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行业洞察 | 城市无人机物流发展现状与展望

2019年,中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》,要求推进智能收投终端和末端公共服务平台建设,积极发展无人机物流递送。2020年发布的《国家综合立体交通网规划纲要》明确提出将发展交通运输低空经济,推进智能化通用航空器在立体交通网中的应用。无人机作为新型智慧化的通用航空器,可以避开城市中越发拥堵的地面交通限制,并在时效要求较高的高附加值货物物流运输中发挥其快速灵活的优势,承担着社会各界越来越高的期望。但作为一种新型的运输方式,城市无人机物流在实际应用中也面临着一系列的挑战。本文从无人机物流的概念和意义出发,总结当前无人机物流的相关进展,并从运行层面对无人机物流的发展进行了展望。

 

 

01 发展无人机物流有助于实现物流行业的提效降耗,并提升极端条件下的可达性

 

发展无人机物流有助于提升物流行业的时效水平,并降低运营成本以及环保成本。相比于传统的物流方式,无人机物流不受地面交通条件的限制,可选择相对较短的空中路线进行运输。同时无人机飞行速度较高,无人机物流在时效性上优势明显,是高附加值货物理想的运输方式。而随着电力驱动逐步在无人机运行中成为主流,无人机物流的零排放特性也使其在环保成本上具有较大优势。无人机物流的大范围应用将有利于物流企业实现碳中和目标。

 

同时,在物流行业人力成本不断上升的情况下,无人机物流因其所需人力投入较少,相对于传统运输在人力成本上优势明显。中国劳动年龄人口(16-59岁)如下图所示,在2013年达到最高点,从2014年至2019年的6年间减少了1600万。随着适龄劳动力人口的不断减少,包括快递在内的物流产业运行人工成本不断上升。而无人机物流通过自动化飞行以及无人化装卸等智能化手段,可以大幅地减少人力投入,在提高时效的同时减少对人工操作的需求。

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中国劳动力人口数量

 

来源:中国人口和就业统计年鉴
 

另一方面,无人机物流具有传统物流难以匹配的灵活性,可以提升物流对地面交通欠发达地区的覆盖能力,并增强极端条件下物流可达性。物流无人机,特别是垂直起降无人机对装卸以及起降场地的要求较少,而且不受地面道路设施制约,适合在地面交通不便地区进行货物运输,具有较高的灵活性。特别是在应急救援、灾害重建等紧急情况下,无人机物流可以在例如疫情道路封锁、灾后交通设施受损等紧急或极端条件下保证公共物流运输的可达性。

 

 
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顺丰无人机在疫情封锁期间降落武汉金银潭医院运送物资

 

来源:顺丰科技
 

 

 

02 城市无人机物流发展现状

 

基于无人机在时效、成本和灵活性上的优异表现,城市无人机物流在近年来正受到越来越多的关注。无人机物流,本质上是利用无线电遥控设备和自备的程序空中装置操纵的无人驾驶航空器实现货物的位移。而为了满足货物运输过程中快速灵活的需求,无人机物流正向自动化货物装卸、空中自助飞行发展。可以看到,在使用无人机实现货物位移的过程中,无人机系统、起降与装卸场地以及飞行中调配成为最为关键的组成部分。

 

1.无人机航程以及荷载不断提升,但通讯导航能力有待进一步发展
 

随着电池技术的快速发展,无人机电池的能力密度正在大幅度提高。当前已有厂家将电池的能量密度提升至450瓦时/千克,为我们日常所用iphone电池的两倍。电池能量密度的提高可以进一步减轻无人机空机重量,提升无人机单次航程。同时,物流无人机已从此前的四轴螺旋桨逐渐扩张为六轴、八轴以及更多轴的螺旋桨驱动,并为无人机带来更大的升力,因此无人机的载荷正在不断提升。目前多旋翼无人机的载荷已经可以达到20kg以上,垂直起降固定翼无人机载荷已经可以达到40kg以上,已具备实现商业运行的能力。在速度方面,2019年,美国ZipLine公司开发出全球目前最快速的商业送货无人机,最高时速已达128km/h。

 
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Zipline无人机在坦桑尼亚运送医疗物资
 
来源:Zipline

 

但与此同时,无人机的通讯导航以及路线规划能力仍有待进一步提高。物流无人机由于大部分需要超视距飞行,无人机与地面基站之间的通讯成为控制或者介入无人机运行的重要保障。但当前物流无人机由于频率资源的原因,大部分还使用公共频率进行无人机与地面基站之间的通讯,难以保障无人机接受到正确的地面指令,甚至可能发生无人机被其它违法者发出欺骗指令而进行错误的动作。

 
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Wing无人机在澳大利亚进行超视距运行
 
来源:Wing
 

另一方面,无人机目前依靠的通讯链路仍然采用视距传播,即必须在信号传输路线上没有障碍物遮挡,否则无人机与地面基站之间的通讯就会受到干扰。物流无人机在飞行过程中,特别是城市范围内的飞行过程中经常会受到山体或高层建筑物的遮挡。而为了防止无人机在运行过程中难以收到正确的指令,当前大部分物流无人机运行者采用在城市高层建筑零星布设中继站的方式解决通讯问题,但飞行线路以及飞行范围大大受限。

 

2.自动化起降设施成为主流,但当前起降设施限制较多
 

目前无人机物流所采用的起降设施除了传统的地面起降场地外,无人机巢式的一体化起降设施正在快速发展。无人机巢式的起降设施可以满足无人机停靠、充电、货物装卸等多种功能,且由于其有一定的高度,可以防止周边群众过于接近无人机而被误伤,因此正在受到业界的快速推广。但是,当前的无人机巢大部分只能满足一家无人机停靠,并未考虑大范围商业化应用时多架无人机的停靠需求。同时,由于无人机巢的容积所限,且只能容纳指定类型的无人机。因此,在用地紧张的城市小区周边,无人机巢的分布相对较少,且利用效率不高。

 
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迅蚁无人机起降平台
 
来源:迅蚁

 

 

3.物流无人机运行空域限制较大,物流无人机有待融入国家空域管理系统
 

相比于消费级无人机,物流无人机的飞行高度更高,飞行范围更广,载重及机型更大,导致其对空域的要求更高。但是,各国对于物流无人机应该遵守的适航规范以及安全准则并未有一致的规定。美国FAA(联邦航天航空局)对无人机采用的是根据已有规则采取特殊豁免的政策,中国民用航空局对无人机的适航管理则采取基于风险的安全评估。当前对物流无人机,特别是超视距运行类无人机采用的是一事一议的评审规则,每一运行种类的无人机都需要进行相关的适航评估,对物流无人机融入国家空域管理系统造成了较大障碍。

 

另一方面,物流无人机在低空的飞行也与运输航空以及传统的通用航空用户飞行存在一定的相互影响。由于物流无人机的飞行高度与传统通用航空飞行器重叠较大,且当前大部分无人机的空域保持能力还未经过认证,管理机关原则上还要求无人机与有人驾驶航空器隔离运行,且配备600米以上的垂直间隔,导致无人机飞行与有人通航飞行相互影响较大。同时,由于无人机目前的监视定位设施较少,无人机监视信号难以实时提供给民航管制部门,造成相关管理部门对于无人机飞行的安全性以及稳定性顾虑较大,在实际运行中对无人机的安全间隔要求相应增大,物流无人机运行空间抓襟见肘。

 

 

03 城市无人机物流运行展望

 

 

1.起降设施智能优化,无人机物流充分融入智慧物流体系
 

在互联网技术以及智慧城市的快速发展下,城市无人机物流需要融入智慧物流体系,实现信息共享以及不同物流方式的无缝衔接以充分发挥无人机物流的时效优势。可以看到,无人机物流的起降设施是当前无人机物流与其它物流方式的重要信息和接驳端口。建议地方政府统一规划无人机物流需求较大区域的无人机起降设施,并根据实际建设可以容纳不同类型无人机的智能化起降设施,配备相应的充电、停泊、货物装卸场地。同时,起降设施应与其它物流设施实现无缝衔接,满足货物从无人机自动卸载后可以通过无人化设备转移到临近的储存平台,并将货物信息及时通知相关方,并根据相关指令可以实现远程存储或取货操作,实现无人机物流与其它物流方式无缝衔接,将无人机物流融入智慧物流体系。

 

2.商业模式不断深化发展,配送模式分类优化
 

城市无人机物流商业模式将不断扩展深化,并由此形成适用于不同商业模式的配送模式。当前无人机物流在城市中的应用主要包括医疗物资配送、点对点高时效性物资配送、封闭区域物资配送等,而随着同城急送等新的商业模式对无人机物流的需求,无人机物流的配送模式也将分类优化。医疗物资配送以及点对点物资配送将采取利用临时起降场地、专业人员取件的方式满足及时取件需求,封闭区域物资配送很可能采用大载重无人机同时运送多种货物以取得更好的经济性,而同城闪送则可能采用物流无人机完成远距运送,再由人工进行末端环节配送的方式。

 

3.无人运行与有人飞行实现融合运行,空域实行分类准入
 

无人机作为一类新的航空器,其与运输航空、传统通用航空用户一样都应属于空域用户。而且随之无人机技术的快速发展,无人机的重量、航程以及空域保持能力将不断地接近甚至超过现有的有人驾驶航空器。因此,继续以是否有人驾驶来对航空器实行分类管理难以满足未来低空飞行的发展。更为合理的方式是将有人驾驶航空器以及无人机驾驶航空器视为平等的空域用户,以航空器是否能够满足所在空域要求的性能和空域保持能力作为一类空域的准入标准,并在空域内实行统一的间隔标准和要求。

 

而在当前无人机性能与有人驾驶航空器仍存在差距的情况下,为了满足近期物流无人机发展对于低空空域的需求以及“先隔离后融合”的管理理念,管理部门可以根据当地实际情况,在保障运输航空正常运行的情况下,为传统通用航空飞行以及应用级无人机分别划设飞行通道(如下图),通过通道达到无人飞行与有人飞行运行分离的目的。通道内实行符合当前通航飞机以及无人机性能情况的准入规则,通过实行统一的目视飞行规则或无人机间隔规则避免混合运行需要遵循更为严格的间隔要求的情况,提升通道的空域使用效率,满足传统通航飞行器以及应用级无人机的发展需求。

 
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飞行通道示意图
 
来源:《深圳低空飞行服务网络试点方案》

 

 

4.将城市无人机空中管理融入智慧城市体系,完善飞行服务支撑超视距运行
 

随着大量应用级无人机投入实际日常应用,无人机的空中交通管理数量和密度将超过现有的空管模式的容量,以人工方式为主的空中调度管理将难以再适应无人机的调度需求。再加上无人机的智能化属性以及大量自动化技术在无人机上的应用,未来无人机的空中交通调度管理系统将是智能化的空中交通管理平台。而在调配的过程中,无人机调度系统还需考虑城市的自然山体以及高层建筑对无人机运行路线的影响。因此,城市应将低空空域空间列入城市国土空间规划,并将城市无人机空中调度管理系统纳入到智慧城市体系,通过智慧城市平台统一管理高层建筑、低空空域空间以及生态敏感保护区域,并利用智慧城市体系实现对低空无人机的统一调度管理,实现无人机空中调度智慧化。

 

另一方面,地方政府应联合民航部门以及无人机企业,统筹规划建设物流无人机发展所需的通讯导航设施,解决当前无人机在运行过程中遇到的通讯导航难题。建议为包括物流无人机在内的应用级无人机分配专有的频率,并统筹在铁塔或者现有导航设施上加装中继设备,满足应用级无人机的超视距运行需求。为了充分发挥通讯导航设施的效率,建议加建的无人机通讯导航设施尽量与传统通航飞行器服务设施融合使用,并融入到统一的飞行服务保障平台,实现相关信号的互联共享。另一方面,政府在建设智慧城市过程中应利用先进的5G网络为无人机物流通讯需求预留空间,创新利用5G加密算法逐步解决通讯中的障碍物影响以及通讯问题,保障无人机物流的常态化应用。

 

 

结语
 

2020年6月,《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》正式纳入《国务院2021年度立法工作计划》。随着无人机领域最高法规的出台、国家地方支持政策的配套完善以及无人机飞行技术的发展,无人机物流等行业应用将迎来重要的发展机遇期。深圳市作为无人机之都,积极组织申报无人驾驶航空试验区,探索城市场景下无人机综合应用。在行业主管部门的指导下,太阳集团电子游戏先后主持《深圳市低空飞行服务体系试点方案研究》等项目工作,参与编制《深圳市无人驾驶航空试验区建设方案》,致力于低空空域运行、无人机综合管控政策、法规和标准研究。

 

 

城市交通研究院

撰写:郑 林、黄伟刚

审核:江 捷、陆晓华

审定:邵 源

 

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