无人集群系统在现代物流中的应用展望

梁光霞

【摘 要】智能无人系统具有打通物流运输“最后一公里”的天然优势，日益受到各类电子商务物流企业的重视，并呈现集群化发展趋势。文章首先调研了无人系统在物流运输中的发展现状，并分析了无人集群物流系统的关键问题，包括无人集群物流系统管理架构、大规模在线路径规划/重规划、空间域运行冲突消解与感知规避、无人集群物流运输的监督控制等，然后展望了人工智能、5G、北斗系统等新技术对无人化物流运输带来的巨大变革。

【关键词】无人系统;集群系统;现代物流;人工智能

【中图分类号】F259.23 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0128-03

0 引言

自20世纪90年代以来，以无人机、无人车、无人船为代表的智能无人系统得到了空前的重视与发展，在国民经济、国防等各领域发挥着越来越重要的作用。但在未知复杂条件下（如复杂动态的野外环境、障碍物众多的城市环境等条件下的高效物流运输），单个无人系统受到载荷能力、机动性能等因素的限制，无法满足复杂应用任务需求，因此由多个无人系统组成相互任务关联的集群系统，以协作方式执行任务的形式应运而生。对无人集群系统而言，可通过平台的协调配合提高物流任务完成质量;可以在部分平台故障情况下通过任务的动态分配与调度提高任务成功概率;可以通过任务在平台上的并行执行缩短任务完成时间。因此，无人集群系统在近年来受到了国内外研究机构和企业的广泛关注。

当前，世界物流无人化产业发展正处在快速上升时期，表现为美国全面领先、欧盟积极跟随、中国从跟跑转向并跑、领跑的态势。我国企业在全球领先实现了无人机物流运输常态化运行，而无人车物流运输已经开展路面测试。未来，无人物流系统服务市场发展前景向好，发展趋势将是构建包括“干线—支线—末端”三级联动贯通的由陆海空无人系统组成的智能物流体系。这将会极大地降低配送人员的负担，降低物流相关成本，提升物流整体效率，打通交通受限地区及偏远乡村的物流运输“最后一公里”。

大规模无人集群系统参与现代智能物流运输，必将带来交通、物流、生产领域的革命性变化，无人集群物流系统技术也将面临诸多挑战。本文针对这一前沿发展问题展开探讨，分析了其中的关键问题，并做了应用展望。

1 无人系统在物流运输中的发展现状

无人系统是由无人平台、通信链路、任务载荷、控制终端组成的综合化系统。无人平臺是无人在其上操作，能够遥控或自主控制运行，带有动力的可重复使用的运动平台。“平台无人、自主运行、系统有人”是无人系统的典型特征。按照使用空间域，无人系统分为空中无人系统（无人机）、地面无人系统（无人车）、水面无人系统（无人船）、水下无人系统（无人潜航器）等。无人系统和机器人具有相似特征，但无人系统更强调“人在回路”控制。对于物流运输来说，更适合使用无人系统，其任务载荷就是所要运输的商品或货物。传说诸葛亮所发明的“木牛流马”便是早期用于物流的无人系统的雏形。

在中国航空运输协会的指引下，京东X事业部联合京东大数据研究院出版了全球首个《世界物流无人机产业发展年度报告（2017—2018）》。报告认为，当前世界物流运输无人化产业正处在快速发展期，美国、欧盟、中国等物流强国和地区竞相发展，包括亚马逊、谷歌、UPS、京东等企业先后对物流无人化应用开展了大胆尝试。美国是无人机物流产业领先者。2013年，亚马逊发布了无人机快递计划;UPS也开展了“无人机送货+无人仓”测试;2014年，谷歌在澳大利亚首次实现了无人机货物配送，2016年建成了投递测试和空管系统。欧盟也在积极布局。2013年，德国邮政首测无人机物流，2016年实现“无人机+快递柜”的整合;2014年，法国邮政首测无人机物流，2016年实现了自主空中运送;此外，芬兰和西班牙邮政等也开展了无人机快递试验。2017年，日本邮政、韩国邮政进行了无人机配送测试。

在物流无人机领域，中国正从跟跑走向领跑，在城乡同步展开。2015年，京东启动了无人机项目，逐步实现末端无人机常态化运行;2016年，中国邮政完成了无人机首次运送;2017年，顺丰完成大型货运无人机AT200首飞;2017年，中通也完成首飞测试。目前，京东、顺丰已在陕西、青海、江苏、海南等诸多省份建立起上百条航线，也覆盖数百个偏远乡村。

在物流无人船领域，2017年，“无人货物运输船开发联盟”成立筹备会在上海召开，加速推进能自动控制/远程操控、绿色安全的自主无人运输船。

在物流无人车领域，进行了大规模路测和试运行。2016年，京东自主研发了中国首辆无人配送车，于2017年逐步部署在北京、西安、杭州、长沙等环境相对封闭的校园及社区。目前，开始在开放的城市交通道路上进行物流运输的测试。无人车在配送基站完成商品装载后，可根据目标点自主进行路径规划，搜索最短路径，并能够即时规避拥堵路段。在行驶过程中如遇到其他车辆，还能够进行自主规避，遇到十字路口可识别交通红绿灯。当自动行驶到指定目标位置后，会通过手机短信、App等方式通知用户来收货。用户可通过手机一键开箱或人脸识别等方式取走相应包裹。

综上，各种无人系统用于物流运输将极大地降低货物配送成本。以前一单货物的人工配送成本为7～10元。而采用无人系统，即使将电池和相关损耗计入，一单货物的配送成本可以降低至1.5元以内，约为人工配送成本的1/6。这不仅极大地节省“最后一公里”人工配送的成本，更有利于降低快递人员的劳动压力，并进一步提升了用户的购物体验感。

3 无人集群物流系统的关键问题

无人集群物流系统定义为在一定空间域范围内，具备一定平台间通信条件、协同承担相应物流运输任务的多个无人系统构成的群组（Group）。无人集群物流系统涉及感知、判断、决策、控制、监督等方面，对于陆海空各域运输任务而言，需解决4个关键问题（如图1所示）。

（1）无人集群物流系统管理架构。系统管理架构决定了无人集群物流系统运行效率，主要分为分级结构式架构和平面结构式架构。在分级结构中，无人物流系统的通信系统以“簇”表示，每个簇由一个长机（簇头）和多个僚机（成员）组成。这种分层结构的最大好处是可扩充性优良，网络规模将不受限制。平面结构式中，多无人系统通过多跳自组织网络，形成蜂群状无中心分布式结构，所有无人系统节点具有平等地位，但这种结构的规模会受到通信路由协议消耗带宽的制约。综合考虑两类结构的优势，可以建立基于平行系统的无人集群物流系统管理与控制体系架构，平行系统中的智能体与无人平台同步运行，形成平行管理的系统管理架构，无人系统之间采用有限集中的分布式管理方式，从而实现态势共享、动态任务分配，最后实现一致性的集群运输行为。

（2）大规模在线路径规划/重规划。随着快递业务的飞速发展，大规模无人集群系统需要更加科学的路径规划方法。在完成运输任务分配和领受后，需要根据当前的复杂交通状况，确定每个无人机/车/船的最佳运行线路。然而城市、野外、水中环境都是复杂多变的，呈现高度不确定性，配送的任务也具有动态性和时效性。事先可以通过预规划为每个无人系统拟制详细的运行路径，但考虑到预先情报信息不准确且十分有限，无法应对环境和任务发生的种种变化。因此，根据实时获取的配送情报及交通信息，进行在线路径重规划是解决问题的重要途径，其问题求解空间规模庞大，这也决定了大规模在线路径重规划必须在优化质量和响应速度之间进行权衡。现有的研究主要是提高规划算法的速度，但是在规划机制方面的研究较为欠缺。因此，除针对特定任务设计合适高效的在线计算方法，并提高算法适应性外，还要设计分布式优化规则，缓解在线计算压力。

（3）空间域运行冲突消解与感知规避。只要任务环境中存在两个以上的运动体，或是一个运动体在有静止障碍的环境中运动，都会发生“时空冲突”，即和其他运动体过度接近的状况。空中、地面、水面、水下等各域无人系统在时空四维空间中运行，发生时空冲突不可避免。进行冲突消解的方法有四大类：一是基于规范的方法;二是优化性能指标的方法;三是基于势场的方法;四是基于人工调整的方法。为提高无人集群系统的主动安全和生存能力，单个无人系统必须具备自主感知与规避能力。一是具备平台间局部感知能力，可以对集群内临近无人平台进行状态预测与跟踪，以实现对友邻平台的避碰，保持集群的编队队形。同时，集群系统需对前方碰到的障碍做出有效反应，灵活实现编队队形变换，通过障碍物后重构队形。

（4）无人集群物流运输的监督控制。无人系统自主能力处于发展阶段，可能是操作员遥控，可能是半自主，将来还可能高自主，系统需要操作员的介入时机、频率和程度各不相同。较低自主能力的无人系统组成集群，需要操作人员管理与协调的事情较多;较高自主能力的无人集群系统的需求少。通过引入多智能体系统，依托多个智能体完成对应无人系统的监督控制。对于无人集群物流运输而言，无人系统数量更多，种类各异，环境更复杂，必须发展新的监督控制系统，目标是实现“人机比<<1”。依据《美国无人机系统飞行计划2009—2047》，随着科技的快速发展，一名操作人员将能够控制多架多任务无人机，从而完成“更加集中、更加持续、更具规模”的复杂物流任务，人的作用也逐渐从“人在回路中”变为“人在回路”，甚至“人在回路外”。

4 应用展望

人工智能等技术的发展，将给物流技术带来了革命性变化，呈现无人化、信息化、智能化、精确化等特征。从有人操作到远程操作再到自主运行，加之续航能力、荷载能力的进一步提升，无人集群物流系统的使用场景将进一步扩大，未来无人化运输会越来越繁忙。

（1）人工智能技术和无人集群系统的结合，提升了无人系统自主性，使得无人系统成为人的“忠诚速递员”。国务院《新一代人工智能发展规划》指出，人工智能发展已进入新阶段，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征;大数据驱动知识学习、跨媒体协同处理、人机协同增强智能、群体集成智能、自主智能系统成为人工智能的发展重点。人工智能技术将带来无人集群系统自主能力的跃升，向更高自主迈进。未来，无人集群物流系统将实现自主化的服务，能够在人最少干预下自主完成大规模货物运输任务，成为人的“忠诚速递员”。

（2）5G技术和无人集群系统的结合，提升了通信和管理效率，实现物流的强实时服务。无人集群物流系统对集群通信具有更高的要求，而5G恰好可以满足这一需求。5G的性能目标是高带宽、低时延、能耗和成本大幅降低、大容量支持大规模设备连接。ITU IMT-2020规范要求速率高达20 Gbit/s，可实现大容量MIMO。基于5G，实现车联网、机联网、船联网，达到真正的万物互联，无人集群物流系统将实现更加快速的响应、更加便捷的服务，建设智慧化城市和乡村，支持未来城乡一体化发展。

（3）基于“北斗”的无人系统交通管理，将彻底解开无人系统融入现有交管體系的羁绊，实现高精准服务。目前，我国针对无人机的监管主要分为无人机系统、无人机驾驶员、无人机运行空域3个方面，先后出台了《低空空域使用管理规定》《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》《民用无人机驾驶员管理规定》《无人机围栏》等法规，而《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》正由司法部主导征求意见。这些已经发布和正在制定的法律法规为陆海空各域无人系统参与物流运输提供了法律依据和标准规范。同时，随着我国北斗导航系统的全球化建设和导航精度的不断提升，未来无人集群系统的定位将越来越精确化，无人化物流运输必将获得极大发展，更加便捷地融入现有交通、航空、航海管理体系。

综上，随着无人集群系统关键技术的突破、新技术的应用，以及无人系统交通管理法规的日益完善，无人集群系统用于物流运输的领域将日益扩大，带来生产效率的极大提升，使人民生活更加便捷，助力实现中国梦！

参 考 文 献

[1]京东大数据研究院.世界物流无人机产业发展年度报告（2017—2018）[R].2018.

[2]黄鑫.我国物流无人机率先常态化运行[N].经济日报，2018-09-26.

[3]牛轶峰，肖湘江，柯冠岩.无人机集群作战概念及关键技术分析[J].国防科技，2013，34（5）：37-43.

[4]国务院.新一代人工智能发展规划[R].2017.