物流无人机的发展与应用

2019-02-28 10:26

  基于配送需求剧增、人力成本飙升、服务场景复杂等多因素驱动,加之相关软硬件技术的进步,使无人机达到了实用性的基本要求,并共同促成了一个物流创新的“变局”——无人机物流。无人机被认为是解决配送“最后一公里”难题的有效手段。未来,物流无人机定将成为现代物流业不可或缺的基础设施,助力物流业实现跨越式发展。

  无人机(Unmanned Aerial Vehicles,简称UAV)是指利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机的主要价值在于替代人类完成空中作业,并且能够形成空中平台,结合其他部件扩展应用。无人机按应用领域分为军用级及民用级;民用方面,又分为消费级和工业级。目前工业级无人机已广泛应用于农林植保、电力巡线、边防巡逻、森林防火、物流配送等领域。

  一、物流无人机优势

  1.方便高效、超越时空

  相比于地面运输,无人机具有方便高效、节约土地资源和基础设施的优点。在一些交通瘫痪路段、城市的拥堵区域,以及一些偏远地区,地面交通无法畅行,导致物品或包裹的投递比正常情况下耗时更长或成本更高。在某些环境和条件下,只有无人机运输方式才能实现“可达性”,这是其它方式所无法替代的。并且物流无人机通过合理利用闲置的低空资源,有效减轻地面交通的负担,节约资源和建设成本。

  

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  中通无人机成功将包裹送至消费者手中

  2.成本低、调度灵活

  相比于一般的航空运输和直升机运输,无人机运输具有成本低、调度灵活等优势,并能弥补传统的航空运力空白。随着航空货运需求量逐年攀升,持证飞行员的数量和配套资源、以及飞行员和机组成员的人工成本等成为发展的制约因素。而无人机货运的成本相对低廉,且无人驾驶的特点能使机场在建设和营运管理方面实现全要素的集约化发展。

  3.人机协同:破解人口老龄化难题

  人口老龄化问题几乎在影响着全世界,每逢节假日和物流高峰期,人工短缺和服务水平降低的问题往往会暴露无遗。无人机号称“会飞的机器人”,如果能在盘点、运输和配送等物流环节加以合理的开发利用,并辅以周密部署和科学管理,就能衔接配合好其它作业方式,节约人工,通过协助人力发挥“人机协同”效应,能产生最佳效益。

  4.产能协同和运力优化

  在科学规划的基础上,综合利用互联网+无人机、机器人等技术和方式,能实现产能协同和运力优化。为了处理一些快速交货和连续补货的订单,亚马逊、沃尔玛等企业在建设先进的信息系统、智能仓储系统,以及优化业务流程的基础上,还规划了智能、高效的无人机城市配送中心(例如亚马逊的无人机塔),以及“无人机航母”(空中配送基地)等。

  作为新技术的应用,无人机送货是对传统方式的有益补充,传统的“铁公机”、管道运输、水运和多式联运,加上无人机的末端配送和支线运输,必将使现代物流的服务能力再上新台阶,其整体的效率、成本和运力也将得到优化和重构。

  二、物流无人机发展背景

  1.配送需求剧增

  据国家邮政局统计数据显示:“十二五期”间,国内快递业务量连续5年保持50%左右的高速增长(见图1)。

  

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  自2017年5月以来,我国已常态化进入单日快递“亿件时代”,不断增长的业务量使得传统的投递方式越来越难以满足日益增长的服务需求。

  2.人力成本飙升

  自2012年起,我国的适龄劳动力人口连续6年下降。伴随着人口红利的消退,快递企业开始面临人工成本高、配送难的现状(见图2);

  

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  对快递企业来说,如何解决用工成本高、末端配送难,让快件更快到达消费者手中成为痛点问题。现阶段,快递企业努力实现业务环节的自动化、无人化,这是成本控制的需要,也是行业进步的需要。

  3.服务场景复杂

  在偏远山区、交通不便的农村地区,物流配送一直是个难题。有资料显示,农村地区 “最后一公里”的物流成本更高,占到整个物流成本的30%,在交通运输基础设施落后的情况下,物流无人机能够凸显独特优势,提升物流网点与终端之间的流转效率。无人化物流技术设备的应用将成为推进物流行业发展的新动力并成为推动快递行业结构优化升级、发展提速增效的强大动力。

  基于上述多个因素的共同驱动,加之相关的软硬件技术的进步使无人机达到了实用性的基本要求,这便共同促成了一个物流创新的“变局”——无人机物流。

  三、无人机在物流行业的应用

  1.大载重、中远距离支线无人机运输

  送货的直线距离一般在100km~1000km左右,吨级载重,续航时间达数小时。这方面的应用主要有:跨地区的货运(采取固定航线、固定班次,标准化运营管理)、边防哨所、海岛等物资运输、以及物流中心之间的货运分拨等。

  2.末端无人机配送

  空中直线距离一般在10km以内(对应地面路程可能达到20 km~30km左右,受具体地形地貌的影响),载重在5kg~20kg左右,单程飞行时间在15~20分钟左右(受天气等因素影响)这方面的应用比如派送急救物资和医疗用品、派送果蔬等农土特产物品等业务。

  3.无人机仓储管理

  例如大型高架仓库,高架储区的检视和货物盘点;再如集装箱堆场、散货堆场(比如煤堆场、矿石堆场和垃圾堆场)等货栈堆场的物资盘点或检查巡视。

  另外,在紧急救援和运输应急物资等方面,无人机能发挥常规运输工具无法比拟的优势,并能把现场信息第一时间传至指挥中心。无论是哪一种类型,其成功的应用必须以准确的市场定位为前提,以此为基础把握用户需求,在技术维度科学设计适合对路的产品,在实用性、经济性和可靠性等方面力争做到最优,并以精细规范的管理作为配套,最终达到用户满意的效果。

  四、行业布局

  近年来,快件业务量每年持续攀升。目前每家快递公司的快递员都在10万以上,随着人力资源昂贵、密集劳动力管理粗放等问题,地面运输和人力已经无法满足快递企业的需求,快递物流企业纷纷布局物流无人机,主要企业有顺丰、京东、苏宁、中国邮政、中通、菜鸟、韵达、圆通等。

  1.顺丰

  顺丰在2012年提出无人机物流概念。2015年与成都中科航空成立朗星无人机公司2017年,顺丰在无人机物流方面取得进一步进展,当年6月21日,与江西赣州市南康区联合申报的物流无人机示范运行的空域申请得到正式批复,成为国内第一家获得正式审批的物流无人机示范空域企业;当年6月29日,在获批空域内进行了首次运营飞行。

  

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  2017年10月30日,由陕西炼石有色资源股份有限公司、顺丰控股(集团)股份有限公司、北京汽车集团有限公司、中科院工程热物理研究所共同研发的全球首款吨位级货运无人机AT200完成首次公开飞行。

  2018年3月,顺丰获批国内首张无人机航空运营许可证(试点),这也标志无人机送货常态化和商业化正式进入合法运营阶段。

  2018年10月24日,顺丰获批了阳澄湖空域的无人机应用许可,这是继赣州后顺丰拿下的又一空域,现已用于大闸蟹等特色生鲜水产的无人机运输。

  按照顺丰的规划,未来要通过“大型有人运输机+支线大型无人机+末端小型无人机”三段式空运网,实现36小时通达全国。

  2.中通

  目前中通快递无人机主要聚焦末端配送及支线运输,利用末端配送无人机对跋山涉水、孤岛等地形地势复杂地区的快件进行收派服务,提升网络覆盖率,提高整体服务时效。在末端配送方面,相对于人工配送,无人机具有不受地形限制、直线距离短、调度灵活、速度快效、率高等特点。以2017年7月在浙江乐清的配送为例,试运行路线是从乐清天成工业园区天工二路到乐清第一经济开发区,全程直线距离14.1公里。如果由快递员派送,在全程不堵车的情况下最快需要50分钟,而采用无人机投放,只需要20分钟时间,配送时效提高60%。

  2018年10月,中通快递在陕西获得军方在内的相关监管部门的空域批文,正式启动常态化运行;2018年11月,中通快递第一代油电混合物流无人机——普罗米修斯1600A发布,并同西安航空基地、西部机场集团签署战略合作协议,就共同打造西北地区空中救援机场网络布局达成合作。

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  中通快递发布第一代油电混合物流无人机——普罗米修斯 1600A

  普罗米修斯1600A无人机是为实现偏远山区快递投送研制的第一代末端物流无人机系统,创新采用了油电混合动力,并采用一台2.4千瓦燃油发电机对无人机进行供电,使用汽油作为燃料,通过燃油转换成电力,配备双供电冗余动力系统,最长可提供满负载1.5小时的续航飞行,突破里程限制,有效解决无人机续航短的痛点,该款无人机于2018年12月7日在国家级贫困县陕西旬阳完成山区恶劣天气条件下首次载货飞行。

  未来,中通快递会根据业务及管理需求与无人机公司深度合作,共同研发多种型号的无人机以满足多种场景的应用需求,打造物流无人机自有平台,探索更多的运营模式。

  3.京东

  2016年5月京东成立X事业部,规划建设了“干线—支线—末端”三级无人机通航物流体系,2016年6月18日在中国宿迁进行了首次无人机配送试运营,2017年京东智慧物流全国运营调度中心在宿迁正式投入使用,在西安和宿迁实现常态化运营。此外,京东官网称已获得了覆盖陕西省全境的无人机空域书面批文,目前,京东已在陕西、福建、海南等地开展了大规模的无人机验证飞行。

  五、物流无人机主要构成及技术难点

  1.主要构成

  飞控系统、导航系统、动力系统、通信链路系统均是无人机的核心技术,也是现阶段无人机厂商获取核心竞争力的重要因素。

  (1)飞控系统:无人机的“大脑”,更精确、更清晰

  飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务等整个飞行过程的核心系统,相当于飞行器的“大脑”。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分,主要实现无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大功能(见图3)。

  

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  (2)导航系统:无人机的“眼睛”,未来多技术融合是发展方向

  导航系统为无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态等信息,引导无人机按照指定航线飞行,相当于无人机的“眼睛”。无人机机载导航系统主要分GPS和惯性制导两种,但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点。未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能,需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能,因此多种导航技术结合的“惯性+多传感器+GPS+光电导航系统”将是未来发展的方向。

  (3)动力系统:涡轮有望逐步取代活塞,新能源发动机提升续航能力

  动力系统通常有电动机和内燃机(活塞发动机、涡轴发动机、涡喷发动机)两种类型。小型无人机主要以电动机为主,中、大型无人机以内燃机为主。不同用途的无人机对动力装置的要求不同,但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠。

  无人机目前广泛采用的动力装置为活塞式发动机,但活塞式只适用于低速低空小型无人机。低空无人直升机一般使用涡轴发动机,高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机。微型无人机(多旋翼)一般使用电池驱动的电动机,一般起飞质量小于10kg、续航时间小于1小时。

  随着涡轮发动机推重比、寿命提高、油耗降低,涡轮将取代活塞成为无人机的主要动力机型,太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的生存力(见图4)。

  

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  (4)通信链路系统:“放风筝的线”,向高速率、高带宽发展

  通信链路系统是无人机的重要技术之一,负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输,上行数据链实现对无人机遥控、下行数据链执行遥测、数据传输功能。普通无人机大多采用定制视距数据链,而中高空、长航时,无人机则都会采用视距和超视距卫通数据链。

  现代数据链技术的发展推动着无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展,无人机实用化能力将越来越强。随着机载传感器、定位的精准程度和执行任务的复杂程度不断上升,对数据链的带宽提出了很强的要求,未来随着机载高速处理器的突飞猛进,预计几年后现有射频数据链的传输速率将翻倍,未来在全天候要求低的领域可能还将出现激光通讯方式。

  2.技术难点

  (1)路线规划和自动避障

  由于路途情况比较复杂,现在的无人机还很难进行自主路线规划。要想实现自主路径规划,解决自动避障问题势在必行,如何安全地让飞机避开障碍物,同时又不偏离航线,这是无人机目前面临的主要难题之一。

  (2)续航能力

  碍于电池的重量和体积,目前的无人机为减轻机身的起飞质量,搭载高蓄电量的大型电池。但物流无人机必须保证长时间、大航程的作业,因此,降低能耗、提升能量的利用效率是目前相对可行性方案。

  (3)安全性问题

  恶劣天气下,特别是强降雨天气下,如何保障物流无人机的安全飞行也是当下亟需解决的重要问题。由于无人机的大部分控制系统由电子元件构成,在降雨天气下,如果不能保证各部件的防水性能或者没有采取合理的防水措施,将会导致无人机短路,中断工作任务甚至危害到其他人的生命安全。

  六、物流无人机发展瓶颈及阻碍

  1.技术开发不成熟

  目前的无人机产品故障率高,无法保证稳定性、良品率和适应性,无人机关键技术水平难突破,其研发能力还需加强。无人机还存在诸如GPS信号丢失之后无人机漂移问题、续航问题、稳控问题、负荷有限、机身不够耐久、抗风雨能力弱、维修、网络连接不稳定等问题。目前国产工业级无人机的技术并不成熟,性能不稳定,无人机的智能性并不能满足使用需求,这成为制约其商业应用的核心问题,阻碍着更多的市场需求释放。

  2.产业市场不完善

  无人机产品性价比不高,技术水平相对落后,导致国产无人机接受程度低、受众规模小,推广工业级民用无人机依靠政府补贴和项目扶持的模式不可持续,这些因素在一定程度上制约了我国民用专业无人机产业发展。

  3.监管政策不健全

  民用无人机坠毁,伤及人、财物,扰乱空中秩序和危及公共安全的事件时有发生,造成严重的安全隐患。生产技术不高、低成本生产,以及使用者操作不规范和不守法的运营是主要原因。我国无人机政策管理条例虽然有,但法律属性尚不明晰,规定的内容比较笼统,而且缺乏强制执行效力和可操作性,申请流程也不明确,存在着不全面,执行监管不到位的局面,无法解决民用无人机可能带来的安全问题。

  各国的无人机送货尚处于测试阶段,各国对无人机送货的监管规则极为匮乏,存在着诸多空白领域,急需通过大量的测试逐步建立相应的规则。总而言之,无人机货运在今后的物流系统中一定会得到发展,未来的物流体系定位越来越智能,货运速率会越来越快。尽早解决无人机货运所面临的问题,无人机物流系统就能更早的进入市场应用阶段。

  七、物流无人机未来发展前景

  随着对无人机应用价值认知程度的加深,以及对其作业半径、遥控距离的更高要求,将促使无人机产品向更长航程、更大载荷方向发展,无人机技术的不断创新必将颠覆物流行业的传统作业方式;特别是无人机被认为是解决配送“最后一公里”难题的有效手段,需要制定出相关的标准、规范,发挥出技术和人才两方面的优势,才能更好地帮助无人机物流突破瓶颈。未来,物流无人机定将成为现代物流业不可或缺的基础设施,助力物流业实现跨越式发展。


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