物流無人機的發展與應用

供稿/中通無人機團隊

基于配送需求劇增、人力成本飆升、服務場景復雜等多因素驅動，加之相關軟硬件技術的進步，使無人機達到了實用性的基本要求，并共同促成了一個物流創新的“變局”—無人機物流。無人機被認為是解決配送“最后一公里”難題的有效手段。未來，物流無人機定將成為現代物流業不可或缺的基礎設施，助力物流業實現跨越式發展。

無人機（Unmanned Aerial Vehicles，簡稱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。無人機的主要價值在于替代人類完成空中作業，并且能夠形成空中平臺，結合其他部件擴展應用。無人機按應用領域分為軍用級及民用級；民用方面，又分為消費級和工業級。目前工業級無人機已廣泛應用于農林植保、電力巡線、邊防巡邏、森林防火、物流配送等領域。

一、物流無人機優勢

1.方便高效、超越時空

相比于地面運輸，無人機具有方便高效、節約土地資源和基礎設施的優點。在一些交通癱瘓路段、城市的擁堵區域，以及一些偏遠地區，地面交通無法暢行，導致物品或包裹的投遞比正常情況下耗時更長或成本更高。在某些環境和條件下，只有無人機運輸方式才能實現“可達性”，這是其它方式所無法替代的。并且物流無人機通過合理利用閑置的低空資源，有效減輕地面交通的負擔，節約資源和建設成本。

2.成本低、調度靈活

中通快遞發布第一代油電混合物流無人機—普羅米修斯1600A

中通無人機成功將包裹送至消費者手中

相比于一般的航空運輸和直升機運輸，無人機運輸具有成本低、調度靈活等優勢，并能彌補傳統的航空運力空白。隨著航空貨運需求量逐年攀升，持證飛行員的數量和配套資源、以及飛行員和機組成員的人工成本等成為發展的制約因素。而無人機貨運的成本相對低廉，且無人駕駛的特點能使機場在建設和營運管理方面實現全要素的集約化發展。

3.人機協同：破解人口老齡化難題

人口老齡化問題幾乎在影響著全世界，每逢節假日和物流高峰期，人工短缺和服務水平降低的問題往往會暴露無遺。無人機號稱“會飛的機器人”，如果能在盤點、運輸和配送等物流環節加以合理的開發利用，并輔以周密部署和科學管理，就能銜接配合好其它作業方式，節約人工，通過協助人力發揮“人機協同”效應，能產生最佳效益。

4.產能協同和運力優化

在科學規劃的基礎上，綜合利用互聯網+無人機、機器人等技術和方式，能實現產能協同和運力優化。為了處理一些快速交貨和連續補貨的訂單，亞馬遜、沃爾瑪等企業在建設先進的信息系統、智能倉儲系統，以及優化業務流程的基礎上，還規劃了智能、高效的無人機城市配送中心（例如亞馬遜的無人機塔），以及“無人機航母”（空中配送基地）等。

圖1： 2010-2018年中國快遞業務發展情況

圖2： 2012-2017年中國勞動年齡人口數量

作為新技術的應用，無人機送貨是對傳統方式的有益補充，傳統的“鐵公機”、管道運輸、水運和多式聯運，加上無人機的末端配送和支線運輸，必將使現代物流的服務能力再上新臺階，其整體的效率、成本和運力也將得到優化和重構。

二、物流無人機發展背景

1.配送需求劇增

據國家郵政局統計數據顯示：“十二五期”間，國內快遞業務量連續5年保持50%左右的高速增長（見圖1）。自2017年5月以來，我國已常態化進入單日快遞“億件時代”，不斷增長的業務量使得傳統的投遞方式越來越難以滿足日益增長的服務需求。

2.人力成本飆升

自2012年起，我國的適齡勞動力人口連續6年下降。伴隨著人口紅利的消退，快遞企業開始面臨人工成本高、配送難的現狀（見圖2)；對快遞企業來說，如何解決用工成本高、末端配送難，讓快件更快到達消費者手中成為痛點問題。現階段，快遞企業努力實現業務環節的自動化、無人化，這是成本控制的需要，也是行業進步的需要。

3.服務場景復雜

在偏遠山區、交通不便的農村地區，物流配送一直是個難題。有資料顯示，農村地區 “最后一公里”的物流成本更高，占到整個物流成本的30%，在交通運輸基礎設施落后的情況下，物流無人機能夠凸顯獨特優勢，提升物流網點與終端之間的流轉效率。無人化物流技術設備的應用將成為推進物流行業發展的新動力并成為推動快遞行業結構優化升級、發展提速增效的強大動力。

基于上述多個因素的共同驅動，加之相關的軟硬件技術的進步使無人機達到了實用性的基本要求，這便共同促成了一個物流創新的“變局”—無人機物流。

三、無人機在物流行業的應用

1.大載重、中遠距離支線無人機運輸

送貨的直線距離一般在100km～1000km左右，噸級載重，續航時間達數小時。這方面的應用主要有：跨地區的貨運（采取固定航線、固定班次，標準化運營管理）、邊防哨所、海島等物資運輸、以及物流中心之間的貨運分撥等。

2.末端無人機配送

空中直線距離一般在10km以內（對應地面路程可能達到20 km～30km左右，受具體地形地貌的影響），載重在5kg～20kg左右，單程飛行時間在15～20分鐘左右（受天氣等因素影響）這方面的應用比如派送急救物資和醫療用品、派送果蔬等農土特產物品等業務。

3.無人機倉儲管理

例如大型高架倉庫，高架儲區的檢視和貨物盤點；再如集裝箱堆場、散貨堆場（比如煤堆場、礦石堆場和垃圾堆場）等貨棧堆場的物資盤點或檢查巡視。

另外，在緊急救援和運輸應急物資等方面，無人機能發揮常規運輸工具無法比擬的優勢，并能把現場信息第一時間傳至指揮中心。無論是哪一種類型，其成功的應用必須以準確的市場定位為前提，以此為基礎把握用戶需求，在技術維度科學設計適合對路的產品，在實用性、經濟性和可靠性等方面力爭做到最優，并以精細規范的管理作為配套，最終達到用戶滿意的效果。

四、行業布局

近年來，快件業務量每年持續攀升。目前每家快遞公司的快遞員都在10萬以上，隨著人力資源昂貴、密集勞動力管理粗放等問題，地面運輸和人力已經無法滿足快遞企業的需求，快遞物流企業紛紛布局物流無人機，主要企業有順豐、京東、蘇寧、中國郵政、中通、菜鳥、韻達、圓通等。

1.順豐

順豐在2012年提出無人機物流概念。2015年與成都中科航空成立朗星無人機公司2017年，順豐在無人機物流方面取得進一步進展，當年6月21日，與江西贛州市南康區聯合申報的物流無人機示范運行的空域申請得到正式批復，成為國內第一家獲得正式審批的物流無人機示范空域企業；當年6月29日，在獲批空域內進行了首次運營飛行。

順豐無人機

京東末端無人機

中通無人機

2017年10月30日，由陜西煉石有色資源股份有限公司、順豐控股(集團)股份有限公司、北京汽車集團有限公司、中科院工程熱物理研究所共同研發的全球首款噸位級貨運無人機AT200完成首次公開飛行。

2018年3月，順豐獲批國內首張無人機航空運營許可證（試點），這也標志無人機送貨常態化和商業化正式進入合法運營階段。

圖3： 飛控系統構成及性能

圖4： 無人機九大動力系統

2018年10月24日，順豐獲批了陽澄湖空域的無人機應用許可，這是繼贛州后順豐拿下的又一空域，現已用于大閘蟹等特色生鮮水產的無人機運輸。

按照順豐的規劃，未來要通過“大型有人運輸機+支線大型無人機+末端小型無人機”三段式空運網，實現36小時通達全國。

2.中通

目前中通快遞無人機主要聚焦末端配送及支線運輸，利用末端配送無人機對跋山涉水、孤島等地形地勢復雜地區的快件進行收派服務，提升網絡覆蓋率，提高整體服務時效。在末端配送方面，相對于人工配送，無人機具有不受地形限制、直線距離短、調度靈活、速度快效、率高等特點。以2017年7月在浙江樂清的配送為例，試運行路線是從樂清天成工業園區天工二路到樂清第一經濟開發區，全程直線距離14.1公里。如果由快遞員派送，在全程不堵車的情況下最快需要50分鐘，而采用無人機投放，只需要20分鐘時間，配送時效提高60%。

2018年10月，中通快遞在陜西獲得軍方在內的相關監管部門的空域批文，正式啟動常態化運行；2018年11月，中通快遞第一代油電混合物流無人機—普羅米修斯1600A發布，并同西安航空基地、西部機場集團簽署戰略合作協議，就共同打造西北地區空中救援機場網絡布局達成合作。

普羅米修斯1600A無人機是為實現偏遠山區快遞投送研制的第一代末端物流無人機系統，創新采用了油電混合動力，并采用一臺2.4千瓦燃油發電機對無人機進行供電，使用汽油作為燃料，通過燃油轉換成電力，配備雙供電冗余動力系統，最長可提供滿負載1.5小時的續航飛行，突破里程限制，有效解決無人機續航短的痛點，該款無人機于2018年12月7日在國家級貧困縣陜西旬陽完成山區惡劣天氣條件下首次載貨飛行。

未來，中通快遞會根據業務及管理需求與無人機公司深度合作，共同研發多種型號的無人機以滿足多種場景的應用需求，打造物流無人機自有平臺，探索更多的運營模式。

3.京東

2016年5月京東成立X事業部，規劃建設了“干線—支線—末端”三級無人機通航物流體系，2016年6月18日在中國宿遷進行了首次無人機配送試運營，2017年京東智慧物流全國運營調度中心在宿遷正式投入使用，在西安和宿遷實現常態化運營。此外，京東官網稱已獲得了覆蓋陜西省全境的無人機空域書面批文，目前，京東已在陜西、福建、海南等地開展了大規模的無人機驗證飛行。

五、物流無人機主要構成及技術難點

1.主要構成

飛控系統、導航系統、動力系統、通信鏈路系統均是無人機的核心技術，也是現階段無人機廠商獲取核心競爭力的重要因素。

（1）飛控系統：無人機的“大腦”，更精確、更清晰

飛控系統是無人機完成起飛、空中飛行、執行任務等整個飛行過程的核心系統，相當于飛行器的“大腦”。飛控一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分，主要實現無人機姿態穩定和控制、無人機任務設備管理和應急控制三大功能（見圖3）。

（2）導航系統：無人機的“眼睛”，未來多技術融合是發展方向

導航系統為無人機提供參考坐標系的位置、速度、飛行姿態等信息，引導無人機按照指定航線飛行，相當于無人機的“眼睛”。無人機機載導航系統主要分GPS和慣性制導兩種，但分別有易受干擾和誤差積累增大的缺點。未來無人機的發展要求障礙回避、物資或武器投放、自動進場著陸等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干擾性能，因此多種導航技術結合的“慣性+多傳感器+GPS+光電導航系統”將是未來發展的方向。

（3）動力系統：渦輪有望逐步取代活塞，新能源發動機提升續航能力

動力系統通常有電動機和內燃機(活塞發動機、渦軸發動機、渦噴發動機)兩種類型。小型無人機主要以電動機為主，中、大型無人機以內燃機為主。不同用途的無人機對動力裝置的要求不同，但都希望發動機體積小、成本低、工作可靠。

無人機目前廣泛采用的動力裝置為活塞式發動機，但活塞式只適用于低速低空小型無人機。低空無人直升機一般使用渦軸發動機，高空長航時的大型無人機一般使用渦扇發動機。微型無人機(多旋翼)一般使用電池驅動的電動機，一般起飛質量小于10kg、續航時間小于1小時。

隨著渦輪發動機推重比、壽命提高、油耗降低，渦輪將取代活塞成為無人機的主要動力機型，太陽能、氫能等新能源電動機也有望為小型無人機提供更持久的生存力（見圖4）。

（4）通信鏈路系統：“放風箏的線”，向高速率、高帶寬發展

通信鏈路系統是無人機的重要技術之一，負責完成對無人機遙控、遙測、跟蹤定位和傳感器傳輸，上行數據鏈實現對無人機遙控、下行數據鏈執行遙測、數據傳輸功能。普通無人機大多采用定制視距數據鏈，而中高空、長航時，無人機則都會采用視距和超視距衛通數據鏈。

現代數據鏈技術的發展推動著無人機數據鏈向著高速、寬帶、保密、抗干擾的方向發展，無人機實用化能力將越來越強。隨著機載傳感器、定位的精準程度和執行任務的復雜程度不斷上升，對數據鏈的帶寬提出了很強的要求，未來隨著機載高速處理器的突飛猛進，預計幾年后現有射頻數據鏈的傳輸速率將翻倍，未來在全天候要求低的領域可能還將出現激光通訊方式。

2.技術難點

（1）路線規劃和自動避障

由于路途情況比較復雜，現在的無人機還很難進行自主路線規劃。要想實現自主路徑規劃，解決自動避障問題勢在必行，如何安全地讓飛機避開障礙物，同時又不偏離航線，這是無人機目前面臨的主要難題之一。

（2）續航能力

礙于電池的重量和體積，目前的無人機為減輕機身的起飛質量，搭載高蓄電量的大型電池。但物流無人機必須保證長時間、大航程的作業，因此，降低能耗、提升能量的利用效率是目前相對可行性方案。

（3）安全性問題

惡劣天氣下，特別是強降雨天氣下，如何保障物流無人機的安全飛行也是當下亟需解決的重要問題。由于無人機的大部分控制系統由電子元件構成，在降雨天氣下，如果不能保證各部件的防水性能或者沒有采取合理的防水措施，將會導致無人機短路，中斷工作任務甚至危害到其他人的生命安全。

六、物流無人機發展瓶頸及阻礙

1.技術開發不成熟

目前的無人機產品故障率高，無法保證穩定性、良品率和適應性，無人機關鍵技術水平難突破，其研發能力還需加強。無人機還存在諸如GPS信號丟失之后無人機漂移問題、續航問題、穩控問題、負荷有限、機身不夠耐久、抗風雨能力弱、維修、網絡連接不穩定等問題。目前國產工業級無人機的技術并不成熟，性能不穩定，無人機的智能性并不能滿足使用需求，這成為制約其商業應用的核心問題，阻礙著更多的市場需求釋放。

2.產業市場不完善

無人機產品性價比不高，技術水平相對落后，導致國產無人機接受程度低、受眾規模小，推廣工業級民用無人機依靠政府補貼和項目扶持的模式不可持續，這些因素在一定程度上制約了我國民用專業無人機產業發展。

3.監管政策不健全

民用無人機墜毀，傷及人、財物，擾亂空中秩序和危及公共安全的事件時有發生，造成嚴重的安全隱患。生產技術不高、低成本生產，以及使用者操作不規范和不守法的運營是主要原因。我國無人機政策管理條例雖然有，但法律屬性尚不明晰，規定的內容比較籠統，而且缺乏強制執行效力和可操作性，申請流程也不明確，存在著不全面，執行監管不到位的局面，無法解決民用無人機可能帶來的安全問題。

各國的無人機送貨尚處于測試階段，各國對無人機送貨的監管規則極為匱乏，存在著諸多空白領域，急需通過大量的測試逐步建立相應的規則。總而言之，無人機貨運在今后的物流系統中一定會得到發展，未來的物流體系定位越來越智能，貨運速率會越來越快。盡早解決無人機貨運所面臨的問題，無人機物流系統就能更早的進入市場應用階段。

七、物流無人機未來發展前景

隨著對無人機應用價值認知程度的加深，以及對其作業半徑、遙控距離的更高要求，將促使無人機產品向更長航程、更大載荷方向發展，無人機技術的不斷創新必將顛覆物流行業的傳統作業方式；特別是無人機被認為是解決配送“最后一公里”難題的有效手段，需要制定出相關的標準、規范，發揮出技術和人才兩方面的優勢，才能更好地幫助無人機物流突破瓶頸。未來，物流無人機定將成為現代物流業不可或缺的基礎設施，助力物流業實現跨越式發展。