物流无人机城市低空轴辐式网络构建方法研究

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.2023.06.011

摘要/Abstract

摘要：

无人机在城市物流配送方面具有极大应用潜力,然而城市低空空域运行场景中的潜在不确定因素较多,亟待通过科学方法构建安全有序的物流无人机配送网络。从物流无人机运输经济性和运行安全性角度出发,结合物流无人机性能特征,在原有地面物流配送网点的基础上,构建多层级轴辐式网络的整数规划模型,提出了带距离限制的PAM(partitioning around medoids,围绕中心点划分)聚类与整数规划相结合的网络构建方法;从配送时效性、网络安全性和网络结构特征三方面选取评价指标,用于对比构建物流无人机运输网络与原地面运输网络;以南京市江宁区为例构建物流无人机配送网络,验证该网络构建方法的可行性。实验结果表明,该方法构建的无人机配送网络在兼顾运输成本与运输安全性的同时,还具有较好的配送时效性。

关键词: 无人机, 城市低空空域管理, 物流配送, 轴辐式运输网络, PAM聚类

Abstract:

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have considerable application potential in urban logistics delivery. However, there are many uncertainties in urban low-altitude airspace operation scenarios. Therefore, it is essential to build a safe and orderly logistics UAV delivery network using scientific methods. From the perspectives of delivery economy, operational safety, and features of logistics UAVs, an integer programming model of multilevel hub-and-spoke network was constructed based on the original ground logistics delivery network. A network construction method was proposed, which combines partitioning around medoids(PAM) clustering with distance restrictions and integer programming. Three evaluation indicators were selected, i.e., delivery timeliness, network security, and network structure characteristics, to compare the constructed logistics UAV delivery network with the original ground delivery network. A logistics UAV delivery network was constructed in Jiangning District of Nanjing city to verify the feasibility of the proposed network construction method. The experimental results show that the UAV delivery network constructed using this method has good delivery timeliness while taking delivery costs and safety into account.

Key words: unmanned aerial vehicle, low altitude airspace anagement, logistics and distribution, hub-and-spoke network, partitioning around medoids clustering

中图分类号:

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图/表 9

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参考文献 16

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区域等级	区域类型	最小飞行距离(风险值)/m
1级区域	射电天文台、国界线、空中禁区	3 000
2级区域	空中危险区、机场、临时起降点、边境线	2 000
3级区域	卫星地面站等需要电磁环境特殊保护的设施	1 000
4级区域	军事禁区、气象雷达站	500
5级区域	军事管理区,设区的市级(含)以上党政机关、监管场所,生产储存易燃易爆危险品,可燃重要物资的大型仓库、基地,高速铁路	100
6级区域	发电厂、变电站、加油站、大型车站、码头、港口、大型活动现场、普通铁路和国道、住宅建筑区	50

符号	含义
x_ki	表示节点i是否与枢纽点k相连,若相连x_ki=1,否则x_ki=0
d_ki	节点i到枢纽点k间的距离(单位:km)
a_ki	表示节点i与枢纽点k间的航线是否途径禁飞区,若途径a_ki=0,否则a_ki=1
α	绕飞系数,无人机为避障进行绕飞的路径长度与直飞的路径长度间的比值
f	包含供能设备成本和能源使用成本在内的无人机每公里运行能耗成本(单位:元/km)
h	每千克包裹所需的管理费用(单位:元/kg)
c	每个枢纽点的升级建设费用(单位:元)
p	枢纽点数量
D_i	节点i的快递需求量(单位:kg)
y_k	表示是否选点k作为枢纽点,若k为枢纽点y_k=1,否则y_k=0
e_kij	由k到i的航线途径j类区域的网格数
r_j	无人机飞经j类区域的风险值
l_max	无人机最大飞行距离(单位:km)
b_max	无人机最大载荷重量(单位:kg)
C	总配送成本(单位:元)
E	途径区域风险值
F	使用理想点法求解的目标函数

评价指标	原配送网络	新建配送网络
平均路径长度/m	26 158.919 192 3	24 379.966 031 5
安全系数	0.492 631 2	1.563 644 3
平均点度中心性	0.036 363 7	0.050 243 6
平均接近中心性	0.000 039 3	0.000 041 8
平均中介中心性	0.041 462 1	0.073 841 2
点度中心势	0.423 481 6	0.249 492 9
接近中心势	0.000 050 0	0.000 050 0
中介中心势	0.686 613 8	0.598 253 1