無人機快遞服務系統構建和技術優化研究

王 琰

(福建商學院 經濟貿易系，福州 350012)

無人機快遞服務系統構建和技術優化研究

王 琰

(福建商學院 經濟貿易系，福州 350012)

構建無人機快遞服務系統能夠推動無人機在快遞服務業的規模化應用。研究認為，通過建設快遞保障系統、飛行控制系統和第三方民航監管部門管理平臺來構建無人機快遞服務系統。從續航能力、衛星信號失鎖和通信信號干擾、防水和防強氣流等能力不高、定位精度、電子導航系統數據更新滯后等方面提出優化無人機快遞服務系統相關技術從而提升系統快遞服務能力的對策，分析了技術優化對無人機快遞運營成本的影響。

快遞無人機；無人機快遞服務；快遞保障系統；監管；技術優化

國家郵政局公布的行業統計信息顯示，2016年上半年，全國快遞服務企業業務量累計完成132.5億件，同比增長56.7%，接近2014年全年水平(139.6億件)。然而，在快遞業務量高速增長的同時，服務質量卻令人堪憂。2014年1月至2016年6月，每月各級郵政管理局受理的申訴件中，涉及快遞服務問題占總申訴量的95%以上。各大快遞企業一直致力于探索如何在降低成本的同時還能保證服務的質量，滿足客戶需求。

無人機快遞的規模化能有效應對快遞訂單量的巨額增長，提升快遞的投遞效率和服務質量，降低快件的延誤率、損毀率、丟失率以及快遞投訴率，同時還能降低運營成本、倉庫成本、人力成本等，提升行業競爭力，使快遞的投送更加安全、可靠、快捷。然而，無人機快遞服務還處于研發、實驗、內測和小范圍應用階段，快遞服務領域還沒建立起真正意義上的無人機系統，無法實現較為完善的快遞服務功能和對快遞無人機的有效監管。要推廣無人機在快遞業的應用，實現規模化，必須構建快遞服務領域的無人機系統，即構建無人機快遞服務系統。

1 無人機快遞服務系統的體系構建

無人機(unmanned aerial vehicle, UAV) 是指利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。目前，無人機技術正得到世界各國生產者和研究者的青睞，在搶險救災分析與災后救援、電力巡檢、航空攝影、遙感探礦、環境監測以及公安執法等領域有著廣泛的應用，這些領域基本已建立起了較為成熟的無人機系統。無人機系統(unmanned aerial system, UAS)是一套綜合的技術支撐系統，它是對UAV概念的擴展，它由機體、機上載荷和地面設備等組成，實現其飛行、操控、數據處理和信息傳導等功能[1]。

要建立快遞服務領域真正意義上的無人機系統，可根據其它領域的無人機系統結構，結合快遞服務的特點和民航監管部門監督管理的需求，通過建立快遞保障系統、飛行控制系統和第三方(民航監管部門)管理平臺三大子系統來完成，如圖1所示。

構建快遞保障系統是通過配備相應的物流功能單元以完成無人機快遞服務任務，可分為機載部分和地面部分。除了機載部分和地面部分均配有常規的物流信息系統外，在無人機快遞保障系統的地面部分還需通過建設無人機動力快速補充站、無人機快遞配送收發站或專用智能快遞柜來實現和完善無人機快遞的服務功能。當前，無人機快遞配送收發站還處于內測和小范圍使用階段，無人機動力快速補充站和專用智能快遞柜理論上和實踐上都還沒有正式進入人們的視野。

圖1 無人機快遞服務系統體系構建圖

飛行控制系統是實現無人機精確定位、安全運行和合理調度的有機集合體[2]，由于其它領域無人機系統內部均有該子系統，該子系統的構建所需組成部分與其它領域對應的組成部分相仿，但需要結合快遞服務的特點對該子系統涉及的新材料技術、電池技術、遙感技術、GPS、GIS、通信技術等高科技含量技術進行優化，以期實現和提升無人機快遞服務系統的關鍵服務能力。

在快遞服務系統中搭建第三方(民航監管部門)管理平臺的目的則是實現中國民用航空局等民航監管部門對無人機快遞的監督和管理。

2 無人機快遞服務系統的功能剖析

2.1 快遞保障子系統

在快遞保障系統中，常規的物流信息系統自然是必不可少的，例如巴槍系統，其是利用通信運營商成熟的網絡平臺，以手機或PDA終端作為數據存儲的載體，連接條碼掃描槍，形成的一套數據采集傳輸系統。在“最后一公里”配送模式下，快遞員在無人機配送收發站降落后，將快件從機艙內取出，用巴槍掃描確認航班到達，無人機即可自動返航或由快遞員放入新快件完成下一項遞送任務。而除了常規的物流信息系統外，在無人機快遞保障系統的地面部分還需建設無人機動力快速補充站、無人機快遞配送收發站或專用智能快遞柜。建設無人機動力快速補充站是在無人機快遞飛行器各項指標參數沒有得到提升和成本制約下，提高無人機續航能力的有效手段。而無人機快遞配送收發站和專用智能快遞柜是互相替代的關系，分別對應“最后一公里”和“最后100米”兩種快遞末端模式。

(1)無人機動力快速補充站。油動無人機已實現通過“空中加油”來完成動力補充。而民用無人機，尤其是快遞無人機，多以電動為主。快遞無人機飛行器總重量和蓄電池容量是影響其續航能力的主要因素[3]。目前，已推出無人機快遞計劃的快遞企業研發的快遞無人機的承重多為500g—10kg不等，續航時間一般不超過1個小時。例如，亞馬遜所設計采用的8軸無人機最大可承重2kg(86%的網購商品重量在這個數值以下)，運送范圍在亞馬遜物流配送中心16km范圍內。而德國快遞業巨頭DHL所設計的Paketkopter4軸無人機承重為1.2kg，飛行時間最長約為45分鐘。這些指標對于無人機快遞的主要應用領域同城小件配送而言，已經足以滿足需求。但對于高達幾十公里到上百公里甚至更遠的運輸距離，在無人機快遞飛行器各項指標參數沒有得到提升和成本制約下，建設遠距離航線中途的無人機動力快速補充站無疑是最直接有效的手段。在選址上，應盡可能利用企業已建成的物流節點，讓物流節點實現多元化功能，避免重復建設成本。在無人機快遞補充站內，利用快速充電技術，通過專用充電樁給無人機電池充電，可以采用無人自動或是人工干預兩種模式。隨著快速充電技術的不斷完善，充電時間將不斷縮短。而隨著無線充電技術的慢慢成熟，其與快速充電技術的結合產品更會給無人機動力補充帶來劃時代的變革。當然，對于加急的快遞特殊件，直接給無人機更換電池，則將動力補充時間的決定因素由充電時間轉換為電池更換時間。

(2)無人機快遞配送收發站。快遞企業當然可自建專用的無人機快遞配送收發站，對于人煙稀少的山區或是小島，哪怕是城郊，相應的成本都是可以接受的。無人機降落在快遞配送收發站(一般收發站要有一定面積的空地)，快遞員從降落的無人機機艙中取出快遞包裹，進行“最后一公里”的快遞配送。但是，市區寸土寸金的用地成本將讓快遞企業對自建無人機快遞配送收發站望而卻步，因此應尋求與相關部門的合作，例如與物業公司合作，由物業指定經過相關培訓的工作人員，在指定的地點待無人機降落后進行取件，隨后進行“最后100米”的投遞。對于市區辦公樓，收發站可以設在辦公樓頂樓空地；對于住宅小區，收發站可以設為專用的小區園區服務站。一般而言，物業公司沒有代收快遞的義務，這就更加需要通過簽訂相關協議，界定好各方的責任，對各服務方給予合理的利益分配，才能理順“發貨方(大多是電商)、快遞企業、物業公司、收貨人”這一服務鏈的各方關系。

(3)無人機專用智能快遞柜。智能快遞柜被認為是解決包裹“最后100米”的一種較為經濟有效的方式。快遞員只要將包裹暫時保存在投遞箱內，并將投遞信息通過短信等方式發送給用戶，提供24小時自助取件服務。2015年11月，國務院辦公廳印發的《關于加快發展生活性服務業促進消費結構升級的指導意見》強調了要積極發展冷鏈物流、倉儲配送一體化等物流服務新模式，推廣使用智能包裹柜、智能快件箱。在無人工干預下，無人機自動降落并投放快遞包裹于智能快遞柜，這需要一種無人機專用的智能快遞柜。在技術上，研發無人機專用快遞柜并不是什么難題，這無疑能提高末端配送效率和節約人力時間成本，但同時也帶來了與無人機專用智能快遞柜相關的購置成本、運營成本以及維護成本。如何在上述的物流快遞系統效益背反現象中尋求降低成本和提高客戶滿意度的平衡，快遞企業、無人機供應商和智能快遞柜供應商不但要在研發技術上降低軟硬件成本，還需要尋求多元化的盈利模式，例如，可以考慮在提供服務的基礎上形成寄件傭金、軟硬件服務以及快遞柜顯示廣告的營收模式。

2.2 飛行控制子系統

無人機快遞服務系統中的飛行控制子系統主要由機載部分和地面部分組成。機載部分主要由計算機控制與導航系統、飛行數據記錄儀、動力推進系統、高精度差分GPS、氣象傳感器、小型雷達探測障礙系統、數字加密通信系統機上部分和起降系統機上部分組成，主要功能是控制快遞無人機嚴格按預先設定地址和線路飛行，控制航速和航高、規避航路障礙和惡劣氣象風險以及精準控制無人機快遞起降；地面部分主要由遠程調度系統、數字加密通信系統地面部分以及起降系統地面部分組成，主要功能是負責快遞調度控制和實時通信服務。飛行控制系統能夠穩定無人機飛行姿態，能夠控制無人機自主或半自主飛行，并能在飛行過程中智能規避危險，是無人機的大腦。

2.3 “第三方(民航監管部門)管理平臺”子系統

無人機使用的監管目前在國內有三種形式：一是無人機通用技術標準，目前已有中國(深圳)無人機產業聯盟發布的《民用無人機系統通用技術標準》；二是無人機飛行的空域管理，可參照中國民用航空局頒布的《民用無人機空中交通管理規定》、《低空域使用管理規定》等；三是無人機飛行操作管理，可參照中國民用航空局頒布的《民用無人機駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》。

然而無人機應用在快遞服務中還存在著難以有效監管的幾個主要問題：首先，快遞服務無人機飛行有關參數還無法做到有效監控，如飛行范圍、飛行高度、飛行速度、搭載限制等，這些作業規程的具體要求目前還沒有體現在無人機快遞服務系統中。其次，飛行空域審批時效較長，往往需要一兩周以上時間，對于物流行業來說，這個周期顯然太長，無法滿足快遞企業的快速運轉需求；最后，無人機技術專業性較高，而快遞服務人員流動性較大，造成快遞企業對無人機操控人員的培訓動力不足，流于形式。

針對上述無人機快遞監管存在的問題，必須在監管部門和快遞企業之間搭起一座橋梁，即無人機快遞服務系統中的另一個子系統——第三方(民航監管部門)管理平臺，由相關的軟硬件設備組成，該系統設計實現如下監管功能：首先，該平臺嚴格按照民航總局頒布的有關規定來限定無人機快遞服務系統中的各參數，如飛行的高度、飛行路線、貨物載重、飛行速度等，并能及時監控到各種違規行為做出相應處罰。其次，監管部門可以要求運營服務中的快遞服務無人機必須進行標準化編碼(實現一機一碼)和飛行許可定期認證，而所屬快遞企業更要進行實名認證，而對于上述認證申請和無人機快遞飛行空域申請，可以采取網絡在線和現場相結合的申請方式，避免無效申請，所有申請都通過第三方管理平臺完成，節約了申請和審批時間，簡化了手續流程；最后，監管部門可要求快遞企業把無人機操作規范和航空安全知識納入到快遞無人機操控培訓中，強制無人機操控人員定期參加培訓，并通過考核取得資格證書來規范行業安全有序發展，操控人員的實名認證信息和資格證書信息都要錄入第三方管理平臺。第三方(民航監管部門)管理平臺的開發和有效運行需要監管部門和快遞企業的協同運作，而平臺的優化和發展也有賴于民航監管部門加快制定和完善無人機分類標準，包括技術制造標準、環境保護標準、安全等級標準等行業標準，健全無人機監管體系。

3 基于提升無人機快遞服務系統關鍵服務能力的技術優化

為了提高無人機快遞服務系統關鍵服務能力，尤其是是續航能力、安全性和智能化水平，須在無人機快遞服務運營成本控制下，優化無人機快遞服務系統中的相關技術或通過管理創新彌補技術的不足。

3.1 優化對策

3.1.1 聚焦無人機供應鏈改進續航能力

就純技術而言，無人機的續航能力在工程界已有各種較好的解決方案。只是當前快遞無人機在工程預算和安全性的制約下，大多為多旋翼電動無人機且采用鋰電池，而鋰電池能量密度提升存在的技術瓶頸、飛行器體積的限制(影響無人機自重和安全性)等因素限制了快遞無人機的續航能力。常見快遞無人機續航時間一般不超過一個小時，最遠投遞距離一般也不超過20公里。而對于更遠的投遞距離，快遞無人機續航能力不足的問題就突顯出來。

提高快遞無人機的續航能力有賴于無人機供應鏈上各方的努力。快遞企業一方，可建設遠距離航線中途的無人機動力快速補充站給無人機補充動力后繼續航行，在站內通過專用充電樁給無人機電池充電，對于某些特殊情況，還可直接給無人機更換電池；同時快遞企業還要用需求拉動無人機供應商研發和生產出各項參數尤其是電池的性能參數更盡如人意的快遞無人機。無人機供應商一方，可改進機體結構設計并采用輕質高強度復合材料減輕快遞無人機自重；同時，也要致力于積極推進無人機供應鏈上游電池廠商的技術改進，緊跟世界能源和電池高科技的步伐。而伴隨著電池技術和新材料技術突飛猛進的發展，快遞無人機供應鏈各方既是推動者，更是受惠者。

3.1.2 衛星信號失鎖和通信信號干擾及其對策

由于快遞服務中的無人機飛行路線有可能靠近城市中的高樓、山區的峽谷和電磁感應較大的高壓電線，這就可能會使GPS的衛星信號失鎖，從而嚴重影響無人機定位的連續性。如果長時間無人機上的導航設備無法重新定位，就可能導致運行中的無人機墜毀。除了衛星信號失鎖，通信信號干擾也是一個不可忽視的問題。

針對衛星信號可能失鎖問題，在預算許可下，無人機供應商可在快遞無人機上加裝慣性導航系統有效解決較短時間內GPS信號失鎖問題。慣性導航系統(INS)是一種不依賴外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統，其短期精度和穩定性好，但長期精度卻不如GPS[4]。 因此，GPS和INS兩者的有效組合可以優勢互補，解決短期失鎖問題和提高瞬間位置精度。

針對通信信號干擾問題，無人機工程師還可在飛行控制系統中設計兩種以上的通信方式，其中一種可以作為專用通信網發生故障時的應急網絡。而快遞企業則可通過與國內通信運營商合作，有償使用其信號發射塔，使地面通信系統能夠遠程傳播持續穩定的信號，這樣，快遞無人機在相合作的通信運營商的信號網絡覆蓋區內就不再有通信盲區，甚至有較強的信號，不易受其它信號干擾。

3.1.3 防水、防強氣流等能力不高及對策

快遞無人機的飛行需要螺旋槳高速旋轉，而當前市面上的螺旋槳和轉軸都是裸露在外面的，如果遇到雨水，雨水就可能經過轉軸流到電機，產生電路短路而燒毀；而城市中高樓和山區有時會產生瞬間高級別的對流強風，可能使快遞無人機的瞬時姿態失去控制。

針對目前快遞無人機防水能力不高問題，無人機工程師在設計時可使用輕質硅膠材料對無人機的上表面密封包裹。而對于瞬間強氣流引起的無人機機體姿態較嚴重傾斜，無人機供應商可通過配備的慣性導航系統，即時得到無人機平臺姿態的三個角度數值，通過飛行控制系統進行姿態自我糾偏。除了技術上的改進，快遞企業和無人機供應商在設計航線時，可通過本地區的氣象部門進行專業評估，從多條備選航線中擇優選取以盡可能避免氣象干擾。對于優選出來的航線，在正式啟用后，快遞企業還要向本地區氣象部門定制航線上日常飛行的氣象預報，以有效選擇航線或在惡劣天氣下停止航飛。

3.1.4 提升現有定位精度對策

民用小型無人機的GPS定位是碼定位，理論精度為2.9米，實際情況受周邊的實時氣流影響，在降落位置上與預先控制降落點距離差可能達到5米以上，這樣的定位精度對于快遞配送收發站的末端配送模式是足夠的，因為無人機是降落在快遞配送收發站的降落場地上來由快遞員人工把包裹取下來的。而對于無人機自動投遞專用智能快遞柜的末端配送模式，這樣的精度卻無法滿足要求。

為了提高快遞無人機位置精度，無人機供應商要積極引入高精度的動態定位技術，如加裝實時動態載波相位差分GPS(RTK)設備，定位精度基本實現亞米級，可以有效實現投放的精準位置[5]。同時，快遞企業對于專用智能快遞柜供應商也要提出相應參數的要求，例如在專用智能快遞柜安裝感應器，該感應器能夠在10米之內與無人機相互感應，引導快遞無人機自動投遞包裹于專用智能快遞柜。

3.1.5 電子導航系統數據更新滯后及其對策

無人機飛行要靠電子導航系統才能工作，但電子導航系統的數據無法實現實時、全面更新。例如剛搭起的電線和電塔、新移植的樹木、新建的樓房，這些短期變化在電子導航系統中不一定會馬上更新顯示。由于快遞無人機常用飛行高度從幾十米到幾百米不等，在飛行過程中，尤其是在全自動化的起飛或降落時，上述未更新的電子導航系統規劃的飛行路線會引發無法控制的風險。

為了應對電子導航系統可能存在的數據更新滯后，快遞企業可利用無人機的航拍功能，定期對快遞無人機航線進行檢查，及時發現航線上可能對飛行安全產生影響的新變化并對航線或飛行高度做出調整。對于飛行過程的意外墜落，快遞企業可以調出無人機上配備的飛行數據記錄儀，俗稱飛機“黑匣子”， 查看飛行日志，檢查電路板是否存在異常情況，如果問題確實出在飛行器本身或是航線規劃不當，須向客戶賠付貨物在內的全部損失，而飛行日志也同時成為保險理賠的有效依據。

3.2 技術優化對無人機快遞運營成本影響分析

據金融研究公司ARK Invest的研究顯示，亞馬遜無人機送快遞每件成本約1美元，只相當于當前其當日達快遞服務7.99美元的一個零頭。而國內快遞巨頭順豐的當日達，只承諾非高峰期上午10點前快件到達快遞員手中的情況下當晚8點前可以送達，2kg貨物的費用為14元。快遞無人機運營成本主要包含無人機飛行器采購成本、保險費、充電電費、運行維護費和地面人力支持成本等五部分(詳見表1)。表1對載重量平均2kg、航程10km的快遞無人機按每天平均運營60次計算其平均單次運營成本，根據采購無人機飛行器成本1萬元、2萬元和4萬元這三個級別，按第三者責任險保額20萬元和機身全保進行計算對應保費分別約為5000元、7000元和9000元，并設定每天設備維護費按采購成本的4‰計算，經過攤銷每單無人機快遞運營成本分別為6.42元、7.41元、9.29元，都低于國內外當日達業務的成本。其中人力支持成本占總成本比例分別為77.8%、67.5%、53.8%，而飛行器采購成本、保費和維護成本合計占比為17.5%、28.5%、43%。

表1 無人機運營成本分析(表中以平均值計算)

由此可見，對無人機快遞服務系統尤其是飛行控制子系統的技術優化，快遞企業可以通過對無人機適當配置必要的先進設備和新材料，例如在無人機上使用輕質高強度復合機身材料，配備高性能電池、慣性導航系統、實時動態載波相位差分GPS(RTK)和“黑匣子”等設備，這些能夠提高無人機快遞服務系統的飛行續航能力、飛行安全性和智能化程度，盡管這些配置也提高了無人機的采購成本、保費和維護成本，然而即使由此所帶來的成本成倍提高，對單件攤銷成本影響有限(如表1所示)，對運營成本影響不大。控制運營成本需要抓住的是降低人力支持成本這個主要矛盾，即將無人機快遞服務系統中人機協作的人盡可能釋放出來，這也是無人機快遞服務系統發展的長遠目標。

4 結語及進一步研究方向

無人機快遞服務系統的構建需要三大子系統——快遞保障系統、飛行控制系統和第三方(民航監管部門)管理平臺互融協同發展。本文利用系統論、根據三大子系統在實踐中開發和應用程度的不同，對三大子系統進行研究并各有側重點。本文研究分析的“在構建快遞保障系統的體系中建設無人機動力快速補充站、無人機快遞配送收發站或無人機專用智能快遞柜并實現相應的功能”，以及本文提出的“搭建第三方(民航監管部門)管理平臺對無人機快遞進行監管”，在實證研究上幾乎還是空白，上述的探索性研究指明了無人機快遞服務領域的進一步的研究方向：第一，構建快遞保障系統體系中建設的各軟硬件設施設備對物流企業的成本影響；第二，快遞企業如何與民航監管部門合作開發并協同運作第三方管理平臺。

[1] 李德仁,李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報(信息科學版)，2014(5)：505-508.

[2] 劉樹鋒,陳欣,劉標.小型化無人機實時飛行仿真系統結構設計[J].兵工自動化,2014(6)：27-31.

[3] Hua Min Zhang,Li Li.A Flight Evaluating System Using Flight Gear[J].Applied Mechanics and Materials,2013,2560(347):891-894.

[4] 李銘.無人機在海外市場中新建通信基站無線設計勘察中的運用探討[J].信息通信，2016(2)：229-230.

[5] 林鷹.無人機進軍空中快遞業[J].交通與運輸，2014(1):41-42.

責任編輯：張曉輝

Research on the Construction and Technology Optimization of UAV Express Service System

WANG Yan

(Department of Economics and Trade， Fujian Commercial College, Fuzhou 350012, China)

The building of UAV express service system can promote the scale applications of UAV in the express service industry. This study considers that the building of UAV express service system can be implemented through the construction of the express safeguard system, flight control system and management platform of the third-party civil aviation regulatory authorities.This paper analyzes the functions of these subsystems. From the endurance ability, loss of lock and communication interferences of satellite signals, poor resistance against water and strong turbulence, positioning accuracy, lag of data updating in electronic navigation system and other aspects，measures to improve the related technologies of UAV express services system are put forward so as to enhance express service capacity, and the impact of technology optimization on UAV express operating costs is explored.

UAV for express; UAV express services; express safeguard system; supervision; technology optimization

2016-04-06

福建省中青年教師教育科研項目(JAS160664)

王琰(1981-)，女，福建福州人，講師，碩士，主要從事物流管理研究。

C931

A

1009-3907(2016)12-0081-05