基于AMR技术构建空中智慧物流网络研究

项目：基于AMR技术构建空中智慧物流网络——以亚马逊prime air为例 （S202511047060）

摘要 研究首先梳理国内外低空物流与AMR技术研究现状及发展动态，明确国内无人机技术在电商物流应用广泛但新物流技术渗透不足、国外侧重低空监管与适航认证协同的差异，同时呈现相关企业布局、无人机运营数据及全球市场规模。其次，界定空中智慧物流网络的内涵、构成要素与特性，解析其技术支持、全域协同、数据驱动等理论基础，阐述AMR技术的自主导航避障、环境适应性、智能协同等核心优势。

进而分析低空物流的发展价值、全球区域发展差异，以及技术、法规、安全、成本、社会接受度层面的关键瓶颈；以亚马逊Prime Air为案例，剖析其项目定位、运营模式创新、现存问题及应对策略，提炼行业发展启示。

最后探讨AMR与低空物流融合的技术安全及环境挑战并提出改进对策，从技术与经济双重维度进行分析，指出该融合模式对物流系统效率提升、场景适配性增强及智能化升级的推动作用，为智慧物流发展提供理论与实践参考。

关键词：智慧物流；AMR技术;空中智慧物流网络；智慧路径规划；物流系统优化

一、绪论

（一）研究目的及意义

本项目旨在研究通过自主移动机器人技术搭建高效率、智能化的低空物流网络，研究无人机物流系统优化方法，目的包含：

1. 优化无人机物流网络架构，提高配送效率与安全性；

2. 研究AMR与无人机的协同调度机制，实现地面与低空物流的无缝衔接；

3. 开发适应复杂城市环境的智能路径规划算法；

4. 验证系统的可行性与经济性，为智慧物流提供可操作的技术方案。

（二）国内外研究现状与发展动态

现状：近年来，国内低空经济发展迅速，无人机飞速发展，其被广泛应用到电商物流，但在RFID等新物流技术方面的应用却不足。放眼国外，美国联邦航空管理局以现有的适航法规为依托，在监管方面展开行动，借助专门条件解决eVTOL适航事宜，FAA与欧盟航空安全局（EASA）在适航认证与监管方面持续合作。

发展动态：国内顺丰、京东等企业积极布局低空物流，截至2024年，获得通用航空经营许可证且使用民用无人机的通用航空企业达19970家。全行业注册无人机共237万架，全年无人机累计飞行小时2666万小时。2024年全球低空物流市场规模达145.7亿美元。市场主要参与者有Zipline、Droneup等公司，它们提供涵盖电子商务、医疗物资配送等多个领域的多样化低空物流解决方案。

（三）主要研究内容

本研究运用系统分析法，针对基于AMR技术的空中智慧物流网络开展研究，将亚马逊Prime Air作为研究对象，通过实证分析其优势及局限；对AMR技术的主要特性及其在现代物流体系关键作用作了分析，提出将AMR技术和低空物流结合的整合方案。在此基础上从多角度出发，全面论述这一方案在技术层面可行性及商业价值，且就该方案中可能出现的技术整合、政策匹配等状况给出了可靠建议。

二、空中智慧物流网络基础与概念辨析

（一）空中智慧物流网络的界定

物流公司利用智慧物流管理模式，对货物运输进行即时监控，优化运输路线，实现迅速配送、准确定位，大幅缩短运输时间，提高物流效率。

空中智慧物流网络关键构成要素如表1所述。

其特点包含：

技术驱动性：依赖物联网感知、大数据与AI技术实现物流信息实时交互自动化处理。

空域协同性：通过低空航线规划、动态空域管理构建“空中走廊”与地面交通网络互补。

场景多元化：覆盖城市配送、偏远地区运输与紧急救援等场景。

（二）空中智慧物流网络的理论基础解析

1.技术支持

构建高效可靠空中智慧物流网络依赖多项关键技术的突破与集成。

1、自主飞行技术

具有先进“感知-决策-控制”闭环系统的无人机采用计算机视觉、激光雷达、毫米波雷达等多种传感器，为无人机提供对周围环境的感知能力，实现在复杂环境中自主飞行。依靠基于深度学习的实时路径规划算法，调整飞行路径，避开障碍。

2、群体智能技术

分散协同控制算法的开发，无人机群达成高效群体协作的低空物流网，数字双胞胎技术为大批量无人机群的仿真实验和优化供应了有效手段。

3、空域管理技术

UTM系统是低空智慧物流网络的基石。与传统航空交通管制相比，UTM系统采用了自动化、分布式的架构，采用区块链技术，将飞行计划分布式协调起来，目前 NASA 已经在多个试验区内进行了验证，可以对几万名无人机进行实时的监控，防止无人机相互碰撞。

4、能源管理技术

无线充电技术无人机可以在送货点快速充满电，太阳能无人机极大地提高无人机航程。

5、边缘计算技术

无人机携带的边缘运算装置，能立刻处理传送过来的资料并且做出决定，减轻了中央服务器的负担，节点互相之间形成的算力网络也能共同解决问题。

6、安全加密技术

自适应抗干扰算法确保了系统稳定和电磁环境中的抗干扰性能。

2.全域协同与航线优化

供应链协同：把空中运输、地面存储、末端交付串联起来，创建出“空中-地面”形式的供应链。

互联网与物流协同：通过起降场等，中转航点和低空航线来形成高效的网络结构，以此达成对货物的“点-线-面”覆盖效果。

空域资源管理：基于动态空域分配模型，平衡多飞行器间的航线冲突，保障低空交通有序开展。

3.数据驱动与上下游企业的整合

数据驱动：把低空物流运送，调度，观测等流程变成数据互动，做到“靠数据来做决定”，这就是智慧物流和传统空中运送的本质不同，比如用无人机飞行动态优化续航路线，或者根据以往运货数量预估某个地区的需求。

整合上下游企业：借助互联网思维整合生态链上的企业，包括电商平台、无人机运营商、空域管理方等等，消除信息孤岛，对地面物流进行整合。

4.低空物流网络的应用

低空物流网络针对时效性高的场景比如紧急医疗配送，冷链运输，可以实现运输时间短、人力成本低的运输效率。

低空物流网络依靠无人机载具来覆盖地面交通不方便的地方，符合智慧物流“最大地使用资源”这个目标的。

三、AMR（Autonomous Mobile Robot）技术的基础与概念

（一）AMR技术的内涵

自主移动机器人技术：是指无需固定的轨道、信标，而是依靠自身传感器与算法来实现移动和导航的机器人技术，一般会搭配SLAM——即时定位与地图构建，让AMR能在未知环境探索、构建地图。

（二）当前AMR技术的应用

实现生产车间与立体仓库间货物的自动化周转，涵盖原材料、成品、半成品等的搬运，涉及车间和立库之间的出入库作业。

承担满托出库、空托盘返还、余托回库等具体任务，通过与WMS、RCS等系统协同，完成从任务下达到执行的全流程自动化。

参与外来品入库、原材料供应车间出库等完整物流流程，提升各环节效率。

（三）AMR技术的先进性

1. 高度自主的导航与避障能力

搭载激光雷达、视觉传感器+SLAM，自身分辨环境，找到最理想的行进线路，不需要依靠既定轨道。

遇到行人、复杂场景下，障碍物或环境动态变化时可实时调整路线，保障作业安全与效率。

如AMR技术利用真实的地形的DEM数据作为基础建模，形成复杂非结构化的三维环境模型，能够实现对复杂的地形作出评估，给路径规划地形数据参考，可以在一些非规则、变化大的三维空间运行，在空中也能面对突发的反应。

2. 灵活的环境适应性

迅速地适应不同的场地，在运输站点，只要对软件做更新就能改变作业的逻辑，不用大规模改动物理空间，符合物流、制造类的柔性化要求。

支持多场景复用，同一AMR可分时段执行搬运、分拣、巡检等任务。

3. 智能化协同与调度

全局路径规划优化： 提出DIRRQ-learning算法，结合坡度值之差，利用地形信息初始化Q值表，生成更安全更有效的全局路径。

局部路径规划优化：对动态窗口法（DWA）进行改进，把方向角、距离、速度以及坡度等加入到评价函数中来，当面对实时环境中出现的未知障碍物时，相对于传统的DWA，路径安全性提升，做到动态实时避障。

融合算法优势：把全局和局部路径规划算法融合起来，结合优势，增强了复杂非结构化三维环境路径规划的整体质量，也提高了AMR应对未知障碍物的能力，保证了安全高效地运行。

4. 降低对人工的依赖

替代重复性高、劳动强度大的人工操作，减少人力成本，同时降低人为操作失误率。

支持远程监控与管理，工作人员可通过系统实时掌握AMR状态，无需现场值守。

四、低空物流发展现状与面临的瓶颈分析

（一）低空物流的发展概况

低空物流，是现代物流业发展的一个新兴分支，近十年里，在世界范围内迅速发展，据美国国家无人机中心所统计，现在全世界已有超五十个国家及地区发展起了低空物流产业。国际无人机系统协会的信息显示，到2022年全球商用无人机市场规模由2015年的5.2亿美元增至228亿美元，年均复合增长率达到72%左右，其中用于物流配送的占比大约在3成左右。

然而，低空物流发展程度在各个地区差距较大。

在发达国家中，低空物流已处于试验运行之中，美国以自身航空技术处于领先地位且政策较为宽松为特点，成为全球低空物流发展之首。

对于发展中国家而言，由于很多地方还缺乏基础设施，因此低空物流发展更多的是一种解决基础设施不足地区的物流问题。国内各大物流企业在纷纷布局低空物流，京东物流在全国十个以上省份建立自己的无人机物流配送网络，在偏远农村地区已获了良好成绩。

从城乡差异而言，农村空域较开阔，适合无人机飞行，城市虽需求大，但受限于复杂的空域情况及严格的安全标准，发展较慢，城乡之间出现差异也在一定程度上体现出了低空物流各地的问题有所差别。

（二）低空物流面临的主要瓶颈

低空物流在实际的推广过程中，存在较多的瓶颈问题。

1、技术瓶颈，商用无人机的载重量较小，大多数的载重在2-5公斤左右，很难承载大货物，电池续航问题严峻， 30-60分钟内极大地限制了配送半径。且无人机受极端气象影响较大，在恶劣天气中飞行稳定性较差，还存在一定危险性。目前感知避障系统和自主导航技术不完善，对于城市里各种密集的障碍物和不断变化的环境无法进行处理。

2、法规瓶颈，绝大多数国家没有建立完善的无人机空中管理组织和交通规则，造成了低空物流运行法律模糊。美国联邦航空管理局规定商用无人机要在操控者视线范围内飞行，不能从人群头顶上越过，很大程度上缩小了物流无人机的应用范畴；中国民航局虽然发布《民用无人驾驶航空器经营性飞行活动管理办法》，但是细则还要完善，隐私保护，噪音管控，责任界定等方面的法令并未制定完全。

3、安全瓶颈，低空物流面临飞行器失窃，相撞，电磁干扰，人为破坏等诸多风险。据统计，全球每年无人机事故总数15%左右都跟物流配送有关，且因城市高楼林立，电磁环境复杂等因素，无人运输过程中的危险系数被进一步拉高。同时，无人机也会被用来运输违禁品，非法搜集个人信息等等，这当中同样存在公共安全隐患方面的难题。

4、成本瓶颈，虽然在一次性的直接能源上，无人配送成本低于传统汽车，但是综合设备的采购、维修保养、人员培训、系统建设等成本，低空物流成本仍较高。尤其是经营初期要建设大规模信息系统以及地面的基础设施，如起飞降落平台、充电站、控制中心等，建设资金昂贵，投资回报周期长。且保险费不可忽视，由于风险比较高，保险费用一般会达到物流运行成本的10-15%。

5、社会接受度瓶颈，有调查表明城市之中有部分市民对于用无人机使用存在顾虑，噪声、隐私、安全，人流密集处无人机较多引发住户反感。

五、亚马逊Prime Air案例分析

（一）亚马逊Prime Air项目概述

亚马逊Prime Air是全球最有代表性的一家商业化无人机物流项目，全球电商巨头亚马逊在2013年首次公开提出，其目标是在30分钟内完成无人飞机送货，即“30分钟送到货”。该项目体现了创始人贝佐斯“让创新推动客户服务体验”理念，意在以技术创新的方式突破“最后一百米”的配送瓶颈。

历经近10年的研发测试，Prime Air从概念验证迈向了有限商用阶段，2020年8月亚马逊取得美国联邦航空局许可，在北卡州和德克萨斯州等地开始真正执行商品配送服务，到2022年底Prime Air在美国及英国不少社区已达成超万次商业配送，服务的种类涉及上万种，大多为不超过5磅的商品包裹。

Prime Air的无人机是量身定做，反复迭代过的产物。最新的MK27-2型号，使用了六旋翼结构，垂直起飞降落，也能够巡航，是将多旋翼和固定翼的优点融合了的一种结构。有效载荷是5磅，最大飞行距离估计大约15英里，巡航速度大约50英里每小时。无人机上有很先进的感知躲避系统，可以自动感知并躲开电线、树木和建筑物之类的障碍物。

（二）Prime Air的运营模式创新

亚马逊Prime Air不仅仅是在飞行器上有技术上的突破，在整个运营模式上也进行了创新，主要体现在以下几个方面：

第一，混合仓储网络Prime Air建立了一个小型化的专门仓库网络叫做无人机巢，一般位于未来要服务的5-10英里内，占地面积远远小于传统配送中心，里面存放的就是高频次小体积商品，采用了高度自动化的技术对货物自动分拣并且对无人机实现自动装载以及起飞与降落，这样分布式仓库可以极大的压缩响应时间使得30分钟送货承诺成为可能。

第二，智能调度系统，Prime Air造出一个叫做“Amazon One”的智能调度平台，把现在时间里的订单消息，气象状况，空域情况，无人机状态等诸多方面信息汇集起来，做动态路线规划，分配资源等操作，而且采用机器学习类算法不断改进送货计划，会把诸如送货时长，电池剩余电量，风向与风速，空域流量等要素考虑进去，当多架无人机一起工作时能自行安排飞行线路避开撞机事故。

第三，安全降落技术：Prime Air为了让自己的降落场地位于城市环境中，研发了自己的专利“降落靶”，即安装一个小一点带识别标志的降落平台，在无人机降落的时候使用计算机视觉来实现对这些降落平台进行识别和定位，并精确进行降落，无人机不用人在场也可以自主完成降落过程。当包裹递完之后无人机自动返航回基地。

第四，人机协同机制：Prime Air并非替代传统派送，而是将无人机与快递员相结合，系统会依照订单特点，如重量，大小，去处等等来选择怎样配送，在这个流程里，无人机主要是运载小件货品在短时间之内送到，大件货品或是距离较远的货品才交给传统货车来运，这两种办法将库房，分拣还有信息系统这些地方紧密联系在一起，实现了统筹安排。

第五，客户交互设计：Prime Air就设计了很简单明了的客户界面，客户能在亚马逊app里随时看到无人机的具体位置，预计时间。在投递过程中也会有视觉提醒，告诉周围人注意避开，客户能用动作跟无人机做简单的交互，取消投递，换地点投递。

（三）Prime Air面临的实际问题

Prime Air技术创新与运营挑战并存：

首先是法规上的限制，美国FAA对无人机商业飞行有诸多限制，需要保证在操作员眼视范围以内、不能飞过没有参与的人员头顶、晚上飞行需要特别许可等等，让 PrimeAir 的服务范围和服务效率大打折扣，即便亚马逊已经拿到了一些豁免，但还无法实现大规模运作而且各个地方州与地方之间的监管标准也不相同，这就让一个全国范围的网络变得颇为复杂。

再有技术可靠的问题，无人机在运营的时候其技术的可靠性被严格的测试着，在测试阶段关于PrimeAir的无人机出现了多起降落事故大都是因为传感器错认，系统的毛病或恶劣天气所导致的，技术更新以后，事故发生的频率有所降低，但很难达到无懈可击的完全状态。

然后就是天气依赖性问题，Prime Air的服务非常依赖于天气情况。天气太恶劣时，无人机就会暂停飞行来保证安全，在这种情况下的天气条件下，服务就无法提供给一些特定地区或者某个季节里，因此据称在英国进行测试的时候，Prime Air因为恶劣天气被取消或者延期运送货物的，也是存在影响到可靠性的因素。

最后就是安全问题，无人机可能会遭遇人为干扰和破坏，已出现过公众拿激光笔照射、拿网子捉、甚至朝Prime Air无人机开枪的情况，亚马逊虽然加大了对无人机的防护设计以及实施了实时监测，但是想要杜绝一切恶意破坏仍然很困难，而且无人机所携带的客户数据也存在被黑客攻击的风险。

（四）Prime Air对行业发展的启示

亚马逊Prime Air项目的经验教训对低空智慧物流发展具有重要启示：

第一，技术创新要具有系统思维，Prime air的成功不仅体现在无人机的先进，在飞行器、仓储、信息体系、体验这诸多方面均做考虑，因此不能只盯着某项突破技术，而要考虑整个方案的统筹。

第二，法规适应与主动塑造兼行，Prime Air一面适应现行法规体系，一面参与法规的制定过程，凭借示范项目显示新技术的安全性来促使法规环境慢慢打开，其做法是“合”规发展“领”先改变。

第三，渐进式扩张，Prime Air从简单的环境逐渐到复杂的环境，避免了初犯风险但又积累了经验，采取了更稳健的方式。

第四，安全文化的主导地位，亚马逊将安全放在Prime Air所有决策的第一位，制定严格的、多重故障防护的、全面测试的安全标准和流程。安全文化是获得监管信任和公众接受的前提。

第五，生态系统的协同发展，亚马逊正在努力构建Prime Air的伙伴生态系统，共享资源，合作双赢，提高发展速度，这样开放合作的方式促进了其发展

Prime Air的经验说明，低空智慧物流要实现商业化的成功，需要依靠技术创新，运营改进，法规适应，成本控制以及对公众的宣传等各方面均衡发展，这种发展方式给行业赋予了全面又实际的蓝图。

六、AMR 技术与低空物流融合面临的挑战与改进对策

（一）技术与安全挑战

1. 问题识别

把自主移动机器人（AMR）技术同低空物流系统联合起来，这是智能物流发展的一个关键走向。但这种融合在实际推动过程中碰到技术和安全层面的难题。首先是AMR自身应对环境的导航和避障性能有所欠缺，在低空物流运用当中，周围环境杂乱，存在大量干扰，对它的感知以及决策体系要求更高。通信和协同机制的不完整，无人机与地面AMR的数据通信以及多设备的协同效率都会直接影响到物流的性能。最后是安全问题，飞行中的安全保障、信息数据保密等问题都存在安全隐患，可能造成安全事故或数据泄漏风险。

2. 改进对策

关于这些问题，有以下几点意见。第一，在AMR导航与动态避障方面，添加激光雷达，视觉传感，毫米波雷达等各类高级传感器，改进环境感知水平，依靠人工智能技术来增强路径规划以及自动学习能力，使它更好地适应恶劣环境。第二，完善通信与协同控制机制，采用5G，卫星通信，创建一个低延迟，大带宽的通讯网，保证空地设备实时的数据流畅。第三，开发智能任务分配平台，使无人机与AMR达成高效合作，提升物流运转效率。第四，完善安全守护体系，制订严格的飞行管理规范及数据加密方案，加强身份识别和私密保护，利用加密通讯方式守住敏感信息，避免遭受故意破坏或者信息泄露的威胁。

（二）环境挑战

1. 问题识别

物流行业飞速发展带来了很大环境压力，传统物流方式依赖燃油车，大量耗费不可再生能源。包装材料用得太多，废弃包装处理不当，回收机制不健全也加大了环境负担。空运物流虽说无人机少占用了地面交通，不过它能源消耗和电池回收的问题依然严峻，像无人机电池飞行时间有限，要反复充电或换电池，导致运营成本增加，环境污染，有碍于长久持续发展。

2. 改进对策

1、推动新能源技术在低空物流方面的应用，使用太阳能或者氢燃料电池等新能源形式，延长无人机的飞行时间并节约能源效率，削减对化石燃料的依赖。

2、实行绿色包装策略，支持可分解利用或者可反复使用的包装材料，通过结构上的优化削减材料耗费，改进重复利用率。

3、提升环境经营机制的完善程度，形成完备的能源和废弃物经营管理体系，就物流运作过程中产生的能耗和排放予以即时监管，满足环保政策。

七、结论与展望：AMR 技术与低空物流的融合

（一）可行性分析

将AMR技术和低空物流结合有现实可行性，可以从技术和经济两方面来说：从技术来看，AMR技术在导航和避开障碍方面已取得明显的进步，应对复杂环境的能力增强，在装货物、保持电池电量充足和飞行稳定这些方面能力提升，将AMR技术与低空物流的结合可以使整个物流系统变得更加高效，从经济角度去讲，在 AMR技术和无人机结合的模式成熟以后维系运作成本降低。同时，国家也给予政策上的扶持，多国政府都推出了支持智慧快递业务以及低空经济发展的规定，这为空中物流的发展奠定了良好的基础。

（二）物流体系优化

AMR技术与低空物流融合之后，整个物流系统的表现会被显著改进，一方面依靠人工智能的任务安排和路线规划，无人机能够同AMR协调配合起来，从而缩短送物时延，提高操作效率，另一方面两者融合使得系统变得更为灵活且适应不同的场景，AMR可以快速应对多种物流状况，无人机的空中运输功能扩大了服务所覆盖到的地方，尤其针对偏远地方和应急运送物资，二者的结合产生了协同的增益效果，而结合相关技术之后，就能够做到即时双向的信息交流，并完成自动化的处理，优化了系统的智能程度以及运作水准。展望未来，在相关技术不断前进，政策环境持续改善的情况下，AMR与低空物流的融合会给智慧物流发展带来新的动力，并指引出新的走向。

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