無人集群系統(tǒng)在現(xiàn)代物流中的應用展望

梁光霞

【摘 要】智能無人系統(tǒng)具有打通物流運輸“最后一公里”的天然優(yōu)勢，日益受到各類電子商務物流企業(yè)的重視，并呈現(xiàn)集群化發(fā)展趨勢。文章首先調(diào)研了無人系統(tǒng)在物流運輸中的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了無人集群物流系統(tǒng)的關鍵問題，包括無人集群物流系統(tǒng)管理架構(gòu)、大規(guī)模在線路徑規(guī)劃/重規(guī)劃、空間域運行沖突消解與感知規(guī)避、無人集群物流運輸?shù)谋O(jiān)督控制等，然后展望了人工智能、5G、北斗系統(tǒng)等新技術對無人化物流運輸帶來的巨大變革。

【關鍵詞】無人系統(tǒng);集群系統(tǒng);現(xiàn)代物流;人工智能

【中圖分類號】F259.23 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0128-03

0 引言

自20世紀90年代以來，以無人機、無人車、無人船為代表的智能無人系統(tǒng)得到了空前的重視與發(fā)展，在國民經(jīng)濟、國防等各領域發(fā)揮著越來越重要的作用。但在未知復雜條件下（如復雜動態(tài)的野外環(huán)境、障礙物眾多的城市環(huán)境等條件下的高效物流運輸），單個無人系統(tǒng)受到載荷能力、機動性能等因素的限制，無法滿足復雜應用任務需求，因此由多個無人系統(tǒng)組成相互任務關聯(lián)的集群系統(tǒng)，以協(xié)作方式執(zhí)行任務的形式應運而生。對無人集群系統(tǒng)而言，可通過平臺的協(xié)調(diào)配合提高物流任務完成質(zhì)量;可以在部分平臺故障情況下通過任務的動態(tài)分配與調(diào)度提高任務成功概率;可以通過任務在平臺上的并行執(zhí)行縮短任務完成時間。因此，無人集群系統(tǒng)在近年來受到了國內(nèi)外研究機構(gòu)和企業(yè)的廣泛關注。

當前，世界物流無人化產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處在快速上升時期，表現(xiàn)為美國全面領先、歐盟積極跟隨、中國從跟跑轉(zhuǎn)向并跑、領跑的態(tài)勢。我國企業(yè)在全球領先實現(xiàn)了無人機物流運輸常態(tài)化運行，而無人車物流運輸已經(jīng)開展路面測試。未來，無人物流系統(tǒng)服務市場發(fā)展前景向好，發(fā)展趨勢將是構(gòu)建包括“干線—支線—末端”三級聯(lián)動貫通的由陸?？諢o人系統(tǒng)組成的智能物流體系。這將會極大地降低配送人員的負擔，降低物流相關成本，提升物流整體效率，打通交通受限地區(qū)及偏遠鄉(xiāng)村的物流運輸“最后一公里”。

大規(guī)模無人集群系統(tǒng)參與現(xiàn)代智能物流運輸，必將帶來交通、物流、生產(chǎn)領域的革命性變化，無人集群物流系統(tǒng)技術也將面臨諸多挑戰(zhàn)。本文針對這一前沿發(fā)展問題展開探討，分析了其中的關鍵問題，并做了應用展望。

1 無人系統(tǒng)在物流運輸中的發(fā)展現(xiàn)狀

無人系統(tǒng)是由無人平臺、通信鏈路、任務載荷、控制終端組成的綜合化系統(tǒng)。無人平臺是無人在其上操作，能夠遙控或自主控制運行，帶有動力的可重復使用的運動平臺。“平臺無人、自主運行、系統(tǒng)有人”是無人系統(tǒng)的典型特征。按照使用空間域，無人系統(tǒng)分為空中無人系統(tǒng)（無人機）、地面無人系統(tǒng)（無人車）、水面無人系統(tǒng)（無人船）、水下無人系統(tǒng)（無人潛航器）等。無人系統(tǒng)和機器人具有相似特征，但無人系統(tǒng)更強調(diào)“人在回路”控制。對于物流運輸來說，更適合使用無人系統(tǒng)，其任務載荷就是所要運輸?shù)纳唐坊蜇浳?。傳說諸葛亮所發(fā)明的“木牛流馬”便是早期用于物流的無人系統(tǒng)的雛形。

在中國航空運輸協(xié)會的指引下，京東X事業(yè)部聯(lián)合京東大數(shù)據(jù)研究院出版了全球首個《世界物流無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度報告（2017—2018）》。報告認為，當前世界物流運輸無人化產(chǎn)業(yè)正處在快速發(fā)展期，美國、歐盟、中國等物流強國和地區(qū)競相發(fā)展，包括亞馬遜、谷歌、UPS、京東等企業(yè)先后對物流無人化應用開展了大膽嘗試。美國是無人機物流產(chǎn)業(yè)領先者。2013年，亞馬遜發(fā)布了無人機快遞計劃;UPS也開展了“無人機送貨+無人倉”測試;2014年，谷歌在澳大利亞首次實現(xiàn)了無人機貨物配送，2016年建成了投遞測試和空管系統(tǒng)。歐盟也在積極布局。2013年，德國郵政首測無人機物流，2016年實現(xiàn)“無人機+快遞柜”的整合;2014年，法國郵政首測無人機物流，2016年實現(xiàn)了自主空中運送;此外，芬蘭和西班牙郵政等也開展了無人機快遞試驗。2017年，日本郵政、韓國郵政進行了無人機配送測試。

在物流無人機領域，中國正從跟跑走向領跑，在城鄉(xiāng)同步展開。2015年，京東啟動了無人機項目，逐步實現(xiàn)末端無人機常態(tài)化運行;2016年，中國郵政完成了無人機首次運送;2017年，順豐完成大型貨運無人機AT200首飛;2017年，中通也完成首飛測試。目前，京東、順豐已在陜西、青海、江蘇、海南等諸多省份建立起上百條航線，也覆蓋數(shù)百個偏遠鄉(xiāng)村。

在物流無人船領域，2017年，“無人貨物運輸船開發(fā)聯(lián)盟”成立籌備會在上海召開，加速推進能自動控制/遠程操控、綠色安全的自主無人運輸船。

在物流無人車領域，進行了大規(guī)模路測和試運行。2016年，京東自主研發(fā)了中國首輛無人配送車，于2017年逐步部署在北京、西安、杭州、長沙等環(huán)境相對封閉的校園及社區(qū)。目前，開始在開放的城市交通道路上進行物流運輸?shù)臏y試。無人車在配送基站完成商品裝載后，可根據(jù)目標點自主進行路徑規(guī)劃，搜索最短路徑，并能夠即時規(guī)避擁堵路段。在行駛過程中如遇到其他車輛，還能夠進行自主規(guī)避，遇到十字路口可識別交通紅綠燈。當自動行駛到指定目標位置后，會通過手機短信、App等方式通知用戶來收貨。用戶可通過手機一鍵開箱或人臉識別等方式取走相應包裹。

綜上，各種無人系統(tǒng)用于物流運輸將極大地降低貨物配送成本。以前一單貨物的人工配送成本為7～10元。而采用無人系統(tǒng)，即使將電池和相關損耗計入，一單貨物的配送成本可以降低至1.5元以內(nèi)，約為人工配送成本的1/6。這不僅極大地節(jié)省“最后一公里”人工配送的成本，更有利于降低快遞人員的勞動壓力，并進一步提升了用戶的購物體驗感。

3 無人集群物流系統(tǒng)的關鍵問題

無人集群物流系統(tǒng)定義為在一定空間域范圍內(nèi)，具備一定平臺間通信條件、協(xié)同承擔相應物流運輸任務的多個無人系統(tǒng)構(gòu)成的群組（Group）。無人集群物流系統(tǒng)涉及感知、判斷、決策、控制、監(jiān)督等方面，對于陸?？崭饔蜻\輸任務而言，需解決4個關鍵問題（如圖1所示）。

（1）無人集群物流系統(tǒng)管理架構(gòu)。系統(tǒng)管理架構(gòu)決定了無人集群物流系統(tǒng)運行效率，主要分為分級結(jié)構(gòu)式架構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)式架構(gòu)。在分級結(jié)構(gòu)中，無人物流系統(tǒng)的通信系統(tǒng)以“簇”表示，每個簇由一個長機（簇頭）和多個僚機（成員）組成。這種分層結(jié)構(gòu)的最大好處是可擴充性優(yōu)良，網(wǎng)絡規(guī)模將不受限制。平面結(jié)構(gòu)式中，多無人系統(tǒng)通過多跳自組織網(wǎng)絡，形成蜂群狀無中心分布式結(jié)構(gòu)，所有無人系統(tǒng)節(jié)點具有平等地位，但這種結(jié)構(gòu)的規(guī)模會受到通信路由協(xié)議消耗帶寬的制約。綜合考慮兩類結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，可以建立基于平行系統(tǒng)的無人集群物流系統(tǒng)管理與控制體系架構(gòu)，平行系統(tǒng)中的智能體與無人平臺同步運行，形成平行管理的系統(tǒng)管理架構(gòu)，無人系統(tǒng)之間采用有限集中的分布式管理方式，從而實現(xiàn)態(tài)勢共享、動態(tài)任務分配，最后實現(xiàn)一致性的集群運輸行為。

（2）大規(guī)模在線路徑規(guī)劃/重規(guī)劃。隨著快遞業(yè)務的飛速發(fā)展，大規(guī)模無人集群系統(tǒng)需要更加科學的路徑規(guī)劃方法。在完成運輸任務分配和領受后，需要根據(jù)當前的復雜交通狀況，確定每個無人機/車/船的最佳運行線路。然而城市、野外、水中環(huán)境都是復雜多變的，呈現(xiàn)高度不確定性，配送的任務也具有動態(tài)性和時效性。事先可以通過預規(guī)劃為每個無人系統(tǒng)擬制詳細的運行路徑，但考慮到預先情報信息不準確且十分有限，無法應對環(huán)境和任務發(fā)生的種種變化。因此，根據(jù)實時獲取的配送情報及交通信息，進行在線路徑重規(guī)劃是解決問題的重要途徑，其問題求解空間規(guī)模龐大，這也決定了大規(guī)模在線路徑重規(guī)劃必須在優(yōu)化質(zhì)量和響應速度之間進行權(quán)衡。現(xiàn)有的研究主要是提高規(guī)劃算法的速度，但是在規(guī)劃機制方面的研究較為欠缺。因此，除針對特定任務設計合適高效的在線計算方法，并提高算法適應性外，還要設計分布式優(yōu)化規(guī)則，緩解在線計算壓力。

（3）空間域運行沖突消解與感知規(guī)避。只要任務環(huán)境中存在兩個以上的運動體，或是一個運動體在有靜止障礙的環(huán)境中運動，都會發(fā)生“時空沖突”，即和其他運動體過度接近的狀況。空中、地面、水面、水下等各域無人系統(tǒng)在時空四維空間中運行，發(fā)生時空沖突不可避免。進行沖突消解的方法有四大類：一是基于規(guī)范的方法;二是優(yōu)化性能指標的方法;三是基于勢場的方法;四是基于人工調(diào)整的方法。為提高無人集群系統(tǒng)的主動安全和生存能力，單個無人系統(tǒng)必須具備自主感知與規(guī)避能力。一是具備平臺間局部感知能力，可以對集群內(nèi)臨近無人平臺進行狀態(tài)預測與跟蹤，以實現(xiàn)對友鄰平臺的避碰，保持集群的編隊隊形。同時，集群系統(tǒng)需對前方碰到的障礙做出有效反應，靈活實現(xiàn)編隊隊形變換，通過障礙物后重構(gòu)隊形。

（4）無人集群物流運輸?shù)谋O(jiān)督控制。無人系統(tǒng)自主能力處于發(fā)展階段，可能是操作員遙控，可能是半自主，將來還可能高自主，系統(tǒng)需要操作員的介入時機、頻率和程度各不相同。較低自主能力的無人系統(tǒng)組成集群，需要操作人員管理與協(xié)調(diào)的事情較多;較高自主能力的無人集群系統(tǒng)的需求少。通過引入多智能體系統(tǒng)，依托多個智能體完成對應無人系統(tǒng)的監(jiān)督控制。對于無人集群物流運輸而言，無人系統(tǒng)數(shù)量更多，種類各異，環(huán)境更復雜，必須發(fā)展新的監(jiān)督控制系統(tǒng)，目標是實現(xiàn)“人機比<<1”。依據(jù)《美國無人機系統(tǒng)飛行計劃2009—2047》，隨著科技的快速發(fā)展，一名操作人員將能夠控制多架多任務無人機，從而完成“更加集中、更加持續(xù)、更具規(guī)?！钡膹碗s物流任務，人的作用也逐漸從“人在回路中”變?yōu)椤叭嗽诨芈贰?，甚至“人在回路外”?/p>

4 應用展望

人工智能等技術的發(fā)展，將給物流技術帶來了革命性變化，呈現(xiàn)無人化、信息化、智能化、精確化等特征。從有人操作到遠程操作再到自主運行，加之續(xù)航能力、荷載能力的進一步提升，無人集群物流系統(tǒng)的使用場景將進一步擴大，未來無人化運輸會越來越繁忙。

（1）人工智能技術和無人集群系統(tǒng)的結(jié)合，提升了無人系統(tǒng)自主性，使得無人系統(tǒng)成為人的“忠誠速遞員”。國務院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》指出，人工智能發(fā)展已進入新階段，呈現(xiàn)出深度學習、跨界融合、人機協(xié)同、群智開放、自主操控等新特征;大數(shù)據(jù)驅(qū)動知識學習、跨媒體協(xié)同處理、人機協(xié)同增強智能、群體集成智能、自主智能系統(tǒng)成為人工智能的發(fā)展重點。人工智能技術將帶來無人集群系統(tǒng)自主能力的躍升，向更高自主邁進。未來，無人集群物流系統(tǒng)將實現(xiàn)自主化的服務，能夠在人最少干預下自主完成大規(guī)模貨物運輸任務，成為人的“忠誠速遞員”。

（2）5G技術和無人集群系統(tǒng)的結(jié)合，提升了通信和管理效率，實現(xiàn)物流的強實時服務。無人集群物流系統(tǒng)對集群通信具有更高的要求，而5G恰好可以滿足這一需求。5G的性能目標是高帶寬、低時延、能耗和成本大幅降低、大容量支持大規(guī)模設備連接。ITU IMT-2020規(guī)范要求速率高達20 Gbit/s，可實現(xiàn)大容量MIMO?；?G，實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)、機聯(lián)網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)，達到真正的萬物互聯(lián)，無人集群物流系統(tǒng)將實現(xiàn)更加快速的響應、更加便捷的服務，建設智慧化城市和鄉(xiāng)村，支持未來城鄉(xiāng)一體化發(fā)展。

（3）基于“北斗”的無人系統(tǒng)交通管理，將徹底解開無人系統(tǒng)融入現(xiàn)有交管體系的羈絆，實現(xiàn)高精準服務。目前，我國針對無人機的監(jiān)管主要分為無人機系統(tǒng)、無人機駕駛員、無人機運行空域3個方面，先后出臺了《低空空域使用管理規(guī)定》《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》《民用無人機駕駛員管理規(guī)定》《無人機圍欄》等法規(guī)，而《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》正由司法部主導征求意見。這些已經(jīng)發(fā)布和正在制定的法律法規(guī)為陸?？崭饔驘o人系統(tǒng)參與物流運輸提供了法律依據(jù)和標準規(guī)范。同時，隨著我國北斗導航系統(tǒng)的全球化建設和導航精度的不斷提升，未來無人集群系統(tǒng)的定位將越來越精確化，無人化物流運輸必將獲得極大發(fā)展，更加便捷地融入現(xiàn)有交通、航空、航海管理體系。

綜上，隨著無人集群系統(tǒng)關鍵技術的突破、新技術的應用，以及無人系統(tǒng)交通管理法規(guī)的日益完善，無人集群系統(tǒng)用于物流運輸?shù)念I域?qū)⑷找鏀U大，帶來生產(chǎn)效率的極大提升，使人民生活更加便捷，助力實現(xiàn)中國夢！

參 考 文 獻

[1]京東大數(shù)據(jù)研究院.世界物流無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度報告（2017—2018）[R].2018.

[2]黃鑫.我國物流無人機率先常態(tài)化運行[N].經(jīng)濟日報，2018-09-26.

[3]牛軼峰，肖湘江，柯冠巖.無人機集群作戰(zhàn)概念及關鍵技術分析[J].國防科技，2013，34（5）：37-43.

[4]國務院.新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃[R].2017.