自動化無人機快遞系統(tǒng)的研究與設計

摘 要：傳統(tǒng)的快遞模式越來越難滿足未來網購、電商的強大需求，快遞行業(yè)迫切的需要更為現代化的快遞系統(tǒng)。針對這種情況，設計基于利用無人機投送快遞的一套自動化快遞系統(tǒng)。首先設計了這套系統(tǒng)的核心模塊，然后基于設計的核心模塊給出了各模塊間相互協(xié)作的工作原理，最后針對無人機群的高效運行設計了系統(tǒng)調度策略。系統(tǒng)分析表明，無人機系統(tǒng)的重點在與快遞柜的布局與建設上，提升快遞柜應對無人機的能力以及提高無人機飛行速度有利于應對快遞的增長和優(yōu)化資源。該系統(tǒng)的開發(fā)實施能有效地提升快遞行業(yè)的服務能力和服務質量，以及降低運營成本、管理成本和人力成本。

關鍵詞：快遞系統(tǒng)；無人機；調度策略

中圖分類號：TP399

隨著網購、電子商務的迅猛發(fā)展，電商日益膨脹的需求和傳統(tǒng)快遞業(yè)相對滯后的發(fā)展之間的矛盾越來越突出。網購訂單的飛速增長給快遞業(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)“甜蜜的負擔”，快遞業(yè)在未來幾年面臨著“爆倉”的風險；同時，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)快遞還存在著運營成本、管理成本、人力成本過高，競爭激烈等諸多問題。以上現狀正迫切的需要轉變快遞業(yè)的生產方式，快遞市場需要更加現代化的送件系統(tǒng)[1]。

2013年9月順豐快遞在東莞進行了無人機投遞測試，無人機內置導航系統(tǒng)，由人工設定目的地和路線，誤差2米。順豐無人機并不面向于個人客戶，而是往返于配送點之間的貨物運輸機，而無人機負重的限制似乎很難為順豐快遞系統(tǒng)帶來明顯的優(yōu)勢。同年12月亞馬遜CEO介紹了該公司的一項無人機計劃，名為Prime Air，計劃利用無人機運送小型包裹，派件用時只需30分鐘，無人機可飛行16公里，運送重量小于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付交付密集的大城市以及庭院稀少的中國式的住宅區(qū)，而通常快遞業(yè)務的瓶頸正是在交付密集的區(qū)域。

本文對快遞的自動化、無人化進行了研究，設計了一套自動化無人機快遞系統(tǒng)，利用無人機代替?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，快遞柜和無人機通過對接裝卸快遞，無人機由調度中心控制往返于不同的快遞柜之間運送快遞。該系統(tǒng)的實現旨在轉變快遞業(yè)的生產方式，提升快遞服務能力和降低成本，這將會對快遞行業(yè)的發(fā)展起到促進作用[2]。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)體系結構

本文研究設計了一套自動化的快遞系統(tǒng)，快遞的收發(fā)投遞均通過無人機、自助快遞柜以及調度中心等單位的協(xié)同工作進行完成。系統(tǒng)核心模塊包括：快遞無人機、自助快遞柜、快遞盒、快遞集散分點、快遞集散基地以及區(qū)域調度中心。無人機快遞系統(tǒng)體系結構如圖1所示：

圖1 無人機快遞系統(tǒng)體系結構圖

上圖中的核心模塊主要功能如下：

1.1.1 快遞無人機

無人機采用八旋翼飛行器，配有GPS自控導航系統(tǒng)[3]、iGPS接收器、各種傳感器以及無線信號發(fā)收裝置。無人機具有GPS自控導航、定點懸浮、人工控制等多種飛行模式，集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀、磁力計、氣壓高度計等多種高精度傳感器和先進的控制算法。無人機配有黑匣子，以記錄狀態(tài)信息。同時無人機還具有失控保護功能，當無人機進入失控狀態(tài)時將自動保持精確懸停，失控超時將就近飛往快遞集散分點[4]。

無人機通過4G網絡和無線電通信遙感技術與調度中心和自助快遞柜等進行數據傳輸，實時的向調度中心發(fā)送自己的地理坐標和狀態(tài)信息，接收調度中心發(fā)來的指令，在接收到目的坐標以后采用GPS自控導航模式飛行，在進入目標區(qū)域后向目的快遞柜發(fā)出著陸請求、本機任務報告和本機運行狀態(tài)報告，在收到著陸請求應答之后，由快遞柜指引無人機在快遞柜頂端停機平臺著陸、裝卸快遞、以及進行快速充電。

無人機在發(fā)出請求無應答超時之后再次向目的收發(fā)柜發(fā)送請求，三次超時以后向調度中心發(fā)送著陸請求異常報告、本機任務狀態(tài)報告和本機運行狀態(tài)報告，請求指令。無人機在與調度中心失去聯系或者出現異常故障之后將自行飛往快遞集散分點。

1.1.2 自助快遞柜

快遞柜配備有一臺計算機、無人機排隊決策系統(tǒng)、快遞管理系統(tǒng)、iGPS定位系統(tǒng)[5]、無人機著陸引導系統(tǒng)、一個裝卸快遞停機臺、八個臨時停機臺、一套機械傳送系統(tǒng)、四部自助快遞終端和多個快遞箱等?？爝f柜頂部的所有停機臺都具有快速充電功能。

無人機向快遞柜發(fā)送著陸請求、本機任務報告和本機運行狀態(tài)報告后，快遞柜將無人機編號、該機任務以及任務優(yōu)先權等信息輸入系統(tǒng)，由排隊決策系統(tǒng)分配停機平臺，再由無人機著陸引導系統(tǒng)引導無人機降落，或者向無人機發(fā)出懸停等待指令。

無人機收到快遞柜接受著陸指令后，將持續(xù)的將本機上iGPS接收器收到紅外激光定位信號和本機編號回傳給快遞柜，快遞柜將精確掌握無人機坐標信息，并引導無人機精準著陸。

當快遞柜出現無人機隊列擁擠狀態(tài)時，將向調度中心發(fā)送隊列擁擠報告，調度中心將停止向無人機發(fā)送此快遞柜的裝卸指令。

快遞柜將實時的向調度中心發(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、快遞接收時間，本柜快遞擁塞狀態(tài)報告。

快遞柜可根據業(yè)務開展的程度以及成本的考量以住宅小區(qū)為單位架設，或者架設在部分大樓的樓頂[6]?？爝f柜還配備有攝像頭，實時的監(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)設施的安全。

用戶通過快遞柜投送快遞：當用戶按下投件按鈕后，如果快遞柜未滿將彈開一個空的投件箱箱門，用戶從快遞盒架上取出一個快遞盒，并將快遞放入快遞盒內，然后將快遞盒放入投件箱中并關上箱門，投件箱將檢測快遞是否達標，包括重量、危險度等方面的檢測，如果檢測達標，將提示用戶輸入投遞信息和投遞等級，在確認目的地可達以后，將根據快遞重量、送件距離和投遞優(yōu)先級給出價格，用戶可現場支付，也可以根據需求由快遞收取方網上支付或者貨到付款?？爝f柜完全接受快遞以后將通過藍牙向快遞盒發(fā)送快件信息，快遞盒將記錄下快件信息，用于快件的身份識別。

無人機與快遞柜對接后卸載快遞盒，快遞盒由機械傳送裝置帶入快遞箱中，快遞柜將根據無人機任務報告和快遞盒記憶模塊中的信息核實快遞，并向用戶發(fā)送手機短信，提醒快遞已經抵達，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限將根據超時長交付快遞箱占用費，如果超過系統(tǒng)預設時限，快遞將被退回或者轉移至快遞集散分點。

1.1.3 快遞盒

快遞盒內置藍牙和記憶模塊，主要用于封裝快遞，便于無人機攜帶，以及對快件的身份識別?？爝f盒空閑時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

分點負責不同區(qū)域間快遞的集散功能。無人機接收調度中心指令，將異地快遞運往分點。根據需求，可以按區(qū)域設立卸貨通道，分點發(fā)出指令引導無人機降落卸貨，卸下的快遞將傳送、聚集、封裝，然后運往機場。同時調度中心將快遞信息發(fā)往各目的區(qū)域的調度中心。

此外，分點還負責對無人機的安檢、維修工作，同時也具備無人機臨時停放，快速充電，異常快遞倉庫等功能。

1.1.5 快遞集散基地

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

1.1.6 區(qū)域調度中心

調度中心統(tǒng)一管理本區(qū)域所有快遞的接收與投放，同時對無人機進行調度。調度中心同時監(jiān)測無人機運行狀態(tài)和自助快遞柜運行狀態(tài)，對其出現的異?；驌砣鶕呗约皶r的發(fā)送相應指令。

1.2 快遞收發(fā)流程

根據無人機的續(xù)航能力、快遞業(yè)務量的地理分布、通訊的實時可靠性、系統(tǒng)的容積能力以及建設成本等諸多因素的綜合考慮，將整個系統(tǒng)劃分為若干區(qū)域，區(qū)域內部獨立運作，區(qū)域之間協(xié)同運作。

1.2.1 區(qū)域內快遞收發(fā)

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

圖2 區(qū)域內快遞收發(fā)流程圖

1.2.2 區(qū)域間快遞收發(fā)

調度中心在收到發(fā)往其他區(qū)域的快遞信息后，將指引無人機收件后就近送往本區(qū)域的快遞集散分點，分點自動將快遞按區(qū)域分類，并裝箱后送往機場，由大型飛機送往目的區(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，再由調度中心調度無人機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)調度策略

建立無人機狀態(tài)列表，包括無人機編號、當前坐標、當前任務狀態(tài)、運行狀態(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、地理坐標、運轉狀態(tài)、擁塞程度等。

關聯無人機狀態(tài)列表和快遞柜狀態(tài)列表為每一部快遞柜生成一張預設半徑范圍內無人機到達時刻表，此表包括：無人機編號、預計到達時間（通過對停泊裝卸時間、平均飛行速度的統(tǒng)計，以及無人機當前坐標、當前任務和快遞柜坐標估算求得）、預計無人機續(xù)航能力、停機位狀態(tài)等，停機位包括三種狀態(tài)：停在裝卸平臺、停在臨時平臺以及懸浮態(tài)。該表按到達時間、續(xù)航能力和停機位排序。半徑的設定視無人機群規(guī)模統(tǒng)計優(yōu)化而定，目的在于優(yōu)化系統(tǒng)、縮減響應時間，無人機群規(guī)模較小的情況下可設為全區(qū)域。

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

調度流程如圖4所示：

圖4 調度流程示意圖

調度流程的步驟如下：

（1）無人機實時地向調度中心發(fā)送狀態(tài)信息，調度中心實時更新無人機狀態(tài)列表；（2）快遞柜收到快遞后向調度中心發(fā)送收件信息，調度中心更新快遞投送表；（3）從投送表中取出優(yōu)先級最高的快遞編碼，及其所在的快遞柜編號和目的快遞柜編號；（4）從此部快遞柜的無人機到達時刻表中取出具備續(xù)航能力且最快到達的無人機編號；（5）調度中心向此無人機發(fā)送指令，給出收件坐標位置和投件坐標位置；（6）無人機到達目標位后，向快遞柜發(fā)送著陸請求；（7）利用iGPS定位系統(tǒng)，快遞柜精確引導無人機對接著陸裝卸快件；（8）無人機裝卸后將向調度中心發(fā)送快遞到位報告（或無人機收件成功、或快件送達目的地）；（9）無人機如任務未完，或有其他任務將繼續(xù)進行，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）無人機如無其他任務，將接收快遞柜引導?？颗R時停機臺的讓位指令，快遞柜會在收到其他無人機發(fā)出著陸請求時發(fā)出讓位指令；（11）快遞柜在快遞入柜后將向調度中心發(fā)送快遞到位確認報告，并同時向用戶發(fā)送手機短信，提醒用戶及時收取，內容包括提取密碼以及超時收費和退還原地的溫馨提示；（12）超過系統(tǒng)設定時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。退回后超時無人取走的快遞將送往就近的集散分點儲存[8]。

3 系統(tǒng)分析

分析表明，為了避免系統(tǒng)出現擁塞狀態(tài)以至系統(tǒng)崩潰，在一個區(qū)域內吞吐快遞的極限速率與區(qū)域無人機總量成正比，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；N為無人機總量；M為快遞柜總量。進一步分析表明，無人機最大總量可以由快遞柜的總量、快遞柜應對無人機最大量、無人機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為無人機最大總量；K為快遞柜應對無人機最大量；M為快遞柜總量；k3為系數；V2為無人機極限飛行速度；S為區(qū)域面積。

由此我們可以得出結論，自動化無人機快遞系統(tǒng)的重點在于自助快遞柜的布局與建設上，系統(tǒng)的吞吐量最終由快遞柜的數量確定，合理地規(guī)劃快遞柜、提高快遞柜應對無人機的能力、以及提升無人機飛行速度可以有效應對快遞的增長速度，以及優(yōu)化各種成本資源。

4 結束語

本文設計的自動化無人機快遞系統(tǒng)利用無人機替代人工投送快遞，旨在實現快遞投送的自動化、無人化、信息化，提升快遞的投遞效率和服務質量，以便緩解快遞需求與快遞服務能力之間的矛盾。本系統(tǒng)的實現能有效應對訂單量的巨額增長，消除快遞“爆倉”的危險，提升快遞行業(yè)的服務質量，降低快件的延誤率、損毀率、丟失率，以及快遞投訴率，同時還能降低運營成本、倉庫成本、人力成本等，提升行業(yè)競爭力，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計終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)將融合無人機排隊決策、快遞管理、iGPS定位、無人機著陸引導等多個子系統(tǒng)，并將對自助快遞柜內部的機械傳送系統(tǒng)作出詳細的研究。

參考文獻：

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[7]Abraham Silberschatz，Henry F.Korth，S.Sudarshan.數據庫系統(tǒng)概念[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[8]Michael Pinedo.調度：原理、算法和系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2013.

[9]魏斐翡.基于網上消費者風險的快遞服務滿意度分析[J].武漢理工大學學報，2011（06）：1003-1006.

作者簡介：鄧揚（1983-），男，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向：機器智能。

作者單位：四川大學 計算機學院，成都 610065；可視化計算與虛擬現實四川省重點實驗室，成都 610066