绿色智能快递包装箱设计研究

曾丹丹

（广州商学院管理学院，广州 511363）

电子商务的快速发展带动了快递量的迅猛增长，截至2021 年12 月底，我国快递业务量已连续8 年居世界第一[1]。仅2021 年“双11”期间（11 月1 日至16 日），快递业务量便高达68 亿件，同比增长18.2%[2]，截至2021 年底，日均快递业务量已突破3 亿件大关[3]，同年，中国快递进入千亿件时代[4]。快递行业的高速发展给人们带来了诸多方便，然而以瓦楞纸箱、传统塑料袋为主的海量快递包装的使用也带来了严重的资源浪费和环境污染问题。有研究表明，若不采取有效的绿色措施，依照当前快递发展趋势，2025 年我国快递包装材料消耗量将达到4 127.05 万t[5]。快递包装废弃物除了少部分会被回收循环利用外，大部分会被填埋或者焚烧，而填埋或焚烧都不是解决快递垃圾增长问题的有效方法。从资源节约和环境友好的视角来看，必须对快递包装进行创新设计，加快推进绿色转型。

结合快递包装现有的研究成果，本文设计了一款绿色智能快递包装箱，以丰富现有快递包装理论，推进新型快递包装设计和智慧物流建设，助力快递业绿色低碳发展。该款包装箱可循环多次使用，比现有的一次性包装有着更长的使用寿命，同时结合物联网、大数据、云计算、区块链等数字技术，配置智能硬件，具备多样的功能。绿色智能快递包装箱是绿色物流与智慧物流相结合的产物，可以推进快递包装的循环利用，最终实现绿色化与减量化。

1 研究背景

近年来，新型快递包装研究取得诸多成果。陈岳飞等[6]分析了快递绿色包装的发展现状，指出新型包装技术有待突破，提出应提升绿色包装技术含量，加大绿色产品供给。马维喆等[7]提出了一种共享快递盒的概念设计方案，从结构、循环使用及材料等方面提出设计要求。韩霖[8]设计了一种基于聚丙烯（PP）蜂窝板的可循环使用的快递包装箱，与智能硬件相结合设计了智能封箱装置，并对包装箱的加工工艺和抗压强度进行研究。朱琪[9]指出快递包装目前存在抗震性差、包装环节费时费力且浪费资源等问题，通过选材、改变包装结构等研究，针对易碎品设计了一款气囊包装。WANG 等[10]研究了一种全生物基微蜂窝低密度聚乳酸泡沫塑料，将其用于绿色包装。王程昱等[11]基于快递包装全生命周期视角，采用节能低碳设计、可维修设计等思路，设计一款多功能共享快递包装。宿一品等[12]设计了一种主要由箱体和气囊组成的快递防震包装箱，其具有可折叠结构，箱体外壳采用聚乳酸，气囊采用纸膜，另外针对隐私信息安全方面进行挂牌及死扣环设计。SCHAEFER 等[13]对智慧包装的挑战、机遇进行了分析，指出2024 年全球智慧包装的产值能达到267 亿美元。

为解决快递包装资源消耗、环境污染等问题，研究者尝试提出各种解决办法。研究方向主要为设计环保节能的循环快递包装，也有一些物联网等技术和快递包装相结合的研究。这些研究成果对快递包装的绿色化起到一定助推作用，但研究者设计的包装仍有进一步改进的空间，例如，存在整体性易被破坏、不易回收等问题。另外，将数字技术与绿色物流相结合的深入研究仍旧较少。

2 绿色智能快递包装箱材料选取

从组成来看，我国快递包装以瓦楞纸箱和塑料袋居多（合计占比接近80%），大部分快递包装都被当成废弃物扔掉，虽然快递包装属于可回收物，但因其回收难度大、回收价值低（尤其是塑料类包装），使得总体回收率较低（低于20%）[14]。大量快递包装成了新增的生活垃圾，成了环境污染的重要来源。与塑料包装袋相比，回收价值更高的瓦楞纸箱被认为是更具环保性的包装材质，但其封缄多采用胶带粘接，胶带无法回收利用，且其韧度低，容易被刺穿，防水性差、承重度低，使用后往往会变形，不符合包装循环使用要求。另外，纸质包装生产过程容易对环境造成污染。由此可见，现常见的快递包装都不是理想的绿色包装。

本文设计的绿色智能快递包装箱在材料选择方面从全生命周期角度考虑，力争整体材料环保节能经济，包装箱尽量采用相同材质的材料，减少使用难以分类回收的复合材料。通过调查材料行业发展现状，企业要加大研发力度，明确绿色包装所用主体材料。例如，顺丰的丰多宝π-BOX 循环箱采用PP 蜂窝板材质，京东物流青流箱采用可回收的再生PP 食品级材料，苏宁漂流箱的箱体材质是大豆秸秆和玉米芯等。对比分析发现，PP 蜂窝板不失为优良的可循环复用包装箱基材。因此，本文设计的绿色智能包装箱选择PP 蜂窝板作为主体材料。首先，PP 本身密度低、质量轻，蜂窝夹心结构使其具有高强度的特点；其次，PP 蜂窝板具有韧性好、回弹性高、缓冲防震性和弯曲性能好、防水等优点，其能够有效地保护被包装物品[8]；最后，PP 蜂窝板环保性好，PP 生产过程无毒、无害，使用过程对被包装物无污染，报废后容易回收。有生产商表示，正常情况下PP 材质的循环箱使用寿命可达3 年，且可实现90%以上的回收率[3]。同时，PP 蜂窝板使用成本低，耗材少。有专家表示，由PP材料制成的循环箱碳排放比一次性纸箱低，随着循环次数的增加，其使用成本会远低于一次性纸箱[15]。

3 绿色智能快递包装箱规格设计

目前，快递包装物种类繁多、大小不一、尺寸混乱，用户存在乱投乱放的现象，给快递包装的回收增加了难度，且回收后的包装由于破损等原因很难再次投入使用，使得相关企业缺乏参与回收的动力。为了节约资源，必须对快递包装进行回收利用，而关键便是减少快递包装形状、规格，推进快递包装标准化。

对于包装箱规格，有学者采用逆推设计法进行设计，考虑常见厢式货车车厢及人的双臂这些运输环境，综合货物的尺寸差异，设计包装箱集装单元尺寸，以此为依据，逆向划分多种型号的包装箱外尺寸。有学者同时考虑物流车上的物流集装箱的运输环境和快递包装箱标准，将包装箱的规格尺寸设计为1 种。例如，韩霖[8]设计了一种中型包装箱，尺寸为300 mm×200 mm×200 mm。这些研究为本设计的展开提供了参考。

笔者认为，绿色智能快递包装箱在规格设计上不应过多，也不应太少，应更多从货品通用性方面进行考虑。若为满足产品差异化特点而设计过多的尺寸，会导致运输堆码空隙率过大，无法充分利用空间，且易降低物流系统各环节的衔接性，使得物流效率降低，但包装箱的规格尺寸也不应该太过单一，否则无法对货品进行适配。依据市场上流通的常见快递大小（以中小型为主），参考快递企业顺丰的丰多宝π-BOX循环箱的规格尺寸（见表1）及中国邮政快递纸箱规格尺寸（见表2），笔者将绿色智能快递包装箱设计为长方体，箱体外尺寸大小由长、宽、高决定。

表1 顺丰循环箱规格

表2 中国邮政快递纸箱规格

考虑货品通用性，结合智能硬件区设计的尺寸，本文将绿色智能包装箱设计为4 种外尺寸规格：XL型 号600 mm×400 mm×400 mm，L 型 号400 cm×300 cm×400 cm，M 型号300 mm×200 mm×300 mm，S 型号200 mm×150 mm×200 mm。至于不规则的异形物或尺寸超过本设计包装箱范围的货品，由于这类货品相对而言数量较少，其包装材料和包装方式可以使用普通的非智能包装，避免过度包装即可。

4 绿色智能快递包装箱功能与结构设计

绿色智能快递包装箱具有可循环使用的特点，应用数字技术，实现快递的智能化、精细化管理，如溯源、大数据采集、可视化管理。绿色智能快递包装箱的智能系统包括电子锁、智能硬件和触摸式液晶显示屏（LCD），其中智能硬件包括北斗导航模块、全球移动通信系统（GSM）通信模块、非法打开检测模块、存储模块、锂电池模块、陀螺仪模块、语音识别装置和蜂鸣器。绿色智能快递包装箱的结构如图1 所示。该包装箱充分考虑绿色节能，整个系统在快递运输过程中只有导航模块会处于低功耗定位模式，而其他模块则处于低功耗待机模式，当LCD 触摸显示屏被唤醒且用户输入密码后，其他模块才会被唤醒，因此整个系统的能效较高，可以有效节约能源。

图1 绿色智能快递包装箱结构

4.1 防盗设计

传统包装防盗性差，例如，纸箱快递包装里面的被包装物比较容易被非法取走，且事后溯源追查难，客户寄递安全存在较大隐患。而搭载智能系统的绿色智能包装箱则能有效解决此类问题。北斗导航模块用于对快递的实时定位，方便用户看到快递的实时位置，也方便对快递进行溯源；GSM 通信模块则用于和系统及用户进行通信；LCD 触摸显示屏模块用于输入解锁码，当用户拿到快递并输入正确的密码时，电子锁会自动打开。包装箱被开启后，智能硬件识别后向和其联动的包装管理平台上传信息，包括打开的时间、地点等，并向最终消费者发送包装箱被开启的提醒确认短信。若消费者不进行确认操作，则默认它是安全操作（本人开箱操作）；若消费者认为包装箱被开启存在异样，比如不是本人开启，存在包装箱被盗或丢失的可能，则可以根据短信提示，拨打相应电话进行情况反馈，相应管理人员可调取包装箱被取走时取件人的照片信息及包装箱的位置信息等进行追踪。因此，如果出现货物盗窃，用户和管理者能够精确地找到出问题的环节，确定相应责任人员，帮助执法和排除安全隐患。另外，包装箱锁合后若试图采用破坏方式强行打开，智能硬件中的非法打开检测模块则会开启盗启报警功能，向用户和管理者发送非法开启报警提醒，同时将开启者的信息记录到存储模块中，这样就可以实现信息的双重备份，方便后续技术人员进行技术分析，有效减少用户的财物损失。

4.2 可追溯查询设计

可以综合利用区块链、大数据、云计算与物联网等技术，建设智能包装管理平台。该平台具有信息追溯的功能，将包装箱所属的包装生产商信息、包装材料信息、使用的快递企业信息、循环次数信息等记录到区块链系统中，保证数据信息安全、可靠、防篡改。比如，不定期对包装材料进行监督检查，若发现不符合绿色包装规范的包装材料，便能确定主体治理责任。

在快递运输过程中，可能会遭遇“暴力分拣”问题。智能绿色快递包装箱可通过安装陀螺仪来感知振动与冲击，同时结合北斗导航模块来定位发生的地点和时间，为追溯排查提供重要线索，对于因受较大冲击导致物品损坏的情况，能及时找到相应责任人。同时，可以将陀螺仪感知的数据作为测试数据，判断出易发生故障的环节，为优化提供依据，提高物流服务质量。

对于包装箱运动状态，本设计使用北斗卫星导航系统与包装箱智能终端来定位，结合物流天眼系统对快递进行快速跟踪识别，使得货品物流信息能实时更新（从揽收、运输、中转到配送，直至终端消费者接收）。通过智能硬件和智能包装管理平台，用户可通过输入运输单号随时查看物流信息。包装箱被用户签收后，利用快递包装箱的定位功能，设置一定的时间间隔提醒用户归还快递包装箱。同时，制定奖惩制度。若用户在规定时间内没有主动归还包装箱，则面临一定的超时赔偿，同时影响该用户的信用记录，如阿里巴巴的芝麻信用分等。奖惩措施可以在很大程度上提高用户主动归还快递包装箱的积极性，推动绿色智能快递包装箱进入良性的发展循环。

4.3 便利货堆查找设计

便利货堆查找设计是指利用LCD 触摸显示屏、语音识别装置、蜂鸣器和指示灯来识别货物，然后输出相应信息。搭载的LCD 触摸显示屏平时处于息屏状态，被人工唤起后才会亮屏，显示屏可显示快递单号、电池状态（使用带电池控制芯片的锂电池，对电池状态进行监控，剩余电量可在显示屏上显示）、收件人姓名等信息。语音识别装置和蜂鸣器是联动的，客户取货时通过喊出收件人称呼或手机号码后四位，语音识别装置会进行识别，对应的快递包装箱的蜂鸣器会发出声音，同时指示灯会亮起，方便客户在货堆中查找。尤其对于多天未取的快递，其往往被杂乱无章地堆在一处，这时便利货堆查找的设计就更显得重要，可以大大减少寻找快递的时间和精力。同时，蜂鸣器可对非法开箱行为发出警告声，指示灯还可以提示包装箱工作状态，正常被激活亮起时呈红色，若包装箱出现异常，指示灯亮起呈蓝色。

4.4 可拆卸可平铺结构设计

包装箱可拆卸设计是指通过恰当的装配结构设计，使包装箱整体既具备一定的功能，又易于拆卸。包装箱的六个面都可以单独拆卸，当箱体的任意面出现损坏时，可只更换破损部分的板块，而不必更换整个包装箱（对于破损的板块，通过维修等处理可重新投入使用，或作为备件待用），降低产品的拆卸成本，同时提高经济性，节约资源。

另外，为了减少回收与储运时的占用空间，提高回收效率，有必要做好包装箱的可平铺设计，确保包装箱能很方便地展开。包装箱的平铺展开效果如图2 所示。当电子锁被正确打开时，包装箱顶层的盖子往两边展开，此时可以看到包装箱的四个角存在类似门栓的结构——箱栓，取出箱栓即可将包装箱完全铺开，这样可以减少包装箱存放空间，同时箱栓会固定在箱体上，防止丢失。铺开后的包装箱能够减少空箱堆放在用户家里时的占用空间，同时用户可以方便地将其携带至指定回收地点。

图2 包装箱平铺展开效果

5 结语

本文基于绿色经济与数字化的视角，从绿色智能快递包装箱材料的选取、规格、功能和结构等方面展开设计，集成了物联网、大数据、区块链等数字技术。绿色智能快递包装箱取代传统一次性包装，能有效解决当前快递行业存在的资源浪费、包装废弃物污染问题，助力快递业实现绿色低碳发展。但从我国包装行业的现状来看，绿色智能快递包装箱的应用需要企业、政府、消费者的协同参与。在今后的研究中，可探索并建立绿色智能快递包装箱回收流程和运营模式，加速促进快递包装的绿色转型。