無人機配送中心布局優(yōu)化研究

文/汪蕓芳 劉粉

無人機配送中心布局優(yōu)化研究

文/汪蕓芳 劉粉

隨著京東、順豐、亞馬遜等企業(yè)的無人機快遞實踐愈演愈熱，作為一個在物流行業(yè)新穎且極具前瞻性的課題，無人機快遞在配送領(lǐng)域萬眾矚目。本文研究無人機配送在醫(yī)藥物流領(lǐng)域的應(yīng)用，以陜西省渭南市臨渭區(qū)六家醫(yī)院藥品配送為對象，應(yīng)用重心法擬建立一個醫(yī)藥配送中心。通過研究結(jié)果認(rèn)為無人機快遞可推廣至更多的特殊領(lǐng)域，解決偏遠地區(qū)配送及“最后一公里”等物流難題。

無人機快遞；醫(yī)藥物流；配送布局優(yōu)化

1.引言

近幾年，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電子商務(wù)也高速運轉(zhuǎn)起來，帶動了與之相互依存的行業(yè)——快遞業(yè)。我國快遞業(yè)務(wù)量正急速膨脹，給物流行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)，在如此規(guī)模的業(yè)務(wù)量下，物流配送面臨巨大的壓力，未來的物流不僅僅靠人力來解決的，必定會向智慧物流轉(zhuǎn)型。無人機快遞目前是許多國家研究的熱門話題，國內(nèi)外眾多企業(yè)紛紛嘗試無人機配送模式，試圖建立無人機快遞運營體系。

國外亞馬遜、7～11等企業(yè)均在進行無人機快遞的實踐研究，2016年12月21日7～11便利店在美國內(nèi)達華州里諾市使用無人機送貨。2017年亞馬遜首次使用無人機向消費者快遞包裹。同時，國內(nèi)京東、順豐等企業(yè)也致力于無人機快遞的研發(fā)與構(gòu)建。在2017年2月22日，京東與陜西省政府達成合作，開展基于智慧物流體系、無人機通航物流體系、傳統(tǒng)物流體系升級等方面的全面戰(zhàn)略合作，并將在陜西打造低空無人機通用航空物流網(wǎng)絡(luò)。

鑒于中國地大物博，偏遠地區(qū)實現(xiàn)高效、快速的配送一直是物流配送領(lǐng)域的亟待解決的問題。醫(yī)藥物流具有周轉(zhuǎn)率高，保質(zhì)期較短，部分藥品儲存成本高的特點。運用無人機實施小批量多次的藥品配送，可使偏遠地區(qū)醫(yī)院的運輸及倉儲綜合物流成本有效降低，減少藥品浪費現(xiàn)象。因此本文以陜西省渭南市為例，將無人機快遞應(yīng)用于藥品的配送，對其可行性進行分析研究。

2.無人機藥品配送

根據(jù)目前的現(xiàn)狀和實際情況，本文研究旨在解決無人機快遞配送中，與地面的配合問題，這其中重要一環(huán)是地面站點的布局優(yōu)化。本文運用案例研究法，在選擇的試驗區(qū)域建立模型，通過重心法建立一個配送中心。

2．1無人機配送區(qū)域

渭南市是陜西省一個經(jīng)濟發(fā)展緩慢且水平欠發(fā)達的城市，選其作為試驗區(qū)域的原因有以下幾個方面：（1）經(jīng)濟發(fā)展水平具有普遍性，代表性。作為一個經(jīng)濟欠發(fā)達城市的城鎮(zhèn)，渭南市臨渭區(qū)可以代表我國大部分地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，同時設(shè)施設(shè)備也同樣代表我國絕大部分小城鎮(zhèn)的情況。（2）地理及周邊環(huán)境有利于試驗的進行。鑒于快遞無人機飛行高度的局限性，所選取的區(qū)域不宜有太高的建筑或是障礙物來干擾影響實驗的進行。臨渭區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，周圍沒有林立的高樓和茂盛高大的樹木，可以方便進行試驗。（3）環(huán)境區(qū)域較小，方便結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，有利于試驗的進行。

2．2配送對象及目的

本文在陜西省臨渭區(qū)，選取5所偏遠的鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院（A南師醫(yī)院、B官道醫(yī)院、C孝義醫(yī)院、D閻村醫(yī)院、E崇凝醫(yī)院）和1所市中心的三甲醫(yī)院（F試驗區(qū)渭南中心醫(yī)院）。根據(jù)6所醫(yī)院之間的位置及其各自每年的藥品供求量建立一個模型，對其使用無人機配送的監(jiān)管模式等方面進行分析。

根據(jù)六家醫(yī)院的位置分布，通過重心法在試驗區(qū)域內(nèi)計算出一個最佳位置，可以布置地面站點，作為一個區(qū)域調(diào)度中心。根據(jù)建立的配送中心，對試驗中的六家醫(yī)院配送一批藥品。實際中藥品單位重量相對較輕，我們假設(shè)在試驗中的藥品需求量無人機一次性完成運輸，不超過其最大載重。

3.無人機配送中心布局優(yōu)化

3．1所需配送的藥品數(shù)量及無人機參數(shù)

通過調(diào)研，根據(jù)渭南市臨渭區(qū)六家醫(yī)院2016年抗生素藥物的使用情況，分別給出六家醫(yī)院在試驗中一次配送如下數(shù)量的藥品，如表1所示。

表1 六家醫(yī)院單次配送的藥品數(shù)量

京東預(yù)計未來推出油動力無人機，飛行更穩(wěn)定，續(xù)航時間長。未來預(yù)期最大載重以噸計，最大飛行里程300公里，飛行高度1000米，可更廣泛地應(yīng)用于多種商品的配送。本文采用現(xiàn)階段已存在的油動力直驅(qū)無人機型，參數(shù)設(shè)定最大載重30公斤，最大飛行距離100公里。

3．2建立醫(yī)藥配送中心（地面控制中心）

我們假設(shè)無人機的飛行在無障礙空曠領(lǐng)域，可以按照預(yù)定路徑飛行完成配送任務(wù)，該位置坐標(biāo)可以作為無人機配送的地面控制中心。依據(jù)醫(yī)院的區(qū)域距離關(guān)系，構(gòu)建一個大致的直角坐標(biāo)系，在不考慮單位運費成本的情況下，應(yīng)用重心法，建立一個醫(yī)藥配送中心，并通過計算取得醫(yī)藥配送中心的位置坐標(biāo)。

表2 六家醫(yī)院的需求與地理數(shù)據(jù)

其中，Ci——從配送中心分別到六家醫(yī)院的單位運費；

Qi——六家醫(yī)院各自的藥品需求量；

Di——從配送中心分別到六家醫(yī)院的距離。

根據(jù)各醫(yī)院的藥品需求數(shù)量，求系統(tǒng)重心（X0，Y0）

根據(jù)公式求得，醫(yī)藥配送中心P（X0，Y0）的坐標(biāo)為（10．7，15．2）。

應(yīng)用重心法求得的配送中心距各醫(yī)院距離最優(yōu)，如遇藥品突發(fā)需求，無人機可從藥品配送中心（地面控制中心），以最短距離最快時間送達需求醫(yī)院，這時可選擇體積更輕、成本更低的電池驅(qū)動無人機或油電混合驅(qū)動無人機，滿足不同類型的藥品配送需要。

目前的無人機飛行技術(shù)可自主越過障礙物，在高空領(lǐng)域直線飛行，而車輛在行進過程中，受到地理環(huán)境、路況的限制，其行駛里程必定大于假設(shè)的直線距離，無人機飛行的里程小于車輛行駛的里程。無人機飛行不受外界地理因素的影響，在地震及洪水發(fā)生時也可啟動無人機進行配送，對于醫(yī)藥等急需物品、無人機快遞配送具有明顯優(yōu)勢，以更低的成本為需求者贏得時間。

4.總結(jié)與展望

本文通過小范圍無人機配送案例研究希望推廣及更多的地區(qū)，鑒于無人機快遞的造價成本等，批量使用無人機配送可取得規(guī)模收益，驗證無人機快遞在更多地區(qū)應(yīng)用的可能。現(xiàn)階段民用無人機實施配送地面控制中心需考慮天氣影響，同時載重和運輸距離還可改進，因此需要整個體系飛行控制系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)以及第三方監(jiān)管部門相互配合才能在將來廣泛應(yīng)用于物流配送。但無人機配送仍然是物流前沿技術(shù)的發(fā)展方向之一，是智慧物流框架的重要組成部分。

1．林鷹．無人機進軍空中快遞業(yè)[J]．交通與運輸．2014，（1）：41～42

2．吳剛，周斌，楊連康． 國內(nèi)外民用無人機行業(yè)發(fā)展回顧與展望[J]．經(jīng)濟研究導(dǎo)刊．2016，（12）：160～162．

3．Henri Eisenbeiss， Martin Sauerbier． Investigation of UAV systems and flight modes for photogrammetric applications [J]．The Photogrammetric Record．2015，26（136）：400～421．

國家自然科學(xué)基金（71772016）；北京市社會科學(xué)基金研究基地項目（2017JDGLB016）；中國物流學(xué)會面上項目（2017CSLKT3～002）

（作者單位：北京物資學(xué)院物流學(xué)院）