基于机器视觉的物流空间配置系统的设计及研究

郑 微，陈志伟

（上海立信会计金融学院 统计与数学学院，上海 201806）

1 物流行业发展现状

近年来，随着电子商务的发展，企业的销售范围扩大，企业传统的销售方式以及消费者的购物方式也都发生改变，使得送货上门等物流服务成为必然，促进了我国物流行业的兴起。

但与国外物流、仓储行业发展水平相比，我国物流、仓储行业目前尚处于发展中阶段，中国的物流系统效率相对较低，降低物流成本有相当大的空间，主要原因包括以下3个方面。

（1）与物流发展相关的制度和政策法规尚未完善。我国现代物流的发展仍处于起步阶段，与企业发展息息相关的各种制度的改革还远不能适应企业发展的需要。企业在改善自身物流效率时，必然要在企业内外重新配置物流资源，而制度和法规的缺陷阻碍了企业对物流资源的再分配。这些必然会影响企业物流效率的提高。

（2）缺少综合性物流服务。从发达国家来看，现代物流的功能是设计、执行以及管理客户供应链中的物流需求，以最低成本提供客户需要的物流管理和服务。目前，我国多数物流企业仍停留在传统物流上，这与电子商务所提供的高效率、低成本的现代物流服务差距较大，信息收集、加工、处理、运用能力、物流的专门知识，物流的统筹策划和精细化组织与管理能力都明显不足。

（3）条块分割的物流管理和流通体制制约着物流业的发展。电子商务下，物流的专业化分工特点虽然日益明显，但是，我国目前的物流行业管理仍沿用计划经济时期的部门分割体制，其自上而下的纵向隶属和管理格局，严重制约着物流整体的统筹和规划，妨碍着物流的社会化进程，制约着电子商务的进一步推广。

2 基于机器视觉的物流空间配置系统的提出及设计

目前，为了方便物流管理和提高物流效率，已经有一部分自动导向搬运车（Automated Guided Vehicle，AGV）、Click&Pick系统、Fetch和Freight机器人等智能机器人进入智能物流。然而，现阶段的物流仓库中，在装箱环节需要大量的人力支持，且空间利用率参差不齐，效率低下。针对这一现状，笔者提出一款基于机器视觉的物流空间配置系统。

该系统设计的目的是为了提高装箱的空间利用率，同时直接替代人力完成货物的装箱堆垛，提高货物装载的空间利用率的同时减少人力成本。

系统主要由图像采集设备、机械手臂、物流车、可旋转的托盘、传送带及机器视觉软件和空间配置软件构成。

其具体工作流程为货物通过传送带运输待装载区域，在传送带的指定位置有单目图像采集设备对其进行机器视觉识别，在极短时间内清晰采集各待装载货物的图像，并利用自主算法得到货物的参数。然后，使用空间配置软件通过后台设置的各种原则进行综合考量，打印出运输工具所配载的待装载货物编号以及直观的3D装箱图。最后，通过机械手完成获取抓取和装箱堆垛，以此达到自动化的需求。

3 机器视觉

目前，使用机器视觉来采集货物三维尺寸在物流行业中应用较少，而且在图像采集方面多为双目摄像头，单目摄像头的运用较少。本文提出将机器视觉应用于物流行业，采集货物三维尺寸，在计算机中建立货物的三维模型，以方便后续计算装箱算法。

因此，采集流程为货物摆放机器前，平台预先设置定位点，通过摄像头捕捉一帧图像。拍摄后，对图像进行canny边缘检测。然后通过霍夫变换得到图像中的直线，根据直线形成的交点再进行第二次的处理，识别出各个交点的二维坐标。最后通过二维三维变换的自主算法，将所得交点的二维左边转换为三维坐标，得出货物的位置、大小。

将实物图中二维坐标转化为三维坐标，如图1所示。

4 空间配置算法

随着物流标准化的推行，货物装箱问题在物流中越来越常见，优良的装载方案不仅能兼顾车辆的货物布局合理性及运输安全性，还能节约单位货物的运输成本、提高工作效率。在物流领域，良好的装载规划可以提高企业的劳动生产率、降低生产经营成本，是提升产品市场竞争力的重要途径。

图1 二维转三维

目前，许多学者以箱体空间利用率、所用箱体数、载重利用率为优化目标来开展相关研究，且以前者为最多。如何琨[1]、赵中凯[2]、Jose等[3]和Kang等[4]以箱体填充率为优化目标，对三维装箱问题的高效计算方法进行了研究。张莹等[5]以使用最少车厢装载一定数量货物为优化目标，通过定义货物的底面支撑系数，对带有支撑限制的三维装箱问题进行了研究。游伟等[6]以空间利用率、载重利用率以及重心偏移量为优化目标，对铁路集装箱货物装载算法进行了研究。Alvarez等[7]以装载成本最低为优化目标，对异构三维装载算法进行了研究。Roeva[8]对重心偏移量进行了优化。

三维装箱问题有着较强的现实应用，因此解决该类问题具有强烈的现实意义。然而，该问题受到箱体与货物种类、数量以及重量配置、后进先出原则等约束条件的限制，对该问题的探索还存在一定瓶颈。目前，国内外对异构箱体三维装箱问题的研究相对较少，期望将来能够增加投入，加深对此问题的研究力度。

5 结语

本文基于对物流行业仓库现存问题的分析，提出了一个基于机器视觉的物流空间配置系统的设计，以此提高物流仓库效率，减少人力成本投入。但本系统需要单目视觉技术的研究投入及三维装箱的空间配置问题的研究，具体的操作有待进一步实践探究。