打孔编码的可循环金属餐盒设计

许兆庆

（广东技术师范大学自动化学院，广东广州 515000）

近年来，餐饮行业依靠电商平台发生了巨大变革。2019年中国外卖平台全年的交易金额超6 000 亿元，用户规模近4.16 亿人，外卖行业在带来经济红利的同时，也导致了严重的外卖固体废弃物污染问题[1]。2020年受疫情影响，外卖市场规模增长了15%，实现交易金额6 646.2 亿元。

而在外卖产业飞速发展的背后，随之而来的就是一次性餐盒垃圾的急剧增多。据统计，我国每天使用超过6 000 万个外卖餐盒，给环境带来了越来越重的白色污染[2]。

目前，国内的外卖餐盒多使用聚丙烯塑料餐盒、一次性纸制餐盒及其他塑料餐盒等。塑料餐盒虽然成本低廉，但是高温食物直接放入，会产生有害物质，对于人体的健康构成威胁，并且不易降解，仅有极少部分塑料餐盒得以回收利用。

纸制餐盒虽然环保，但是纸质餐盒太软，容易渗漏，初次生产时需要砍伐大量木材，回收重复制造纸浆时也会对环境产生污染，成本也较高，这都使其难以大量普及。

铝箔餐盒也能回收，因为其优良的导热性和阻隔性，广泛用于烧烤、花甲等外卖，但铝箔的挺度差、易变形、隔热性欠佳，且在承装酸性食物时可能会生成有害物质，而且生产以及回收再造成本较高，所以也难以大规模普及[3]。

2020年1月19日，国家发改委、生态环境部公布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，明确提出有序禁止、限制部分塑料制品的生产、销售和使用，积极推广替代产品，到2022年底，县城建成区、景区景点餐饮堂食服务，禁止使用不可降解一次性塑料餐具。到2025年，地级以上城市餐饮外卖领域不可降解一次性塑料餐具消耗强度下降30%。加大可循环、可降解材料关键核心技术攻关和成果转化，提升替代材料和产品性能。

2020年8月28日，商务部办公厅发布了《关于进一步加强商务领域塑料污染治理工作》的通知，要求落实禁塑限塑相关规定要求，加强电商、外卖等平台企业入驻商户管理，制定一次性塑料制品减量替代实施方案，推广可循环、易回收、可降解替代产品。

为此需要积极探索研发可循环使用的餐盒。而研发可循环餐盒所遇到的首要难题就是循环餐盒的机器识别问题。

目前已有的识别方案包括，将电子标签嵌入到餐盒中，采用射频技术来识别回收餐盒。该方案可以解决餐盒的循环跟踪问题，但是电子标签不能被屏蔽，所以不能采用金属餐盒，只能采用塑料餐盒，餐盒在回收后的反复高温清洗消毒过程中，容易对电子标签造成破坏，使用中也有可能被摔碰，对电子标签造成各种损坏。还有的方案是在餐盒上印制条形码或者二维码，通过对印制码的读取来跟踪餐盒信息，但是印制码容易污损而导致读取失败。图像识别的方法由于误识率高、识别速度慢等因素，也难以在餐盒识别上应用。

为解决以上问题，设计了一种可循环使用的金属餐盒，从计算机早期打孔编程的原理获得启发，在金属餐盒的边缘端打孔编码，通过对孔的读取来完成餐盒的识别与循环回收的任务。详述如下。

1 打孔编码的金属餐盒设计

本设计方案为一种新型可回收重复使用的金属餐盒系统，餐盒采用不锈钢或铝合金制作，如图1所示，金属餐盒的一端设有光电照射区，光电照射区上设有用于光电识别的孔位，有的孔位有穿孔，有的孔位没有穿孔，穿孔的位置和数量就代表了每个金属餐盒的编号。光电识别装置通过识别编码孔的数量和位置来确定金属餐盒的编码。

图1 打孔编码的金属餐盒

餐盒编码读取如图2所示，将有编码孔的一端插入光电读取设备中，每个光电发射器发出光束，有的光束穿孔而过，打到对应的光电接收器的光敏元件上，产生信号“1”。而有的光束正对的餐盒照射区孔位没有开孔，对应的光敏元件上没有信号，则代表信号“0”。这一串由“0”和“1”所组成的数值就是每个餐盒的编码，将这串二进制编码信息放大译码后通过网络上传给餐盒管理系统，就可以实现每个餐盒的识别与跟踪。

图2 餐盒编码读取

每份餐食售出的时候，将食物盛入金属餐盒，将可食用纸盖住上表面，然后用食用胶水与餐盒密封。接着用一套光电设备，对餐盒编码进行读取，上传并记录其出库信息。餐盒回收的时候，也使用同样的光电设备，对餐盒编码进行读取，上传并记录其回收信息，然后进行餐盒的清洗与消毒工作。

2 打孔编码餐盒的配送

使用这种打孔编码餐盒进行餐食的配送之前，每份餐食订单以及订餐者的信息，要与所使用的餐盒编码进行绑定，然后才能由外卖骑手送至顾客手中。

如果餐饮商家自行绑定，则每个商家都必须持有相关的信息扫描装置。商家将食物盛入金属餐盒后，用食用纸密封，然后把纸质餐食订单与餐盒粘贴在一起，每份订单上会有条形码或者二维码，先扫描这些条形码或者二维码，同时用光电设备读取配套使用的餐盒的编码孔，就可以将其进行绑定。

如果商家不进行绑定，等外卖骑手过来以后，由骑手用手持扫描设备将订单信息与餐盒编码进行绑定，然后通过无线网络将绑定信息上传，再把餐食送到客户手中。这种情况下，商家无需购买信息扫描装置，比之自行绑定更为经济，但是骑手的工作量也略有增加。

3 打孔编码的金属餐盒的回收方案

餐盒的回收方式主要有以下几种。

第一种为骑手回收，骑手除了要送餐，还要顺便回收顾客使用过的餐盒，餐盒可以在回收时由手持式识别装置读取编码，也可以拿回清洗处之后再进行编码识别，无论哪种方式，骑手都要携带两个箱子，都将大大增加骑手的工作量，也更容易导致差错的出现。

第二种方式为回收柜识别方式，回收柜放在用餐人员较集中的固定位置，回收柜开有若干回收槽，槽里有光电识别装置，顾客将餐盒按照一定的方向插入回收槽，光电装置自动开启并识别餐盒编码，随后将已回收餐盒的信息上传，然后餐盒掉入回收柜内，系统同时将回收成功的信息发送给顾客。每天由回收人员在固定的时间点打开柜门取回餐盒，当回收柜快要装满时，也会发出信号，通知回收员前往拿取。这种方式的优点是顾客能第一时间知道餐盒已经回收成功，缺点是回收柜的成本比较高，场地需要有电源供电，场地租金也较高，顾客自行回收也容易产生误操作，顾客没有对餐盒进行初次清洗，餐盒编码孔有可能被菜叶或其他东西遮挡而产生误读。

第三种为回收柜不识别方式，也就是说，回收柜里没有任何识别装置，只是一个简简单单的大柜子，顾客只要把餐盒从柜子上端的开口扔进去即可，回收人员在固定的时间点打开柜门取回餐盒，拿回清洗点清洗干净后，再进行编码识别，然后将回收成功的信息发送给顾客。这种方式的优点是回收柜的成本低廉，场地无需电源，缺点是顾客要在归还数小时后才知道是否回收成功，清洗点需要加装专门的光电识别读取装置，增加了清洗成本。

4 打孔编码的金属餐盒的技术实现

这套打孔编码可回收金属餐盒系统，其实现面临着一些技术性问题。

首先是孔位的宽度和穿孔的直径需要多大？如果孔径太小，当餐盒使用多次发生轻微变形，就会使光电设备产生误读。如果孔径太大，则可开孔的数量太少又会使得编码的总数太少。假设餐盒照射区长度为200 mm，每10 mm 一个孔位，每一个穿孔的直径可以为5～6 mm，则编码的最大数值为2 的20 次方，也就是100 万。具体孔位的宽度和孔径的大小需要在实践中根据具体情况进行设计。

其次是打孔的问题，因为每一个餐盒的孔都不一样，因而需要有一台专用的冲孔机，目前市面上只有通用的液压冲孔机，需要在此基础上设计制造专用的餐盒冲孔机，能够每次在餐盒照射区的不同位置冲孔。一种方案是单冲头设计，冲孔机只有一个冲头，餐盒固定不动，冲孔机的冲头根据指令参数运动到不同位置进行穿孔，也可以冲头固定，由餐盒运动到各个需要打孔位置，然后冲头向下穿孔，这种设计方案较为经济，但是生产速度较慢，适合于市场推广早期，对于餐盒的需求量还不算太大。另外也可设计多冲头冲孔机，餐盒进入工位后固定不动，根据需要打孔位置确定哪些冲头往下冲，然后整体加压穿孔，这种方式生产效率高，但是成本也较高，当市场对于餐盒的需求量比较大的时候可以研发使用这种冲孔机。

第三是手持式扫描器的问题，必须设计制造一种骑手专用的手持式扫描器，一端用于扫描订单上的条形码或二维码，另一端用于识别餐盒的打孔编码，然后将两者信息进行绑定，再通过网络将信息上传。

最后是清洗点回收识别的问题，如果采用回收柜不识别方式回收餐盒，则清洗点要能够快速地对数千个甚至更多餐盒进行编码识别，同样需要设计制造专用的设备来完成此功能。

以上所列举的技术需求，研发难度并不算大，以当前的物质技术水平，设计制造成功是完全可以期待的。

5 循环餐盒的消费群体分析

目前外卖餐盒的主要消费群体为高校、写字楼、工业区、医院、商业区等。高校的一次性餐盒的使用量已经达到惊人的程度，对于环境造成的不良影响已经不容小觑，推广使用循环餐盒是很好的解决途径，并且高校的环境相对较为封闭，更适合于循环餐盒的推广使用，高校到了用餐的时间段，学生集中程度非常高，需要排长队购餐，堂食压力比较大，因而需要采用各种形式来进行分流，可以在学生宿舍区设立外卖柜，学生通过手机下单，然后由配送员将餐食放入外卖柜中，学生输入取餐码即可开柜取餐。宿舍区同样需要安装回收柜，学生用餐完毕后将循环餐盒扔进回收柜即可。高校食堂本身就有清洗设备，这就使得清洗成本也大为降低。所以说，高校最适合于进行循环餐盒的早期推广。

对于写字楼、工业区、医院、商业区等处的消费群体，因为存在场地租金、客源分散等问题，配送仍然需要由骑手单个进行，回收则可以采用安装回收柜或预约回收的方式。

6 存在的问题

这套新型打孔编码的可回收金属餐盒系统，推广使用后可能存在以下问题。

顾客对于餐盒回收后，商家是否清洗能不能建立起信任度，有不少顾客对于循环餐盒是否会认真清洗消毒表示疑虑，随着将来物联网的建设完善，以及品牌信誉的深入人心，相信这部分顾客的疑虑能得以消除。

其次，可回收餐盒与一次性餐盒相比，虽然环保卫生，但是出餐、配送、回收、清洗各环节要多消耗人工机具，因而其单次使用成本可能会比之略有升高，并且顾客用餐完毕还需要归还餐盒，会让部分顾客觉得便捷程度不如一次性餐盒。随着将来环保与健康意识的逐渐深入人心，以及各地限塑政策的逐步强化，相信可回收餐盒占据的外卖市场份额将与日俱增，最终超过一次性餐盒。

另外，还有异地还餐盒的问题，每天都有大量旅客奔波于旅途之中，这也是一个企待开发的外卖餐饮市场，能否实现在一个城市购买餐食，在旅途中用餐，然后在另一个城市归还餐盒，这也是一个值得研究解决的问题。

7 总结与展望

随着外卖餐饮的兴起，其带来的健康与环保问题需要去解决，外卖餐盒的绿色化、可循环化是解决的途径之一，所设计的打孔编码可循环金属餐盒系统健康、环保、造价低廉、坚固耐用，有望能够用于解决上述问题。期待在不久的将来，这种打孔编码的可循环金属餐盒系统能得以面世并被推广使用。

所述打孔编码的识别方法，不仅在外卖领域，在物联网系统中，对于金属类物品的自动识别，也能起到很好的借鉴作用，在物流识别领域将有可能获得更广泛的应用。