張玉恒 武燕 徐延勇

優(yōu)先設計好鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)架構和功能是做好鄉(xiāng)村物流最基礎、最頂層的工作。針對鄉(xiāng)村特點，探討了鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)的架構，設計了物流中心、鄉(xiāng)村投遞點及無人機等幾個關鍵部分的功能，為下一步的系統(tǒng)實現(xiàn)奠定了基礎。

在我國互聯(lián)網(wǎng)+助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的支持下，鄉(xiāng)村電子商務發(fā)展勢頭迅猛。這種快速發(fā)展勢頭引起了各大電商的關注，紛紛提出各種搶占農(nóng)村電商市場的戰(zhàn)略。然而由于鄉(xiāng)村居民居住分散，道路條件差，導致物流成本很高，制約了鄉(xiāng)村物流和電子商務的發(fā)展。無人機技術的快速發(fā)展和成熟，為物流配送提供了一條高效的解決途徑。國內(nèi)外眾多電子商務集團積極開展無人機配送物流實驗。實驗表明，無人機已經(jīng)具備了在物流領域應用的基本技術條件。

雖然鄉(xiāng)村物流無人機行業(yè)應用前景廣闊，但當前還有一些基礎性的工作需要研究和解決，鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)架構設計是做好鄉(xiāng)村物流基礎工作和頂層規(guī)劃，它影響著系統(tǒng)的完善性和實用性。設計學研究了小型無人機在快件收派服務系統(tǒng)的構建問題，討論了區(qū)域間和城市環(huán)境的物流配送問題，在鄉(xiāng)村環(huán)境下應用不是很合適。鄧揚、何軍、李奇等人設計了一種自動化的無人機快遞系統(tǒng)，設計的快遞柜功能齊全，可實現(xiàn)快遞的自助收發(fā)。雖然這種快遞系統(tǒng)自動化程度強，但造價較高，不便于在鄉(xiāng)村的大面積推廣。王琰等人對無人機快遞服務系統(tǒng)進行了構建，討論了快遞保障系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和第三方民航監(jiān)管部門管理平臺的構建問題，并提出了技術優(yōu)化措施，但功能設計不詳細。順豐控股（集團）股份有限公司、北京京東世紀貿(mào)易有限公司都建立了自己的無人機運營調(diào)度試驗中心，可實現(xiàn)物流無人機的監(jiān)控和調(diào)度，但對收件端的功能沒有進行具體設計?？傮w來看，目前還沒有完全適合鄉(xiāng)村環(huán)境的無人機物流系統(tǒng)。鑒于此，本文根據(jù)鄉(xiāng)村環(huán)境特點，設計了一個較為完善和實用的無人機物流系統(tǒng)。

鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)架構

鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)架構如圖1所示，由無人機物流中心、鄉(xiāng)村投遞點、無人機以及與系統(tǒng)密切相關的上級物流中心、飛行監(jiān)管部門、通信基站及導航衛(wèi)星等幾部分組成。

上級物流中心

是無人機物流中心的上級機構，一般是縣、市一級的物流公司，上級物流中心將貨物通過公路、鐵路、水路、航空等物流方式運輸?shù)綗o人機物流中心，并通過網(wǎng)絡將貨物信息傳遞給無人機物流中心。

無人機物流中心

無人機物流中心的選址要求：一般是在上級物流（公路、鐵路、水路、航空等）比較成熟且這些物流方式對下一級物流不便于展開，適合無人機物流的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。根據(jù)村落的集散程度和目前無人機的續(xù)航能力，應在10～15km的半徑范圍內(nèi)設置一處。對于比較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)可以設置多處，相互之間的可以互補。無人機物流中心接收上級物流中心的貨物和信息，并對本級的貨物收發(fā)和配送進行管理，對無人機進行調(diào)度、航路規(guī)劃、干預控制和監(jiān)視。

無人機

無人機根據(jù)無人機物流中心的調(diào)度進行貨物的投遞，無人機的飛行高度為100～120m，載重在5kg以內(nèi)，續(xù)航時間約30min。無人機上配有自動駕駛儀、衛(wèi)星導航模塊、避障模塊及無線數(shù)傳模塊等。自動駕駛儀控制無人機的穩(wěn)定飛行，衛(wèi)星導航模塊利用衛(wèi)星信號進行精確定位和導航，避障模塊用以探測并避開前方障礙，無線數(shù)傳模塊使無人機接入移動互聯(lián)網(wǎng)，利用網(wǎng)絡進行信息的交互。

鄉(xiāng)村投遞點

無人機的投遞目的地，散布在無人機物流中心10～15km的半徑范圍內(nèi)，根據(jù)鄉(xiāng)村居住情況一般一個自然村設置一處。鄉(xiāng)村投遞點上空一般比較空曠，無高壓線、高塔、高樓大樹等障礙物，投遞點配備有無人機起降臺、物流監(jiān)控終端及常用的無人機備件等，并指定專人負責。

飛行監(jiān)管部門

飛行監(jiān)管部門為政府行政部門，一般為市級或區(qū)級單位，負責空中交通管制，氣象和航情通報等。

導航衛(wèi)星及通信基站

導航衛(wèi)星及通信基站是系統(tǒng)的基礎設施，導航衛(wèi)星可以是GPS、北斗或兩者的結合;通信基站主要基于3G/4G基站，目前可以滿足150m以下低空無人機通信和組網(wǎng)需求，待5G普及后可以升級到5G基站，以支持更高的飛行高度，提供更寬的帶寬。

鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)功能

鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)的任務是在導航和通信等基礎設施的支持下，在飛行監(jiān)管部門的監(jiān)督下，利用無人機將貨物從無人機物流中心安全快捷地投遞到鄉(xiāng)村投遞點。根據(jù)這一任務，無人機物流系統(tǒng)各部分的功能設計如下文描述。

無人機物流中心

無人機物流中心是整個物流系統(tǒng)的核心，它負責接收上級物流中心的貨物和信息，并對本級的貨物收發(fā)和配送進行管理，對無人機進行任務調(diào)度、航路規(guī)劃、干預控制和飛行監(jiān)視，功能如圖2所示。

貨物管理

無人機物流中心接收上級物流中心的貨物，對貨物進行入庫檢驗，確保貨物不屬于違禁或受限物品，且貨物狀態(tài)完好，中途沒受到損壞。然后對貨物進行入庫登記，登記信息包含接收時間、貨物名稱、貨物狀態(tài)、貨物重量、貨物體積、收貨地址及加急程度等信息。貨物登記后按貨物的種類和加急程度入庫進行保存。然后按照緊急程度，依次對貨物進行投送登記，登記信息包括出發(fā)地、目的地、計劃出發(fā)時間、計劃送達時間及無人機編號等，填好信息后，將任務分配給無人機，并將信息傳送給鄉(xiāng)村投遞點。

航路規(guī)劃

無人機投送貨物前，首先進行航路規(guī)劃。為保證無人機飛行的順利安全，中心對到每個投遞點的路程進行實地勘察，在電子地圖上標注好道路、村莊、集市等人員密集的區(qū)域和山頭、高塔、高壓線及河流湖泊等有飛行危險的地方。然后利用航路規(guī)劃軟件自動對飛行航線進行規(guī)劃，并上傳到無人機。物流中心實時飛行監(jiān)管等部門保持聯(lián)絡，特殊情況下，可對飛行航線重新進行規(guī)劃，無人機即可按新的航路飛行。當航程和載重都允許時，利用一架無人機可以對兩個以上的鄉(xiāng)村投遞點進行投遞，航路規(guī)劃軟件將給出優(yōu)化的飛行路線。

任務調(diào)度

中心配備有多種型號的無人機，每種無人機的載重、續(xù)航時間、飛行速度不同。物流中心把需要配送的貨物按重量和距離分配給合適的無人機。無人機按分配的任務沿預定航線飛行，直到將貨物送達。當中心收到無人機返航的申請時，與投遞點確認貨物送達后，發(fā)出返航指令。在無人機返回前為無人機指派好停放位置。無人機返回后，進行充電或電池更換，等待下一次配送任務。中心按照實際調(diào)度結果對每次任務按日、周、月、年生成統(tǒng)計報表，可供查詢調(diào)閱。

飛行監(jiān)視

無人機在飛行過程中，實時將無人機編號、定位位置、飛行速度、飛行狀態(tài)等信息發(fā)送到物流中心。中心利用電子地圖將每架無人機的實時位置、實時定位時間和飛行軌跡顯示到屏幕上，并定時進行位置信息的更新。中心利用圖、表等形象直觀的方式將無人機的飛行參數(shù)和飛行狀態(tài)顯示到屏幕上，供管理人員監(jiān)視，查看。當無人機的飛行位置偏離預定航線一定距離時，或某個飛行參數(shù)超出預定范圍時，系統(tǒng)將發(fā)出聲音和畫面提示。當無人機靠近某禁飛區(qū)時，監(jiān)視系統(tǒng)將發(fā)出語音告警。物流中心同時將飛行信息發(fā)送到飛行監(jiān)管部門，接受監(jiān)管部門的飛行監(jiān)視和管控。

干預控制

當無人機在飛行過程中遇到一些意外情況，比如電池電量低、某傳感器故障或者GPS失效，物流中心將對無人機進行人工干預控制。如果無人機的故障狀態(tài)不影響本次投遞，則在管理人員的密切監(jiān)視下繼續(xù)執(zhí)行本次任務;如果無人機無法完成本次任務，但仍有一定的續(xù)航能力，管理人員將控制無人機飛往最近的鄉(xiāng)村投遞點，降落后對無人機進行維修;如果無人機故障狀態(tài)比較嚴重，則在攝像頭視頻監(jiān)控下控制無人機就近降落到相對安全的地域，或打開降落傘，使無人機緩慢落地，此時將播報語音告警，提示周圍人員注意安全。

鄉(xiāng)村投遞點

在鄉(xiāng)村投遞點，建有無人機起降臺，鄉(xiāng)村管理員可對貨物進行收發(fā)、查詢，并對無人機進行輔助管理。

無人機起降臺

為便于無人機起飛和降落，每個鄉(xiāng)村投遞點都建有起降臺。起降臺一般建在管理員庭院內(nèi)，起降臺比地面略高以防止積水，臺面平整，面積約4m×4m。起降臺中心設有紅外定位裝置，以便無人機精確定位和降落。

貨物收發(fā)

無人機到達鄉(xiāng)村投遞點后，在設定的起降點降落，并提示收件員收取貨物。收件員對貨物進行檢查，若貨物信息正確且貨物完好，則進行收貨確認和登記，并將信息上傳到物流中心，否則通知物流中心將貨物返回。收取貨物后，收件員通知周圍的村民自行來取快遞。當村民需要寄送快遞時，將快遞送到鄉(xiāng)村投遞點，收件員對需要寄送的貨物進行檢查、收貨和登記，并利用返回的無人機將貨物運送到物流中心。

貨物查詢

鄉(xiāng)村投遞點安裝有客戶端軟件，軟件會實時更新貨物在途狀態(tài)，并利用電子地圖實時顯示無人機的飛行位置。收件員可以對運單進行查詢，并對目的地是此投遞點的無人機上掛載的貨物信息進行查看?？蛻舳塑浖€可以對以往該投遞點的所有貨物信息和無人機投遞過程進行查詢。

無人機輔助管理

鄉(xiāng)村投遞點備有螺旋槳、電池等常用的無人機配件。無人機降落后，收件員可根據(jù)電池情況對電池進行更換或充電;當無人機因意外情況迫降到該投遞點時，收件員可對故障部件進行更換或簡單維修，使無人機恢復正常工作。當無人機因故障在途中緊急降落或墜毀時，距離最近的收件員可以以最快的速度到達，以便對情況及時進行處理。

無人機

鄉(xiāng)村物流無人機采用多旋翼形式的無人機，這類無人機可懸停、上下左右前后移動，相對固定翼無人機更加靈活方便，可以有效保證飛行的安全性和精確性。無人機自動化程度比較高，掛載貨物后可以自動起飛、自動降落、自主飛行、具備網(wǎng)絡通信功能，并可進行自身應急保護。

貨物掛載

無人機下方設置有安全可靠的掛載架，可供不同體積的制式快遞盒進行掛載，起飛前管理人員將貨物掛上并鎖定，在達投遞點降落后，收件員利用專用工具將貨物取下。

自動起降

當無人機收到起飛指令時，無人機自動按設定程序起飛，一直到預定的飛行高度，進入巡航狀態(tài)。無人機到達起降點上空后，首先進行降高，到離起降臺幾米的高度時，在紅外定位裝置的導引下，對無人機的高度、位置和姿態(tài)進行精確控制，使無人機安全平穩(wěn)落地。

自主巡航

無人機進入巡航狀態(tài)后，按照預定的航線自主進行飛行，并保持在距離飛行航線一定的側偏距內(nèi)。無人機具備障礙物探測和自動避障功能，當意外遇到烏群、高塔、山體等物體時，能自動探測到并繞開飛行，然后沿規(guī)劃航線繼續(xù)飛行。當飛行過程中通信不暢或阻塞時，無人機會在GPS輔助下繼續(xù)沿預定航線飛行。當接收物流中心的干預控制指令時，無人機切換到人工控制模式飛行，物流中心也可隨時將無人機再次切換到自主巡航狀態(tài)。

網(wǎng)絡通信

無人機上配備有3G/4G/5G無線數(shù)傳模塊，無人機通過數(shù)傳模塊接入移動互聯(lián)網(wǎng)，與物流中心和鄉(xiāng)村投遞點進行信息溝通。無人機將定位位置和飛行參數(shù)實時下傳給物流中心，將定位位置實時下傳給鄉(xiāng)村投遞點。物流中心將航路規(guī)劃信息、差分定位信息、干預控制指令上傳給無人機。

應急保護

為保障無人機自身和周圍人員、環(huán)境的安全，無人機具備應急保護功能。當無人機偏離預定航線一定距離，或距禁飛區(qū)比較近且由于通信故障原因沒收到物流中心的控制指令時，將自行進行降落;當GPS無法定位時，將在原地懸停等待定位信息，若超過一定時間仍無定位信息時，將自行進行降落;無人機攜帶降落傘，當機載傳感器故障，無人機姿態(tài)或高度不穩(wěn)定，無法正常飛行時，將關閉螺旋槳、打開降落傘，然后緩慢降落到地面。

飛行監(jiān)管部門

飛行監(jiān)管部門對物流無人機飛行實施監(jiān)督和管控，同時為鄉(xiāng)村無人機物流中心提供信息服務。

飛行監(jiān)管

無人機物流中心將無人機的飛行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給飛行監(jiān)管部門，飛行監(jiān)管部門對無人機的飛行情況進行監(jiān)督。對于違規(guī)飛行的無人機，監(jiān)管部門具有優(yōu)先控制權，可通過無人機物流中心對無人機實施控制管理。

信息服務

飛行監(jiān)管部門也是一個信息中心，它與其他政府行政部門進行信息溝通，為無人機物流中心提供氣象、天氣、空中管制、農(nóng)村大型作業(yè)、集市變化及一些突發(fā)情況信息，同時也提供其他低空飛行器的飛行情況信息。

結束語

鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)的總體架構和功能設計好之后，還需要對鄉(xiāng)村無人機物流通信組網(wǎng)題、鄉(xiāng)村物流無人機航路規(guī)劃及任務調(diào)度等問題展開深入研究，對鄉(xiāng)村物流無人機進行設計和性能優(yōu)化，對物流監(jiān)控系統(tǒng)進行設計和研發(fā)，才能有效推進鄉(xiāng)村無人機物流系統(tǒng)的實現(xiàn)和真正應用。