基于无人机配送的窗口智能接驳柜研究*

□ 熊佳美，岳凡迪，朱新怡，朱思锜

(上海商学院，上海 201400)

1 研究背景

1.1 研究现状

如今,城市商贸物流在爆发式增长的同时,其配送成本与日俱增。物流行业技术的更新迭代难以紧跟我国电子商务的迅猛发展,成为制约企业发展的瓶颈之一。企业需要以高新技术为突破,打破传统物流产业人力成本居高不下的现状,打造现代化物流运输体系。为了降低物流运输成本、提高配送效率,无人机凭借运输成本低廉、机动性较强、安全和风险系数较小等特征,成为解决物流行业痛点的新办法。与传统物流配送模式相比,无人机配送在物流运输中优势明显。首先，无人机可以进行垂直起降着陆,所占时间和空间较少,灵活性高。此外，无人机可以完成一系列高难度的任务,为人们提供个性化的便利[1]。

基于无人机配送的自动化投递系统，其目的是真正实现快件投递的自动化、无人化、信息化,以提升传统人工投递的工作效率和快件投递的服务质量,有利于缓解日益增长的快递数量与人工服务质量不足的矛盾[2]。智能接驳柜是实现云计算技术在物联网领域的进一步落地，以末端智慧物流为细分领域开拓创新并整体融入智慧城市、智慧社区、智慧家居等一系列智能信息化的战略布局，是智慧城市落地的项目之一。智能接驳柜系统用技术替代人工、降低成本，大大提高配送效率，符合国家智慧城市建设的战略规划和内涵要求，具有较强的城市服务功能。

1.2 行业痛点

对于快递基层服务商而言,若其服务质量较低受到了客户投诉，将会遭到总部的处罚；对于投递人员来说,日益增长的派件数量导致工作压力逐渐加剧,派件速度也因此受到影响。快递员常常会面临丢件、运费拖欠、快件被拒收以及被投诉后来自快递网点的处罚等多重问题；对于消费者而言，其包裹通常会被存放在小区门卫、公司楼下等存在安全风险的环境中,快件丢失、配送时效性未知等问题会时常出现,同时，传统人工投递方式无法有效保障消费者的隐私。

受到派件成本、行业竞争、快递包裹限流等问题的制约，完整的末端物流很难在独立的快递公司中搭建起来，只有与独立的第三方快递公司合作，才能有效解决“快递最后一百米”这一物流服务问题。因此，“自提”式的快递服务和第三方收发式的快递服务类型企业应运而生。目前，国内做第三方快递代收的企业，从代理类型上来看，主要分为物业代理类、自助式提柜类、社区或直营门店等多种类型，但以上形式并未彻底解决我们所提及的需要消除快递物品配送时差的本质性问题，常出现用户绕路去取快递的现象，给用户造成了不必要的麻烦。

2 研究思路

本文将会从窗口智能接驳柜的结构设计、整体方案操作流程以及方案可行性评估三个维度进行分析研究，打造出一套针对城市物流“最后一公里”配送的创新型解决方案。本方案设想一种基于无人机快递收派的智能接驳柜，通过在建筑外墙上、两列户之间铺设供接驳柜移动的轨道，接驳柜的规格可随应用场景所调整，其背侧安置与滑动轨道对接，由电机控制模块控制的驱动电机实现所述智能接驳柜移动至指定位置，便于用户拿取快递。在接驳柜能够与用户对接的前提下解决了因户型或其他客观条件差异而导致的存取困难，提高了快递交接的便捷性与精确性，从而实现用户足不出户就能轻松寄取快递的愿望。

3 具体操作流程

3.1 无人机快递

订单管理及配送调度控制系统如图1所示。

图1 订单调度控制流程图

后台信息系统，接收并处理订单信息，所述送货信息包括送货地点、送货路线和预定到达时间，接着进行订单配送状态确认，根据订单处理结果生成送货路线,并根据所述送货路线生成预定到达时间，最后，所述服务器将所述送货信息发送至所述移动终端，实现精准配送[3]。

无人机，获取目标配送位置和配送时间，自动装载目标货物并在配送时间启动无人机配送飞行，根据航迹路径将目标货物配送至目标配送位置，并将目标货物投递到户外家装的收货装置中，然后返航[4]；或在配送时间启动无人机配送飞行，根据航迹路径飞行至目标配送位置，装载目标货物并返航，将目标货物投递到至窗口智能快递接驳柜[5]。

用户管理模块，存储用户信息并与用户终端和订单管理模块通信实现无人机配送订单下单、配送信息确认、订单处理和的订单配送状态确认；订单管理模块，接收并处理订单信息和进行订单配送状态确认[6]；调度管理模块，根据订单处理结果控制窗口智能快递接驳柜的订单调度排队情况并实时反馈订单的货物信息，控制无人机配送订单调度排队；航迹路径规划模块，规划无人机从窗口智能快递接驳柜至目标配送位置的航迹路径[7]。

收件人进行取件，根据终端界面提示进行人脸识别或指纹识别以进行身份确认，数据库系统查询无误后，将自动打开柜门，顾客取出快递后关闭柜门即可。

3.2 窗口智能接驳柜

窗口智能接驳柜的组件构成及功能如图2和图3所示。

图2 窗口智能接驳柜组件结构线框示意图

图3 接驳柜横向移动示意图

窗口智能快递接驳柜柜体设有金属外壳，用于防雨防潮，结构共四层，前三层与第四层由卡扣活动连接，整体和轨道滑杆之间活动连接，接驳柜柜体上配备有红外扫描仪，电磁锁与每层柜门活动连接，收件时，无人机靠近接驳柜，通过无线传感器网络感应到信号，自动开启柜门，投放完成后关闭；集成处理器中的电机控制模块控制所述窗口智能快递接驳柜于不同区域之间移动，移动至方便用户开启的位置。收件时，柜体离开托盘，投放完毕，返回托盘。本快递接驳柜的派取系统包括用户终端、智能快递接驳柜中央服务器和接驳柜派取端APP终端与中央服务器通信连接，并将寄送地址等信息传递至中央服务器；智能快递接驳柜用于存放快递物品并与中央服务器通信连接且可传递揽件及自身位置等信息，并能接收中央服务器指令。接驳柜派取端用于智能快递接驳柜的运送和回收，并可接收中央服务器的指令。

智能窗口接驳柜包括柜体和集成处理器，集成处理器内设置电源模块、无线通讯模块、定位模块、电磁锁控制模块。无线通讯模块与中央服务器通信连接，智能接驳柜通过定位模块向中央服务器发送自身位置信息，箱体内设有与电子锁配合的锁合部，这样通过电子锁将接驳柜锁住，且电子锁只有在终端输入正确密钥的情况下才能打开，保证接驳柜里快递物品的安全性，防止快递物品被盗；在收取快递时，用户终端需预先发送可以在30分钟内取件的指令或提前预定目标派送时间，目标无人机在接收到一定数量的指令之后，提示工作人员为其按订单顺序装件，之后向各用户终端发送密钥。

所述的集成处理器组件系统包括CPU处理器、信号接收模块、信号发送模块、操控模块、电机控制模块、电磁锁控制模块，如图4所示。由信号接收模块的输出端电连接CPU的输入端，所述信号接收模块由ZigBee模块和WiFi模块构成。所述电磁锁的输入端电连接电磁锁控制模块的输出端，CPU处理器还包括有响应于信息接收模块的红外扫描仪，其输出端电连接信息接收模块的输入端，红外扫描仪的输入端电连接无线通讯模块的输出端。所述信息交互模块移动终端上的APP的人机交互程序，运用RFID模块的感应装置在放置板上，通过信号发送模块至云服务平台向客户终端展现其所选择的快递件的相关信息，由客户发出最终指令确定快递件，将该信息传至云服务平台的高效信息交互过程。其中，温度调节系统具体功能表现为，当箱体内的温度传感器启动后，信息发送模块将箱体内的温度信息发送至云服务平台及相关APP，由云服务平台发送给终端进行实时显示，同时控制模块接收云服务平台的指令对制冷模块进行温度调节。

图4 集成处理器部件系统示意图

红外线扫描屏通过扫描仪来识别快递种类，输入密钥以打开接驳柜，很好地实现了人机交互，又提升了接驳柜使用时的便利性，还提升了接驳柜的智能性。

用户终端包括智能手机或平板电脑或台式电脑，方便用户及时获取收取快递的密钥和发送快递的相关信息，极大地提升了收发快递的便利性和智能性。

3.3 方案介绍

3.3.1 无人机方案的选择

末端无人机作为主要运输工具，其单次运输量及运输效率对于窗口智能快递接驳柜的吞吐量起着决定性的作用，因此，我们选取了目前国内已投放使用的8款用于货物运输的无人机作为对接本窗口智能快递接驳柜的备选无人机机型，如表1所示。

表1 备选无人机数据

我们分别选取了无人机的六个性能指标：最大航程半径、航行速度、最大载荷重量、旋翼设计、产品尺寸、使用场景来作为因素分析法的因素因子，对于各个无人机的性能做综合性分析(见表2)，其中得分最高的无人机为京东旗下的油动小壮CT120(图5)，由此我们可以得出，在货物从集散点至窗口智能快递接驳柜这段的运输工具可优先选择无人机油动小壮CT120。

表2 无人机遴选机型得分表

图5 无人机备选方案遴选机型综合得分折线图

由表3可知，京东旗下的油动小壮单次最大飞行时间为2000秒，运输一次需要无人机起降2次，起降一次耗时6秒，由此可得利用优选无人机油动小壮运送一次货物最多需耗费2012秒。在理想状态下，无人机在12小时内最少可飞行21次，最大起降频次为1次/h，最大运输量为1050kg。

表3 无人机优选机型“油动小壮”主要数据

3.3.2 窗口智能接驳柜的规格设计

表4 国家标准快递纸箱 1-12 号规格数据[8]

图6 2019年我国网络购物用户购买商品品类分布

在一项对于不同类型地区的文件类、小件类、中件类、大件类的快递分布情况的调查中发现，文件类的快递中，写字楼所占比重较大；小件类快递中，学校所占比重稍大；中件类快递中，小区和学校的占比基本相似；大件类的快递中，小区的稍多，其他两个地区相对较少。

根据不同场景快递类型的数量分布，我们将安装不同尺寸的窗口智能接驳柜，以保证其投放量和利用率。

表5 窗口智能接驳柜规格数据

小件快递标准：长0.23M*宽0.23M*高0.29M；体积：0.015M3限重：2KG；

中件快递标准：长0.35M*宽0.23M*高0.29M；体积：0.023M3限重：5KG；

大件快递标准：长0.53M*宽0.23M*高0.29M；体积：0.035M3限重：10KG。

本接驳柜最大载重区间范围为50-200kg，可随实际应用楼房层高来调节，1-9层建筑可配备承重为50kg的1号接驳柜，10-40层建筑可配备承重为100kg的2号接驳柜，40层以上的建筑可配备承重为200kg的3号接驳柜。本接驳柜存放快递区域分为4层，其中前三层为正常使用区域，第四层为紧急存放区域，因无人机投放快递顺序是按用户订单顺序的优先度排列，若在接驳柜正常工作时发生某些用户未在规定时间取件阻碍了接下来的用户取件，那么该用户的快递将被投递至第四层的安全箱中。

在无外界因素影响的理想状态下，接驳柜的单次工作时间=箱门开启、关闭时间(10s)+沿轨运输时间(路程/1.75m/s)。假设单次投递量为50kg，运输路程为一层，则可计算出本接驳柜最大吞吐量X为4.3kg/s。①

4 可行性评估

4.1 技术效果

现有的无人机快递接驳柜需设置在空旷的地面上，其位置距用户有一定的距离，并未彻底解决物流在最后一公里配送中存在的问题；城市地面资源紧缺，预期派送效率将会因无人机快递接驳柜地面位置属性有所降低。本方案通过将无人机快递接驳柜设置在用户窗口处，使用户实现足不出户就能拿取快递的愿望，无人机向本接驳柜投递时，接驳柜将移动至楼顶，免去了无人机规避高楼降低高度驶入地面所引发的风险。

本窗口智能接驳柜背侧安置滑动轨道,连接由电机控制模块控制的驱动电机使所述智能接驳柜移动到指定位置,便于用户拿取快递。通过智能快递接驳柜与轨道滑杆的连接，实现了智能快递接驳柜的上下移动，提高了用户拿取快递的便捷度，在接驳柜与用户对接的前提下解决了因户型或其他客观条件差异导致的存取困难,能够提高快递交接的便捷性与精确性。

本窗口智能接驳柜的第四层保险箱可直接对接快递员，提升了派取智能快递接驳柜的灵活性，保证了快递收发的正常进行。设置保险箱的目的在于：应对在接驳柜的配送过程中若出现某一用户在预约时间出现不能取件的情况，为了不影响接驳柜后续的工作，将未能按时取件的用户货物自动投递至第四层保险箱。接驳柜工作时间结束后，用户可在规定时间内联系快递员在保险箱拿取快递。

智能接驳柜的功能设计大致可以分为服务基本功能、辅助服务功能和增值服务三大功能。基本功能主要有取件管理功能、收件功能、暂存功能;辅助功能包括支付功能、查询功能;增值功能包括广告服务功能、代收缴费功能、其他增值服务。

其控制柜中设有控制系统,包括CPU处理器及其下属控制模块。所述信息交互模块能够使用户通过移动终端上的人机交互程序获取快递即时状况并发送确认、取件、支付、温度控制等指令,配合云服务平台的信息上传服务与压力传感器检测的数据,能够给用户提供优质而迅速的信息与操作反馈,规避了智能快递柜使用过程中的信息滞后与错漏问题。

4.2 设施安全性

智能快递接驳柜通过定位模块向中央服务器发送自身位置信息，箱体内设有与电子锁配合的锁合部，这样通过电子锁将接驳柜锁住，且电子锁只有在用户终端输入正确密钥的情况下才能打开，保证接驳柜里快递物品的安全性，防止快递物品被盗。

考虑到户外极端天气情况，高温机柜的柜体外壳本身结构材料应具有良好的耐高温、抗腐蚀性能,例如优先选用不锈铁型钢板,如若采用普通材料，则需要对机柜表面涂层的覆盖金属材料和制作工艺品有严格要求,覆层须达到足够的强度稳定性，结构紧密、完整安全无孔、不易透过耐腐蚀化学介质，并且与机柜底层其他金属材料基体间粘结力强，表面硬度高、在底层金属表面具有分布均匀的耐磨特性。户外贮藏机柜上的油漆层及涂料包覆层使用需要考虑贮存运输过程中的磨损和恶劣气候带来的影响。油漆材料涂覆处理层应有良好的涂料机械加工性能，良好的耐热抗水、耐化学性、腐蚀性的能力，良好的耐极度高温、耐超强光照和抗碱耐霉菌的优良性能。采用覆膜铸铝或镀锌不锈钢板为原材料，再对表面进行静电氧化喷塑处理工艺是一种很好的处理方案[9]。

5 结果与讨论

5.1 方案优势

①直面痛点，趋势向好。

由于每户一箱的设置，不存在产生逾期费的问题，又因其便利、注重隐私的特性，公众对其的接受度应比落地式智能快递柜高。窗口智能接驳柜能够真正实现人们足不出户轻松拿取快递的愿望，打通城市物流的最后一百米。

据悉，京东物流已完成了无人机物流快递体系。其末端无人机的发展不断成熟、支线无人机将投入运营、干线无人机开始研发，表明京东地空一体化智慧网络框架的初步构建。京东发布的年度报告《世界物流无人机产业发展年度报告(2017-2018)》中指出，“当前世界物流无人机产业正在迅速成长，国内物流无人机尚在发展初期。在美国领先、欧洲积极跟随的局势下，中国正不断追赶并转至领跑。”而据前瞻产业研究院《2018-2023年中国工业无人机行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》有关数据，未来民用无人机的市场规模可达968亿元，显示出无人机市场的良好发展前景。

②最终实现降本增效。

据物流行业人士分析，在未来的3到5年，物流的人力及交通成本将上涨20%-50%，在此情况下，无人机物流系统将有很大的应用价值。末端配送无人机往往采用电力驱动，相较于车辆的燃油发动机，电能直接转化为动能程度更为高效，进一步降低了运输成本。2018年4-6 月江西省开展了无人机物流配送试点，计算电费、耗材、人力等成本得出无人机单次飞行约 15元，如果货物配载合理，预计每件包裹平均成本小于5元，同期地面快件运输单票成本约23元，较无人机运输成本高53%，是预期无人机运输成本的3.6倍，同时效率可提高70%[10]。

5.2 方案不足之处及未来展望

①无人机配送安全风险高。

现实中使用无人机进行配送首先需要考虑的影响要素就是安全问题。按照规定,无人机的飞行高度范围需要控制在100米左右的低空空域[11]。而无人机的运营过程中可能出现的安全风险主要包括以下几个方面:一是飞行过程中可能受到攻击(包括有意和无意),例如弹弓、飞鸟、射击类玩具;二是因天气、机械故障等外界因素造成的安全隐患;三是高空配送过程中货物意外坠落对地面人群造成伤害的风险;四是可能遭受黑客技术、电磁波动等其他干扰。

②前期投资成本高。

方案中另外一个需要考虑的风险是前期成本问题。目前,我国许多的快递物流公司和企业还处于从人工向物流自动化方式转型的关键时期,由此将会造成前期在物流技术设备、无人机等方面的巨额资金投入,这与其他传统的配送方式相比明显经济性增量不多,配送每一个单位货物的成本也更高。而就此方面的优化来看,只有整体降低无人机的构建成本、维护成本、团队运营成本,才有可能尽量降低单位配送成本。在未来,劳动力短缺以及技术革新带来的成本红利将会刷新无人配送的接受度,只要市场规模足够庞大、客户需求足够对口,其成本一定向持续走低的方向发展。

6 结语

在物流业高速发展之际，如何节约人力物力、提高配送效率成为了未来物流发展的主要方向，而在人工智能技术支撑下的无人配送模式则是提高配送效率最有效的方法。本文以此为基点，提出了通过为用户提供基于无人机配送快递到自家窗户口的创新配送方式，解决物流配送末端效率低、安全性差的难题，应用于城市物流“最后一公里”配送中，为末端配送体系未来的发展提出了对策建议。

注释：

①接驳柜吞吐量：X=C/T(总运输量除以总取件时间)