行業洞察 | 城市無人機物流發展現狀與展望

2019年,中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》,要求推進智能收投終端和末端公共服務平臺建設,積極發展無人機物流遞送。2020年發布的《國家綜合立體交通網規劃綱要》明確提出將發展交通運輸低空經濟,推進智能化通用航空器在立體交通網中的應用。無人機作為新型智慧化的通用航空器,可以避開城市中越發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輸中發揮其快速靈活的優勢,承擔著社會各界越來越高的期望。但作為一種新型的運輸方式,城市無人機物流在實際應用中也面臨著一系列的挑戰。本文從無人機物流的概念和意義出發,總結當前無人機物流的相關進展,并從運行層面對無人機物流的發展進行了展望。

 

 

01 發展無人機物流有助于實現物流行業的提效降耗,并提升極端條件下的可達性

 

發展無人機物流有助于提升物流行業的時效水平,并降低運營成本以及環保成本。相比于傳統的物流方式,無人機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行運輸。同時無人機飛行速度較高,無人機物流在時效性上優勢明顯,是高附加值貨物理想的運輸方式。而隨著電力驅動逐步在無人機運行中成為主流,無人機物流的零排放特性也使其在環保成本上具有較大優勢。無人機物流的大范圍應用將有利于物流企業實現碳中和目標。

 

同時,在物流行業人力成本不斷上升的情況下,無人機物流因其所需人力投入較少,相對于傳統運輸在人力成本上優勢明顯。中國勞動年齡人口(16-59歲)如下圖所示,在2013年達到最高點,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,包括快遞在內的物流產業運行人工成本不斷上升。而無人機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。

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中國勞動力人口數量

 

來源:中國人口和就業統計年鑒
 

另一方面,無人機物流具有傳統物流難以匹配的靈活性,可以提升物流對地面交通欠發達地區的覆蓋能力,并增強極端條件下物流可達性。物流無人機,特別是垂直起降無人機對裝卸以及起降場地的要求較少,而且不受地面道路設施制約,適合在地面交通不便地區進行貨物運輸,具有較高的靈活性。特別是在應急救援、災害重建等緊急情況下,無人機物流可以在例如疫情道路封鎖、災后交通設施受損等緊急或極端條件下保證公共物流運輸的可達性。

 

 
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順豐無人機在疫情封鎖期間降落武漢金銀潭醫院運送物資

 

來源:順豐科技
 

 

 

02 城市無人機物流發展現狀

 

基于無人機在時效、成本和靈活性上的優異表現,城市無人機物流在近年來正受到越來越多的關注。無人機物流,本質上是利用無線電遙控設備和自備的程序空中裝置操縱的無人駕駛航空器實現貨物的位移。而為了滿足貨物運輸過程中快速靈活的需求,無人機物流正向自動化貨物裝卸、空中自助飛行發展??梢钥吹?,在使用無人機實現貨物位移的過程中,無人機系統、起降與裝卸場地以及飛行中調配成為最為關鍵的組成部分。

 

1.無人機航程以及荷載不斷提升,但通訊導航能力有待進一步發展
 

隨著電池技術的快速發展,無人機電池的能力密度正在大幅度提高。當前已有廠家將電池的能量密度提升至450瓦時/千克,為我們日常所用iphone電池的兩倍。電池能量密度的提高可以進一步減輕無人機空機重量,提升無人機單次航程。同時,物流無人機已從此前的四軸螺旋槳逐漸擴張為六軸、八軸以及更多軸的螺旋槳驅動,并為無人機帶來更大的升力,因此無人機的載荷正在不斷提升。目前多旋翼無人機的載荷已經可以達到20kg以上,垂直起降固定翼無人機載荷已經可以達到40kg以上,已具備實現商業運行的能力。在速度方面,2019年,美國ZipLine公司開發出全球目前最快速的商業送貨無人機,最高時速已達128km/h。

 
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Zipline無人機在坦桑尼亞運送醫療物資
 
來源:Zipline

 

但與此同時,無人機的通訊導航以及路線規劃能力仍有待進一步提高。物流無人機由于大部分需要超視距飛行,無人機與地面基站之間的通訊成為控制或者介入無人機運行的重要保障。但當前物流無人機由于頻率資源的原因,大部分還使用公共頻率進行無人機與地面基站之間的通訊,難以保障無人機接受到正確的地面指令,甚至可能發生無人機被其它違法者發出欺騙指令而進行錯誤的動作。

 
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Wing無人機在澳大利亞進行超視距運行
 
來源:Wing
 

另一方面,無人機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,否則無人機與地面基站之間的通訊就會受到干擾。物流無人機在飛行過程中,特別是城市范圍內的飛行過程中經常會受到山體或高層建筑物的遮擋。而為了防止無人機在運行過程中難以收到正確的指令,當前大部分物流無人機運行者采用在城市高層建筑零星布設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.自動化起降設施成為主流,但當前起降設施限制較多
 

目前無人機物流所采用的起降設施除了傳統的地面起降場地外,無人機巢式的一體化起降設施正在快速發展。無人機巢式的起降設施可以滿足無人機???、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而被誤傷,因此正在受到業界的快速推廣。但是,當前的無人機巢大部分只能滿足一家無人機???,并未考慮大范圍商業化應用時多架無人機的??啃枨?。同時,由于無人機巢的容積所限,且只能容納指定類型的無人機。因此,在用地緊張的城市小區周邊,無人機巢的分布相對較少,且利用效率不高。

 
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迅蟻無人機起降平臺
 
來源:迅蟻

 

 

3.物流無人機運行空域限制較大,物流無人機有待融入國家空域管理系統
 

相比于消費級無人機,物流無人機的飛行高度更高,飛行范圍更廣,載重及機型更大,導致其對空域的要求更高。但是,各國對于物流無人機應該遵守的適航規范以及安全準則并未有一致的規定。美國FAA(聯邦航天航空局)對無人機采用的是根據已有規則采取特殊豁免的政策,中國民用航空局對無人機的適航管理則采取基于風險的安全評估。當前對物流無人機,特別是超視距運行類無人機采用的是一事一議的評審規則,每一運行種類的無人機都需要進行相關的適航評估,對物流無人機融入國家空域管理系統造成了較大障礙。

 

另一方面,物流無人機在低空的飛行也與運輸航空以及傳統的通用航空用戶飛行存在一定的相互影響。由于物流無人機的飛行高度與傳統通用航空飛行器重疊較大,且當前大部分無人機的空域保持能力還未經過認證,管理機關原則上還要求無人機與有人駕駛航空器隔離運行,且配備600米以上的垂直間隔,導致無人機飛行與有人通航飛行相互影響較大。同時,由于無人機目前的監視定位設施較少,無人機監視信號難以實時提供給民航管制部門,造成相關管理部門對于無人機飛行的安全性以及穩定性顧慮較大,在實際運行中對無人機的安全間隔要求相應增大,物流無人機運行空間抓襟見肘。

 

 

03 城市無人機物流運行展望

 

 

1.起降設施智能優化,無人機物流充分融入智慧物流體系
 

在互聯網技術以及智慧城市的快速發展下,城市無人機物流需要融入智慧物流體系,實現信息共享以及不同物流方式的無縫銜接以充分發揮無人機物流的時效優勢??梢钥吹?,無人機物流的起降設施是當前無人機物流與其它物流方式的重要信息和接駁端口。建議地方政府統一規劃無人機物流需求較大區域的無人機起降設施,并根據實際建設可以容納不同類型無人機的智能化起降設施,配備相應的充電、停泊、貨物裝卸場地。同時,起降設施應與其它物流設施實現無縫銜接,滿足貨物從無人機自動卸載后可以通過無人化設備轉移到臨近的儲存平臺,并將貨物信息及時通知相關方,并根據相關指令可以實現遠程存儲或取貨操作,實現無人機物流與其它物流方式無縫銜接,將無人機物流融入智慧物流體系。

 

2.商業模式不斷深化發展,配送模式分類優化
 

城市無人機物流商業模式將不斷擴展深化,并由此形成適用于不同商業模式的配送模式。當前無人機物流在城市中的應用主要包括醫療物資配送、點對點高時效性物資配送、封閉區域物資配送等,而隨著同城急送等新的商業模式對無人機物流的需求,無人機物流的配送模式也將分類優化。醫療物資配送以及點對點物資配送將采取利用臨時起降場地、專業人員取件的方式滿足及時取件需求,封閉區域物資配送很可能采用大載重無人機同時運送多種貨物以取得更好的經濟性,而同城閃送則可能采用物流無人機完成遠距運送,再由人工進行末端環節配送的方式。

 

3.無人運行與有人飛行實現融合運行,空域實行分類準入
 

無人機作為一類新的航空器,其與運輸航空、傳統通用航空用戶一樣都應屬于空域用戶。而且隨之無人機技術的快速發展,無人機的重量、航程以及空域保持能力將不斷地接近甚至超過現有的有人駕駛航空器。因此,繼續以是否有人駕駛來對航空器實行分類管理難以滿足未來低空飛行的發展。更為合理的方式是將有人駕駛航空器以及無人機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入標準,并在空域內實行統一的間隔標準和要求。

 

而在當前無人機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發展對于低空空域的需求以及“先隔離后融合”的管理理念,管理部門可以根據當地實際情況,在保障運輸航空正常運行的情況下,為傳統通用航空飛行以及應用級無人機分別劃設飛行通道(如下圖),通過通道達到無人飛行與有人飛行運行分離的目的。通道內實行符合當前通航飛機以及無人機性能情況的準入規則,通過實行統一的目視飛行規則或無人機間隔規則避免混合運行需要遵循更為嚴格的間隔要求的情況,提升通道的空域使用效率,滿足傳統通航飛行器以及應用級無人機的發展需求。

 
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飛行通道示意圖
 
來源:《深圳低空飛行服務網絡試點方案》

 

 

4.將城市無人機空中管理融入智慧城市體系,完善飛行服務支撐超視距運行
 

隨著大量應用級無人機投入實際日常應用,無人機的空中交通管理數量和密度將超過現有的空管模式的容量,以人工方式為主的空中調度管理將難以再適應無人機的調度需求。再加上無人機的智能化屬性以及大量自動化技術在無人機上的應用,未來無人機的空中交通調度管理系統將是智能化的空中交通管理平臺。而在調配的過程中,無人機調度系統還需考慮城市的自然山體以及高層建筑對無人機運行路線的影響。因此,城市應將低空空域空間列入城市國土空間規劃,并將城市無人機空中調度管理系統納入到智慧城市體系,通過智慧城市平臺統一管理高層建筑、低空空域空間以及生態敏感保護區域,并利用智慧城市體系實現對低空無人機的統一調度管理,實現無人機空中調度智慧化。

 

另一方面,地方政府應聯合民航部門以及無人機企業,統籌規劃建設物流無人機發展所需的通訊導航設施,解決當前無人機在運行過程中遇到的通訊導航難題。建議為包括物流無人機在內的應用級無人機分配專有的頻率,并統籌在鐵塔或者現有導航設施上加裝中繼設備,滿足應用級無人機的超視距運行需求。為了充分發揮通訊導航設施的效率,建議加建的無人機通訊導航設施盡量與傳統通航飛行器服務設施融合使用,并融入到統一的飛行服務保障平臺,實現相關信號的互聯共享。另一方面,政府在建設智慧城市過程中應利用先進的5G網絡為無人機物流通訊需求預留空間,創新利用5G加密算法逐步解決通訊中的障礙物影響以及通訊問題,保障無人機物流的常態化應用。

 

 

結語
 

2020年6月,《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》正式納入《國務院2021年度立法工作計劃》。隨著無人機領域最高法規的出臺、國家地方支持政策的配套完善以及無人機飛行技術的發展,無人機物流等行業應用將迎來重要的發展機遇期。深圳市作為無人機之都,積極組織申報無人駕駛航空試驗區,探索城市場景下無人機綜合應用。在行業主管部門的指導下,深城交先后主持《深圳市低空飛行服務體系試點方案研究》等項目工作,參與編制《深圳市無人駕駛航空試驗區建設方案》,致力于低空空域運行、無人機綜合管控政策、法規和標準研究。

 

 

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

 

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