鄉村無人機物流系統架構及功能設計

張玉恒 武燕 徐延勇

優先設計好鄉村無人機物流系統架構和功能是做好鄉村物流最基礎、最頂層的工作。針對鄉村特點，探討了鄉村無人機物流系統的架構，設計了物流中心、鄉村投遞點及無人機等幾個關鍵部分的功能，為下一步的系統實現奠定了基礎。

在我國互聯網+助力鄉村振興戰略的支持下，鄉村電子商務發展勢頭迅猛。這種快速發展勢頭引起了各大電商的關注，紛紛提出各種搶占農村電商市場的戰略。然而由于鄉村居民居住分散，道路條件差，導致物流成本很高，制約了鄉村物流和電子商務的發展。無人機技術的快速發展和成熟，為物流配送提供了一條高效的解決途徑。國內外眾多電子商務集團積極開展無人機配送物流實驗。實驗表明，無人機已經具備了在物流領域應用的基本技術條件。

雖然鄉村物流無人機行業應用前景廣闊，但當前還有一些基礎性的工作需要研究和解決，鄉村無人機物流系統架構設計是做好鄉村物流基礎工作和頂層規劃，它影響著系統的完善性和實用性。設計學研究了小型無人機在快件收派服務系統的構建問題，討論了區域間和城市環境的物流配送問題，在鄉村環境下應用不是很合適。鄧揚、何軍、李奇等人設計了一種自動化的無人機快遞系統，設計的快遞柜功能齊全，可實現快遞的自助收發。雖然這種快遞系統自動化程度強，但造價較高，不便于在鄉村的大面積推廣。王琰等人對無人機快遞服務系統進行了構建，討論了快遞保障系統、飛行控制系統和第三方民航監管部門管理平臺的構建問題，并提出了技術優化措施，但功能設計不詳細。順豐控股（集團）股份有限公司、北京京東世紀貿易有限公司都建立了自己的無人機運營調度試驗中心，可實現物流無人機的監控和調度，但對收件端的功能沒有進行具體設計。總體來看，目前還沒有完全適合鄉村環境的無人機物流系統。鑒于此，本文根據鄉村環境特點，設計了一個較為完善和實用的無人機物流系統。

鄉村無人機物流系統架構

鄉村無人機物流系統架構如圖1所示，由無人機物流中心、鄉村投遞點、無人機以及與系統密切相關的上級物流中心、飛行監管部門、通信基站及導航衛星等幾部分組成。

上級物流中心

是無人機物流中心的上級機構，一般是縣、市一級的物流公司，上級物流中心將貨物通過公路、鐵路、水路、航空等物流方式運輸到無人機物流中心，并通過網絡將貨物信息傳遞給無人機物流中心。

無人機物流中心

無人機物流中心的選址要求：一般是在上級物流（公路、鐵路、水路、航空等）比較成熟且這些物流方式對下一級物流不便于展開，適合無人機物流的鄉鎮。根據村落的集散程度和目前無人機的續航能力，應在10～15km的半徑范圍內設置一處。對于比較大的鄉鎮可以設置多處，相互之間的可以互補。無人機物流中心接收上級物流中心的貨物和信息，并對本級的貨物收發和配送進行管理，對無人機進行調度、航路規劃、干預控制和監視。

無人機

無人機根據無人機物流中心的調度進行貨物的投遞，無人機的飛行高度為100～120m，載重在5kg以內，續航時間約30min。無人機上配有自動駕駛儀、衛星導航模塊、避障模塊及無線數傳模塊等。自動駕駛儀控制無人機的穩定飛行，衛星導航模塊利用衛星信號進行精確定位和導航，避障模塊用以探測并避開前方障礙，無線數傳模塊使無人機接入移動互聯網，利用網絡進行信息的交互。

鄉村投遞點

無人機的投遞目的地，散布在無人機物流中心10～15km的半徑范圍內，根據鄉村居住情況一般一個自然村設置一處。鄉村投遞點上空一般比較空曠，無高壓線、高塔、高樓大樹等障礙物，投遞點配備有無人機起降臺、物流監控終端及常用的無人機備件等，并指定專人負責。

飛行監管部門

飛行監管部門為政府行政部門，一般為市級或區級單位，負責空中交通管制，氣象和航情通報等。

導航衛星及通信基站

導航衛星及通信基站是系統的基礎設施，導航衛星可以是GPS、北斗或兩者的結合;通信基站主要基于3G/4G基站，目前可以滿足150m以下低空無人機通信和組網需求，待5G普及后可以升級到5G基站，以支持更高的飛行高度，提供更寬的帶寬。

鄉村無人機物流系統功能

鄉村無人機物流系統的任務是在導航和通信等基礎設施的支持下，在飛行監管部門的監督下，利用無人機將貨物從無人機物流中心安全快捷地投遞到鄉村投遞點。根據這一任務，無人機物流系統各部分的功能設計如下文描述。

無人機物流中心

無人機物流中心是整個物流系統的核心，它負責接收上級物流中心的貨物和信息，并對本級的貨物收發和配送進行管理，對無人機進行任務調度、航路規劃、干預控制和飛行監視，功能如圖2所示。

貨物管理

無人機物流中心接收上級物流中心的貨物，對貨物進行入庫檢驗，確保貨物不屬于違禁或受限物品，且貨物狀態完好，中途沒受到損壞。然后對貨物進行入庫登記，登記信息包含接收時間、貨物名稱、貨物狀態、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進行保存。然后按照緊急程度，依次對貨物進行投送登記，登記信息包括出發地、目的地、計劃出發時間、計劃送達時間及無人機編號等，填好信息后，將任務分配給無人機，并將信息傳送給鄉村投遞點。

航路規劃

無人機投送貨物前，首先進行航路規劃。為保證無人機飛行的順利安全，中心對到每個投遞點的路程進行實地勘察，在電子地圖上標注好道路、村莊、集市等人員密集的區域和山頭、高塔、高壓線及河流湖泊等有飛行危險的地方。然后利用航路規劃軟件自動對飛行航線進行規劃，并上傳到無人機。物流中心實時飛行監管等部門保持聯絡，特殊情況下，可對飛行航線重新進行規劃，無人機即可按新的航路飛行。當航程和載重都允許時，利用一架無人機可以對兩個以上的鄉村投遞點進行投遞，航路規劃軟件將給出優化的飛行路線。

任務調度

中心配備有多種型號的無人機，每種無人機的載重、續航時間、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人機。無人機按分配的任務沿預定航線飛行，直到將貨物送達。當中心收到無人機返航的申請時，與投遞點確認貨物送達后，發出返航指令。在無人機返回前為無人機指派好停放位置。無人機返回后，進行充電或電池更換，等待下一次配送任務。中心按照實際調度結果對每次任務按日、周、月、年生成統計報表，可供查詢調閱。

飛行監視

無人機在飛行過程中，實時將無人機編號、定位位置、飛行速度、飛行狀態等信息發送到物流中心。中心利用電子地圖將每架無人機的實時位置、實時定位時間和飛行軌跡顯示到屏幕上，并定時進行位置信息的更新。中心利用圖、表等形象直觀的方式將無人機的飛行參數和飛行狀態顯示到屏幕上，供管理人員監視，查看。當無人機的飛行位置偏離預定航線一定距離時，或某個飛行參數超出預定范圍時，系統將發出聲音和畫面提示。當無人機靠近某禁飛區時，監視系統將發出語音告警。物流中心同時將飛行信息發送到飛行監管部門，接受監管部門的飛行監視和管控。

干預控制

當無人機在飛行過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，物流中心將對無人機進行人工干預控制。如果無人機的故障狀態不影響本次投遞，則在管理人員的密切監視下繼續執行本次任務;如果無人機無法完成本次任務，但仍有一定的續航能力，管理人員將控制無人機飛往最近的鄉村投遞點，降落后對無人機進行維修;如果無人機故障狀態比較嚴重，則在攝像頭視頻監控下控制無人機就近降落到相對安全的地域，或打開降落傘，使無人機緩慢落地，此時將播報語音告警，提示周圍人員注意安全。

鄉村投遞點

在鄉村投遞點，建有無人機起降臺，鄉村管理員可對貨物進行收發、查詢，并對無人機進行輔助管理。

無人機起降臺

為便于無人機起飛和降落，每個鄉村投遞點都建有起降臺。起降臺一般建在管理員庭院內，起降臺比地面略高以防止積水，臺面平整，面積約4m×4m。起降臺中心設有紅外定位裝置，以便無人機精確定位和降落。

貨物收發

無人機到達鄉村投遞點后，在設定的起降點降落，并提示收件員收取貨物。收件員對貨物進行檢查，若貨物信息正確且貨物完好，則進行收貨確認和登記，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取快遞。當村民需要寄送快遞時，將快遞送到鄉村投遞點，收件員對需要寄送的貨物進行檢查、收貨和登記，并利用返回的無人機將貨物運送到物流中心。

貨物查詢

鄉村投遞點安裝有客戶端軟件，軟件會實時更新貨物在途狀態，并利用電子地圖實時顯示無人機的飛行位置。收件員可以對運單進行查詢，并對目的地是此投遞點的無人機上掛載的貨物信息進行查看。客戶端軟件還可以對以往該投遞點的所有貨物信息和無人機投遞過程進行查詢。

無人機輔助管理

鄉村投遞點備有螺旋槳、電池等常用的無人機配件。無人機降落后，收件員可根據電池情況對電池進行更換或充電;當無人機因意外情況迫降到該投遞點時，收件員可對故障部件進行更換或簡單維修，使無人機恢復正常工作。當無人機因故障在途中緊急降落或墜毀時，距離最近的收件員可以以最快的速度到達，以便對情況及時進行處理。

無人機

鄉村物流無人機采用多旋翼形式的無人機，這類無人機可懸停、上下左右前后移動，相對固定翼無人機更加靈活方便，可以有效保證飛行的安全性和精確性。無人機自動化程度比較高，掛載貨物后可以自動起飛、自動降落、自主飛行、具備網絡通信功能，并可進行自身應急保護。

貨物掛載

無人機下方設置有安全可靠的掛載架，可供不同體積的制式快遞盒進行掛載，起飛前管理人員將貨物掛上并鎖定，在達投遞點降落后，收件員利用專用工具將貨物取下。

自動起降

當無人機收到起飛指令時，無人機自動按設定程序起飛，一直到預定的飛行高度，進入巡航狀態。無人機到達起降點上空后，首先進行降高，到離起降臺幾米的高度時，在紅外定位裝置的導引下，對無人機的高度、位置和姿態進行精確控制，使無人機安全平穩落地。

自主巡航

無人機進入巡航狀態后，按照預定的航線自主進行飛行，并保持在距離飛行航線一定的側偏距內。無人機具備障礙物探測和自動避障功能，當意外遇到烏群、高塔、山體等物體時，能自動探測到并繞開飛行，然后沿規劃航線繼續飛行。當飛行過程中通信不暢或阻塞時，無人機會在GPS輔助下繼續沿預定航線飛行。當接收物流中心的干預控制指令時，無人機切換到人工控制模式飛行，物流中心也可隨時將無人機再次切換到自主巡航狀態。

網絡通信

無人機上配備有3G/4G/5G無線數傳模塊，無人機通過數傳模塊接入移動互聯網，與物流中心和鄉村投遞點進行信息溝通。無人機將定位位置和飛行參數實時下傳給物流中心，將定位位置實時下傳給鄉村投遞點。物流中心將航路規劃信息、差分定位信息、干預控制指令上傳給無人機。

應急保護

為保障無人機自身和周圍人員、環境的安全，無人機具備應急保護功能。當無人機偏離預定航線一定距離，或距禁飛區比較近且由于通信故障原因沒收到物流中心的控制指令時，將自行進行降落;當GPS無法定位時，將在原地懸停等待定位信息，若超過一定時間仍無定位信息時，將自行進行降落;無人機攜帶降落傘，當機載傳感器故障，無人機姿態或高度不穩定，無法正常飛行時，將關閉螺旋槳、打開降落傘，然后緩慢降落到地面。

飛行監管部門

飛行監管部門對物流無人機飛行實施監督和管控，同時為鄉村無人機物流中心提供信息服務。

飛行監管

無人機物流中心將無人機的飛行數據通過網絡發送給飛行監管部門，飛行監管部門對無人機的飛行情況進行監督。對于違規飛行的無人機，監管部門具有優先控制權，可通過無人機物流中心對無人機實施控制管理。

信息服務

飛行監管部門也是一個信息中心，它與其他政府行政部門進行信息溝通，為無人機物流中心提供氣象、天氣、空中管制、農村大型作業、集市變化及一些突發情況信息，同時也提供其他低空飛行器的飛行情況信息。

結束語

鄉村無人機物流系統的總體架構和功能設計好之后，還需要對鄉村無人機物流通信組網題、鄉村物流無人機航路規劃及任務調度等問題展開深入研究，對鄉村物流無人機進行設計和性能優化，對物流監控系統進行設計和研發，才能有效推進鄉村無人機物流系統的實現和真正應用。