物流无人机:又一个蓄势待发的行业应用

来源:宇辰网 作者:量子黑洞 时间:2017-06-13 分享至:
[宇辰导读]本文将对物流无人机的发展概况、涉及的技术细节及其普及所需要具备的条件做简要梳理。

无人机如果不能运货,和没籽的咸鱼还有什么分别。

——奥托·洛吉斯蒂克

自从无人机技术的应用从高技术武器拓展到工业生产,甚至大众消费品,人们一直在探索无人机的新应用领域,如航拍,植保,巡线等等,特别是在快递业如此发达的今天,物流也是设想中无人机的一大应用场景,各大物流和电商公司(如亚马逊、DHL、京东、顺丰等)均提出和实施了各自的物流无人机研究计划,虽然多数项目还远未进入实用阶段,甚至有些还停留在初期设计,但是在可预见的将来,物流无人机的应用势必会越来越广泛。当然,各大公司的关注,以及项目进展的缓慢,背后都是有其深层原因的,本文将对物流无人机的发展概况、涉及的技术细节及其普及所需要具备的条件做简要梳理。

在讨论物流无人机发展现状之前,我们可以设想一些物流场景,借此从头开始想一下——为什么需要无人机参与物流:

场景1:将电视机从本市的电商仓库送到客户家中;

场景2:市区内搬家服务;

场景3:给十个客户运送所购日用品;

场景4:将急用文件送到临近城市高层写字楼;

场景5:给山区病人运送急救药品;

场景6:为地震山区的多个村镇运送应急物资。

对于成熟形态(可靠性高,智能化程度高,续航时间充足)的无人机,基本可以满足后三个场景的应用需求,因此从以上几个简单应用场景中,可以得出无人机物流的几点优势:

首先,相对于地面运输,无人机物流具有方便快速的优点,特别是在拥堵的城市和偏远的山区运送急需物品,则可能比陆运节省80%的时间,而且按照发达国家经验,高层建筑势必会越来越多地配备直升机停机坪,也能够方便无人机起降。

其次,无人机物流可以有效节省人力资源的消耗,将复杂环境下和大批量的投递任务交给人和地面车辆,而将简单场景下的小批量的投递任务交给无人机,则可以更充分地发挥人力的灵活的高效率,减少体力消耗。

此外,在极端条件下,无人机可以轻松抵达地面车辆无法到达的区域,例如在应急救援物资的投送任务中,无人机配合直升机可以大大提高投送效率。

在上述几个方面上,物流无人机的确可以解决时效性、廉价性和可达性几个物流的重要问题,这也是世界范围内的物流和电商公司都在看好物流无人机的基本出发点。当然,我们也可以很明显地看出,即使是可预见的成熟形态的无人机,也难以在较低成本的前提下满足前三个场景的大批量、复杂场景下的投送任务。梳理完无人机物流的部分优缺点,并且以此为前提,就可以更好地理解当前各物流无人机项目的出发点和可行性,以及预测成熟形态的物流无人机到底应该是什么样子。

卡曼航空 K-MAX

卡曼航空K-MAX/图  来源网络

其实K-MAX本来是卡曼航空的一款有人驾驶多用途直升机,经过洛马公司改造后成为了无人直升机,已经进行了多次战场物资投送任务,一次可以运送超过2700kg的物资,当然,这种动辄上亿美元的军用机器,本不在本文的讨论之列,因为仅从技术上讲,当前的无人机技术已经完全能够满足不计成本的物流需求,现在需要探索的问题是如何将这些技术的实现成本降低到物流行业可以接受的程度。

Matternet

Matternet无人机/图   来源网络

这家公司在2013年就开始了用多旋翼无人机运送药品的尝试,其无人机可以携带2kg物品飞行接近10km,而且概念中的自动机场具备自动充电功能,可以作为机库使用或者作为长航程的中继。虽然急救药品的配送非常有意义,但是这种载重和续航时间水平,除了运送急救药品和急用文件,其他还真没有太多的应用场景。

顺丰

顺丰旋翼无人机/图   来源网络

由于深圳的消费级无人机发展迅猛,有近水楼台优势的顺丰也早在2013年就开始了无人机快递的尝试,甚至出现了“采购十万架无人机用于快递”的大新闻,当然,用十万架多旋翼无人机在市区内完成最后一公里配送任务在短期内是不可能实现的。而在多旋翼路线未能走通之后,顺丰也开始尝试利用固定翼和垂直起降固定翼无人机进行物流运输的尝试。

不过顺丰更大动作在大型物流无人机上,顺丰在成都成立了一家无人机公司--朗星,该公司的无人机载重超过1吨,并且起降距离短,适应通用机场或者是比较简单机场的起降,需求量预计在百架以上。据了解,民航局已经批准顺丰在湖北鄂州建立机场,顺丰能以此为据点,用大型的物流无人机将货物快速送到经济不发达地区、边远地区、西部地区。

另外,顺丰也在跟欧洲积极合作,推出了一款起飞重量最大为4吨的飞机,已经在非洲两个国家投入了商业试运行,顺丰希望把这个飞机也引进到中国来。2017年,顺丰表示目前的策略是利用航空去做到干线之间的运输,在末端用25公斤以下的无人机。

亚马逊

亚马逊送货无人机/图   来源网络

作为电商和物流巨头,亚马逊也是在2013年宣布了“Prime Air”无人机物流计划,其第一代产品与其他项目一样采用多旋翼方案,在意识到该方案难以满足要求之后,第二代产品则采用了多旋翼固定翼混合布局,除了能够实现垂直起降之外,配送距离也达到了24公里,在着陆地点有二维码配合的情况下,可以完成自主起降配送,具有了一定的实用性。

DHL

DHL无人机/图  来源网络

虽然前两代产品仍然采用多旋翼方案,但与其他竞争对手相比,DHL的第三代物流无人机系统则显得非常完善,之所以称之为系统,是因为DHL的方案包含了倾转翼无人机和自动机场包裹站以及背后的管理系统,其中倾转翼无人机具有长续航和可垂直起降的优点,再加上具有自动机场功能的包裹站,在包裹站物品充足的情况下,这套系统能够在收到远程的动作指令后自动完成配货,起飞,配送,返回,降落,更换电池的全流程,在2016年进行的三个月测试中,该系统完成了100多次配送任务。

UPS

UPS的无人机与卡车/图   来源网络

同样是采用多旋翼方案,UPS则独辟蹊径,巧妙地采用了卡车+无人机结合的方法,卡车将货物和无人机运送至距离配送地点足够近的距离,然后释放无人机完成最后几公里的配送,而搭载多架无人机时,最后的配送过程是并行完成的,在不需要无人机远距离飞行的情况下节省配送时间。尽管在最近的一次演示中险些出事故,但在这种卡车和无人机优势互补的方案却也值得尝试。

Google

Google垂直起降固定翼无人机/图  来源网络

虽然Google的主要业务并没有提高物流效率的需求,但很多前沿技术Google都会参与进来。然而在物流无人机方面,仿佛Google的参与热情并不高,项目自2014年宣布以来,一直都只有一款尾座式垂直起降固定翼无人机。相较于倾转(旋)翼和普通垂直起降固定翼等方案,这种布局在为飞翼布式无人机提供垂直起降能力的同时,几乎没有增加多余的机构和重量。该无人机的卸货方式也比较特别,在到达目的地上空后,无人机转换到垂直飞行状态,之后用绳子将卸货模块降下,卸货模块触地后释放货物,而后被无人机重新收回,从而避免了起降造成的噪声、尘土和安全隐患。

京东

京东送货无人机/图  来源网络

京东对无人机物流的痴迷程度比国内竞争对手都要深得多,进行了多次无人机配送试验,还成立了物流新技术的X事业部以及调度中心,但是距离实用化的程度还有很远。根据近期报道中,京东的概念无人机将能够载重一吨,飞行50km,看样子思路和顺丰一致,同样是发现多旋翼方案不足之后的另一种尝试。

不过,京东比竞争对手看得更远的地方在于,已经开始布局无人机的物流体系和网络。除了无人机本身之外,京东已经成功研发无人机飞控中心,这项技术比无人机本身更为重要,是真正实现落地运营的基础。京东可以借助其数量庞大的地面推广员,通过配送站-推广员的方式,采用固定航线的方式进行配送 ,无论是安全性还是落地难度都更具实际价值与意义。

看到了这么多厂商的物流无人机,我们又该梳理一下来龙去脉了,在多旋翼无人机大规模出现之前,只有干线物流才会用到民航或货运飞机进行空运;而在人们看到多旋翼无人机可垂直起降、飞行稳定等优点之后,纷纷尝试将其用于物流,而有意无意地忽略了续航时间这个关键问题;而在意识到多旋翼无人机的续航时间难以大幅度增长之后,人们又开始进行提高续航时间的尝试,如固定翼垂直起降,倾转(旋)翼等。

现在问题来了,关于无人机用于物流,人们的关注点基本上都在最后一公里,或者成为(配送)站对点,虽然无人机用于最后一公里可以有效降低总配送时间,但是这个阶段往往是工作场景最复杂的,而且就成本来说,光是电池的消耗的成本就完全可以阻碍其广泛使用。只有等到无人机自身技术、低空空域政策以及自动机场和停机坪等基础设施比较成熟和完善后才能普及开来,而在当前,政策、技术以及人的心理现阶段都不太能支持无人机在这个阶段的大范围应用。

我们不妨换个角度想想,既然干线的空运可以采用民航或货运飞机,那么直线空运,或者山区环境下的小批量中、短途物流则可能更适合于无人机来完成了。例如,相邻城市群的城市之间相隔不太远且联系紧密,以正在大规模建设的通航机场为起降点和小型分拨中心,在这些城市之间利用载重几公斤到几十公斤级别的固定翼无人机实现四个小时之内送达的快递业务,可能会成为无人机物流的一个细分应用场景。此外,在山区较多的省份,陆运所耗费的时间和成本较平原地区高很多,采用中型无人机则可能以同样的成本实现更高的物流效率。而在灾害救援等特殊的运输任务中,大批量的运输无人机不但可以让物资投送更精确和全面,还能同时完成快速测绘和应急通信任务。

前面整理了物流无人机的发展现状,也对其应用范围和场景做了展望,那是不是物流无人机真的能很快普及么?下面就需要说明一下物流无人机在普及之前仍需要解决的诸多关键性问题。

技术问题

物流无人机本身的技术问题是制约其普及的根本问题,毕竟作为一种用量很大、需要与用户近距离接触,并且要面对多种复杂环境的飞行器,其性能和可靠性都需要较当前的工业级无人机有质的进步。

例如,物流无人机需要具有全天候的飞行能力和避障系统,这样才能在遇到突发天气变化和航线上的位置障碍物时安全运行和返回,而当前工业无人机的环境适应性和避障系统距离这个要求还很远。特别是飞行空域可能涉及与民航飞机航线接近时,则可能会有后续政策要求物流无人机安装自动相关监视(ADS-B)系统甚至是空中防撞系统(TCAS),如何将民航飞机所用的系统简化和降低成本,这也是无人机物流需要解决的问题。

另外,无论是多旋翼布局,还是固定翼布局,飞行器的重心位置都是影响飞行性能和飞行安全的关键问题,如果重心和整机气动中心位置的距离偏离设计工况太远,无人机是无法安全飞行的。而物流无人机的货仓重量和重心是随着货物重量和分布而变化,所以要么严格要求货仓的重心必须在某个范围内,要么就需要在无人机上设置补偿机构,相信当前测试的大多数物流无人机是无法补偿货仓重心偏移的。

此外,要想实现安全飞行,且获得政策的支持,物流无人机必须要过适航这一关,这方面的经验也是当前工业级无人机厂商所非常欠缺的。小型无人机的适航审定是否必要,或者如何审定,现在还尚未可知,但是中型无人机的适航审定却是必须要加以重视的。不过鉴于现有的轻型通用飞机(固定翼飞机和自转旋翼机等)已经足够廉价和成熟,将其改造为无人机不失为一条可以尝试的路径。

航线安全问题

大批量的物流无人机在规定的空域飞行,势必需要相关的空中交通管制(ATC)系统、故障在线诊断系统以及应急遥控系统作支持。物流无人机的空中交通管制系统可以没有民航复杂,数据链也可以采用廉价方案(如气球等),故障的在线诊断系统可以根据物流无人机实时回传的数据诊断或预测故障,而应急遥控系统则用于故障发生时,飞行员手动接管物流无人机的飞行控制。

偷盗问题

还有一个很让人哭笑不得的问题,就是物流无人机本身的安全问题,很多人疑问会不会送完货,无人机也被某些人给扣下私用了,从技术角度上,我们可以用图像、GPS位置以及物流信息去定位到底是谁偷了无人机,但是如何从经济学和社会学层面解决这个问题,也许是个有趣的过程。

本文对物流无人机的优势和劣势、各厂商的物流无人机方案以及其普及所要解决的问题进行了梳理,无论是从需求层面,还是技术层面,笔者对未来无人机物流的前景还是非常看好的,毕竟只要是能够提高生产效率的工具,一旦其经济学和安全性达到实用化的程度,普及开来就是顺理成章的事情了。

2016年空客公司举办了一次货运无人机设计比赛,文章最后精选一些比较靠谱或者新颖的设计方案,以表达对物流无人机未来发展的信心。


参考链接

为何科技巨头对无人机送货感兴趣?来看看无人机的?经济性?

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