行業(yè)洞察 | 城市無人機(jī)物流發(fā)展現(xiàn)狀與展望
2019年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，要求推進(jìn)智能收投終端和末端公共服務(wù)平臺建設(shè)，積極發(fā)展無人機(jī)物流遞送。2020年發(fā)布的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》明確提出將發(fā)展交通運(yùn)輸?shù)涂战?jīng)濟(jì)，推進(jìn)智能化通用航空器在立體交通網(wǎng)中的應(yīng)用。無人機(jī)作為新型智慧化的通用航空器，可以避開城市中越發(fā)擁堵的地面交通限制，并在時效要求較高的高附加值貨物物流運(yùn)輸中發(fā)揮其快速靈活的優(yōu)勢，承擔(dān)著社會各界越來越高的期望。但作為一種新型的運(yùn)輸方式，城市無人機(jī)物流在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一系列的挑戰(zhàn)。本文從無人機(jī)物流的概念和意義出發(fā)，總結(jié)當(dāng)前無人機(jī)物流的相關(guān)進(jìn)展，并從運(yùn)行層面對無人機(jī)物流的發(fā)展進(jìn)行了展望。
01 發(fā)展無人機(jī)物流有助于實(shí)現(xiàn)物流行業(yè)的提效降耗，并提升極端條件下的可達(dá)性
發(fā)展無人機(jī)物流有助于提升物流行業(yè)的時效水平，并降低運(yùn)營成本以及環(huán)保成本。相比于傳統(tǒng)的物流方式，無人機(jī)物流不受地面交通條件的限制，可選擇相對較短的空中路線進(jìn)行運(yùn)輸。同時無人機(jī)飛行速度較高，無人機(jī)物流在時效性上優(yōu)勢明顯，是高附加值貨物理想的運(yùn)輸方式。而隨著電力驅(qū)動逐步在無人機(jī)運(yùn)行中成為主流，無人機(jī)物流的零排放特性也使其在環(huán)保成本上具有較大優(yōu)勢。無人機(jī)物流的大范圍應(yīng)用將有利于物流企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
同時，在物流行業(yè)人力成本不斷上升的情況下，無人機(jī)物流因其所需人力投入較少，相對于傳統(tǒng)運(yùn)輸在人力成本上優(yōu)勢明顯。中國勞動年齡人口（16-59歲）如下圖所示,在2013年達(dá)到最高點(diǎn)，從2014年至2019年的6年間減少了1600萬。隨著適齡勞動力人口的不斷減少，包括快遞在內(nèi)的物流產(chǎn)業(yè)運(yùn)行人工成本不斷上升。而無人機(jī)物流通過自動化飛行以及無人化裝卸等智能化手段，可以大幅地減少人力投入，在提高時效的同時減少對人工操作的需求。
中國勞動力人口數(shù)量
來源：中國人口和就業(yè)統(tǒng)計年鑒
另一方面，無人機(jī)物流具有傳統(tǒng)物流難以匹配的靈活性，可以提升物流對地面交通欠發(fā)達(dá)地區(qū)的覆蓋能力，并增強(qiáng)極端條件下物流可達(dá)性。物流無人機(jī)，特別是垂直起降無人機(jī)對裝卸以及起降場地的要求較少，而且不受地面道路設(shè)施制約，適合在地面交通不便地區(qū)進(jìn)行貨物運(yùn)輸，具有較高的靈活性。特別是在應(yīng)急救援、災(zāi)害重建等緊急情況下，無人機(jī)物流可以在例如疫情道路封鎖、災(zāi)后交通設(shè)施受損等緊急或極端條件下保證公共物流運(yùn)輸?shù)目蛇_(dá)性。
順豐無人機(jī)在疫情封鎖期間降落武漢金銀潭醫(yī)院運(yùn)送物資
來源：順豐科技
02 城市無人機(jī)物流發(fā)展現(xiàn)狀
基于無人機(jī)在時效、成本和靈活性上的優(yōu)異表現(xiàn)，城市無人機(jī)物流在近年來正受到越來越多的關(guān)注。無人機(jī)物流，本質(zhì)上是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序空中裝置操縱的無人駕駛航空器實(shí)現(xiàn)貨物的位移。而為了滿足貨物運(yùn)輸過程中快速靈活的需求，無人機(jī)物流正向自動化貨物裝卸、空中自助飛行發(fā)展?？梢钥吹?，在使用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)貨物位移的過程中，無人機(jī)系統(tǒng)、起降與裝卸場地以及飛行中調(diào)配成為最為關(guān)鍵的組成部分。
1.無人機(jī)航程以及荷載不斷提升，但通訊導(dǎo)航能力有待進(jìn)一步發(fā)展
隨著電池技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)電池的能力密度正在大幅度提高。當(dāng)前已有廠家將電池的能量密度提升至450瓦時/千克，為我們?nèi)粘Ｋ胕phone電池的兩倍。電池能量密度的提高可以進(jìn)一步減輕無人機(jī)空機(jī)重量，提升無人機(jī)單次航程。同時，物流無人機(jī)已從此前的四軸螺旋槳逐漸擴(kuò)張為六軸、八軸以及更多軸的螺旋槳驅(qū)動，并為無人機(jī)帶來更大的升力，因此無人機(jī)的載荷正在不斷提升。目前多旋翼無人機(jī)的載荷已經(jīng)可以達(dá)到20kg以上，垂直起降固定翼無人機(jī)載荷已經(jīng)可以達(dá)到40kg以上，已具備實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行的能力。在速度方面，2019年，美國ZipLine公司開發(fā)出全球目前最快速的商業(yè)送貨無人機(jī)，最高時速已達(dá)128km/h。
Zipline無人機(jī)在坦桑尼亞運(yùn)送醫(yī)療物資
來源：Zipline
但與此同時，無人機(jī)的通訊導(dǎo)航以及路線規(guī)劃能力仍有待進(jìn)一步提高。物流無人機(jī)由于大部分需要超視距飛行，無人機(jī)與地面基站之間的通訊成為控制或者介入無人機(jī)運(yùn)行的重要保障。但當(dāng)前物流無人機(jī)由于頻率資源的原因，大部分還使用公共頻率進(jìn)行無人機(jī)與地面基站之間的通訊，難以保障無人機(jī)接受到正確的地面指令，甚至可能發(fā)生無人機(jī)被其它違法者發(fā)出欺騙指令而進(jìn)行錯誤的動作。
Wing無人機(jī)在澳大利亞進(jìn)行超視距運(yùn)行
來源：Wing
另一方面，無人機(jī)目前依靠的通訊鏈路仍然采用視距傳播，即必須在信號傳輸路線上沒有障礙物遮擋，否則無人機(jī)與地面基站之間的通訊就會受到干擾。物流無人機(jī)在飛行過程中，特別是城市范圍內(nèi)的飛行過程中經(jīng)常會受到山體或高層建筑物的遮擋。而為了防止無人機(jī)在運(yùn)行過程中難以收到正確的指令，當(dāng)前大部分物流無人機(jī)運(yùn)行者采用在城市高層建筑零星布設(shè)中繼站的方式解決通訊問題，但飛行線路以及飛行范圍大大受限。
2.自動化起降設(shè)施成為主流，但當(dāng)前起降設(shè)施限制較多
目前無人機(jī)物流所采用的起降設(shè)施除了傳統(tǒng)的地面起降場地外，無人機(jī)巢式的一體化起降設(shè)施正在快速發(fā)展。無人機(jī)巢式的起降設(shè)施可以滿足無人機(jī)?？?、充電、貨物裝卸等多種功能，且由于其有一定的高度，可以防止周邊群眾過于接近無人機(jī)而被誤傷，因此正在受到業(yè)界的快速推廣。但是，當(dāng)前的無人機(jī)巢大部分只能滿足一家無人機(jī)停靠，并未考慮大范圍商業(yè)化應(yīng)用時多架無人機(jī)的?？啃枨?。同時，由于無人機(jī)巢的容積所限，且只能容納指定類型的無人機(jī)。因此，在用地緊張的城市小區(qū)周邊，無人機(jī)巢的分布相對較少，且利用效率不高。
迅蟻無人機(jī)起降平臺
來源：迅蟻
3.物流無人機(jī)運(yùn)行空域限制較大，物流無人機(jī)有待融入國家空域管理系統(tǒng)
相比于消費(fèi)級無人機(jī)，物流無人機(jī)的飛行高度更高，飛行范圍更廣，載重及機(jī)型更大，導(dǎo)致其對空域的要求更高。但是，各國對于物流無人機(jī)應(yīng)該遵守的適航規(guī)范以及安全準(zhǔn)則并未有一致的規(guī)定。美國FAA（聯(lián)邦航天航空局）對無人機(jī)采用的是根據(jù)已有規(guī)則采取特殊豁免的政策，中國民用航空局對無人機(jī)的適航管理則采取基于風(fēng)險的安全評估。當(dāng)前對物流無人機(jī)，特別是超視距運(yùn)行類無人機(jī)采用的是一事一議的評審規(guī)則，每一運(yùn)行種類的無人機(jī)都需要進(jìn)行相關(guān)的適航評估，對物流無人機(jī)融入國家空域管理系統(tǒng)造成了較大障礙。
另一方面，物流無人機(jī)在低空的飛行也與運(yùn)輸航空以及傳統(tǒng)的通用航空用戶飛行存在一定的相互影響。由于物流無人機(jī)的飛行高度與傳統(tǒng)通用航空飛行器重疊較大，且當(dāng)前大部分無人機(jī)的空域保持能力還未經(jīng)過認(rèn)證，管理機(jī)關(guān)原則上還要求無人機(jī)與有人駕駛航空器隔離運(yùn)行，且配備600米以上的垂直間隔，導(dǎo)致無人機(jī)飛行與有人通航飛行相互影響較大。同時，由于無人機(jī)目前的監(jiān)視定位設(shè)施較少，無人機(jī)監(jiān)視信號難以實(shí)時提供給民航管制部門，造成相關(guān)管理部門對于無人機(jī)飛行的安全性以及穩(wěn)定性顧慮較大，在實(shí)際運(yùn)行中對無人機(jī)的安全間隔要求相應(yīng)增大，物流無人機(jī)運(yùn)行空間抓襟見肘。
03 城市無人機(jī)物流運(yùn)行展望
1.起降設(shè)施智能優(yōu)化，無人機(jī)物流充分融入智慧物流體系
在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智慧城市的快速發(fā)展下，城市無人機(jī)物流需要融入智慧物流體系，實(shí)現(xiàn)信息共享以及不同物流方式的無縫銜接以充分發(fā)揮無人機(jī)物流的時效優(yōu)勢?？梢钥吹剑瑹o人機(jī)物流的起降設(shè)施是當(dāng)前無人機(jī)物流與其它物流方式的重要信息和接駁端口。建議地方政府統(tǒng)一規(guī)劃無人機(jī)物流需求較大區(qū)域的無人機(jī)起降設(shè)施，并根據(jù)實(shí)際建設(shè)可以容納不同類型無人機(jī)的智能化起降設(shè)施，配備相應(yīng)的充電、停泊、貨物裝卸場地。同時，起降設(shè)施應(yīng)與其它物流設(shè)施實(shí)現(xiàn)無縫銜接，滿足貨物從無人機(jī)自動卸載后可以通過無人化設(shè)備轉(zhuǎn)移到臨近的儲存平臺，并將貨物信息及時通知相關(guān)方，并根據(jù)相關(guān)指令可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程存儲或取貨操作，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)物流與其它物流方式無縫銜接，將無人機(jī)物流融入智慧物流體系。
2.商業(yè)模式不斷深化發(fā)展，配送模式分類優(yōu)化
城市無人機(jī)物流商業(yè)模式將不斷擴(kuò)展深化，并由此形成適用于不同商業(yè)模式的配送模式。當(dāng)前無人機(jī)物流在城市中的應(yīng)用主要包括醫(yī)療物資配送、點(diǎn)對點(diǎn)高時效性物資配送、封閉區(qū)域物資配送等，而隨著同城急送等新的商業(yè)模式對無人機(jī)物流的需求，無人機(jī)物流的配送模式也將分類優(yōu)化。醫(yī)療物資配送以及點(diǎn)對點(diǎn)物資配送將采取利用臨時起降場地、專業(yè)人員取件的方式滿足及時取件需求，封閉區(qū)域物資配送很可能采用大載重?zé)o人機(jī)同時運(yùn)送多種貨物以取得更好的經(jīng)濟(jì)性，而同城閃送則可能采用物流無人機(jī)完成遠(yuǎn)距運(yùn)送，再由人工進(jìn)行末端環(huán)節(jié)配送的方式。
3.無人運(yùn)行與有人飛行實(shí)現(xiàn)融合運(yùn)行，空域?qū)嵭蟹诸悳?zhǔn)入
無人機(jī)作為一類新的航空器，其與運(yùn)輸航空、傳統(tǒng)通用航空用戶一樣都應(yīng)屬于空域用戶。而且隨之無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)的重量、航程以及空域保持能力將不斷地接近甚至超過現(xiàn)有的有人駕駛航空器。因此，繼續(xù)以是否有人駕駛來對航空器實(shí)行分類管理難以滿足未來低空飛行的發(fā)展。更為合理的方式是將有人駕駛航空器以及無人機(jī)駕駛航空器視為平等的空域用戶，以航空器是否能夠滿足所在空域要求的性能和空域保持能力作為一類空域的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，并在空域內(nèi)實(shí)行統(tǒng)一的間隔標(biāo)準(zhǔn)和要求。
而在當(dāng)前無人機(jī)性能與有人駕駛航空器仍存在差距的情況下，為了滿足近期物流無人機(jī)發(fā)展對于低空空域的需求以及“先隔離后融合”的管理理念，管理部門可以根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在保障運(yùn)輸航空正常運(yùn)行的情況下，為傳統(tǒng)通用航空飛行以及應(yīng)用級無人機(jī)分別劃設(shè)飛行通道（如下圖），通過通道達(dá)到無人飛行與有人飛行運(yùn)行分離的目的。通道內(nèi)實(shí)行符合當(dāng)前通航飛機(jī)以及無人機(jī)性能情況的準(zhǔn)入規(guī)則，通過實(shí)行統(tǒng)一的目視飛行規(guī)則或無人機(jī)間隔規(guī)則避免混合運(yùn)行需要遵循更為嚴(yán)格的間隔要求的情況，提升通道的空域使用效率，滿足傳統(tǒng)通航飛行器以及應(yīng)用級無人機(jī)的發(fā)展需求。
飛行通道示意圖
來源：《深圳低空飛行服務(wù)網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)方案》
4.將城市無人機(jī)空中管理融入智慧城市體系，完善飛行服務(wù)支撐超視距運(yùn)行
隨著大量應(yīng)用級無人機(jī)投入實(shí)際日常應(yīng)用，無人機(jī)的空中交通管理數(shù)量和密度將超過現(xiàn)有的空管模式的容量，以人工方式為主的空中調(diào)度管理將難以再適應(yīng)無人機(jī)的調(diào)度需求。再加上無人機(jī)的智能化屬性以及大量自動化技術(shù)在無人機(jī)上的應(yīng)用，未來無人機(jī)的空中交通調(diào)度管理系統(tǒng)將是智能化的空中交通管理平臺。而在調(diào)配的過程中，無人機(jī)調(diào)度系統(tǒng)還需考慮城市的自然山體以及高層建筑對無人機(jī)運(yùn)行路線的影響。因此，城市應(yīng)將低空空域空間列入城市國土空間規(guī)劃，并將城市無人機(jī)空中調(diào)度管理系統(tǒng)納入到智慧城市體系，通過智慧城市平臺統(tǒng)一管理高層建筑、低空空域空間以及生態(tài)敏感保護(hù)區(qū)域，并利用智慧城市體系實(shí)現(xiàn)對低空無人機(jī)的統(tǒng)一調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)空中調(diào)度智慧化。
另一方面，地方政府應(yīng)聯(lián)合民航部門以及無人機(jī)企業(yè)，統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)物流無人機(jī)發(fā)展所需的通訊導(dǎo)航設(shè)施，解決當(dāng)前無人機(jī)在運(yùn)行過程中遇到的通訊導(dǎo)航難題。建議為包括物流無人機(jī)在內(nèi)的應(yīng)用級無人機(jī)分配專有的頻率，并統(tǒng)籌在鐵塔或者現(xiàn)有導(dǎo)航設(shè)施上加裝中繼設(shè)備，滿足應(yīng)用級無人機(jī)的超視距運(yùn)行需求。為了充分發(fā)揮通訊導(dǎo)航設(shè)施的效率，建議加建的無人機(jī)通訊導(dǎo)航設(shè)施盡量與傳統(tǒng)通航飛行器服務(wù)設(shè)施融合使用，并融入到統(tǒng)一的飛行服務(wù)保障平臺，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號的互聯(lián)共享。另一方面，政府在建設(shè)智慧城市過程中應(yīng)利用先進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)為無人機(jī)物流通訊需求預(yù)留空間，創(chuàng)新利用5G加密算法逐步解決通訊中的障礙物影響以及通訊問題，保障無人機(jī)物流的常態(tài)化應(yīng)用。
結(jié)語
2020年6月，《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》正式納入《國務(wù)院2021年度立法工作計劃》。隨著無人機(jī)領(lǐng)域最高法規(guī)的出臺、國家地方支持政策的配套完善以及無人機(jī)飛行技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)物流等行業(yè)應(yīng)用將迎來重要的發(fā)展機(jī)遇期。深圳市作為無人機(jī)之都，積極組織申報無人駕駛航空試驗(yàn)區(qū)，探索城市場景下無人機(jī)綜合應(yīng)用。在行業(yè)主管部門的指導(dǎo)下，深城交先后主持《深圳市低空飛行服務(wù)體系試點(diǎn)方案研究》等項(xiàng)目工作，參與編制《深圳市無人駕駛航空試驗(yàn)區(qū)建設(shè)方案》，致力于低空空域運(yùn)行、無人機(jī)綜合管控政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)研究。
城市交通研究院
撰寫：鄭 林、黃偉剛
審核：江 捷、陸曉華
審定：邵 源