无人机在物流末端配送中的应用研究

马永红

（青岛职业技术学院 商学院，山东 青岛 266555）

无人机因其具有自重轻、速度快，可以规避城市交通拥堵，能跨越山地湖泊等特殊地形的优点，采用无人机配送可缩短物流配送时间、降低物流成本，从而使其物流配送应用范围越来越广。近两年，由于新冠疫情具有强大传染性，使得无接触配送受到了人们的广泛关注，促进了前沿末端物流配送工具如无人机、无人机车和配送机器人等得到推广应用。

1 无人机配送产生的背景

1.1 新冠疫情成为电子商务快速发展的助推器。近几年，电子商务发展动力依然强劲，快递业务量的大幅增长就是最直观的体现，全国快递业务量2019 年达635.2 亿件、同比增长25.3%，2020 年达833.6 亿件、同比增长31.2%，2021 年1 083.0 亿件、同比增长29.9%；值得注意的是，2020 和2021 两年电子商务和快递业逆势增长，涨幅超过前两年。众所周知，2020 年初一场席卷全球的新冠疫情扰乱了世界，很多行业不得不停工歇业，一些企业原有的工作计划、发展战略中止，造成了严重的经济损失。疫情防控期间，面对隔离时医院和社区的医疗物资和生活必需品的需求压力，无人配送系统因其“高效率”、“零感染”等特点，凸显了其在“最后一公里”末端配送服务链中的重要作用。少外出、不聚焦，大量购物从线下转线上，无接触配送，是电子商务和快递逆势增长的重要推手。

1.2 快递“最后一公里”配送难问题依然严峻。在大中城市随着菜鸟驿站和丰巢快递柜的普及，使配送效率大幅度提升，但物流末端配送成本高、快递从业人员工作强度大、运输工具不达标、安全性得不到保障等问题突出，从而导致整个快递行业招工难、留人难、成本飙升。对于城市配送中的生鲜商品和其他急件，时间上也是很难保障。快件进入社区楼群等地区后，因导航寻找路径相对不便，导致配送效率降低。与此同时，高频次配送、全天候配送也是对骑手精力和时间的严峻挑战。

近些年，农村电商发展迅速，但鉴于农村地广人稀，镇与镇之间距离较远，农民居住地比较分散；加上农民个人购入的快递数量不多，快递员下乡投递成本高，“最后一公里”配送成本更是居高不下。资料显示，快递业在农村市场处于低利润甚至亏损状态，所以真正最末端的村级物流服务网点基本没有，真正意义上的农民网购送货上门还没有完全达到。

1.3 无人机末端配送是解决物流劳动力短缺的关键措施。截至2021 年末，我国60 周岁及以上人口达2.67 亿，占总人口比重达18.9%，正以世界第一增速持续上升。《中国发展报告2020：中国人口老龄化的发展趋势和政策》预测，“十四五”规划时期是中国建设社会主义现代化强国的关键期，中国将不可逆地进入老龄社会，老龄人口的迅速增长使中国面临“未富先老”的发展困境。快递业一直是劳动密集型行业，随着人口红利的消失，依靠人力资源投入的物流发展模式将难以为继，且无法满足日益高速发展的物流业需要。采用人工智能技术，开展物流末端无人机配送，是应对中国人口老龄化、解决劳动力短缺的一项有效措施。

1.4 人工智能技术的成熟成为无人机配送的引擎。随着移动互联网技术、云计算技术的爆发，积累了历史上超乎想象的数据量，这为人工智能的后续发展提供了足够的素材和动力，以深度神经网络为代表的人工智能技术飞速发展，大幅跨越了科学与应用之间的“技术鸿沟”，迎来爆发式增长的新高潮。人工智能、大数据、云计算、物联网技术，共同构成了21 世纪第二个十年的技术主旋律。人工智能作为新一轮科技革命和产业变革的核心力量，正在推动传统产业升级换代。智能计算可以重构物流运作流程，随着人工智能发展，物流过程可能被分解为若干个并行过程。除了设备的互联互通之外，车辆和设备也可能应用人工智能，车辆可与配送中心自动安排装卸时间、与维修中心自动安排修理时间。在物流系统范围内，采用人工智能技术，它们自动决策、自动检测、自动修理等很多活动都可以自动按流程去排序。这些活动也可以不进入云计算中心平台，大大提高系统计算效率和反应能力。

2 无人机物流配送范围的确定

2.1 无人机配送重量的确定。人工配送出现的破损一直是困扰物流公司的一大问题，统计资料显示，破损率与快件的重量有关，绝大多数破损都发生在1.5～10kg 的快件范围以内，尤其是3～10kg 范围内发生的破损数量最多，比例高达50%以上。无人机配送，快件的安全性大幅度提升，故选择破损最多的3～10kg 范围的快件作为主要配送目标。

2.2 无人机配送距离的确定。普通的快递末端配送范围小，习惯称末端配送为“最后一公里”配送，其在城市中的配送范围约为1 公里，在农村区域范围要大的多，一个快递员可以覆盖几个行政村。目前技术比较成熟的无人机航程可达20km 左右，单航程可以达到10km，可以扩大末端配送范围，由1km 扩展到10km。配送区域范围的扩大，可以大量缩减分拣中心的数量，有利于集中人力物力开发和配置智能化设施设备，适应物流业智慧化变革。

2.3 无人机配送对象的确定。随着人们生活水平的提高，大家对生活品质的要求也越来越高，线上购买绿色无公害的生鲜商品已是常态，但生鲜配送一直以来存在着时效性差、效率低、成本高的问题。无人机配送具有方便、快速、安全性高、配送距离长的特点，故从对时间要求高的生鲜商品入手，可以做到客户从线上下单到配送到门30 分钟完成，保证货品的新鲜度和及时性；其次考虑紧急物品和贵重物品的配送。

2.4 无人机配送区域的定位。无人机具有速度快、配送区域广的特点，首先向农村配送贵重件、紧急件及生鲜件，其次在繁华拥堵大城市配送紧急重件和生鲜商品。

表1 国内外主流物流无人机载重量与续航能力

3 无人机配送流程和相关技术装备

3.1 无人机配送流程（见图1）。

图1 无人机配送流程及采用技术匹配图

3.2 无人机信息技术。后台信息系统：接收并处理订单信息和进行订单配送状态确认，根据订单处理结果控制无人机订单调度排队并反馈订单的货物信息，控制无人机配送订单调度排队，规划无人机从配送中心至目标配送位置的优化路径。

云端数据库：与后台信息系统通信，实现数据的存储和调用，云端数据库包括三维地理信息数据库和订单信息数据库，三维地理信息数据库存储各个目标配送地点、无人机航线以及飞行区域的位置信息模型（三维）。

无人机飞控中心：通过调度中心的大屏幕可以清晰地看到每一架无人机的坐标位置和飞行参数。运营调度中心可以对航线、配送无人机的性能和状态、订单数据等进行全面管理与实施监控。有了基于飞控中心的调度，将实现无人机自动装载、起飞、巡航、着陆、卸货、配送、返航等覆盖物流配送的全部流程，可以保障飞行安全性及运送便捷准确性。

人脸识别系统：人脸识别系统以人脸识别技术为核心，利用计算机图像处理技术从视频中提取人像特征点，利用生物统计学的原理进行分析建立数学模型。用于无人机识别客户，免于货物被不法分子取走，发生货物安全性出问题。

无人机避障系统：用于成功探测和规避飞行路线中出现的静态和动态障碍物，免于发生碰撞事故。

用户终端App：进行无人机配送订单下单和配送信息确认。

3.3 无人机相关装置。无人机收货装置：用于无人机进行目标配送位置识别，接收无人机在目标配送位置上投递的目标货物，并向后台信息系统反馈货物接收状态。

无人机：获取目标配送位置和配送时间，自动装载目标货物并在配送时间启动无人机配送飞行，根据航迹路径将目标货物配送至目标配送位置，并将目标货物投递到户外家装收货装置中，然后返航；或在配送时间启动无人机配送飞行，根据航迹路径飞行至目标配送位置，装载目标货物并返航；无人机电池是续航能力的瓶颈。

4 无人机配送发展存在的问题及应对措施

尽管无人机技术发展速度很快，但在无人机配送方面还没有得到广泛应用，主要存在以下几个方面的问题，续航能力差、空域限制问题和配送安全问题。

4.1 无人机续航能力差问题。目前世面上无人机电池多采用的锂电池，具有续航能力差、供电不稳定的特点，续航时间以30到60 分钟居多，不能满足无人机长距离运送货物的要求，成为无人机物流配送的关键问题。鉴于锂电池受限于其能量功率密度已经无法实现更高倍数进的理论瓶颈，改变无人机的动力系统迫在眉睫。近段研发的以氢为能源的燃料电池具有噪音低、污染小、能效高、寿命长等优点，可以有效地克服锂电池续航能力差的弊端，成为无人机理想的动力系统。但氢燃料电池也存在一定的缺点，放电功率低，飞机起飞所需的高能量不易满足，此缺点刚好可以由锂电池满足。这样利用燃料电池较高的能量密度，用于飞行途中的长时间放电，借助锂电池较高的功率密度，在起飞阶段高功率放电使无人机顺利起飞。优势互补，可将锂电池与燃料电池共同组成混合动力系统，以达到既能提升无人机的瞬间功率，又能延长续航时间的效果。

4.2 无人机配送空域限制问题。近几年，随着人工智能技术的成熟，无人机应用范围和发展势头迅猛，在物流配送领域的应用也日趋广泛。作为一种新型配送工具，可以大幅度提升配送效率，但其运行仍存在着安全隐患。鉴于民航安全、国家军事机密以及政府敏感部门信息安全，民用无人机飞行空域受限。为了有效促进无人机物流配送发展，建议我国进一步拓展低空空域管理改革试点，推进低空空域分类划设、低空航线网构建、跨省通用航空飞行服务保障等机制建设。选取通用航空产业基础好、发展潜力大的地区划设跨省低空飞行航线，实现短途运输、通用航空器跨区交付、转场常态化飞行。简化飞行审批环节，优化审批流程，压缩审批时限。

4.3 无人机配送安全问题。安全问题这里主要探讨无人机本身的安全、快件的安全、公众人身及财产安全问题。

（1）无人机自身的安全。无人机进行物流配送时属于远程操控，操作员不可能全面掌握所有的情况，无人机可能受到有意或者无意的攻击，如飞鸟、弹弓等，甚至被不法分子拦截，飞行过程中遇到大风、大雨等天气，也会威胁到无人机的安全。对于无人机受到攻击的情况，可以通过设计无人机的敌意操控和攻击规避装置来减少或者避免外来的攻击。对于天气原因造成的无人机安全，则可以从无人机材料的选择、流线型设计等方面进行改善，以满足大风和大雨天气正常开展物流配送的需求。

（2）快件的安全。轻型无人机一次配送一件快递采取抓取方式可以避免人工辅助放置货物环节，到达目的后无人机也可以直接将快件放置于指定地点，自动化程度高，能有效提高配送效率。但此种方式的弊端在于无人机运行过程中货物有掉落的风险，货物损坏和造成公共安全的隐患。目前，为了防止快递的掉落，物流无人机大多采用快递盒携带快递，以防止无人机在空中飞行过程中快递掉落，物品摔坏，也防止对地面人、物等造成危害。

（3）公众人身及财产安全。公众安全方面，由于物流无人机配送途中有可能偏离航线、出现乱飞现象影响航空飞行；飞行过程中出现机械故障、电池电量不足、遇到障碍物等意外情况无法正常飞行，将会对地面人员、建筑、物品造成严重的冲击，影响公众人身及财产安全。为防止无人机公共安全的发生，首先进行地理设限。对于机场、军事基地、政府部门等禁飞区，限定无人机的飞行区域，不能进入。如果无人机遇到重要机械故障，或者遥控失灵的情况下，无人机配备紧急降落装置，保证其能安全紧急降落。当遇到电池电量不足，无人机完全失去动力时，应为无人机配备降落伞，减少对地面的冲击，保障无人机、货物以及地面人和物的安全。另外还需要为无人机配备无电状态下仍能通过定位找到的装置。

5 总结与展望

随着人工智能技术的进一步成熟和劳动力成本的进一步提高，智慧物流的发展已势在必行，无人物流是解决“最后一公里”末端配送的有效手段。无人机是应对城市拥堵配送效率低的有效措施，也是解决偏远地区配送成本高的有效途径。在不久的将来，无人机电池续航能力差、空域限制问题和配送安全问题得以解决，将是无人机配送得以广泛应用的开端。