張玉恒 武燕 徐延勇

優(yōu)先設(shè)計(jì)好鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)架構(gòu)和功能是做好鄉(xiāng)村物流最基礎(chǔ)、最頂層的工作。針對(duì)鄉(xiāng)村特點(diǎn)，探討了鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)的架構(gòu)，設(shè)計(jì)了物流中心、鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)及無(wú)人機(jī)等幾個(gè)關(guān)鍵部分的功能，為下一步的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

在我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)+助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的支持下，鄉(xiāng)村電子商務(wù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。這種快速發(fā)展勢(shì)頭引起了各大電商的關(guān)注，紛紛提出各種搶占農(nóng)村電商市場(chǎng)的戰(zhàn)略。然而由于鄉(xiāng)村居民居住分散，道路條件差，導(dǎo)致物流成本很高，制約了鄉(xiāng)村物流和電子商務(wù)的發(fā)展。無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，為物流配送提供了一條高效的解決途徑。國(guó)內(nèi)外眾多電子商務(wù)集團(tuán)積極開(kāi)展無(wú)人機(jī)配送物流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)人機(jī)已經(jīng)具備了在物流領(lǐng)域應(yīng)用的基本技術(shù)條件。

雖然鄉(xiāng)村物流無(wú)人機(jī)行業(yè)應(yīng)用前景廣闊，但當(dāng)前還有一些基礎(chǔ)性的工作需要研究和解決，鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是做好鄉(xiāng)村物流基礎(chǔ)工作和頂層規(guī)劃，它影響著系統(tǒng)的完善性和實(shí)用性。設(shè)計(jì)學(xué)研究了小型無(wú)人機(jī)在快件收派服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建問(wèn)題，討論了區(qū)域間和城市環(huán)境的物流配送問(wèn)題，在鄉(xiāng)村環(huán)境下應(yīng)用不是很合適。鄧揚(yáng)、何軍、李奇等人設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化的無(wú)人機(jī)快遞系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的快遞柜功能齊全，可實(shí)現(xiàn)快遞的自助收發(fā)。雖然這種快遞系統(tǒng)自動(dòng)化程度強(qiáng)，但造價(jià)較高，不便于在鄉(xiāng)村的大面積推廣。王琰等人對(duì)無(wú)人機(jī)快遞服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了構(gòu)建，討論了快遞保障系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和第三方民航監(jiān)管部門管理平臺(tái)的構(gòu)建問(wèn)題，并提出了技術(shù)優(yōu)化措施，但功能設(shè)計(jì)不詳細(xì)。順豐控股（集團(tuán)）股份有限公司、北京京東世紀(jì)貿(mào)易有限公司都建立了自己的無(wú)人機(jī)運(yùn)營(yíng)調(diào)度試驗(yàn)中心，可實(shí)現(xiàn)物流無(wú)人機(jī)的監(jiān)控和調(diào)度，但對(duì)收件端的功能沒(méi)有進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。總體來(lái)看，目前還沒(méi)有完全適合鄉(xiāng)村環(huán)境的無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)。鑒于此，本文根據(jù)鄉(xiāng)村環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)較為完善和實(shí)用的無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)。

鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)架構(gòu)

鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由無(wú)人機(jī)物流中心、鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)、無(wú)人機(jī)以及與系統(tǒng)密切相關(guān)的上級(jí)物流中心、飛行監(jiān)管部門、通信基站及導(dǎo)航衛(wèi)星等幾部分組成。

上級(jí)物流中心

是無(wú)人機(jī)物流中心的上級(jí)機(jī)構(gòu)，一般是縣、市一級(jí)的物流公司，上級(jí)物流中心將貨物通過(guò)公路、鐵路、水路、航空等物流方式運(yùn)輸?shù)綗o(wú)人機(jī)物流中心，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將貨物信息傳遞給無(wú)人機(jī)物流中心。

無(wú)人機(jī)物流中心

無(wú)人機(jī)物流中心的選址要求：一般是在上級(jí)物流（公路、鐵路、水路、航空等）比較成熟且這些物流方式對(duì)下一級(jí)物流不便于展開(kāi)，適合無(wú)人機(jī)物流的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。根據(jù)村落的集散程度和目前無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，應(yīng)在10～15km的半徑范圍內(nèi)設(shè)置一處。對(duì)于比較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)可以設(shè)置多處，相互之間的可以互補(bǔ)。無(wú)人機(jī)物流中心接收上級(jí)物流中心的貨物和信息，并對(duì)本級(jí)的貨物收發(fā)和配送進(jìn)行管理，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行調(diào)度、航路規(guī)劃、干預(yù)控制和監(jiān)視。

無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)根據(jù)無(wú)人機(jī)物流中心的調(diào)度進(jìn)行貨物的投遞，無(wú)人機(jī)的飛行高度為100～120m，載重在5kg以內(nèi)，續(xù)航時(shí)間約30min。無(wú)人機(jī)上配有自動(dòng)駕駛儀、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、避障模塊及無(wú)線數(shù)傳模塊等。自動(dòng)駕駛儀控制無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行，衛(wèi)星導(dǎo)航模塊利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航，避障模塊用以探測(cè)并避開(kāi)前方障礙，無(wú)線數(shù)傳模塊使無(wú)人機(jī)接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交互。

鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)

無(wú)人機(jī)的投遞目的地，散布在無(wú)人機(jī)物流中心10～15km的半徑范圍內(nèi)，根據(jù)鄉(xiāng)村居住情況一般一個(gè)自然村設(shè)置一處。鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)上空一般比較空曠，無(wú)高壓線、高塔、高樓大樹(shù)等障礙物，投遞點(diǎn)配備有無(wú)人機(jī)起降臺(tái)、物流監(jiān)控終端及常用的無(wú)人機(jī)備件等，并指定專人負(fù)責(zé)。

飛行監(jiān)管部門

飛行監(jiān)管部門為政府行政部門，一般為市級(jí)或區(qū)級(jí)單位，負(fù)責(zé)空中交通管制，氣象和航情通報(bào)等。

導(dǎo)航衛(wèi)星及通信基站

導(dǎo)航衛(wèi)星及通信基站是系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)航衛(wèi)星可以是GPS、北斗或兩者的結(jié)合;通信基站主要基于3G/4G基站，目前可以滿足150m以下低空無(wú)人機(jī)通信和組網(wǎng)需求，待5G普及后可以升級(jí)到5G基站，以支持更高的飛行高度，提供更寬的帶寬。

鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)功能

鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)的任務(wù)是在導(dǎo)航和通信等基礎(chǔ)設(shè)施的支持下，在飛行監(jiān)管部門的監(jiān)督下，利用無(wú)人機(jī)將貨物從無(wú)人機(jī)物流中心安全快捷地投遞到鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)。根據(jù)這一任務(wù)，無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)各部分的功能設(shè)計(jì)如下文描述。

無(wú)人機(jī)物流中心

無(wú)人機(jī)物流中心是整個(gè)物流系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)接收上級(jí)物流中心的貨物和信息，并對(duì)本級(jí)的貨物收發(fā)和配送進(jìn)行管理，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度、航路規(guī)劃、干預(yù)控制和飛行監(jiān)視，功能如圖2所示。

貨物管理

無(wú)人機(jī)物流中心接收上級(jí)物流中心的貨物，對(duì)貨物進(jìn)行入庫(kù)檢驗(yàn)，確保貨物不屬于違禁或受限物品，且貨物狀態(tài)完好，中途沒(méi)受到損壞。然后對(duì)貨物進(jìn)行入庫(kù)登記，登記信息包含接收時(shí)間、貨物名稱、貨物狀態(tài)、貨物重量、貨物體積、收貨地址及加急程度等信息。貨物登記后按貨物的種類和加急程度入庫(kù)進(jìn)行保存。然后按照緊急程度，依次對(duì)貨物進(jìn)行投送登記，登記信息包括出發(fā)地、目的地、計(jì)劃出發(fā)時(shí)間、計(jì)劃送達(dá)時(shí)間及無(wú)人機(jī)編號(hào)等，填好信息后，將任務(wù)分配給無(wú)人機(jī)，并將信息傳送給鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)。

航路規(guī)劃

無(wú)人機(jī)投送貨物前，首先進(jìn)行航路規(guī)劃。為保證無(wú)人機(jī)飛行的順利安全，中心對(duì)到每個(gè)投遞點(diǎn)的路程進(jìn)行實(shí)地勘察，在電子地圖上標(biāo)注好道路、村莊、集市等人員密集的區(qū)域和山頭、高塔、高壓線及河流湖泊等有飛行危險(xiǎn)的地方。然后利用航路規(guī)劃軟件自動(dòng)對(duì)飛行航線進(jìn)行規(guī)劃，并上傳到無(wú)人機(jī)。物流中心實(shí)時(shí)飛行監(jiān)管等部門保持聯(lián)絡(luò)，特殊情況下，可對(duì)飛行航線重新進(jìn)行規(guī)劃，無(wú)人機(jī)即可按新的航路飛行。當(dāng)航程和載重都允許時(shí)，利用一架無(wú)人機(jī)可以對(duì)兩個(gè)以上的鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)進(jìn)行投遞，航路規(guī)劃軟件將給出優(yōu)化的飛行路線。

任務(wù)調(diào)度

中心配備有多種型號(hào)的無(wú)人機(jī)，每種無(wú)人機(jī)的載重、續(xù)航時(shí)間、飛行速度不同。物流中心把需要配送的貨物按重量和距離分配給合適的無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)按分配的任務(wù)沿預(yù)定航線飛行，直到將貨物送達(dá)。當(dāng)中心收到無(wú)人機(jī)返航的申請(qǐng)時(shí)，與投遞點(diǎn)確認(rèn)貨物送達(dá)后，發(fā)出返航指令。在無(wú)人機(jī)返回前為無(wú)人機(jī)指派好停放位置。無(wú)人機(jī)返回后，進(jìn)行充電或電池更換，等待下一次配送任務(wù)。中心按照實(shí)際調(diào)度結(jié)果對(duì)每次任務(wù)按日、周、月、年生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可供查詢調(diào)閱。

飛行監(jiān)視

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，實(shí)時(shí)將無(wú)人機(jī)編號(hào)、定位位置、飛行速度、飛行狀態(tài)等信息發(fā)送到物流中心。中心利用電子地圖將每架無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置、實(shí)時(shí)定位時(shí)間和飛行軌跡顯示到屏幕上，并定時(shí)進(jìn)行位置信息的更新。中心利用圖、表等形象直觀的方式將無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)和飛行狀態(tài)顯示到屏幕上，供管理人員監(jiān)視，查看。當(dāng)無(wú)人機(jī)的飛行位置偏離預(yù)定航線一定距離時(shí)，或某個(gè)飛行參數(shù)超出預(yù)定范圍時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出聲音和畫(huà)面提示。當(dāng)無(wú)人機(jī)靠近某禁飛區(qū)時(shí)，監(jiān)視系統(tǒng)將發(fā)出語(yǔ)音告警。物流中心同時(shí)將飛行信息發(fā)送到飛行監(jiān)管部門，接受監(jiān)管部門的飛行監(jiān)視和管控。

干預(yù)控制

當(dāng)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中遇到一些意外情況，比如電池電量低、某傳感器故障或者GPS失效，物流中心將對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)控制。如果無(wú)人機(jī)的故障狀態(tài)不影響本次投遞，則在管理人員的密切監(jiān)視下繼續(xù)執(zhí)行本次任務(wù);如果無(wú)人機(jī)無(wú)法完成本次任務(wù)，但仍有一定的續(xù)航能力，管理人員將控制無(wú)人機(jī)飛往最近的鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)，降落后對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行維修;如果無(wú)人機(jī)故障狀態(tài)比較嚴(yán)重，則在攝像頭視頻監(jiān)控下控制無(wú)人機(jī)就近降落到相對(duì)安全的地域，或打開(kāi)降落傘，使無(wú)人機(jī)緩慢落地，此時(shí)將播報(bào)語(yǔ)音告警，提示周圍人員注意安全。

鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)

在鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)，建有無(wú)人機(jī)起降臺(tái)，鄉(xiāng)村管理員可對(duì)貨物進(jìn)行收發(fā)、查詢，并對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行輔助管理。

無(wú)人機(jī)起降臺(tái)

為便于無(wú)人機(jī)起飛和降落，每個(gè)鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)都建有起降臺(tái)。起降臺(tái)一般建在管理員庭院內(nèi)，起降臺(tái)比地面略高以防止積水，臺(tái)面平整，面積約4m×4m。起降臺(tái)中心設(shè)有紅外定位裝置，以便無(wú)人機(jī)精確定位和降落。

貨物收發(fā)

無(wú)人機(jī)到達(dá)鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)后，在設(shè)定的起降點(diǎn)降落，并提示收件員收取貨物。收件員對(duì)貨物進(jìn)行檢查，若貨物信息正確且貨物完好，則進(jìn)行收貨確認(rèn)和登記，并將信息上傳到物流中心，否則通知物流中心將貨物返回。收取貨物后，收件員通知周圍的村民自行來(lái)取快遞。當(dāng)村民需要寄送快遞時(shí)，將快遞送到鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)，收件員對(duì)需要寄送的貨物進(jìn)行檢查、收貨和登記，并利用返回的無(wú)人機(jī)將貨物運(yùn)送到物流中心。

貨物查詢

鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)安裝有客戶端軟件，軟件會(huì)實(shí)時(shí)更新貨物在途狀態(tài)，并利用電子地圖實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的飛行位置。收件員可以對(duì)運(yùn)單進(jìn)行查詢，并對(duì)目的地是此投遞點(diǎn)的無(wú)人機(jī)上掛載的貨物信息進(jìn)行查看?？蛻舳塑浖€可以對(duì)以往該投遞點(diǎn)的所有貨物信息和無(wú)人機(jī)投遞過(guò)程進(jìn)行查詢。

無(wú)人機(jī)輔助管理

鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)備有螺旋槳、電池等常用的無(wú)人機(jī)配件。無(wú)人機(jī)降落后，收件員可根據(jù)電池情況對(duì)電池進(jìn)行更換或充電;當(dāng)無(wú)人機(jī)因意外情況迫降到該投遞點(diǎn)時(shí)，收件員可對(duì)故障部件進(jìn)行更換或簡(jiǎn)單維修，使無(wú)人機(jī)恢復(fù)正常工作。當(dāng)無(wú)人機(jī)因故障在途中緊急降落或墜毀時(shí)，距離最近的收件員可以以最快的速度到達(dá)，以便對(duì)情況及時(shí)進(jìn)行處理。

無(wú)人機(jī)

鄉(xiāng)村物流無(wú)人機(jī)采用多旋翼形式的無(wú)人機(jī)，這類無(wú)人機(jī)可懸停、上下左右前后移動(dòng)，相對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)更加靈活方便，可以有效保證飛行的安全性和精確性。無(wú)人機(jī)自動(dòng)化程度比較高，掛載貨物后可以自動(dòng)起飛、自動(dòng)降落、自主飛行、具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，并可進(jìn)行自身應(yīng)急保護(hù)。

貨物掛載

無(wú)人機(jī)下方設(shè)置有安全可靠的掛載架，可供不同體積的制式快遞盒進(jìn)行掛載，起飛前管理人員將貨物掛上并鎖定，在達(dá)投遞點(diǎn)降落后，收件員利用專用工具將貨物取下。

自動(dòng)起降

當(dāng)無(wú)人機(jī)收到起飛指令時(shí)，無(wú)人機(jī)自動(dòng)按設(shè)定程序起飛，一直到預(yù)定的飛行高度，進(jìn)入巡航狀態(tài)。無(wú)人機(jī)到達(dá)起降點(diǎn)上空后，首先進(jìn)行降高，到離起降臺(tái)幾米的高度時(shí)，在紅外定位裝置的導(dǎo)引下，對(duì)無(wú)人機(jī)的高度、位置和姿態(tài)進(jìn)行精確控制，使無(wú)人機(jī)安全平穩(wěn)落地。

自主巡航

無(wú)人機(jī)進(jìn)入巡航狀態(tài)后，按照預(yù)定的航線自主進(jìn)行飛行，并保持在距離飛行航線一定的側(cè)偏距內(nèi)。無(wú)人機(jī)具備障礙物探測(cè)和自動(dòng)避障功能，當(dāng)意外遇到烏群、高塔、山體等物體時(shí)，能自動(dòng)探測(cè)到并繞開(kāi)飛行，然后沿規(guī)劃航線繼續(xù)飛行。當(dāng)飛行過(guò)程中通信不暢或阻塞時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)在GPS輔助下繼續(xù)沿預(yù)定航線飛行。當(dāng)接收物流中心的干預(yù)控制指令時(shí)，無(wú)人機(jī)切換到人工控制模式飛行，物流中心也可隨時(shí)將無(wú)人機(jī)再次切換到自主巡航狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)通信

無(wú)人機(jī)上配備有3G/4G/5G無(wú)線數(shù)傳模塊，無(wú)人機(jī)通過(guò)數(shù)傳模塊接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，與物流中心和鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)進(jìn)行信息溝通。無(wú)人機(jī)將定位位置和飛行參數(shù)實(shí)時(shí)下傳給物流中心，將定位位置實(shí)時(shí)下傳給鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)。物流中心將航路規(guī)劃信息、差分定位信息、干預(yù)控制指令上傳給無(wú)人機(jī)。

應(yīng)急保護(hù)

為保障無(wú)人機(jī)自身和周圍人員、環(huán)境的安全，無(wú)人機(jī)具備應(yīng)急保護(hù)功能。當(dāng)無(wú)人機(jī)偏離預(yù)定航線一定距離，或距禁飛區(qū)比較近且由于通信故障原因沒(méi)收到物流中心的控制指令時(shí)，將自行進(jìn)行降落;當(dāng)GPS無(wú)法定位時(shí)，將在原地懸停等待定位信息，若超過(guò)一定時(shí)間仍無(wú)定位信息時(shí)，將自行進(jìn)行降落;無(wú)人機(jī)攜帶降落傘，當(dāng)機(jī)載傳感器故障，無(wú)人機(jī)姿態(tài)或高度不穩(wěn)定，無(wú)法正常飛行時(shí)，將關(guān)閉螺旋槳、打開(kāi)降落傘，然后緩慢降落到地面。

飛行監(jiān)管部門

飛行監(jiān)管部門對(duì)物流無(wú)人機(jī)飛行實(shí)施監(jiān)督和管控，同時(shí)為鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流中心提供信息服務(wù)。

飛行監(jiān)管

無(wú)人機(jī)物流中心將無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給飛行監(jiān)管部門，飛行監(jiān)管部門對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行情況進(jìn)行監(jiān)督。對(duì)于違規(guī)飛行的無(wú)人機(jī)，監(jiān)管部門具有優(yōu)先控制權(quán)，可通過(guò)無(wú)人機(jī)物流中心對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施控制管理。

信息服務(wù)

飛行監(jiān)管部門也是一個(gè)信息中心，它與其他政府行政部門進(jìn)行信息溝通，為無(wú)人機(jī)物流中心提供氣象、天氣、空中管制、農(nóng)村大型作業(yè)、集市變化及一些突發(fā)情況信息，同時(shí)也提供其他低空飛行器的飛行情況信息。

結(jié)束語(yǔ)

鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)好之后，還需要對(duì)鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流通信組網(wǎng)題、鄉(xiāng)村物流無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃及任務(wù)調(diào)度等問(wèn)題展開(kāi)深入研究，對(duì)鄉(xiāng)村物流無(wú)人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，對(duì)物流監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，才能有效推進(jìn)鄉(xiāng)村無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和真正應(yīng)用。