梁光霞

【摘 要】智能無人系統(tǒng)具有打通物流運(yùn)輸“最后一公里”的天然優(yōu)勢(shì)，日益受到各類電子商務(wù)物流企業(yè)的重視，并呈現(xiàn)集群化發(fā)展趨勢(shì)。文章首先調(diào)研了無人系統(tǒng)在物流運(yùn)輸中的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了無人集群物流系統(tǒng)的關(guān)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(yùn)行沖突消解與感知規(guī)避、無人集群物流運(yùn)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(shù)對(duì)無人化物流運(yùn)輸帶來的巨大變革。

【關(guān)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(hào)】F259.23 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）12-0128-03

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，以無人機(jī)、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(jì)、國防等各領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。但在未知復(fù)雜條件下（如復(fù)雜動(dòng)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(yùn)輸），單個(gè)無人系統(tǒng)受到載荷能力、機(jī)動(dòng)性能等因素的限制，無法滿足復(fù)雜應(yīng)用任務(wù)需求，因此由多個(gè)無人系統(tǒng)組成相互任務(wù)關(guān)聯(lián)的集群系統(tǒng)，以協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)的形式應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)無人集群系統(tǒng)而言，可通過平臺(tái)的協(xié)調(diào)配合提高物流任務(wù)完成質(zhì)量;可以在部分平臺(tái)故障情況下通過任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配與調(diào)度提高任務(wù)成功概率;可以通過任務(wù)在平臺(tái)上的并行執(zhí)行縮短任務(wù)完成時(shí)間。因此，無人集群系統(tǒng)在近年來受到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。

當(dāng)前，世界物流無人化產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處在快速上升時(shí)期，表現(xiàn)為美國全面領(lǐng)先、歐盟積極跟隨、中國從跟跑轉(zhuǎn)向并跑、領(lǐng)跑的態(tài)勢(shì)。我國企業(yè)在全球領(lǐng)先實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)物流運(yùn)輸常態(tài)化運(yùn)行，而無人車物流運(yùn)輸已經(jīng)開展路面測(cè)試。未來，無人物流系統(tǒng)服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展前景向好，發(fā)展趨勢(shì)將是構(gòu)建包括“干線—支線—末端”三級(jí)聯(lián)動(dòng)貫通的由陸?？諢o人系統(tǒng)組成的智能物流體系。這將會(huì)極大地降低配送人員的負(fù)擔(dān)，降低物流相關(guān)成本，提升物流整體效率，打通交通受限地區(qū)及偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的物流運(yùn)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(yùn)輸，必將帶來交通、物流、生產(chǎn)領(lǐng)域的革命性變化，無人集群物流系統(tǒng)技術(shù)也將面臨諸多挑戰(zhàn)。本文針對(duì)這一前沿發(fā)展問題展開探討，分析了其中的關(guān)鍵問題，并做了應(yīng)用展望。

1 無人系統(tǒng)在物流運(yùn)輸中的發(fā)展現(xiàn)狀

無人系統(tǒng)是由無人平臺(tái)、通信鏈路、任務(wù)載荷、控制終端組成的綜合化系統(tǒng)。無人平臺(tái)是無人在其上操作，能夠遙控或自主控制運(yùn)行，帶有動(dòng)力的可重復(fù)使用的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)?！捌脚_(tái)無人、自主運(yùn)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(jī)）、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(jī)器人具有相似特征，但無人系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)“人在回路”控制。對(duì)于物流運(yùn)輸來說，更適合使用無人系統(tǒng)，其任務(wù)載荷就是所要運(yùn)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(yùn)輸協(xié)會(huì)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(gè)《世界物流無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度報(bào)告（2017—2018）》。報(bào)告認(rèn)為，當(dāng)前世界物流運(yùn)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(qiáng)國和地區(qū)競(jìng)相發(fā)展，包括亞馬遜、谷歌、UPS、京東等企業(yè)先后對(duì)物流無人化應(yīng)用開展了大膽嘗試。美國是無人機(jī)物流產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先者。2013年，亞馬遜發(fā)布了無人機(jī)快遞計(jì)劃;UPS也開展了“無人機(jī)送貨+無人倉”測(cè)試;2014年，谷歌在澳大利亞首次實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)貨物配送，2016年建成了投遞測(cè)試和空管系統(tǒng)。歐盟也在積極布局。2013年，德國郵政首測(cè)無人機(jī)物流，2016年實(shí)現(xiàn)“無人機(jī)+快遞柜”的整合;2014年，法國郵政首測(cè)無人機(jī)物流，2016年實(shí)現(xiàn)了自主空中運(yùn)送;此外，芬蘭和西班牙郵政等也開展了無人機(jī)快遞試驗(yàn)。2017年，日本郵政、韓國郵政進(jìn)行了無人機(jī)配送測(cè)試。

在物流無人機(jī)領(lǐng)域，中國正從跟跑走向領(lǐng)跑，在城鄉(xiāng)同步展開。2015年，京東啟動(dòng)了無人機(jī)項(xiàng)目，逐步實(shí)現(xiàn)末端無人機(jī)常態(tài)化運(yùn)行;2016年，中國郵政完成了無人機(jī)首次運(yùn)送;2017年，順豐完成大型貨運(yùn)無人機(jī)AT200首飛;2017年，中通也完成首飛測(cè)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(gè)偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村。

在物流無人船領(lǐng)域，2017年，“無人貨物運(yùn)輸船開發(fā)聯(lián)盟”成立籌備會(huì)在上海召開，加速推進(jìn)能自動(dòng)控制/遠(yuǎn)程操控、綠色安全的自主無人運(yùn)輸船。

在物流無人車領(lǐng)域，進(jìn)行了大規(guī)模路測(cè)和試運(yùn)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(zhǎng)沙等環(huán)境相對(duì)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(jìn)行物流運(yùn)輸?shù)臏y(cè)試。無人車在配送基站完成商品裝載后，可根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)自主進(jìn)行路徑規(guī)劃，搜索最短路徑，并能夠即時(shí)規(guī)避擁堵路段。在行駛過程中如遇到其他車輛，還能夠進(jìn)行自主規(guī)避，遇到十字路口可識(shí)別交通紅綠燈。當(dāng)自動(dòng)行駛到指定目標(biāo)位置后，會(huì)通過手機(jī)短信、App等方式通知用戶來收貨。用戶可通過手機(jī)一鍵開箱或人臉識(shí)別等方式取走相應(yīng)包裹。

綜上，各種無人系統(tǒng)用于物流運(yùn)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(guān)損耗計(jì)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(dòng)壓力，并進(jìn)一步提升了用戶的購物體驗(yàn)感。

3 無人集群物流系統(tǒng)的關(guān)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(tái)間通信條件、協(xié)同承擔(dān)相應(yīng)物流運(yùn)輸任務(wù)的多個(gè)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(duì)于陸?？崭饔蜻\(yùn)輸任務(wù)而言，需解決4個(gè)關(guān)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(yùn)行效率，主要分為分級(jí)結(jié)構(gòu)式架構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)式架構(gòu)。在分級(jí)結(jié)構(gòu)中，無人物流系統(tǒng)的通信系統(tǒng)以“簇”表示，每個(gè)簇由一個(gè)長(zhǎng)機(jī)（簇頭）和多個(gè)僚機(jī)（成員）組成。這種分層結(jié)構(gòu)的最大好處是可擴(kuò)充性優(yōu)良，網(wǎng)絡(luò)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(luò)，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(diǎn)具有平等地位，但這種結(jié)構(gòu)的規(guī)模會(huì)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(shì)，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(tái)同步運(yùn)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(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)共享、動(dòng)態(tài)任務(wù)分配，最后實(shí)現(xiàn)一致性的集群運(yùn)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(wù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模無人集群系統(tǒng)需要更加科學(xué)的路徑規(guī)劃方法。在完成運(yùn)輸任務(wù)分配和領(lǐng)受后，需要根據(jù)當(dāng)前的復(fù)雜交通狀況，確定每個(gè)無人機(jī)/車/船的最佳運(yùn)行線路。然而城市、野外、水中環(huán)境都是復(fù)雜多變的，呈現(xiàn)高度不確定性，配送的任務(wù)也具有動(dòng)態(tài)性和時(shí)效性。事先可以通過預(yù)規(guī)劃為每個(gè)無人系統(tǒng)擬制詳細(xì)的運(yùn)行路徑，但考慮到預(yù)先情報(bào)信息不準(zhǔn)確且十分有限，無法應(yīng)對(duì)環(huán)境和任務(wù)發(fā)生的種種變化。因此，根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的配送情報(bào)及交通信息，進(jìn)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(yīng)速度之間進(jìn)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(jī)制方面的研究較為欠缺。因此，除針對(duì)特定任務(wù)設(shè)計(jì)合適高效的在線計(jì)算方法，并提高算法適應(yīng)性外，還要設(shè)計(jì)分布式優(yōu)化規(guī)則，緩解在線計(jì)算壓力。

（3）空間域運(yùn)行沖突消解與感知規(guī)避。只要任務(wù)環(huán)境中存在兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)體，或是一個(gè)運(yùn)動(dòng)體在有靜止障礙的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，都會(huì)發(fā)生“時(shí)空沖突”，即和其他運(yùn)動(dòng)體過度接近的狀況?？罩?、地面、水面、水下等各域無人系統(tǒng)在時(shí)空四維空間中運(yùn)行，發(fā)生時(shí)空沖突不可避免。進(jìn)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(biāo)的方法;三是基于勢(shì)場(chǎng)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(dòng)安全和生存能力，單個(gè)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(tái)間局部感知能力，可以對(duì)集群內(nèi)臨近無人平臺(tái)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)與跟蹤，以實(shí)現(xiàn)對(duì)友鄰平臺(tái)的避碰，保持集群的編隊(duì)隊(duì)形。同時(shí)，集群系統(tǒng)需對(duì)前方碰到的障礙做出有效反應(yīng)，靈活實(shí)現(xiàn)編隊(duì)隊(duì)形變換，通過障礙物后重構(gòu)隊(duì)形。

（4）無人集群物流運(yùn)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(shí)機(jī)、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(gè)智能體完成對(duì)應(yīng)無人系統(tǒng)的監(jiān)督控制。對(duì)于無人集群物流運(yùn)輸而言，無人系統(tǒng)數(shù)量更多，種類各異，環(huán)境更復(fù)雜，必須發(fā)展新的監(jiān)督控制系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“人機(jī)比<<1”。依據(jù)《美國無人機(jī)系統(tǒng)飛行計(jì)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(wù)無人機(jī)，從而完成“更加集中、更加持續(xù)、更具規(guī)?！钡膹?fù)雜物流任務(wù)，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(yīng)用展望

人工智能等技術(shù)的發(fā)展，將給物流技術(shù)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(yuǎn)程操作再到自主運(yùn)行，加之續(xù)航能力、荷載能力的進(jìn)一步提升，無人集群物流系統(tǒng)的使用場(chǎng)景將進(jìn)一步擴(kuò)大，未來無人化運(yùn)輸會(huì)越來越繁忙。

（1）人工智能技術(shù)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(wù)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(jìn)入新階段，呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界融合、人機(jī)協(xié)同、群智開放、自主操控等新特征;大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)知識(shí)學(xué)習(xí)、跨媒體協(xié)同處理、人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)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(diǎn)。人工智能技術(shù)將帶來無人集群系統(tǒng)自主能力的躍升，向更高自主邁進(jìn)。未來，無人集群物流系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)自主化的服務(wù)，能夠在人最少干預(yù)下自主完成大規(guī)模貨物運(yùn)輸任務(wù)，成為人的“忠誠速遞員”。

（2）5G技術(shù)和無人集群系統(tǒng)的結(jié)合，提升了通信和管理效率，實(shí)現(xiàn)物流的強(qiáng)實(shí)時(shí)服務(wù)。無人集群物流系統(tǒng)對(duì)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(biāo)是高帶寬、低時(shí)延、能耗和成本大幅降低、大容量支持大規(guī)模設(shè)備連接。ITU IMT-2020規(guī)范要求速率高達(dá)20 Gbit/s，可實(shí)現(xiàn)大容量MIMO?；?G，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)、機(jī)聯(lián)網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到真正的萬物互聯(lián)，無人集群物流系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更加快速的響應(yīng)、更加便捷的服務(wù)，建設(shè)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(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)服務(wù)。目前，我國針對(duì)無人機(jī)的監(jiān)管主要分為無人機(jī)系統(tǒng)、無人機(jī)駕駛員、無人機(jī)運(yùn)行空域3個(gè)方面，先后出臺(tái)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(jī)駕駛員管理規(guī)定》《無人機(jī)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(dǎo)征求意見。這些已經(jīng)發(fā)布和正在制定的法律法規(guī)為陸海空各域無人系統(tǒng)參與物流運(yùn)輸提供了法律依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。同時(shí)，隨著我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全球化建設(shè)和導(dǎo)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(yùn)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(guān)鍵技術(shù)的突破、新技術(shù)的應(yīng)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(yùn)輸?shù)念I(lǐng)域?qū)⑷找鏀U(kuò)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(shí)現(xiàn)中國夢(mèng)！

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]黃鑫.我國物流無人機(jī)率先常態(tài)化運(yùn)行[N].經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)，2018-09-26.

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

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