模塊

電源模塊，用于采集端的供電。采用兩種供電方式，鋰離子電池或干電池。鋰離子電池具有可反復充電、電容量大等優(yōu)點，適合采集端單次長時間工作情況。干電池具有價格低廉等優(yōu)點，適合采集端單次短時間工作情況?？梢愿鶕?jù)其具體使用場景進行切換和選擇。鋰離子電池容量不低于1500mAh；干電池使用4.2V 普通或堿性鋅錳電池、可充電干電池均可。

2.7 顯示和操作模塊

顯示模塊，用于直觀顯示當前采集端的工作情況，在校準時通過圖文對操作者進行指導等。顯示器可采用各類單色、全彩LED屏，沒有特殊要求。

2.8 中央處理器

中央處理器，是整個系統(tǒng)的大腦，是連接采集端和應用程序端的核心中樞。在系統(tǒng)規(guī)模較小時可使用工作站主機，當系統(tǒng)規(guī)模較大時須使用高性能服務器。實驗階段所使用的中央處理器配置見表1。

表1 中央處理器配置表

2.9 應用程序端

應用程序端為系統(tǒng)用戶的個人電腦或智能手機等設備，用于系統(tǒng)用戶直觀了解快件當前情況。用戶下載安裝本系統(tǒng)應用程序，利用手機號及短信驗證碼或微信掃碼等方式登陸系統(tǒng)后，可查詢該手機號或微信號碼對應的所有快件的運輸情況。程序界面包括用戶名、用戶頭像、該手機號對應的所有在運單的基本情況（寄件人、收件人、發(fā)件地、收件地、運件種類等），點擊一個運單號，可彈出該運單號目前的運單情況報告，以簡報方式告知使用者該運單在何時何地發(fā)生了何種異常情況以及異常情況的嚴重程度。當有異常情況發(fā)生時，系統(tǒng)還可以根據(jù)業(yè)務訂單中客戶勾選的是否接受快件異常情況短信，自動向勾選接收的客戶發(fā)送提示短信。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

對照圖3，工作流程可分為10個步驟：

步驟1.啟動采集端，采集端向中央處理器發(fā)送開始信號，中央處理器為其新建數(shù)據(jù)文件。通過掃碼方式，將運單號與采集端編號對應。如中央處理器新建數(shù)據(jù)文件時還未經(jīng)過掃碼將運單號與采集端編號對應，則中央處理器默認空運單編號，并且空運單從1號開始以此類推不重復，當中央處理器收到掃碼對應運單號后，自動匹配。

步驟2.將采集端通過黏貼的方式，按照傳感器使用要求固定于快件包裝內(nèi)部。

步驟3.中央處理器在數(shù)據(jù)庫中為新運單編號建立新數(shù)據(jù)文件，同時通過與運單業(yè)務系統(tǒng)相連獲取運單詳細信息，計算相應參數(shù)，并將參數(shù)通過中央處理器的通訊模塊把參數(shù)信息傳輸給采集端。

步驟4.采集端開始實時采集各類數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)將會交由采集端微處理器執(zhí)行二分類計算處理。當微處理器判別快件情況正常時，采集端只有數(shù)據(jù)采集模塊和微處理器由電源模塊供電實時工作，下一時段采集到的數(shù)據(jù)將會覆蓋掉上一時段采集到的數(shù)據(jù)，暫時儲存在微處理器內(nèi)存中，通訊模塊只在整點時，每小時一次與中央處理器進行時間校準通訊，通知中央處理器該采集端工作正常，數(shù)據(jù)儲存模塊則處于休眠狀態(tài)。當微處理器判別快件情況異常時，微處理器喚醒通訊模塊和數(shù)據(jù)儲存模塊。將該段時間全部異常數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊中，并通過通訊模塊上傳到中央處理器。當恢復正常情況后，按照判別正常的模式繼續(xù)工作。

步驟5.在快件出現(xiàn)異常情況時，中央處理器接收到采集端通訊模塊發(fā)來的異常數(shù)據(jù)，并執(zhí)行多分類算法，判別異常種類，計算異常程度，而后將其信息錄入數(shù)據(jù)庫平臺。

步驟6.當客戶選擇接收警報提示短信時，自動向用戶手機發(fā)送短信提醒異常情況。

步驟7.下載安裝應用程序端的用戶，可以通過手機號碼及短信驗證碼的方式或微信掃碼等方式，使用手機或電腦登陸系統(tǒng)，實時查詢相應運單的情況。

步驟8.當采集端向中央處理器發(fā)送終止信號，此次檢測流程全部結(jié)束。參數(shù)重置為默認狀態(tài)。

步驟9.若在采集端向中央處理器發(fā)送低電量警報后，在未發(fā)送終止信號而不再發(fā)送整點時間校準信號時，中央處理器數(shù)據(jù)庫默認采集端電量耗盡，須中央處理器管理員手動確認并結(jié)束本次檢測活動。

步驟10.系統(tǒng)管理員擁有維護、升級中央處理器的權(quán)限，可以不斷更新系統(tǒng)算法、界面、定期清除超過承諾保存期限的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能介紹和界面

4.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)除了基本的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通訊、信息展示等功能外，還具備以下功能：

4.1.1 初始數(shù)據(jù)處理功能。微處理器利用基于SVM、K-MEANS或其他原理的二分類算法[8,9]，判斷快件當前狀態(tài)是否處于異常情況，如處于異常情況，則將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)存儲模塊，并實時上傳給中央處理器，如無異常情況，則將下一時段數(shù)據(jù)覆蓋當前數(shù)據(jù)。其工作流程如圖4。

圖4 二分類算法流程圖

4.1.2 設備休眠及喚醒的控制。為了節(jié)省采集端存儲空間、減少采集端與中央處理器之間的通訊數(shù)據(jù)量、減少采集端耗電量，在經(jīng)過微處理器上寫入的基于SVM、K-MEANS或其他原理的二分類算法初步判別當前狀態(tài)是否異常時，顯然，大部分時間快件都處于正常狀態(tài)，這時數(shù)據(jù)存儲模塊和通訊模塊處于休眠狀態(tài)，數(shù)據(jù)僅在微處理器內(nèi)存中短暫保存處理后便被新數(shù)據(jù)覆蓋掉。通訊模塊僅在整點時，每小時一次向中央處理器發(fā)送時間校準信息，并通知中央處理器該采集端工作正常。而當微處理判別當前狀態(tài)異常，微處理器可以協(xié)調(diào)這些硬件，將其喚醒工作，把異常信息存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中，并通過通訊模塊上傳至中央處理器。

4.1.3 快速校準功能。主要由兩種方式進行校準：

（1）快速手動校準。由微處理器配合人工進行即時校準，如三軸直線加速度的校準，可采用三個方向自由落體時加速度為1g 作為校準標準，進行快速校準。

（2）在線算法自校準。如角加速度、溫濕度、光照強度、地磁等傳感器不容易通過人工手動校準，可以根據(jù)傳感器生命周期的一般精度變化規(guī)律，結(jié)合均值、方差、峰度、偏度等數(shù)據(jù)編寫矯正算法利用微處理器實現(xiàn)校準或接入網(wǎng)絡通過在線算法進行校準。如孫中森[10]提出了一種基于在線地磁指紋的航跡校準算法，經(jīng)適當修改可應用于本文提出的系統(tǒng)中。

4.1.4 低電量提示功能。通過電池端電壓，粗略判別電池剩余電量，當電量低于電池總電量10%而采集端還在繼續(xù)工作沒有觸發(fā)終止條件時，微處理器將會喚醒通訊模塊，向中央處理器發(fā)送電量不足報警，使中央處理器及管理員得知采集端即將斷電的情況。

4.1.5 開始終止信息觸發(fā)功能。在采集端起止鍵被觸發(fā)時，喚醒通訊模塊，向中央處理器發(fā)送起止信號。

4.1.6 個性化參數(shù)設置功能。與業(yè)務訂單系統(tǒng)相連，可以根據(jù)客戶勾選和備注的訂單要求，自動設定微處理器和中央處理器參數(shù)，如敏感化學品快件可根據(jù)實際需要設定溫濕度參數(shù)和光照參數(shù)，實現(xiàn)不同快件的個性化區(qū)分。

4.1.7 智能數(shù)據(jù)分析功能。中央處理器對采集端上傳的異常數(shù)據(jù)進行進一步的計算，利用更精密的基于機器學習的算法訓練數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備對異常情況進行更進一步分類的能力。如振動檢測數(shù)據(jù)組將會被分類為垂直跌落、平拋等情況；溫濕度數(shù)據(jù)組將會被分為溫度過高、溫度過低、濕度過高、濕度過低及其組合的若干情況；光照強度數(shù)據(jù)組將會被分為包裝破損引起的光照強度變化和特殊快件包裝不合格等情況。在分類的同時還可以根據(jù)其特征強度給出其嚴重程度的算法評價，評價結(jié)果設計為五星最嚴重，一星最輕微。

4.1.8 大數(shù)據(jù)整合平臺功能。中央處理器將運單條碼與采集端編號條碼編組，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與訂單的對應。并將多采集端的數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)庫中，搭建數(shù)據(jù)服務平臺，供應用程序端查詢。數(shù)據(jù)庫平臺具有不同的權(quán)限等級，高級管理員可以更新、維護平臺（如升級分類算法、修改通訊協(xié)議等）、查看全平臺數(shù)據(jù)、特殊情況處置等，普通管理員僅可以查看全平臺數(shù)據(jù)，一般用戶則只能根據(jù)發(fā)件人或收件人預留手機號和短信驗證碼或微信掃碼查詢該手機號或微信號碼對應快件的數(shù)據(jù)情況。

4.2 系統(tǒng)界面展示

中央處理器的快件振動數(shù)據(jù)分析界面如圖5。圖5中，笛卡爾坐標系的橫軸表示三軸加速度傳感信息的采樣時間軸（單位：s），縱軸表示加速度值（單位：g）。一般地，系統(tǒng)在進行某時間段內(nèi)振動數(shù)據(jù)分析時，取曲線峰值進行計算。

圖5 中央處理器振動數(shù)據(jù)分析界面示意圖

PC應用程序端登陸賬戶后的操作界面如圖6所示。用戶可根據(jù)運單號定向搜索并查看某個運單的情況報告，或手動在運單列表中查詢。單擊運單列表右側(cè)的下拉菜單按鈕可以展開該運單詳細的運輸報告，再次單擊該按鈕可將運單情況報告折疊。同時界面設計了打印選項，方便用戶打印運單情況報告。

圖6 PC應用程序端界面示意圖

5 結(jié)論

本文設計的基于傳感器的快件物流過程檢測方法及配套系統(tǒng)是對當前依舊依賴于主觀評價的物流運輸質(zhì)量評價方法的補充，為科學評價物流運輸質(zhì)量提供了量化手段。本文從硬件設計、系統(tǒng)工作流程、功能創(chuàng)新三個層面對系統(tǒng)設計工作進行了闡述，提出了檢測快件物流過程運輸質(zhì)量的系統(tǒng)性方法。本文研究團隊將在今后的工作中，重點進行系統(tǒng)配套智能算法的創(chuàng)新研究、軟件程序的優(yōu)化以及方法及配套系統(tǒng)的應用驗證。