智能终端配送与住区设计思考

作者:刘洁 朱荣斌 张兆强 吴悦肇 徐卫国
单位:清华大学未来实验室 清华大学美术学院 阳光控股阳光城集团 清华大学建筑学院
摘要:通过对当前的智能终端配送模式与住区融合过程中所面临的问题进行分析,提出了三种新的面向住区服务的智能终端配送模式。在此基础上探讨了在新型的智能终端配送模式下,住区设计过程中应该增设的硬件配套设施类型,以及未来住区及建筑的设计要点和关键细节。
关键词:终端配送 住区设计 智能化 物流机器人
作者简介:刘洁 清华大学未来实验室博士后。; 朱荣斌 阳光控股阳光城集团总裁、执行董事长。; 张兆强 阳光控股阳光城集团副总裁。; 吴悦肇 阳光控股阳光城集团设计研发执行总经理。; 徐卫国 清华大学建筑学院教授。;
基金:国家自然科学基金重点项目(51538006)与“机器人时代的建筑规划与设计研究”课题资助;

 

1 智能终端配送

终端配送指电子商务物流链中的最后一个环节,即货物从配送集散点到收件人的这一个过程[1],又称为配送的“最后一公里”。在这个环节中,从住区到收件人这“最后一百米”配送,即住区内的配送,则是这个环节乃至整个物流配送链中效率最低、成本最高的部分[2]。物流终端配送的“最后一百米”不仅是物流业的问题,其与住区的设计和管理也息息相关。

传统物流的终端配送通常由快递员完成,然而随着电子商务的迅猛发展和物流量的增大,众多快递员频繁出入并长时间停留在住区内,效率低下的同时也日渐影响到住区的安全、秩序与居住环境。尤其是在最近疫情的问题环境下,传统物流的终端配送具有病毒传播的隐患,直接影响到住户的健康安全。在这种背景下,智能终端配送模式应运而生。智能终端配送模式指采用人工智能技术、物联网技术、云计算技术、自动化技术等一系列智能技术[3],减少配送过程中的人力参与,从而自动、智能地完成终端配送这一过程。

目前智能终端配送模式主要有智能快递柜配送和自动送货机器人配送两种形式(图1,2)。在智能快递柜模式下,快递员将货物放置到住区入口的快递柜中作为货物的临时滞留点,并自动以短信形式通知用户自行前往快递柜进行货物的提取。在自动送货机器人模式下,工作人员在配送集散点将货物放置在机器人储货箱中,机器人根据收货地点自动规划行驶路线,并在机器人到达住区站点时自动通知用户前往站点扫码取货。由此可见,目前的智能终端配送模式实际上是将配送的“最后一百米”工作转嫁给了收件人,这便导致住区住户在收发快递这一行为上的自由度和便捷度降低。这个问题表面上看是物流的问题,然而实际上,其根本在于缓慢发展的传统住区设计对于迅猛更新的智能科技的思考欠缺。

2 当前智能终端配送模式下住区设计的问题

传统的住区在设计时通常将电商物流的收发快递问题归为物业管理范畴,很少从建筑设计的角度去思考如何为住户收发快递这一行为提供便利。住区以及住宅楼内既没有可以暂存快递的快递柜,也缺少专门给物流配送使用的送货通道。传统物流的终端配送模式下,快递员通过自身的“智能”来实现“与物业沟通进入住区—与住户可视对讲进入单元—敲门进入到户—挑选快递交付用户”等多个步骤来完成配送到“户”这一过程。然而,在智能终端配送模式下,由于住区并没有针对物流配送的“智能化”配套设计,因此无论是智能快递柜还是智能送货机器人,均无法实现从“住区”到“单元”再到“户”的“最后一百米”。以智能化程度相对较高的智能送货机器人为例,从住区设计角度来讲,影响“最后一百米”配送的原因主要包括以下方面。

(1)当代住区多为封闭式管理,需要住户刷卡通行,这导致智能送货机器人无法自主进入住区。

1 智能快递柜

1 智能快递柜

 

2 智能送货机器人

2 智能送货机器人

 

3 高碑店市某住区复杂的地面道路系统

3 高碑店市某住区复杂的地面道路系统

 

4 整合快递中转枢纽站的地下车库入口设计示意

4 整合快递中转枢纽站的地下车库入口设计示意

 

(2)智能送货机器人多采用根据网络地图自动巡航的模式完成从配送点到住区这一物理空间的移动。这种模式通常适用于较为平坦的市政道路,而住区内部真实道路状况通常与网络地图中所记载的道路状况有所偏差,尤其是人车分流的住区支路较多(图3),机器人很难推测判断出正确的路径以实现从“住区”到“单元”这一过程。

(3)建筑单元门前通常存在室内外高差,然而目前常用的车型智能送货机器人很难实现爬台阶的动作。即便机器人学会了通过残疾人坡道到达单元门,也依然无法实现与建筑进行对话、打开单元门、找到电梯、选择楼层、敲门等一系列行为动作。

(4)智能送货机器人与单元门、坡道、电梯轿厢之间尺寸不匹配,同样也限制着智能终端配送“最后一百米”的实现。

考虑到未来智能终端配送模式将取代传统终端配送模式,使整个物流配送链完成无人化、自动化的升级。因此,针对长久存在的住区建筑设计时需要思考未来可能发展的智能终端配送模式,以及住区建筑可以在哪些方面通过设计辅助智能终端配送在“最后一百米”顺利推进,进而提升住户的居住体验。

3 未来智能终端配送模式下住区设计的思考

根据对当前多种物流分拣及配送机制的研究,结合现有的智能快递柜与送货机器人配送形式,本文提出三种新的未来可能发展的智能终端配送模式,即有轨模式、无轨模式和无人机模式。下文将逐一对这三种模式进行概述,并根据每种模式的特点,分别探讨分析住区可能需要进行设计和配置的元素和关键点。

3.1 有轨模式

3.1.1 有轨模式构成原理

有轨模式主要采用从住区入口到住户门口之间铺设送货轨道的方式来完成终端配送。整个配送过程可以分为城市到住区、住区到楼、楼到户以及户到人四个阶段。

首先,为了保障送货轨道的可用性,在有轨模式下,住区物流的终端配送入口可以选择放置在住区地下车库入口处。轨道从地下车库入口顶棚开始铺设,按照行车方向一直延伸到各个楼栋单元。车库入口的层面设置一个快递中转枢纽站来接收和转运从城市快递集散点运输过来的快递。快递中转枢纽站外侧的投递口配备有标签扫描读取系统来自动扫描快递上的地址以防止快递错投,一旦快递投递错误,则自动将快递转移到退货柜中。同时,快递中转枢纽站中需要沿货物传递方向依次配置易燃易爆物品X光检测设备和紫外线消毒设备,对货物进行安全处理和检查,以保障住区的安全和卫生。检查通过后,快递会被自动装进带有编号的货物配送箱中,并通过车库坡道顶棚上的轨道进入住区,完成从城市到住区阶段的终端配送(图4)。

5 有轨模式住户取货示意

5 有轨模式住户取货示意

 

6 无轨模式物流入口与物流道路设计示意

6 无轨模式物流入口与物流道路设计示意

 

当快递随着轨道进入住区地下车库后,会依次经过多个分轨岔口。每一个岔口都会配置一个标签扫描读取设备,通过扫描货物箱上的编号确定轨道岔口道闸的方向并自动变换位置,使快递逐步送到对应的单元门口,完成从住区到楼的配送阶段。

在地下车库的每个单元入口处设置一个位于单元门上方的货物入口,并在单元电梯旁边增设垂直送货轨道。货物进入单元后再次经过一个标签扫描读取设备,确定收件人所在楼层,由垂直轨道送至相应楼层并再次转入水平轨道。经过再一轮的标签读取之后,货物被传送到住户入户门外走廊顶部,完成从楼到户的配送。

当货物到达入户门之后会停在门口走廊上方,同时住户户内的到货铃声报警并点亮指示灯,通知住户收货。当住户门打开时,货物自动由天花板下降到人手高度,完成从户到人的最终阶段配送(图5)。

3.1.2 有轨模式下住区设计要点

在有轨模式下,基于建筑的轨道铺设设计以及轨道交汇处的各个节点设计是终端配送得以实现的重点。轨道的铺设设计不仅要对空间层高、面积等功能方面进行设计,还要考虑相关建筑构件及界面的美观感、安全感等心理因素。

首先,建筑师需要结合快递中转枢纽站的功能和性质对地下车库入口的形象进行重新设计。快递中转枢纽站宜放置在车库入口的侧面,外观要尽量简洁干净,弱化其存在感,以防止住户驶入车库时注意力分散。同时,快递中转枢纽站前要预留足够的开敞空间,以方便城市物流配送系统(如快递员或送货机器人)的停靠及投递操作,避免因占有机动车道而引起安全隐患问题。

其次,考虑到轨道的铺设及运输快递的相应设备会占用空间的层高,因此,在地下车库及室内走廊顶棚铺设轨道时要尽量避开车辆及人行走的空间,尤其是要注意避免对建筑梁下本身净高就比较局促的空间的占用,以减少对人的其他自然行为的影响。同时,轨道下方应布置相应的保护构件,如设置局部吊顶或保护网,以防止快递或设备坠落带来的安全隐患问题,并为住户提供视觉上的安全感。

再者,建筑需要在交通核内增设货物垂直交通井。井道靠近电梯厅一侧的墙优先考虑使用透明或半透明材料,方便发现故障的同时也体现出一种机械美感。井道在每层需要配备两个洞口,一个洞口靠近顶棚作为货物运输出口使用;一个洞口位于人手高度,作为机械故障排查检修口使用。

另外,建筑的户内收货提醒设备作为与住户进行交互的物理界面,应放在室内相对显眼的位置,并同时具备视觉和听觉信息传达的能力,以增加货物到达通知信息的可达性,减少因快递堆积带来的轨道占用问题。

3.2 无轨模式

3.2.1 无轨模式构成原理

无轨模式主要是在上述四个不同的配送阶段配备适合各阶段物流特点的物流配送机器人,并通过机器人之间的分工合作逐步实现从住区到户的“最后一百米”终端配送全过程。

首先,在城市到住区阶段,无轨模式同样需要配置一个快递中转枢纽来完成快递从城市配送到住区配送的转换。因此,住区需要在现有的车行入口和人行入口之外增设物流配送入口,可以放置在距离城市道路系统比较近的住区外围墙处,由一个快递投递分拣柜和多个快递暂存箱组成。城市物流的终端配送系统将快递通过投递口投入分拣柜,经过标签扫描、安全检查等步骤,将快递按照楼号依次传送到不同楼栋的暂存柜中进行紫外线消毒。

其次,在住区到楼阶段,无轨模式需要依靠室外智能送货小车作为载体来完成。智能送货小车会根据快递中转枢纽各个暂存箱所发出的箱内存货量多少的信号优先选择存量最大的暂存箱进行货物的交接。当智能送货小车靠近相应的暂存箱时,暂存箱的门和智能送货小车的门自动打开,智能送货小车与暂存箱贴合,暂存箱将货物以及到达楼栋的路径信息传输给智能送货小车并为其充电,完成对智能送货小车的货物转运和能源供给。智能送货小车取货完成后,便会按照接收到的路径信息将货物运送到某一楼栋(图6)。

当智能送货小车到达单元门口时,单元门旁需要配置专门的小型货物转运门,智能送货小车靠近时转运门会自动打开,智能送货小车与室内配送机器人在货物转运门处完成货物从室外空间到室内空间的转换(图7)。室内配送机器人内嵌标签读取系统及小型机械臂,可以将智能送货小车内的货物依次抓取、扫描并按照楼层高低码放到室内配送机器人体内的置物架上。货物码放完成后,智能送货小车返回快递中转枢纽,室内配送机器人将货物地址信息通过物联网技术发送给电梯,电梯接收到信号后将室内配送机器人自动运载到所有配送地址中的最低楼层,完成快递从楼到户的配送阶段(图8)。

当室内配送机器人到达入户门时,机器人置物架最上端的快递从取件口推出等待取货。同时,室内收货门铃自动响铃提醒收件人取货(图9)。若室内无人应答,货物将会被投递至入户门旁墙上所镶嵌的快递柜中,完成由户到人阶段的配送。

3.2.2 无轨模式下住区设计要点

无轨模式下,住区内送货道路系统的设计,不同类型机器人相互之间转运货物的建筑构件界面设计,都是建筑师需要重点思考的问题。

首先,为了保障智能送货小车在住区内路径寻找的高效性和便利性,住区内应在快递中转枢纽到楼栋单元门之间增设区别于人行及车行道路的物流配送专用道路。物流配送道路要选择具有明显区别于周围环境的颜色铺装,帮助智能送货小车通过图像颜色识别轻松获知道路边界。道路既可以采用单向环线设计,也可以选择对配送往返路径采用不同颜色的铺装,从而减少送货小车配送往返过程中路线交叉混杂的问题。同时,物流配送道路的路面铺装需要保证高度平整,以降低智能送货小车在运行过程中出现因阻力过大和重心不稳而发生故障的概率。道路的转弯半径的设计与智能送货小车的尺寸、重心、速度及平衡技术等因素相关。相关研究显示,根据转弯半径计算公式(R为转弯半径,L为车宽,VR为右轮速度,VL为左轮速度),一个700mm宽的智能送货小车,当其转弯角速度为21.4deg/s时,转弯半径最小为1 050mm[4]。而对于速度及重心点较高的智能送货小车(如Segway机器人),速度在35km/h时,转弯半径会选择10m来保障机器人的运行安全[5]。由于现有研究显示,智能送货小车的爬坡能力可以达到15°斜度[6],所以送货道路的坡度设计通常只需要参考城市道路的坡度设计规范即可。

其次,建筑各单元货物转运门前要设置大于智能送货小车两倍宽度尺寸的室外停靠平台,为送货小车提供足够的等候空间和相互错位空间,防止多个送货小车陆续抵达单元门而造成拥堵和混乱。同时,货物转运门的尺寸及离地高度要同时考虑室内外高差、送货小车和室内配送机器人储物箱的高度情况,从而减少快递在转运过程中因高差带来的机械故障。

再者,每个入户门旁需要增设快递柜,快递柜应同时具有面向户内和走廊的两个开口,方便住户在室内收取快递。面向走廊的开口为带有电子开关的投递口,投递口高度与室内送货机器人取件口高度和宽度一致。快递柜的底板具有按照货物高度自动下降的功能,以适应多件快递连续配送的情况状态。

3.3 无人机模式

3.3.1 无人机模式构成原理

无人机模式主要指以无人机作为物流配送的载体,通过从住区快递中转枢纽到户之间进行点对点的配送,从而缩短终端配送流程,提高配送效率。无人机模式配送流程相对简单,只需要从城市到住区、从住区到户以及从户到人三个阶段。

在无人机模式下,住区需要在其外围邻近区域选择一个较为开阔的场地设置无人机配送快递中转枢纽站。枢纽站由无人机停靠仓和无人机取货仓两部分构成。城市物流配送系统会将快递放入无人机取货仓的快递投递口进行地址标签扫描、安全检查及消毒处理等。待快递处理完善后,无人机停靠仓将位于最底部的无人机移动到无人机取货仓,抓住快递,获得地址信息及特定的路径航线信息,起飞送件至住户的窗外无人机送货平台(图10),送货嵌入压力感应器探测平台上有无快递送达。无人机到达后将快递放置于送货平台上,完成从住区到户这一阶段的配送。当压力感应器感应到快递后,室内的送货铃声响铃并亮灯,通知住户收取快递,完成从户到人的配送流程。

7 智能送货小车与室内配送机器人货物转接示意

7 智能送货小车与室内配送机器人货物转接示意

 

8 室内配送机器人自动召唤电梯选择楼层示意

8 室内配送机器人自动召唤电梯选择楼层示意

 

9 室内配送机器人完成快递“户到人”配送示意

9 室内配送机器人完成快递“户到人”配送示意

 

1 0 无人机模式快递中转枢纽站示意

1 0 无人机模式快递中转枢纽站示意

 

1 1 无人机送货平台与建筑关系示意

1 1 无人机送货平台与建筑关系示意

 

3.3.2 无人机模式下住区设计要点

无人机模式对于住区设计的依赖度相对较低,其主要的设计点是位于住户窗外的无人机送货平台(图11)。这就要求建筑师在建筑设计阶段,可以将送货平台作为建筑立面的一个元素进行综合考虑和设计。首先,在材料的选取上,送货平台优先选择具有一定承重能力的格栅并尽量放置在住宅楼的北侧,以避免雨水囤积问题的产生并减少其对室内日照采光的影响。其次,在尺寸设计上,为了避免送货平台对室内住户的视觉遮挡以及高空坠物的危险,送货平台宜低于窗台高度并设置返台或栏杆,且返台或栏杆的高度亦低于窗台高度。送货平台不宜太宽,避免室内住户因手臂长度不够而取货困难。再者,由于送货平台位置下移会带来不便于通过窗户取货的情况,所以可以考虑在窗台下方增设取货窗口,在方便收取快递的同时,降低住户身体重心以提高取货时的心理安全感。

表1 不同模式下住区设计的细节要点   

表1 不同模式下住区设计的细节要点

表2 三种模式各自优缺点对比   

表2 三种模式各自优缺点对比

3.4 三种模式比较

根据其各自原理的不同,有轨、无轨、无人机三种模式对于住区设计的依赖度也有所不同,但是都需要在住区与城市之间交界处开设专门的配送中转枢纽,且都需要在建筑相应的地方增设构件、预留弱电条件、增加通讯模块建筑师在住区建筑设计中需要思考的细节要点,如表1所示。同时,这三种模式各有千秋,其各自的优缺点如表2所示。

4 结语

本文通过分析现有的智能终端配送模式与住区进行结合时所面临的问题,提出了面向未来的三种新型智能终端配送模式,并在此基础上分别提出了住区设计过程中建筑师所需要思考的设计细节。

随着科技的发展和智能化生活的普及,在未来住区设计的过程中,建筑师不仅要思考如何为人们提供一个舒适的物理居住空间,还需要思考如何进行建筑设计才能将最新的科技应用到住区服务中。建筑设计需要从人的日常行为习惯入手,设计的范围会更大,内容会更细,这样才能使得长久存在的建筑可以与快速迭代的生活方式所匹配,进而让住户获得更宜居的居住环境。

图表来源

图1~3来源于网络,其余均为作者自绘。

 

参考文献[1]向思诺.城市社区电商物流终端配送模式选择研究[D].武汉:武汉科技大学,2018.

[2]万志涛.智慧社区背景下社区末端配送策略研究[J].全国流通经济,2018(36).

[3]杨亚西,吴雪婷.智慧物流时代电子商务末端配送优化研究[J].物流科技,2017(6).

[4]丁一凡.特种运载物流机器人总体方案设计与研究[D].南京:南京理工大学,2018.

[5] Yun H, et al. High speed segway control with series elastic actuator for driving stability improvement[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2019. 33(11):5449-5459.

[6] Li J, Gao X, Huang Q, et al. Mechanical Design and Dynamic Modeling of a Two-Wheeled Inverted Pendulum Mobile Robot[C]//Automation and Logistics, 2007 IEEE International Conference on. IEEE, 2007.
The New Modes of Intelligent Terminal Distribution and Its Residential Design
LIU Jie ZHU Rongbin ZHANG Zhaoqiang WU Yuezhao XU Weiguo
Abstract: This paper analyzes the problems faced by the integration of the current intelligent terminal distribution mode and residential districts, and proposes three new intelligent terminal distribution modes for residential district services. At the same time, with the new intelligent terminal distribution model, the paper discusses the possible needed facilities that should be added for delivery and the details of residential design that should be considered in the future.
Keywords: terminal distribution; residential design; intelligence; logistics robot;
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