物流无人机专题研究

来源:物流天地 | 2018-10-10 17:00

  物流是指物品从供应地向接受地的实体流动过程,其间包括运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等有机结合的完整链条,最终为用户提供多功能、一体化的综合性服务。从运输方式看,物流体系包括公路、铁路、航空、水运、管道等。其中汽车运输为我国货运的主要方式(占78%),其次是水路货运(占14.1%)和铁路货运占(占7.8%),而航空运输(通过全货货机或客机腹舱运输)比重极低,不到货运总量的0.1%。

  公路货运分为整车和零担运输两大类。整车物流指一张货运单托运的货物即可装满一整车进行运输,重量一般超过3吨;零担运输则需要多张运输单共同承载装满一整车,到达目的地后分发给各个客户,根据重量可细分为大票零担物流(500kg-3t)、小票零担物流(30kg-500kg)和快递(30kg以下),大票零担物流和小票零担物流统称为零担物流。本文物流无人机的分类将参照此标准。

  物流业规模

  根据Al Masah Capital的报告,2015年全球物流市场规模为8.1万亿美元,预计2024年将增长为15.5万亿美元,2015年至2024年的复合年增长率为7.5%。

  根据国家发改委的数据,2017年我国完成社会货运量472.4亿吨,位列全球第一;2017年全国社会物流总额252.8万亿元,较2016年度的229.7万亿元,同比增长10.06%,其中工业品物流总额234.5万亿元,仍占主导地位,达到92.76%。2017年全国物流业总收入为8.8万亿元,比上年增长11.5%,增速提高6.9个百分点,高于Al Masah Capital预测的全球平均增长率。2017年社会物流总费用与GDP的比率为14.6%,同比下降0.3个百分点,社会物流总费用占GDP的比率持续回落。

  其中,零担物流和快递为物流业中增速最高的两个细分行业。

  零担物流业规模

  2017年我国公路零担物流市场规模为1.37万亿元,同比增长20%。受益于电商行业的发展和物流基础设施的完善,消费者的消费需求得到进一步释放。消费者不仅在线上完成小额小件商品的购买,也逐渐培养出购买大件商品的行为,例如3C家电、家具、食品等30kg以上的商品。

  公路零担市场未来几年将保持10%~20%的增速,预计到2020年,零担物流市场规模将达到2万亿左右。

  快递业规模

  我国的快递业务量规模已经连续4年位居世界第一。根据国家邮政局的数据, 2017年全国快递业务收入累计完成4957.1亿元,同比增长24.7%,增速略高于零担物流。快递业务市场未来几年将保持10%~20%的增速,预计到2020年,快递市场规模将超过8000亿。

  2017年全国快递业务量累计完成400.6亿件,同比增长28%,是2007年的33.4倍,预计2018年全国快递业务量将完成490亿件。2017年同城业务量累计完成92.7亿件,同比增长25%;异地业务量累计完成299.6亿件,同比增长28.9%;国际/港澳台业务量累计完成8.3亿件,同比增长33.8%。从地域分布看,东、中、西部地区快递业务量比重分别为81.1%、11.6%和7.3%,业务收入比重分别为80.9%、10.8%和8.3%。

  由此可见,我国快递业务以中长途的异地业务为主,占75%;国内快递业务主要集中在经济发达的东部地区,而中西部占比较低,约为19%。

  物流业现存的问题

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  物流运输成本高

  我国社会物流总费用与GDP的比率常年保持在18%左右的较高水平,比全球平均水平高6.5个百分点,而发达国家该指标约为10%。自2014年开始,我国物流费用有所降低,2017年社会物流总费用与GDP的比率为14.6%,同比下降0.3个百分点,占比依然很高。从产品成本结构看,我国物流成本占产品成本的比例高达30%-40%,远高于世界平均水平,如表1所示。

  表1:我国物流成本占产品成本比例对照表

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  资料来源:公开资料

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  物流运输效率低

  过去相当长的时间内,物流行业提升效率的主要方式是不断优化车辆、仓储等设施。这种方式一方面投入巨大,另一方面效果有限。现阶段,我国各种物流运输设施及装备的技术水平和管理水平较低,物流作业效率不高。

  以公路运输为例,根据2017年贝恩公司与G7联合发布的《中国公路货运市场研究报告》,我国最繁忙的10条公路的汽车平均时速约50-65km/h,相比发达国家75-80km/h的平均水平仍有差距,车辆性能、车况差距、公路拥堵程度、公路路况、收费流程等是导致我国汽车运输平均速度低于发达国家的关键因素。

  航空运输方面,航空运输有速度优势,但面临空域资源紧张、机场服务和运行效率较低、航空物流企业竞争力弱以及外部环境制约等问题,其效率仍有待提高。国内货机需要与客运飞机共用民航机场和航线,加之近年来空域管制频繁,导致货机空域资源极度匮乏,高度依赖机场设施和服务效率。

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  物流运输结构不合理

  近年来,随着电子商务的蓬勃发展,“轻、薄、短、小”型的货品数量和比重逐年上升,单位重量产品的价值呈现上升趋势,货运客户对运价承受能力越来越强,对时效性的要求也越来越高。因而,市场对于航空货运的需求越来越大,以生鲜食品、电子通讯、精密机电、商业文件、高价值商品和医药用品等为代表的产品,越来越多地选择以航空运输作为承运方式。从全球看,由航空运输的贸易量占世界贸易总价值的35%。

  然而我国目前物流体系过度依赖于公路,航空运输处于起步阶段。根据交通部发布的《2017年交通运输行业发展统计公报》,2017年我国仅有143架货机,绝大多数航空货运仍以客运飞机搭载,2017年国内民航机场完成货邮吞吐量1617.7万吨,增长7.1%,低于物流业的平均增速,更是远低于快递业增速。货机数量不足(仅143架),航空货运占总货运量比重(不到0.1%)低于全球1%的平均水平,不利于构建高效的现代物流体系。

  针对物流业现存的问题,国务院和中央各部委,发布了《关于进一步推进物流降本增效,促进实体经济发展的意见》、《关于积极推进供应链创新与应用的指导意见》、《关于推动物流服务质量提升工作的指导意见》等政策,力求扩大高质量物流服务供给,降低物流费用,提升物流效率。因此,发展速度快、成本低、安全可靠、智能化程度高的新型物流承运平台成为构建现代物流业的重要方向。

  物流无人机概念及分类

  物流无人机是具有全自主起降和巡航能力,能按照预定航线,通过内置货仓或吊舱安全可靠地进行货物运输的无人驾驶飞行器。物流无人机具备高度智能化的特点,能自主起降巡航,能妥善应对和处置飞行任务中的各种复杂突发情况,是对现有物流体系的补充,也是对某些平台的潜在替代。物流无人机可按照运输半径、载重分为“干线-支线-末端”三级。

  干线级

  干线级物流无人机一般为固定翼,用于跨省区、跨国的机场之间的物资运输,根据京东《2017-2018世界物流无人机产业发展年度报告》的定义,干线级物流无人机载重50-60t,运输半径1500km。本文参照快运分类标准,将干线级物流无人机定义为载重大于3t(整车物流重量标准),满载情况下运输半径大于1500km的无人机。

  干线级物流无人机在通航机场、专用机场、民航机场之间进行远距离、大批量、点对点的物资运输,承担货运飞机、列车、汽车的长途运输职责,补充现有物流体系的运输能力。干线级物流无人机对跑道长度要求较高,对照我国民航局航空民航标准-MH 5001-2013《民用机场飞行区技术标准》,干线级物流无人机一般2B等级以上的机场工作。

  支线级

  支线级物流无人机一般为固定翼、旋翼或倾转翼飞机,用于省内城市运输或者跨省区机场或运输,根据京东《2017-2018世界物流无人机产业发展年度报告》的定义,支线级物流无人机载重200kg-2t,运输半径不超过800km。本文参照了快运分类标准,将支线级物流无人机定义为载重500kg-3t(大票零担重量标准),满载状况下运输半径100km-1500km的无人机。

  支线级物流无人机在通航机场、专用机场或非机场场地(垂直起降无人机)之间进行中距、中等批量、点对点的物资运输,承担汽车、列车的运输职责,补充现有物流体系在偏远地区(山区、草原、海岛、冰雪覆盖区域等)的运输能力并提升运送效率。支线级物流无人机能在2B以下等级的机场工作,某些垂直起降无人机可在简易机场使用。

  末端级

  末端级无人机一般为旋翼飞机或多旋翼飞机,用于解决“最后一公里”,降低递送成本,根据京东《2017-2018世界物流无人机产业发展年度报告》的定义,末端物流无人机载重5kg-50kg,运输半径10-50km。本文参照了快运分类标准,将末端级物流无人机定义为载重500kg以下(快递和小票零担重量标准),满载状况下运输半径100km以下的运输用途无人机。

  末端级物流无人机在配送站、终端客户(或配送柜)之间进行物品配送,降低现行末端配送体系的成本,减少末端配送人员工作量。

  物流无人机应用场景

  民用

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  物流

  物流无人机最主要的用途是物资运输,即补充或部分替代货运飞机、列车、汽车、快递人员的职能,从而补充运力缺口,突破地形限制,缩短投放周期,缩减投送成本,促进现代物流业升级。其中,支线级物流无人机特别适用于岛屿,人烟稀少、公路基础设施薄弱的山区、草原、戈壁沙漠等地区,亦适用于经济发达的地区。

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  弥补公路运输不便的地区

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  我国西北、西南、北部等三四线城市,由于受海拔、山川河流、地表广袤等因素的影响,公路覆盖不足,公路运输效率低下。物流无人机对现有运输体系具有补充作用。在公路运输不便的地区,高价值货物和时效要求严格的货物是物流无人机最重要的运输对象,包括生鲜冷链产品、医疗用品和电子产品等。

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  水路运输不便的地区

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  我国东南沿海以及东南亚等地区海岛数量多,分布较为分散,目前物资运送的主要方式为水路运输。水路运输速度慢,效率低,物流无人机则可实现岛屿之间物资的点对点运输,极大地提高物流效率。

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  经济发达的地区

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  我国中部、东部、南部等地区高速公路、铁路网密集,通航机场数量较多,但这些区域的高价值货物对时效性和运输环境要求较高,现有的货运飞机数量严重不足,需要物流无人机补充运力缺口。物流无人机可在这些区域依托通航机场和机场附近的仓储设施,构建密集的物流网络。

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  可拓展的场景

  物流无人机是一种飞行平台,可以应用于除物流以外的多种场景,例如灾难救援、应急通信、巡检、测绘、大面积农林植保等。

  军用

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  偏远地区补给

  利用垂直起降物流无人机,实现西南、西北、东北等偏远哨所的物资和装备补给,这些哨所受限于目前的物资保障技术和方式,补给较为困难。此外,物流无人机可替代船舶运输,为岛礁驻军提供物资补给。

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  物资运输

  在和平时期或者低烈度、不对称的军事冲突中,干线级、支线级物流无人机可以与目前的投送体系(运20、伊尔76、运8等)形成互补,提升军队的装备弹药和补给的运输能力。

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  打击

  干线级、支线级物流无人机平台具备载重量大的特点,在低烈度、不对称的军事冲突中,可携带精确制导炸弹、航空布撒器等多型武器对敌方目标实施封锁或精确打击。

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  预警、侦察与通信中继

  利用干线级、支线级物流无人机平台滞空时间长、升限较高的特点,挂载相应的任务设备,执行预警、侦查或通信中继任务。

  物流无人机优势

  相对于由货运飞机、列车、轮船、汽车、末端配送组成的传统物流体系,物流无人机具备环境适应性强、投放速度快、运营成本低、智能化程度和安全性高等优势:

  突破地形限制

  我国货物运输方式以公路运输为主,2017年公路货运量占比为78%。我国快件运输方式也以汽车运输为主,2016年航空快件运输量约300万吨,快件通过航空方式运输的比例仅为8%。

  公路运输适用于人口密集、经济发达、交通基础设施完善的地区,但在人烟稀少、基础设施欠发达的西部地区,公路运输明显不能满足快递业发展的需求。物流无人机可在中小型机场或者简易机场起降作业,能有效突破地理因素对传统物流、快递的限制,极大地提升了山区、沙漠、草原等复杂地形的覆盖率。

  投放速度快

  相对于传统的公路运输以及末端配送方式,物流无人机具有明显的效率优势。首先,无人机投放速度优于汽车。其次,与传统的货机运输相比,也具备很强的优势。目前国内如顺丰、圆通等拥有航空运输能力的物流企业均使用现有的民航体系(民用机场、民用航线等)进行运输。由于民航客机优先原则,货运飞机只能在夜间起降,而其余物流企业的航空邮件只能通过民航航班运送,近年来航空管制频繁,时效性难以保障。

  而物流无人机可在通航机场起降,使用中低空域(真高6000m以下的空域),无需占用繁忙的民航机场和客机航线,更具有灵活性优势和速度优势。

  运营成本低

  在交通运输基础设施落后的情况下,末端级物流无人机具有明显优势。有资料显示,农村地区物流 “最后一公里”的成本,占整个物流成本的30%,而在贫困偏远山区,物流成本甚至会翻倍。末端级物流无人机的大规模运用,将节省更多的时间成本、仓储资源和人力成本,从而降低物流快递企业的运营成本。根据京东的测算,目前无人机配送与快递员配送成本相当,未来实现定型和规模化以后,成本将下降40%-50%。

  支线级、干线级物流无人机与货运飞机相比,同样具备成本优势。一方面货机飞行员数量不足、成本较高。平均一架货运飞机需配备2-3名机组人员,年均人员成本200万元左右。此外我国飞行员数量缺口较大,据测算平均每年的飞行员缺口高达5000名,而我国持有商照的飞行员大都倾向于执飞民航客机,导致执飞货机的飞行员数量严重不足。另外,民航局为了保证飞行安全,禁止疲劳飞行,规定飞行员年飞行时数不得超过1000小时,月飞行时数不得超过100小时,这加剧了货机飞行员的短缺。若采用无人机,1名操作人员(“飞手”)可通过控制器同时控制多架无人机,且操作人员培训周期短,相对于飞行员成本更低,解决了货机运输的人员和成本问题。另一方面,现有的货机一般需要在4C等级的机场起降,而物流无人机则可在2B等级(FM-15等机型适用于1B等级机场)机场起降,节省了基础建设成本与机场使用费用,并且提高了通航机场的利用率。

  智能化程度和安全性高

  智能化方面,近年来,随着经济的发展和电商的兴起,快递物流业通过快递网点数量、仓库面积以及快递人员的扩张而高速发展。但从整体看,快递物流行业仍属于劳动密集型行业,人力与运营成本居高不下。建立“干线级-支线级-末端级”三级无人物流体系,将提高物流快递业的智能化水平,促进产业升级。以货机运输为例,传统的货机运输量因飞机数量不足、飞行员数量短缺而受限,物流无人机的使用,将突破时间限制,减少对人员的依赖,从而提升智能化水平。

  在安全性方面,根据公开资料,有人驾驶飞机起飞着陆阶段的事故占航空事故的比例为60%-75%,在所有的航空事故中,人为因素占80.5%(其中机组人员因素占62%,操作程序占15%,维修不当占3.5%)。如今,大型无人机飞控技术已较为成熟,完全能够实现自主起降,无人机剔除了飞行过程中的人员操作因素,安全性能一定程度上得到提升。另外,物流无人机不需要搭载人员,可采用新的消防技术,用机载设备产生惰性气体(氮气)填充机舱的货物区域和空隙,能避免舱内火灾事故的发生。

  行业发展现状及主要企业的进展

  物流无人机产业发展处于成长期,世界上主要的大型电商物流企业均在积极探索布局。

  产业发展现状

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  末端级物流无人机

  末端级物流无人机技术壁垒较低,研发周期短,研发投入相对较低,便于小规模试验,因此成为企业布局的主阵地,国内外主要的物流电商平台均在积极探索,许多企业甚至已经开始小范围运营。末端级物流无人机与消费级无人机技术壁垒相差不多,技术较为成熟,且产业配套完善,因此各环节的企业数量较多,如图1。

  物流电商企业作为产品的使用方,掌握着主导权。

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  图1:末端级物流无人机产业链

  (数据来源:京东研究院)

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  支线级物流无人机

  支线级物流无人机技术门槛高,研发周期长,投入巨大,目前仅有顺丰、京东、菜鸟等少数几家企业与相关厂商合作进行研发试验。2017年,顺丰成功首飞全球首款吨位级AT200无人机,并联合四川腾盾,利用四川腾盾研发的国内首款双发双尾蝎无人机进行空投演示;2018年5月,菜鸟联合北航天宇长鹰无人机公司,发布短距起降最大载重1.2t的物流无人机(目前处于在研状态);2018年6月,京东第一架重型无人机下线,载重1-5t。

  产业链方面,支线级、干线级物流无人机目前都还没有形成完善的产业链。未来其产业链结构应如图2所示。

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  图2:支线级、干线级物流无人机产业链(未来)

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  干线级物流无人机

  布局支线级物流无人机的企业本来就寥寥不多,而干线级物流无人机的复杂程度比支线级物流无人机更高。根据公开信息,目前仅有四川腾盾和京东公开宣布进军干线级物流无人机。2017年12月,四川腾盾公开了其在研的全球最大商用TD无人机项目,最大起飞重量45t,最大载重20t,预计2020年生产制造并择机首飞。2018年6月,京东宣布超重型无人机项目正式立项,载重40-60t,航程超过6000km,目前仍处于在研状态。

  主要企业的进展

  世界上主要的进军物流无人机的企业如表2所示。

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  基于企业的维度

  总体上看,以顺丰、京东、菜鸟为代表的国内企业在物流无人机研发和使用方面领先于国外企业。国外的电商、物流企业目前主要集中于末端级物流无人机的研发和试运营,而国内的顺丰、京东等企业不仅在局地开展物流无人机配送业务,而且在支线级物流无人机领域取得较大进展,已经推出了数款无人机。

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  基于产品的维度

  从产品类型上看,末端级物流无人机机型较多,技术相对成熟,呈现出百家争鸣的态势。

  支线级物流无人机方面,国内支线级物流无人机开始崭露头角,未来数年将有望得到一定规模的应用。支线级物流无人机从技术来源看,主要分为两类,一是从现有的机型改装而来,例如顺丰AT200改装自P750XL,帆美航空的FM-15改装自运-5运输机。二是全新型号,例如四川腾盾的双尾蝎无人机、北航天宇长鹰公司在研的无人机。二者横向比较来看,改装的无人机研发周期较短、研发成本更低,但由于无法对原有机型的总体设计进行大幅度改动,因此不太适合专用于物流运输,例如机舱结构不适合装卸货物,单发动机可靠性不足等等,这些潜在的短板可能会不利于未来取得产品合格证(TC)和通过适航审定(AC)。而全新研发的型号则可在设计之初就可以通过模块化动力吊舱、标准化机舱结构以及先进的气动布局设计进行规避,使产品更适合物流运输。

  干线级物流无人机方面,目前总体处于在研状态,仅有四川腾盾、京东公开发布过相关信息。预计干线级物流无人机将在未来几年内陆续面世,但短期内难有大规模应用。

  表2:各主要企业的研发/运营进展

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