工程管理前沿：物流無人機調度與路徑優化研究

2023年12月20日，中國工程院、科睿唯安公司與高等教育出版社聯合發布《全球工程前沿2023》報告(進入官方網站下載報告)。作為中國工程院院刊系列期刊，《Frontiers of Engineering Management》參與了工程管理領域工程研究和開發前沿的研究工作。2023年的報告依然包含了各領域工程研究和開發前沿條目及重點前沿解讀。

全球工程前沿研究以數據分析為基礎，以專家研判為依據，遵從定量研究與定性研究相結合、數據挖掘與專家論證相佐證、工程研究前沿與工程開發前沿并重的原則，凝練出年度全球工程前沿，并以中英文形式向全球發布。

全球工程前沿項目組

以下是有關物流無人機調度與路徑優化研究的前沿熱點速讀。

（1）城市場景下物流無人機路徑規劃問題

主要包括無人機旅行商問題（TSP-D）、多無人機路徑問題（VRP-D），車輛 – 無人機聯合路徑問題幾大類重要研究。為了突破無人機飛行距離受限于電池電量而航程較短的不足，車輛 – 無人機聯合配送路徑規劃逐漸成為兼顧車、機優勢的研究重點。由此衍生出車輛輔助無人機、無人機輔助車輛、獨立配送和并行配送等多類問題模型。當前研究采用成本、路徑、時間窗、能耗和碳排放等多個目標優化。除借鑒經典的路徑規劃方法外，最新研究中還將城市場景中存在的飛行限制、公眾安全與隱私因素、最后一公里配送中需求變化等動態因素引入路徑規劃，確保結果更為可行，這也是未來無人機物流配送路徑研究的重點。

（2）無人機調度問題

無人機調度問題是路徑規劃問題的拓展與延伸，重點關注更為實時的多機配送任務分配、地面保障資源安排等內容。綜合考慮可用配送時間、保障設施容量、充電換電設施布局等要素的無人機調度問題是當下研究熱點。其中既包括車輛 – 無人機混合調度、無人機機群調度等問題，也包括對充電、倉庫、起降場等設施布局的研究。最近的一些研究中，已開始將城市環境中的不確定影響因素（如風場、高大障礙物、禁飛區、墜地傷人等第三方風險等因素，以及充電站、重復訪問節點、貨物補給點等因素）納入約束條件之中?？梢灶A見，整合物流倉庫位置、機隊規模、電池充電、非線性能耗、無人機故障等更為復雜要素的調度優化模型，將成為新的研究重點。

（3）航跡優化與運營管理

與路徑規劃側重二維路徑設計不同，航跡優化關注三維空間中航跡設計。相關優化模型中，除將飛行時間最短、能耗最小作為優化目標外，主要考慮各類空中限制區、地面障礙物帶來的約束。運營管理研究重點關注無人機物流影響因素、政策技術環境體系、市場規模、商業模式等內容。

針對以上物流配送路徑及調度優化問題的算法可分為精確算法和啟發式算法兩大類。精確算法和求解器多用于小規模問題的精確解求解；啟發式算法多用于大規模問題的近似最優解求解。其中，啟發式算法研究重點關注解的質量、收斂速度、改進空間。隨著模型復雜度不斷增加，提升算法效率和求解精度成為新的關注點。分析對比精確算法、求解器和啟發式算法求解結果，構建算法驗證標準體系將成為新的研究領域。

電驅動零排放無人機高度契合可持續發展潮流?；谏鐣鷳B視角的物流碳排放評估研究是當下的熱門研究方向之一，其中地面貨車、電動車、摩托車是幾類常見的研究評估對象。針對無人機物流運輸，減少車– 機組合配送系統 CO2 排放的綠色路由問題，已經成為新的研究方向。未來可深入探討太陽能、風能等清潔能源構成的充電網絡中，無人機配送系統效率與充電布局關系。此外，由于無人機貼近地面飛行，噪聲、墜地傷人、窺探公眾隱私等也有較大的研究價值。

“物流無人機調度與路徑優化研究”工程研究前沿中核心論文數排名前三位的國家是美國、中國和德國（表1），核心論文主要產出機構為美國東北大學、麻省理工學院、美國波特蘭州立大學等（表2）。從主要國家間的合作網絡（圖1）來看，加拿大、美國、中國與其他國家間的合作較多；從主要機構間的合作網絡（圖2）來看，美國東北大學、麻省理工學院的合作較為緊密。由表3可以看出，中國的施引核心論文數排名第一。由表4可以看出，施引核心論文數排名靠前的機構是世宗大學、中國科學院和德比大學。圖3為“物流無人機調度與路徑優化研究”工程研究前沿的發展路線。