無人機在物流末端配送中的應用研究

馬永紅

（青島職業技術學院 商學院，山東 青島 266555）

無人機因其具有自重輕、速度快，可以規避城市交通擁堵，能跨越山地湖泊等特殊地形的優點，采用無人機配送可縮短物流配送時間、降低物流成本，從而使其物流配送應用范圍越來越廣。近兩年，由于新冠疫情具有強大傳染性，使得無接觸配送受到了人們的廣泛關注，促進了前沿末端物流配送工具如無人機、無人機車和配送機器人等得到推廣應用。

1 無人機配送產生的背景

1.1 新冠疫情成為電子商務快速發展的助推器。近幾年，電子商務發展動力依然強勁，快遞業務量的大幅增長就是最直觀的體現，全國快遞業務量2019 年達635.2 億件、同比增長25.3%，2020 年達833.6 億件、同比增長31.2%，2021 年1 083.0 億件、同比增長29.9%；值得注意的是，2020 和2021 兩年電子商務和快遞業逆勢增長，漲幅超過前兩年。眾所周知，2020 年初一場席卷全球的新冠疫情擾亂了世界，很多行業不得不停工歇業，一些企業原有的工作計劃、發展戰略中止，造成了嚴重的經濟損失。疫情防控期間，面對隔離時醫院和社區的醫療物資和生活必需品的需求壓力，無人配送系統因其“高效率”、“零感染”等特點，凸顯了其在“最后一公里”末端配送服務鏈中的重要作用。少外出、不聚焦，大量購物從線下轉線上，無接觸配送，是電子商務和快遞逆勢增長的重要推手。

1.2 快遞“最后一公里”配送難問題依然嚴峻。在大中城市隨著菜鳥驛站和豐巢快遞柜的普及，使配送效率大幅度提升，但物流末端配送成本高、快遞從業人員工作強度大、運輸工具不達標、安全性得不到保障等問題突出，從而導致整個快遞行業招工難、留人難、成本飆升。對于城市配送中的生鮮商品和其他急件，時間上也是很難保障?？旒M入社區樓群等地區后，因導航尋找路徑相對不便，導致配送效率降低。與此同時，高頻次配送、全天候配送也是對騎手精力和時間的嚴峻挑戰。

近些年，農村電商發展迅速，但鑒于農村地廣人稀，鎮與鎮之間距離較遠，農民居住地比較分散；加上農民個人購入的快遞數量不多，快遞員下鄉投遞成本高，“最后一公里”配送成本更是居高不下。資料顯示，快遞業在農村市場處于低利潤甚至虧損狀態，所以真正最末端的村級物流服務網點基本沒有，真正意義上的農民網購送貨上門還沒有完全達到。

1.3 無人機末端配送是解決物流勞動力短缺的關鍵措施。截至2021 年末，我國60 周歲及以上人口達2.67 億，占總人口比重達18.9%，正以世界第一增速持續上升。《中國發展報告2020：中國人口老齡化的發展趨勢和政策》預測，“十四五”規劃時期是中國建設社會主義現代化強國的關鍵期，中國將不可逆地進入老齡社會，老齡人口的迅速增長使中國面臨“未富先老”的發展困境。快遞業一直是勞動密集型行業，隨著人口紅利的消失，依靠人力資源投入的物流發展模式將難以為繼，且無法滿足日益高速發展的物流業需要。采用人工智能技術，開展物流末端無人機配送，是應對中國人口老齡化、解決勞動力短缺的一項有效措施。

1.4 人工智能技術的成熟成為無人機配送的引擎。隨著移動互聯網技術、云計算技術的爆發，積累了歷史上超乎想象的數據量，這為人工智能的后續發展提供了足夠的素材和動力，以深度神經網絡為代表的人工智能技術飛速發展，大幅跨越了科學與應用之間的“技術鴻溝”，迎來爆發式增長的新高潮。人工智能、大數據、云計算、物聯網技術，共同構成了21 世紀第二個十年的技術主旋律。人工智能作為新一輪科技革命和產業變革的核心力量，正在推動傳統產業升級換代。智能計算可以重構物流運作流程，隨著人工智能發展，物流過程可能被分解為若干個并行過程。除了設備的互聯互通之外，車輛和設備也可能應用人工智能，車輛可與配送中心自動安排裝卸時間、與維修中心自動安排修理時間。在物流系統范圍內，采用人工智能技術，它們自動決策、自動檢測、自動修理等很多活動都可以自動按流程去排序。這些活動也可以不進入云計算中心平臺，大大提高系統計算效率和反應能力。

2 無人機物流配送范圍的確定

2.1 無人機配送重量的確定。人工配送出現的破損一直是困擾物流公司的一大問題，統計資料顯示，破損率與快件的重量有關，絕大多數破損都發生在1.5～10kg 的快件范圍以內，尤其是3～10kg 范圍內發生的破損數量最多，比例高達50%以上。無人機配送，快件的安全性大幅度提升，故選擇破損最多的3～10kg 范圍的快件作為主要配送目標。

2.2 無人機配送距離的確定。普通的快遞末端配送范圍小，習慣稱末端配送為“最后一公里”配送，其在城市中的配送范圍約為1 公里，在農村區域范圍要大的多，一個快遞員可以覆蓋幾個行政村。目前技術比較成熟的無人機航程可達20km 左右，單航程可以達到10km，可以擴大末端配送范圍，由1km 擴展到10km。配送區域范圍的擴大，可以大量縮減分揀中心的數量，有利于集中人力物力開發和配置智能化設施設備，適應物流業智慧化變革。

2.3 無人機配送對象的確定。隨著人們生活水平的提高，大家對生活品質的要求也越來越高，線上購買綠色無公害的生鮮商品已是常態，但生鮮配送一直以來存在著時效性差、效率低、成本高的問題。無人機配送具有方便、快速、安全性高、配送距離長的特點，故從對時間要求高的生鮮商品入手，可以做到客戶從線上下單到配送到門30 分鐘完成，保證貨品的新鮮度和及時性；其次考慮緊急物品和貴重物品的配送。

2.4 無人機配送區域的定位。無人機具有速度快、配送區域廣的特點，首先向農村配送貴重件、緊急件及生鮮件，其次在繁華擁堵大城市配送緊急重件和生鮮商品。

表1 國內外主流物流無人機載重量與續航能力

3 無人機配送流程和相關技術裝備

3.1 無人機配送流程（見圖1）。

圖1 無人機配送流程及采用技術匹配圖

3.2 無人機信息技術。后臺信息系統：接收并處理訂單信息和進行訂單配送狀態確認，根據訂單處理結果控制無人機訂單調度排隊并反饋訂單的貨物信息，控制無人機配送訂單調度排隊，規劃無人機從配送中心至目標配送位置的優化路徑。

云端數據庫：與后臺信息系統通信，實現數據的存儲和調用，云端數據庫包括三維地理信息數據庫和訂單信息數據庫，三維地理信息數據庫存儲各個目標配送地點、無人機航線以及飛行區域的位置信息模型（三維）。

無人機飛控中心：通過調度中心的大屏幕可以清晰地看到每一架無人機的坐標位置和飛行參數。運營調度中心可以對航線、配送無人機的性能和狀態、訂單數據等進行全面管理與實施監控。有了基于飛控中心的調度，將實現無人機自動裝載、起飛、巡航、著陸、卸貨、配送、返航等覆蓋物流配送的全部流程，可以保障飛行安全性及運送便捷準確性。

人臉識別系統：人臉識別系統以人臉識別技術為核心，利用計算機圖像處理技術從視頻中提取人像特征點，利用生物統計學的原理進行分析建立數學模型。用于無人機識別客戶，免于貨物被不法分子取走，發生貨物安全性出問題。

無人機避障系統：用于成功探測和規避飛行路線中出現的靜態和動態障礙物，免于發生碰撞事故。

用戶終端App：進行無人機配送訂單下單和配送信息確認。

3.3 無人機相關裝置。無人機收貨裝置：用于無人機進行目標配送位置識別，接收無人機在目標配送位置上投遞的目標貨物，并向后臺信息系統反饋貨物接收狀態。

無人機：獲取目標配送位置和配送時間，自動裝載目標貨物并在配送時間啟動無人機配送飛行，根據航跡路徑將目標貨物配送至目標配送位置，并將目標貨物投遞到戶外家裝收貨裝置中，然后返航；或在配送時間啟動無人機配送飛行，根據航跡路徑飛行至目標配送位置，裝載目標貨物并返航；無人機電池是續航能力的瓶頸。

4 無人機配送發展存在的問題及應對措施

盡管無人機技術發展速度很快，但在無人機配送方面還沒有得到廣泛應用，主要存在以下幾個方面的問題，續航能力差、空域限制問題和配送安全問題。

4.1 無人機續航能力差問題。目前世面上無人機電池多采用的鋰電池，具有續航能力差、供電不穩定的特點，續航時間以30到60 分鐘居多，不能滿足無人機長距離運送貨物的要求，成為無人機物流配送的關鍵問題。鑒于鋰電池受限于其能量功率密度已經無法實現更高倍數進的理論瓶頸，改變無人機的動力系統迫在眉睫。近段研發的以氫為能源的燃料電池具有噪音低、污染小、能效高、壽命長等優點，可以有效地克服鋰電池續航能力差的弊端，成為無人機理想的動力系統。但氫燃料電池也存在一定的缺點，放電功率低，飛機起飛所需的高能量不易滿足，此缺點剛好可以由鋰電池滿足。這樣利用燃料電池較高的能量密度，用于飛行途中的長時間放電，借助鋰電池較高的功率密度，在起飛階段高功率放電使無人機順利起飛。優勢互補，可將鋰電池與燃料電池共同組成混合動力系統，以達到既能提升無人機的瞬間功率，又能延長續航時間的效果。

4.2 無人機配送空域限制問題。近幾年，隨著人工智能技術的成熟，無人機應用范圍和發展勢頭迅猛，在物流配送領域的應用也日趨廣泛。作為一種新型配送工具，可以大幅度提升配送效率，但其運行仍存在著安全隱患。鑒于民航安全、國家軍事機密以及政府敏感部門信息安全，民用無人機飛行空域受限。為了有效促進無人機物流配送發展，建議我國進一步拓展低空空域管理改革試點，推進低空空域分類劃設、低空航線網構建、跨省通用航空飛行服務保障等機制建設。選取通用航空產業基礎好、發展潛力大的地區劃設跨省低空飛行航線，實現短途運輸、通用航空器跨區交付、轉場常態化飛行。簡化飛行審批環節，優化審批流程，壓縮審批時限。

4.3 無人機配送安全問題。安全問題這里主要探討無人機本身的安全、快件的安全、公眾人身及財產安全問題。

（1）無人機自身的安全。無人機進行物流配送時屬于遠程操控，操作員不可能全面掌握所有的情況，無人機可能受到有意或者無意的攻擊，如飛鳥、彈弓等，甚至被不法分子攔截，飛行過程中遇到大風、大雨等天氣，也會威脅到無人機的安全。對于無人機受到攻擊的情況，可以通過設計無人機的敵意操控和攻擊規避裝置來減少或者避免外來的攻擊。對于天氣原因造成的無人機安全，則可以從無人機材料的選擇、流線型設計等方面進行改善，以滿足大風和大雨天氣正常開展物流配送的需求。

（2）快件的安全。輕型無人機一次配送一件快遞采取抓取方式可以避免人工輔助放置貨物環節，到達目的后無人機也可以直接將快件放置于指定地點，自動化程度高，能有效提高配送效率。但此種方式的弊端在于無人機運行過程中貨物有掉落的風險，貨物損壞和造成公共安全的隱患。目前，為了防止快遞的掉落，物流無人機大多采用快遞盒攜帶快遞，以防止無人機在空中飛行過程中快遞掉落，物品摔壞，也防止對地面人、物等造成危害。

（3）公眾人身及財產安全。公眾安全方面，由于物流無人機配送途中有可能偏離航線、出現亂飛現象影響航空飛行；飛行過程中出現機械故障、電池電量不足、遇到障礙物等意外情況無法正常飛行，將會對地面人員、建筑、物品造成嚴重的沖擊，影響公眾人身及財產安全。為防止無人機公共安全的發生，首先進行地理設限。對于機場、軍事基地、政府部門等禁飛區，限定無人機的飛行區域，不能進入。如果無人機遇到重要機械故障，或者遙控失靈的情況下，無人機配備緊急降落裝置，保證其能安全緊急降落。當遇到電池電量不足，無人機完全失去動力時，應為無人機配備降落傘，減少對地面的沖擊，保障無人機、貨物以及地面人和物的安全。另外還需要為無人機配備無電狀態下仍能通過定位找到的裝置。

5 總結與展望

隨著人工智能技術的進一步成熟和勞動力成本的進一步提高，智慧物流的發展已勢在必行，無人物流是解決“最后一公里”末端配送的有效手段。無人機是應對城市擁堵配送效率低的有效措施，也是解決偏遠地區配送成本高的有效途徑。在不久的將來，無人機電池續航能力差、空域限制問題和配送安全問題得以解決，將是無人機配送得以廣泛應用的開端。