基于機器視覺的物流空間配置系統的設計及研究

鄭 微，陳志偉

（上海立信會計金融學院 統計與數學學院，上海 201806）

1 物流行業發展現狀

近年來，隨著電子商務的發展，企業的銷售范圍擴大，企業傳統的銷售方式以及消費者的購物方式也都發生改變，使得送貨上門等物流服務成為必然，促進了我國物流行業的興起。

但與國外物流、倉儲行業發展水平相比，我國物流、倉儲行業目前尚處于發展中階段，中國的物流系統效率相對較低，降低物流成本有相當大的空間，主要原因包括以下3個方面。

（1）與物流發展相關的制度和政策法規尚未完善。我國現代物流的發展仍處于起步階段，與企業發展息息相關的各種制度的改革還遠不能適應企業發展的需要。企業在改善自身物流效率時，必然要在企業內外重新配置物流資源，而制度和法規的缺陷阻礙了企業對物流資源的再分配。這些必然會影響企業物流效率的提高。

（2）缺少綜合性物流服務。從發達國家來看，現代物流的功能是設計、執行以及管理客戶供應鏈中的物流需求，以最低成本提供客戶需要的物流管理和服務。目前，我國多數物流企業仍停留在傳統物流上，這與電子商務所提供的高效率、低成本的現代物流服務差距較大，信息收集、加工、處理、運用能力、物流的專門知識，物流的統籌策劃和精細化組織與管理能力都明顯不足。

（3）條塊分割的物流管理和流通體制制約著物流業的發展。電子商務下，物流的專業化分工特點雖然日益明顯，但是，我國目前的物流行業管理仍沿用計劃經濟時期的部門分割體制，其自上而下的縱向隸屬和管理格局，嚴重制約著物流整體的統籌和規劃，妨礙著物流的社會化進程，制約著電子商務的進一步推廣。

2 基于機器視覺的物流空間配置系統的提出及設計

目前，為了方便物流管理和提高物流效率，已經有一部分自動導向搬運車（Automated Guided Vehicle，AGV）、Click&Pick系統、Fetch和Freight機器人等智能機器人進入智能物流。然而，現階段的物流倉庫中，在裝箱環節需要大量的人力支持，且空間利用率參差不齊，效率低下。針對這一現狀，筆者提出一款基于機器視覺的物流空間配置系統。

該系統設計的目的是為了提高裝箱的空間利用率，同時直接替代人力完成貨物的裝箱堆垛，提高貨物裝載的空間利用率的同時減少人力成本。

系統主要由圖像采集設備、機械手臂、物流車、可旋轉的托盤、傳送帶及機器視覺軟件和空間配置軟件構成。

其具體工作流程為貨物通過傳送帶運輸待裝載區域，在傳送帶的指定位置有單目圖像采集設備對其進行機器視覺識別，在極短時間內清晰采集各待裝載貨物的圖像，并利用自主算法得到貨物的參數。然后，使用空間配置軟件通過后臺設置的各種原則進行綜合考量，打印出運輸工具所配載的待裝載貨物編號以及直觀的3D裝箱圖。最后，通過機械手完成獲取抓取和裝箱堆垛，以此達到自動化的需求。

3 機器視覺

目前，使用機器視覺來采集貨物三維尺寸在物流行業中應用較少，而且在圖像采集方面多為雙目攝像頭，單目攝像頭的運用較少。本文提出將機器視覺應用于物流行業，采集貨物三維尺寸，在計算機中建立貨物的三維模型，以方便后續計算裝箱算法。

因此，采集流程為貨物擺放機器前，平臺預先設置定位點，通過攝像頭捕捉一幀圖像。拍攝后，對圖像進行canny邊緣檢測。然后通過霍夫變換得到圖像中的直線，根據直線形成的交點再進行第二次的處理，識別出各個交點的二維坐標。最后通過二維三維變換的自主算法，將所得交點的二維左邊轉換為三維坐標，得出貨物的位置、大小。

將實物圖中二維坐標轉化為三維坐標，如圖1所示。

4 空間配置算法

隨著物流標準化的推行，貨物裝箱問題在物流中越來越常見，優良的裝載方案不僅能兼顧車輛的貨物布局合理性及運輸安全性，還能節約單位貨物的運輸成本、提高工作效率。在物流領域，良好的裝載規劃可以提高企業的勞動生產率、降低生產經營成本，是提升產品市場競爭力的重要途徑。

圖1 二維轉三維

目前，許多學者以箱體空間利用率、所用箱體數、載重利用率為優化目標來開展相關研究，且以前者為最多。如何琨[1]、趙中凱[2]、Jose等[3]和Kang等[4]以箱體填充率為優化目標，對三維裝箱問題的高效計算方法進行了研究。張瑩等[5]以使用最少車廂裝載一定數量貨物為優化目標，通過定義貨物的底面支撐系數，對帶有支撐限制的三維裝箱問題進行了研究。游偉等[6]以空間利用率、載重利用率以及重心偏移量為優化目標，對鐵路集裝箱貨物裝載算法進行了研究。Alvarez等[7]以裝載成本最低為優化目標，對異構三維裝載算法進行了研究。Roeva[8]對重心偏移量進行了優化。

三維裝箱問題有著較強的現實應用，因此解決該類問題具有強烈的現實意義。然而，該問題受到箱體與貨物種類、數量以及重量配置、后進先出原則等約束條件的限制，對該問題的探索還存在一定瓶頸。目前，國內外對異構箱體三維裝箱問題的研究相對較少，期望將來能夠增加投入，加深對此問題的研究力度。

5 結語

本文基于對物流行業倉庫現存問題的分析，提出了一個基于機器視覺的物流空間配置系統的設計，以此提高物流倉庫效率，減少人力成本投入。但本系統需要單目視覺技術的研究投入及三維裝箱的空間配置問題的研究，具體的操作有待進一步實踐探究。