摘 要：傳統(tǒng)的快遞模式越來越難滿足未來網(wǎng)購(gòu)、電商的強(qiáng)大需求，快遞行業(yè)迫切的需要更為現(xiàn)代化的快遞系統(tǒng)。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)基于利用無人機(jī)投送快遞的一套自動(dòng)化快遞系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了這套系統(tǒng)的核心模塊，然后基于設(shè)計(jì)的核心模塊給出了各模塊間相互協(xié)作的工作原理，最后針對(duì)無人機(jī)群的高效運(yùn)行設(shè)計(jì)了系統(tǒng)調(diào)度策略。系統(tǒng)分析表明，無人機(jī)系統(tǒng)的重點(diǎn)在與快遞柜的布局與建設(shè)上，提升快遞柜應(yīng)對(duì)無人機(jī)的能力以及提高無人機(jī)飛行速度有利于應(yīng)對(duì)快遞的增長(zhǎng)和優(yōu)化資源。該系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)施能有效地提升快遞行業(yè)的服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量，以及降低運(yùn)營(yíng)成本、管理成本和人力成本。

關(guān)鍵詞：快遞系統(tǒng)；無人機(jī)；調(diào)度策略

中圖分類號(hào)：TP399

隨著網(wǎng)購(gòu)、電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，電商日益膨脹的需求和傳統(tǒng)快遞業(yè)相對(duì)滯后的發(fā)展之間的矛盾越來越突出。網(wǎng)購(gòu)訂單的飛速增長(zhǎng)給快遞業(yè)帶來了巨大的壓力，龐大的訂單量成為了不少電商企業(yè)“甜蜜的負(fù)擔(dān)”，快遞業(yè)在未來幾年面臨著“爆倉(cāng)”的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，快件的人工投遞也存在著較大的延誤率、損毀率和丟失率，以至于快遞投訴率逐年上升；此外，傳統(tǒng)快遞還存在著運(yùn)營(yíng)成本、管理成本、人力成本過高，競(jìng)爭(zhēng)激烈等諸多問題。以上現(xiàn)狀正迫切的需要轉(zhuǎn)變快遞業(yè)的生產(chǎn)方式，快遞市場(chǎng)需要更加現(xiàn)代化的送件系統(tǒng)[1]。

2013年9月順豐快遞在東莞進(jìn)行了無人機(jī)投遞測(cè)試，無人機(jī)內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)，由人工設(shè)定目的地和路線，誤差2米。順豐無人機(jī)并不面向于個(gè)人客戶，而是往返于配送點(diǎn)之間的貨物運(yùn)輸機(jī)，而無人機(jī)負(fù)重的限制似乎很難為順豐快遞系統(tǒng)帶來明顯的優(yōu)勢(shì)。同年12月亞馬遜CEO介紹了該公司的一項(xiàng)無人機(jī)計(jì)劃，名為Prime Air，計(jì)劃利用無人機(jī)運(yùn)送小型包裹，派件用時(shí)只需30分鐘，無人機(jī)可飛行16公里，運(yùn)送重量小于2.26公斤的物品，投遞方式為“庭院投遞”和“降落傘投遞”。而這種投遞方式很難應(yīng)付交付密集的大城市以及庭院稀少的中國(guó)式的住宅區(qū)，而通常快遞業(yè)務(wù)的瓶頸正是在交付密集的區(qū)域。

本文對(duì)快遞的自動(dòng)化、無人化進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化無人機(jī)快遞系統(tǒng)，利用無人機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的快遞員投送快遞。用戶通過自助快遞柜投遞或收取快遞，快遞柜和無人機(jī)通過對(duì)接裝卸快遞，無人機(jī)由調(diào)度中心控制往返于不同的快遞柜之間運(yùn)送快遞。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)旨在轉(zhuǎn)變快遞業(yè)的生產(chǎn)方式，提升快遞服務(wù)能力和降低成本，這將會(huì)對(duì)快遞行業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文研究設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化的快遞系統(tǒng)，快遞的收發(fā)投遞均通過無人機(jī)、自助快遞柜以及調(diào)度中心等單位的協(xié)同工作進(jìn)行完成。系統(tǒng)核心模塊包括：快遞無人機(jī)、自助快遞柜、快遞盒、快遞集散分點(diǎn)、快遞集散基地以及區(qū)域調(diào)度中心。無人機(jī)快遞系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 無人機(jī)快遞系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

上圖中的核心模塊主要功能如下：

1.1.1 快遞無人機(jī)

無人機(jī)采用八旋翼飛行器，配有GPS自控導(dǎo)航系統(tǒng)[3]、iGPS接收器、各種傳感器以及無線信號(hào)發(fā)收裝置。無人機(jī)具有GPS自控導(dǎo)航、定點(diǎn)懸浮、人工控制等多種飛行模式，集成了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓高度計(jì)等多種高精度傳感器和先進(jìn)的控制算法。無人機(jī)配有黑匣子，以記錄狀態(tài)信息。同時(shí)無人機(jī)還具有失控保護(hù)功能，當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入失控狀態(tài)時(shí)將自動(dòng)保持精確懸停，失控超時(shí)將就近飛往快遞集散分點(diǎn)[4]。

無人機(jī)通過4G網(wǎng)絡(luò)和無線電通信遙感技術(shù)與調(diào)度中心和自助快遞柜等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)的向調(diào)度中心發(fā)送自己的地理坐標(biāo)和狀態(tài)信息，接收調(diào)度中心發(fā)來的指令，在接收到目的坐標(biāo)以后采用GPS自控導(dǎo)航模式飛行，在進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域后向目的快遞柜發(fā)出著陸請(qǐng)求、本機(jī)任務(wù)報(bào)告和本機(jī)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，在收到著陸請(qǐng)求應(yīng)答之后，由快遞柜指引無人機(jī)在快遞柜頂端停機(jī)平臺(tái)著陸、裝卸快遞、以及進(jìn)行快速充電。

無人機(jī)在發(fā)出請(qǐng)求無應(yīng)答超時(shí)之后再次向目的收發(fā)柜發(fā)送請(qǐng)求，三次超時(shí)以后向調(diào)度中心發(fā)送著陸請(qǐng)求異常報(bào)告、本機(jī)任務(wù)狀態(tài)報(bào)告和本機(jī)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，請(qǐng)求指令。無人機(jī)在與調(diào)度中心失去聯(lián)系或者出現(xiàn)異常故障之后將自行飛往快遞集散分點(diǎn)。

1.1.2 自助快遞柜

快遞柜配備有一臺(tái)計(jì)算機(jī)、無人機(jī)排隊(duì)決策系統(tǒng)、快遞管理系統(tǒng)、iGPS定位系統(tǒng)[5]、無人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)、一個(gè)裝卸快遞停機(jī)臺(tái)、八個(gè)臨時(shí)停機(jī)臺(tái)、一套機(jī)械傳送系統(tǒng)、四部自助快遞終端和多個(gè)快遞箱等?？爝f柜頂部的所有停機(jī)臺(tái)都具有快速充電功能。

無人機(jī)向快遞柜發(fā)送著陸請(qǐng)求、本機(jī)任務(wù)報(bào)告和本機(jī)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告后，快遞柜將無人機(jī)編號(hào)、該機(jī)任務(wù)以及任務(wù)優(yōu)先權(quán)等信息輸入系統(tǒng)，由排隊(duì)決策系統(tǒng)分配停機(jī)平臺(tái)，再由無人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)無人機(jī)降落，或者向無人機(jī)發(fā)出懸停等待指令。

無人機(jī)收到快遞柜接受著陸指令后，將持續(xù)的將本機(jī)上iGPS接收器收到紅外激光定位信號(hào)和本機(jī)編號(hào)回傳給快遞柜，快遞柜將精確掌握無人機(jī)坐標(biāo)信息，并引導(dǎo)無人機(jī)精準(zhǔn)著陸。

當(dāng)快遞柜出現(xiàn)無人機(jī)隊(duì)列擁擠狀態(tài)時(shí)，將向調(diào)度中心發(fā)送隊(duì)列擁擠報(bào)告，調(diào)度中心將停止向無人機(jī)發(fā)送此快遞柜的裝卸指令。

快遞柜將實(shí)時(shí)的向調(diào)度中心發(fā)送該柜的快遞列表信息，包括快遞基本信息、快遞優(yōu)先權(quán)、快遞接收時(shí)間，本柜快遞擁塞狀態(tài)報(bào)告。

快遞柜可根據(jù)業(yè)務(wù)開展的程度以及成本的考量以住宅小區(qū)為單位架設(shè)，或者架設(shè)在部分大樓的樓頂[6]。快遞柜還配備有攝像頭，實(shí)時(shí)的監(jiān)控記錄快遞柜周圍的環(huán)境狀況，以保障用戶快遞以及系統(tǒng)設(shè)施的安全。

用戶通過快遞柜投送快遞：當(dāng)用戶按下投件按鈕后，如果快遞柜未滿將彈開一個(gè)空的投件箱箱門，用戶從快遞盒架上取出一個(gè)快遞盒，并將快遞放入快遞盒內(nèi)，然后將快遞盒放入投件箱中并關(guān)上箱門，投件箱將檢測(cè)快遞是否達(dá)標(biāo)，包括重量、危險(xiǎn)度等方面的檢測(cè)，如果檢測(cè)達(dá)標(biāo)，將提示用戶輸入投遞信息和投遞等級(jí)，在確認(rèn)目的地可達(dá)以后，將根據(jù)快遞重量、送件距離和投遞優(yōu)先級(jí)給出價(jià)格，用戶可現(xiàn)場(chǎng)支付，也可以根據(jù)需求由快遞收取方網(wǎng)上支付或者貨到付款?？爝f柜完全接受快遞以后將通過藍(lán)牙向快遞盒發(fā)送快件信息，快遞盒將記錄下快件信息，用于快件的身份識(shí)別。

無人機(jī)與快遞柜對(duì)接后卸載快遞盒，快遞盒由機(jī)械傳送裝置帶入快遞箱中，快遞柜將根據(jù)無人機(jī)任務(wù)報(bào)告和快遞盒記憶模塊中的信息核實(shí)快遞，并向用戶發(fā)送手機(jī)短信，提醒快遞已經(jīng)抵達(dá)，并給出取件密碼和溫馨提示。如果用戶超過了收取快遞的時(shí)限將根據(jù)超時(shí)長(zhǎng)交付快遞箱占用費(fèi)，如果超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)時(shí)限，快遞將被退回或者轉(zhuǎn)移至快遞集散分點(diǎn)。

1.1.3 快遞盒

快遞盒內(nèi)置藍(lán)牙和記憶模塊，主要用于封裝快遞，便于無人機(jī)攜帶，以及對(duì)快件的身份識(shí)別?？爝f盒空閑時(shí)放置在快遞柜的快遞盒架上，可共用戶自行取用。

1.1.4 快遞集散分點(diǎn)

分點(diǎn)負(fù)責(zé)不同區(qū)域間快遞的集散功能。無人機(jī)接收調(diào)度中心指令，將異地快遞運(yùn)往分點(diǎn)。根據(jù)需求，可以按區(qū)域設(shè)立卸貨通道，分點(diǎn)發(fā)出指令引導(dǎo)無人機(jī)降落卸貨，卸下的快遞將傳送、聚集、封裝，然后運(yùn)往機(jī)場(chǎng)。同時(shí)調(diào)度中心將快遞信息發(fā)往各目的區(qū)域的調(diào)度中心。

此外，分點(diǎn)還負(fù)責(zé)對(duì)無人機(jī)的安檢、維修工作，同時(shí)也具備無人機(jī)臨時(shí)停放，快速充電，異?？爝f倉(cāng)庫(kù)等功能。

1.1.5 快遞集散基地

異地快遞在抵達(dá)本區(qū)域后先運(yùn)往集散基地，基地根據(jù)快遞盒的記憶模塊中的快件信息將快遞按片區(qū)分類，并運(yùn)往該片區(qū)的分點(diǎn)，同時(shí)基地將所有到達(dá)的快遞信息入庫(kù)，并同時(shí)將信息發(fā)送到調(diào)度中心。

1.1.6 區(qū)域調(diào)度中心

調(diào)度中心統(tǒng)一管理本區(qū)域所有快遞的接收與投放，同時(shí)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行調(diào)度。調(diào)度中心同時(shí)監(jiān)測(cè)無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和自助快遞柜運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其出現(xiàn)的異?；驌砣鶕?jù)策略及時(shí)的發(fā)送相應(yīng)指令。

1.2 快遞收發(fā)流程

根據(jù)無人機(jī)的續(xù)航能力、快遞業(yè)務(wù)量的地理分布、通訊的實(shí)時(shí)可靠性、系統(tǒng)的容積能力以及建設(shè)成本等諸多因素的綜合考慮，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為若干區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部獨(dú)立運(yùn)作，區(qū)域之間協(xié)同運(yùn)作。

1.2.1 區(qū)域內(nèi)快遞收發(fā)

自助快遞柜在接收用戶放入的快遞后向調(diào)度中心發(fā)送收件信息，調(diào)度系統(tǒng)通過決策挑選出合適的無人機(jī)，并向無人機(jī)發(fā)送任務(wù)指令以及目的坐標(biāo)，無人機(jī)收到指令后飛往目標(biāo)，快遞柜將引導(dǎo)無人機(jī)著陸并自動(dòng)裝卸快遞，快遞在送達(dá)目的快遞柜之后，快遞柜向用戶發(fā)送領(lǐng)件短信。流程如圖2所示：

圖2 區(qū)域內(nèi)快遞收發(fā)流程圖

1.2.2 區(qū)域間快遞收發(fā)

調(diào)度中心在收到發(fā)往其他區(qū)域的快遞信息后，將指引無人機(jī)收件后就近送往本區(qū)域的快遞集散分點(diǎn)，分點(diǎn)自動(dòng)將快遞按區(qū)域分類，并裝箱后送往機(jī)場(chǎng)，由大型飛機(jī)送往目的區(qū)域的快遞集散基地，基地在收到快遞箱以后拆分，集中將同一片區(qū)的快遞送往該片區(qū)的快遞集散分點(diǎn)，再由調(diào)度中心調(diào)度無人機(jī)送往目的自助快遞柜。流程如圖3所示：

圖3 區(qū)域間快遞收發(fā)流程圖

2 系統(tǒng)調(diào)度策略

建立無人機(jī)狀態(tài)列表，包括無人機(jī)編號(hào)、當(dāng)前坐標(biāo)、當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、續(xù)航能力等。

建立自助快遞柜狀態(tài)列表，包括快遞柜編號(hào)、地理坐標(biāo)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、擁塞程度等。

關(guān)聯(lián)無人機(jī)狀態(tài)列表和快遞柜狀態(tài)列表為每一部快遞柜生成一張預(yù)設(shè)半徑范圍內(nèi)無人機(jī)到達(dá)時(shí)刻表，此表包括：無人機(jī)編號(hào)、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間（通過對(duì)停泊裝卸時(shí)間、平均飛行速度的統(tǒng)計(jì)，以及無人機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)、當(dāng)前任務(wù)和快遞柜坐標(biāo)估算求得）、預(yù)計(jì)無人機(jī)續(xù)航能力、停機(jī)位狀態(tài)等，停機(jī)位包括三種狀態(tài)：停在裝卸平臺(tái)、停在臨時(shí)平臺(tái)以及懸浮態(tài)。該表按到達(dá)時(shí)間、續(xù)航能力和停機(jī)位排序。半徑的設(shè)定視無人機(jī)群規(guī)模統(tǒng)計(jì)優(yōu)化而定，目的在于優(yōu)化系統(tǒng)、縮減響應(yīng)時(shí)間，無人機(jī)群規(guī)模較小的情況下可設(shè)為全區(qū)域。

建立快遞投送隊(duì)列表，包括：快遞編碼、所在快遞柜編號(hào)、目的快遞柜編號(hào)、所需續(xù)航能力、快遞優(yōu)先級(jí)等，按優(yōu)先級(jí)排序，優(yōu)先級(jí)由快遞等級(jí)和收件時(shí)間確定[7]。

調(diào)度流程如圖4所示：

圖4 調(diào)度流程示意圖

調(diào)度流程的步驟如下：

（1）無人機(jī)實(shí)時(shí)地向調(diào)度中心發(fā)送狀態(tài)信息，調(diào)度中心實(shí)時(shí)更新無人機(jī)狀態(tài)列表；（2）快遞柜收到快遞后向調(diào)度中心發(fā)送收件信息，調(diào)度中心更新快遞投送表；（3）從投送表中取出優(yōu)先級(jí)最高的快遞編碼，及其所在的快遞柜編號(hào)和目的快遞柜編號(hào)；（4）從此部快遞柜的無人機(jī)到達(dá)時(shí)刻表中取出具備續(xù)航能力且最快到達(dá)的無人機(jī)編號(hào)；（5）調(diào)度中心向此無人機(jī)發(fā)送指令，給出收件坐標(biāo)位置和投件坐標(biāo)位置；（6）無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)位后，向快遞柜發(fā)送著陸請(qǐng)求；（7）利用iGPS定位系統(tǒng)，快遞柜精確引導(dǎo)無人機(jī)對(duì)接著陸裝卸快件；（8）無人機(jī)裝卸后將向調(diào)度中心發(fā)送快遞到位報(bào)告（或無人機(jī)收件成功、或快件送達(dá)目的地）；（9）無人機(jī)如任務(wù)未完，或有其他任務(wù)將繼續(xù)進(jìn)行，如：飛往目的快遞柜投送快遞、在此快遞柜收件、或飛離此快遞柜；（10）無人機(jī)如無其他任務(wù)，將接收快遞柜引導(dǎo)?？颗R時(shí)停機(jī)臺(tái)的讓位指令，快遞柜會(huì)在收到其他無人機(jī)發(fā)出著陸請(qǐng)求時(shí)發(fā)出讓位指令；（11）快遞柜在快遞入柜后將向調(diào)度中心發(fā)送快遞到位確認(rèn)報(bào)告，并同時(shí)向用戶發(fā)送手機(jī)短信，提醒用戶及時(shí)收取，內(nèi)容包括提取密碼以及超時(shí)收費(fèi)和退還原地的溫馨提示；（12）超過系統(tǒng)設(shè)定時(shí)限未被取走的快遞將按照無人查收的方式退回原地，并短信通知用戶。退回后超時(shí)無人取走的快遞將送往就近的集散分點(diǎn)儲(chǔ)存[8]。

3 系統(tǒng)分析

分析表明，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)擁塞狀態(tài)以至系統(tǒng)崩潰，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)吞吐快遞的極限速率與區(qū)域無人機(jī)總量成正比，與區(qū)域的自助快遞柜總量也成正比，如式（1）所示：V1=k1×N+k2×M；（1）式中：V1為吞吐快遞的極限速率；k1、k2為系數(shù)；N為無人機(jī)總量；M為快遞柜總量。進(jìn)一步分析表明，無人機(jī)最大總量可以由快遞柜的總量、快遞柜應(yīng)對(duì)無人機(jī)最大量、無人機(jī)極限飛行速度以及區(qū)域面積來確定，如式（2）所示： ；（2）式中：Nmax為無人機(jī)最大總量；K為快遞柜應(yīng)對(duì)無人機(jī)最大量；M為快遞柜總量；k3為系數(shù)；V2為無人機(jī)極限飛行速度；S為區(qū)域面積。

由此我們可以得出結(jié)論，自動(dòng)化無人機(jī)快遞系統(tǒng)的重點(diǎn)在于自助快遞柜的布局與建設(shè)上，系統(tǒng)的吞吐量最終由快遞柜的數(shù)量確定，合理地規(guī)劃快遞柜、提高快遞柜應(yīng)對(duì)無人機(jī)的能力、以及提升無人機(jī)飛行速度可以有效應(yīng)對(duì)快遞的增長(zhǎng)速度，以及優(yōu)化各種成本資源。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化無人機(jī)快遞系統(tǒng)利用無人機(jī)替代人工投送快遞，旨在實(shí)現(xiàn)快遞投送的自動(dòng)化、無人化、信息化，提升快遞的投遞效率和服務(wù)質(zhì)量，以便緩解快遞需求與快遞服務(wù)能力之間的矛盾。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能有效應(yīng)對(duì)訂單量的巨額增長(zhǎng)，消除快遞“爆倉(cāng)”的危險(xiǎn)，提升快遞行業(yè)的服務(wù)質(zhì)量，降低快件的延誤率、損毀率、丟失率，以及快遞投訴率，同時(shí)還能降低運(yùn)營(yíng)成本、倉(cāng)庫(kù)成本、人力成本等，提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，使快遞的投送更加的安全、可靠、快捷[9]。

本文的下一步工作是為自助快遞柜設(shè)計(jì)終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)將融合無人機(jī)排隊(duì)決策、快遞管理、iGPS定位、無人機(jī)著陸引導(dǎo)等多個(gè)子系統(tǒng)，并將對(duì)自助快遞柜內(nèi)部的機(jī)械傳送系統(tǒng)作出詳細(xì)的研究。

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作者簡(jiǎn)介：鄧揚(yáng)（1983-），男，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器智能。

作者單位：四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065；可視化計(jì)算與虛擬現(xiàn)實(shí)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066