物流用貨運(yùn)無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展探究

田秋麗，劉戰(zhàn)合，王 菁，趙 輝

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院經(jīng)貿(mào)學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

近年來，隨著電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的快遞物流業(yè)獲得快速增長，涌現(xiàn)了專門從事物流快遞業(yè)務(wù)的順豐、申通、韻達(dá)等快遞公司，與傳統(tǒng)郵遞行業(yè)的郵局一起，成為物流業(yè)的中堅(jiān)力量[1,2]。同時(shí)，一些大型的網(wǎng)上商務(wù)平臺(tái)，為了降低物流成本，也在構(gòu)建獨(dú)立的完整物流體系，如京東、亞馬遜、蘇寧等。

物流的快速、安全、私密等要求逐步成為物流安全的主要特點(diǎn)。隨著交通運(yùn)輸業(yè)、電子技術(shù)發(fā)展，服務(wù)意識(shí)的快速提高，各大物流公司提供了較為優(yōu)秀的產(chǎn)業(yè)服務(wù)。行業(yè)的復(fù)雜性、系統(tǒng)性、多樣化、精準(zhǔn)性等依然成為限制物流發(fā)展的重要瓶頸，物流手段的優(yōu)化配置和技術(shù)提升是解決以上問題的重要途徑之一。

一般的，為兼顧成本和需求，物流依然以水運(yùn)、空運(yùn)、陸運(yùn)為主，尤其是中、近距離物流貨運(yùn)，主要依靠陸運(yùn)結(jié)合終端用戶的快遞員投送方式，這一傳統(tǒng)投運(yùn)方式對(duì)投遞員素質(zhì)、快速投遞效率等有較大要求，且不利于整體行業(yè)的快速完善。

當(dāng)前，無人機(jī)成為航空工業(yè)發(fā)展一顆閃耀明星，隨著飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)[3]、飛行控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、能源動(dòng)力工程、信息化技術(shù)等的快速成熟與工程化[4-6]，使得無人機(jī)成為生產(chǎn)力發(fā)展的重要力量，逐步的形成以大疆無人機(jī)公司為典型代表的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)群體。而在物流快遞行業(yè)，盡管無人機(jī)的發(fā)展處于初級(jí)發(fā)展過程，但無人機(jī)也必將成為重要支撐平臺(tái)，必將成為未來物流的核心力量。

本文結(jié)合無人機(jī)在物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展的具體需求，以無人機(jī)本體設(shè)計(jì)技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合物流業(yè)系統(tǒng)化思想，詳細(xì)探究了物流用貨運(yùn)無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及其典型特點(diǎn)，以期理清物流用貨運(yùn)無人機(jī)的發(fā)展脈絡(luò)和技術(shù)途徑，為貨運(yùn)無人機(jī)研究提供清晰思路。

1 航空物流

1.1 現(xiàn)代物流途徑分類

從物流貨運(yùn)角度講，物流貨運(yùn)采用的方式依然是“水陸空”結(jié)合方式，即采用傳統(tǒng)的水運(yùn)+陸運(yùn)為主，結(jié)合快速投遞的空運(yùn)，以實(shí)現(xiàn)物流的整體運(yùn)行。其運(yùn)營成本從低到高依次為水運(yùn)、陸運(yùn)、空運(yùn)，但及時(shí)性依次剛好相反，水運(yùn)受限于水路網(wǎng)，陸運(yùn)在中短程上具有快速靈活的優(yōu)點(diǎn)，空運(yùn)盡管速度快，但受限于機(jī)場(chǎng)布置，僅用于重要郵件的長距離投遞。

隨著國家在航空港經(jīng)濟(jì)的認(rèn)可和投資，以航空港為出發(fā)點(diǎn)的物流快遞獲得快速發(fā)展，但主要以遠(yuǎn)距離的集中式貨運(yùn)為主，很難形成以物流公司相對(duì)獨(dú)立的物流中心，對(duì)物流的系統(tǒng)化、精準(zhǔn)化、快速化等快速的形成重要瓶頸。

1.2 航空物流作用

航空物流已經(jīng)成為物流快遞的重要組成部分，尤其是遠(yuǎn)距離貨運(yùn)，即傳統(tǒng)意義上的航空物流形式。隨著物流需求的快速增長，各大物流公司及網(wǎng)購平臺(tái)，考慮到自身發(fā)展需求，也在謀求自身獨(dú)立的物流體系，如京東、亞馬遜等均在積極構(gòu)建航空物流體系。

從政策方面講，當(dāng)前，無人機(jī)作為通航飛機(jī)的重要組成部分，成為民用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心力量之一，《中國制造2025》提出要推進(jìn)無人機(jī)和通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化，國務(wù)院頒布的《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中明確提出要重點(diǎn)發(fā)展通用飛機(jī)為主的航空裝備，做大做強(qiáng)航空產(chǎn)業(yè)，《民用航空工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2013-2020）》提出積極發(fā)展通用航空產(chǎn)業(yè)，大力拓展通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，從宏觀上為航空物流的發(fā)展和組建提供了持續(xù)動(dòng)力。

航空物流作為現(xiàn)代化物流的典型技術(shù)途徑，尚處于初始發(fā)展階段，主要面向于重要性較高、時(shí)間緊迫、特殊貨物需求（如冷鮮）等快遞件。

1.3 航空物流飛行器

目前大多數(shù)物流公司主要通過租賃航空公司貨運(yùn)飛機(jī)或以客運(yùn)為依托實(shí)現(xiàn)貨物的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。以京東為主的一些大型公司，著力實(shí)現(xiàn)完善的航空物流體系，也在飛行器的發(fā)展利用上進(jìn)行較多的嘗試。圖1為順豐集團(tuán)深圳物流中心購置的遠(yuǎn)航程物流貨運(yùn)飛機(jī)767-300BCF。

圖1 順豐集團(tuán)貨運(yùn)飛機(jī)767-300

該機(jī)為典型客改貨，承襲了其超大體積、更高載重、更遠(yuǎn)航程的特點(diǎn)，可以承載25輛快遞車，每輛車1600個(gè)快遞箱，總計(jì)可達(dá)4萬個(gè)，總重5噸，航程達(dá)7000公里。

在傳統(tǒng)貨運(yùn)飛機(jī)的基礎(chǔ)上，無人機(jī)由于其快速發(fā)展及便捷性，也成為航空物流未來的重要分支，也是本文重要研究內(nèi)容。

2 物流貨運(yùn)無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

區(qū)別于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，貨運(yùn)無人機(jī)的發(fā)展面臨更復(fù)雜的技術(shù)需求、系統(tǒng)要求。本文以順豐集團(tuán)、京東集團(tuán)等貨運(yùn)無人機(jī)為主，兼顧其它集團(tuán)公司發(fā)展，來詳細(xì)討論。

當(dāng)前，面向終端客戶，京東、順豐、申通等均采用快遞人力投送方式實(shí)現(xiàn)，為降低投遞困難，京東等開始著眼于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)投遞，并進(jìn)行了努力，圖2為京東及順豐多旋翼無人機(jī)投遞實(shí)驗(yàn)。

圖2 多旋翼貨運(yùn)無人機(jī)

同時(shí)，在采用多旋翼進(jìn)行無人機(jī)投遞的實(shí)踐過程中，多家巨頭公司也在嘗試其它方式。順豐集團(tuán)通過與其它航空公司合作，于2017年5月10日，成功試飛了我國首架擁有自主產(chǎn)權(quán)的中遠(yuǎn)程大載重應(yīng)急物資運(yùn)送無人機(jī)。該固定翼無人機(jī)可完成15公斤貨物、80公里遠(yuǎn)程配送任務(wù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物在15米范圍內(nèi)精準(zhǔn)投放。

圖3 順豐15公斤級(jí)貨運(yùn)無人機(jī)

順豐集團(tuán)也在嘗試中遠(yuǎn)程貨運(yùn)無人機(jī)試驗(yàn)，2017年7月12日，順豐集團(tuán)在成都附近水域進(jìn)行了某型貨運(yùn)無人機(jī)（圖4）飛行起降測(cè)試（載重250kg），采用全封閉式水陸兩棲方式，為提高飛行穩(wěn)定性，機(jī)翼兩側(cè)各置穩(wěn)定性浮桶，該型無人機(jī)尚處于科研驗(yàn)證階段。

圖4 順豐250kg級(jí)貨運(yùn)無人機(jī)

由圖4可以看出，該型貨運(yùn)無人機(jī)采用水上起降方式，可大大降低對(duì)地面機(jī)場(chǎng)需求，尤其適用于我國南方多湖泊、多河流區(qū)域，同時(shí)，在群島國家，具有更大的應(yīng)用前景。另一方面，該型無人機(jī)為了適應(yīng)陸上起降，設(shè)計(jì)成為水陸兩棲方式，大大提高了實(shí)用性。

為進(jìn)一步拓展貨運(yùn)無人機(jī)使用，順豐集團(tuán)與中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所和中國科學(xué)院工程熱物理研究所合作，以P-750XSTOL輕型飛機(jī)為載體，改裝成可自主飛行無人機(jī)，成為截至目前為止世界第一架大型貨運(yùn)無人機(jī)，該型無人機(jī)如圖5所示。

圖5 P-750改裝后的無人機(jī)

該型無人機(jī)改裝后，載重將達(dá)1噸以上，航程近2000公里，成為真正意義上的遠(yuǎn)距離重型貨運(yùn)無人機(jī)。在此基礎(chǔ)上，順豐集團(tuán)也在努力發(fā)展一種3噸級(jí)別的支線貨運(yùn)無人機(jī)，其概念機(jī)如圖6。

與順豐集團(tuán)類似，京東、亞馬遜、谷歌等集團(tuán)也在該方面進(jìn)行積極布局。京東在貨運(yùn)無人機(jī)方面也做了積極嘗試，并進(jìn)行了多次無人機(jī)配送試驗(yàn)，距離實(shí)用化的程度還不夠。京東的概念無人機(jī)將能夠載重1噸，飛行50km，除無人機(jī)本身之外，京東已經(jīng)成功研發(fā)無人機(jī)飛控中心，為真正實(shí)現(xiàn)落地運(yùn)營提供必要技術(shù)基礎(chǔ)。

圖6 順豐3噸級(jí)概念貨運(yùn)無人機(jī)

圖7為京東某型貨運(yùn)無人機(jī)VT1方案。

圖7 京東傾轉(zhuǎn)旋翼貨運(yùn)無人機(jī)VT1

貨運(yùn)無人機(jī)VT1將具備200公里以上飛行距離、200公斤以上起飛重量的能力。將為京東在無人機(jī)貨運(yùn)方面提供重要技術(shù)支撐。

3 貨運(yùn)無人機(jī)分類

3.1 按總體布局

從上述貨運(yùn)無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀來看，結(jié)合飛行器布局技術(shù)，可將貨運(yùn)無人機(jī)分為：旋翼無人機(jī)、傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)。

旋翼無人機(jī)對(duì)起降條件要求低，尤其是現(xiàn)在多旋翼無人機(jī)發(fā)展較為成熟的條件下，已經(jīng)成為消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的主體形式，將成為貨運(yùn)無人機(jī)的首要形式。其次，與飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)相類似，貨運(yùn)無人機(jī)為了綜合旋翼和固定翼的優(yōu)點(diǎn)，也在嘗試傾轉(zhuǎn)旋翼貨運(yùn)無人機(jī)的研究探索，這一點(diǎn)在京東、空客、亞馬遜等公司均有體現(xiàn)。最后，貨運(yùn)無人機(jī)區(qū)別于偵察、打擊無人機(jī)，對(duì)機(jī)動(dòng)能力等要求較低，其設(shè)計(jì)具有典型的貨運(yùn)飛行器特點(diǎn)。

3.2 按航程

貨運(yùn)無人機(jī)與常規(guī)飛行器一樣，也可以按照航程進(jìn)行分類，結(jié)合物流特點(diǎn)，可以分為近程無人機(jī)、中程無人機(jī)、遠(yuǎn)程無人機(jī)（支線）。

近程無人機(jī)根據(jù)物流需求，可以定義為50公里以內(nèi)用于貨運(yùn)投遞的無人機(jī)，尤其適合于終端客戶快點(diǎn)的投放；中程無人機(jī)50～200公里，可用于大型城市內(nèi)部或兩小城市間的物流運(yùn)輸；運(yùn)程無人機(jī)甚至是支線級(jí)別的貨運(yùn)無人機(jī)，可實(shí)現(xiàn)200～2000公里的無人貨運(yùn)投放，用于中型城市或大型城市間物流運(yùn)輸。

3.3 按載重

按其物流需求的載重劃分，可分為輕型無人機(jī)、中型無人機(jī)、重型無人機(jī)。

從當(dāng)前物流無人機(jī)的使用情況和物流需求來看，輕型無人機(jī)為載重在30公斤以下的無人機(jī)，中型無人機(jī)范圍在30～100公斤級(jí)別，重型無人機(jī)在100公斤以上級(jí)別。

3.4 各分類之間關(guān)系

盡管上述分類方式從不同角度進(jìn)行了闡述，實(shí)際上三者之間有較為密切的關(guān)系，可以用圖8來表示。

圖8 各分類之間內(nèi)在關(guān)系

如圖8所示，一般的，近程的貨運(yùn)可采用多旋翼貨運(yùn)無人機(jī)，尤其是超近程，如小區(qū)范圍內(nèi)投遞，該型無人機(jī)也是輕型貨運(yùn)無人機(jī)，一般在數(shù)公斤至二三十公斤不等，航程最遠(yuǎn)也是城市內(nèi)或一個(gè)區(qū)域的農(nóng)村范圍投遞。中程無人機(jī)一般采用小型固定翼無人機(jī)或處于研發(fā)階段的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)實(shí)施，其載重量也會(huì)相應(yīng)提高，在30～100公斤之間。遠(yuǎn)程或支線無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)數(shù)百公里甚至是數(shù)千公里的運(yùn)輸，其載重量也會(huì)在數(shù)百公斤甚至達(dá)數(shù)噸，同時(shí)，為了提高燃油利用率和航程，一般采用固定翼布局形式。

4 貨運(yùn)無人機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

通過前述研究，從技術(shù)角度出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)，貨運(yùn)無人機(jī)的技術(shù)發(fā)展路線可分為如下幾種方式：1）旋翼；2）旋翼+固定翼，傾轉(zhuǎn)旋翼+固定翼；3）固定翼。

4.1 旋翼

旋翼尤其是多旋翼，是當(dāng)前無人機(jī)研究的熱點(diǎn)，也是走向?qū)嵱没疃嗟臒o人機(jī)形式，其載重量在25～30公斤以內(nèi)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)載重，有四旋翼、六旋翼、八旋翼等。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，航程較近，載重較小的多旋翼無人機(jī)在數(shù)公里甚至視距內(nèi)，載重較大的可在幾十公里的航程。從物流角度來講，更適合于面向客戶端的快遞員使用，具有攜帶方便、投遞方便的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也較為明顯，如航程小，載貨量小，電池容量小等。多旋翼無人機(jī)技術(shù)成熟度較高，穩(wěn)定性較好，飛行技術(shù)要求低。

4.2 旋翼+固定翼 或 傾轉(zhuǎn)旋翼+固定翼

為解決中遠(yuǎn)程快速投遞業(yè)務(wù)，借鑒于航空飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，提出了旋翼+固定翼或傾轉(zhuǎn)旋翼+固定翼的方式。該方式結(jié)合固定翼和旋翼的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)垂直起降，巡航狀態(tài)以固定翼提供動(dòng)力，提高載重和航程。旋翼+固定翼方式，設(shè)計(jì)難度低，但在前飛過程中，其旋翼會(huì)帶來飛行阻力，從而降低燃油利用率。傾轉(zhuǎn)旋翼（也可采用傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇）+固定翼方式，可以有效結(jié)合旋翼和固定翼優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)難度較高，在旋翼傾轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)飛行不穩(wěn)定性，對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制環(huán)節(jié)要求高，這也是該型無人機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

該類無人機(jī)設(shè)計(jì)載重一般在15～35公斤，航程為20～80公里。其優(yōu)點(diǎn)是起降要求較低，可實(shí)現(xiàn)較長距離貨物運(yùn)輸。同時(shí)，在設(shè)計(jì)研究中，要求具備一定的飛行器設(shè)計(jì)、飛行控制技術(shù)、自動(dòng)控制等技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)研究經(jīng)驗(yàn)。

圖9 旋翼（傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇）+固定翼

圖9中左圖為空客公司旋翼+固定翼貨運(yùn)無人機(jī)設(shè)計(jì)方案，右圖為波音公司采用涵道風(fēng)扇為動(dòng)力的傾轉(zhuǎn)旋翼方案。

4.3 固定翼

固定翼飛機(jī)具有航程遠(yuǎn)、載重大的優(yōu)點(diǎn)，這也是遠(yuǎn)距離物流的主要需求，就當(dāng)前情況來看，其載重需求在200公斤～1噸，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)，航程在50～2000公里不等，可根據(jù)物流策略進(jìn)行安排。固定翼無人機(jī)也有其缺點(diǎn)，受起降條件限制，對(duì)陸基需有通用機(jī)場(chǎng)或物流機(jī)場(chǎng)支撐，對(duì)水上起降無人機(jī)，需有安全水域進(jìn)行起降。

固定翼無人機(jī)尤其是大展弦比貨運(yùn)無人機(jī)具有耗油率低、航程遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，可大幅降低物流成本，同時(shí)，其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，有大量豐富經(jīng)驗(yàn)可借鑒，尤其是常規(guī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)技術(shù)。

5 貨運(yùn)無人機(jī)研頂層究策略

5.1 新概念貨運(yùn)無人機(jī)研究

從飛行器設(shè)計(jì)角度講，無論是多旋翼無人機(jī)還是固定翼無人機(jī)，或者是二者的結(jié)合：傾轉(zhuǎn)旋翼（旋翼）+固定翼型無人機(jī)，在設(shè)計(jì)新一款無人機(jī)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求、設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行大量的前期總體設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)分析、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，及空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、仿真分析，試飛試驗(yàn)等，設(shè)計(jì)周期較長，同時(shí)也存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、研制周期長等缺點(diǎn)，技術(shù)投入和經(jīng)費(fèi)投資相對(duì)來說均較大。

因此，新概念貨運(yùn)無人機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)物流公司來說，將需要較長的研制周期和資金投入，這對(duì)實(shí)用化來說為不利因素。

5.2 輕型飛機(jī)改裝為貨運(yùn)無人機(jī)

對(duì)30kg以上載重貨運(yùn)無人機(jī)來說，尤其是100kg以上載重量無人機(jī)，目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用固定翼常規(guī)布局形式，同時(shí)，結(jié)合需求，對(duì)現(xiàn)有輕型飛機(jī)進(jìn)行改裝，通過在有人飛機(jī)增加無人飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路等，升級(jí)成對(duì)應(yīng)形式的貨運(yùn)無人機(jī)，成為目前主流物流也是貨運(yùn)巨頭公司的選擇。

以設(shè)計(jì)、飛行成熟的固定翼輕型無人機(jī)為載體，借助其原有穩(wěn)定的設(shè)計(jì)概念，可提高項(xiàng)目技術(shù)成熟度、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和投資風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)約用于無人機(jī)前期概念設(shè)計(jì)研究的大量時(shí)間和資金投入。

一般的，可選擇大展弦比輕型無人機(jī)作為改裝對(duì)象，應(yīng)考慮輕型飛機(jī)本身的運(yùn)行情況，根據(jù)需求合理設(shè)計(jì)改裝，以實(shí)現(xiàn)大型貨運(yùn)無人機(jī)的運(yùn)行。

6 結(jié)論

以航空器在物流中的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)當(dāng)前主要物流公司、網(wǎng)購平臺(tái)貨運(yùn)無人機(jī)的研究和使用進(jìn)行調(diào)研，詳細(xì)分析了貨運(yùn)無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，從實(shí)際物流貨運(yùn)需求出發(fā)，研究了貨運(yùn)無人機(jī)的分類、優(yōu)缺點(diǎn)、適用情況；以此為基礎(chǔ)，提出了當(dāng)前貨運(yùn)無人機(jī)技術(shù)發(fā)展路線和貨運(yùn)無人機(jī)的研究策略，對(duì)貨運(yùn)無人機(jī)研究頂層設(shè)計(jì)具有一定支撐作用。