無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle；UAV）的應(yīng)用越來越多元，在世界各地的空域中變得越來越普遍，物流運(yùn)輸便是一例。無人機(jī)可用於從物流中心運(yùn)送貨物至目的地，然後可返回物流中心以取回其他貨物，以用於另一次運(yùn)輸至另外的目的地。

2013年，亞馬遜（Amazon Technologies, Inc.；Amazon）執(zhí)行長Jeff Bezos在接受《60分鐘》節(jié)目採訪時(shí)，首次公開「利用無人機(jī)送貨給客戶」的新型物流概念[1]，當(dāng)時(shí)Bezos播放了一段Prime Air演示視頻，展示了他的八旋翼無人機(jī)可在30分鐘內(nèi)將包裹直接送到你家門口的提議，當(dāng)時(shí)很多人提問這樣一個(gè)大膽的想法如何真正在現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)現(xiàn)。如今，透過5G聯(lián)網(wǎng)及人工智慧技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)將商品直接送到客戶身邊的場景已不再遙不可及。

Amazon自2013年宣布利用無人機(jī)送貨的構(gòu)想以來，積極的向USPTO提交申請有關(guān)無人機(jī)先進(jìn)物流概念和技術(shù)的專利，包括飛機(jī)設(shè)計(jì)、安全和防禦系統(tǒng)、將貨物從空中轉(zhuǎn)移到地面的方法以及蜂巢式物流中心等專利，甚至開始聘請專利律師專門在PrimeAir部門工作。從這些專利文獻(xiàn)可洞悉該公司逐步實(shí)現(xiàn)無人機(jī)物流理念的企圖心，更在當(dāng)今現(xiàn)實(shí)的生活與商業(yè)應(yīng)用中證實(shí)了它並非虛構(gòu)捏造。

無人機(jī)物流之通用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，我們先來看一下它最早關(guān)於無人機(jī)物流概念之通用系統(tǒng)設(shè)計(jì)專利。2014年9月30日Amazon向USPTO提交申請一件名為無人機(jī)遞送系統(tǒng)（Unmanned aerial vehicle delivery system）的美國專利（專利公告號US9573684B2），揭示了一種可自主地將庫存物品遞送至各個(gè)目的地的無人駕駛飛行器（UAV），該UAV可以接收庫存資訊和目的地位置，以及自主地檢索庫存和規(guī)劃運(yùn)送到目的地的路線，最終航行到目的地以交付庫存。

圖一顯示無人機(jī)200可以被配置成形成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其利用Wi-Fi、衛(wèi)星等現(xiàn)有無線網(wǎng)路使得每個(gè)無人機(jī)與無線範(fàn)圍內(nèi)的其他無人機(jī)相互通信。無人機(jī)相互聯(lián)網(wǎng)以相互更新資訊，如天氣狀況及監(jiān)控周圍環(huán)境是否有動(dòng)物或人等障礙物。圖二則揭示了2013年Amazon執(zhí)行長接受採訪時(shí)最早透漏的新想法：利用八旋翼無人機(jī)運(yùn)送貨物給客戶的物流概念。如圖所示，無人機(jī)200包括八個(gè)螺旋槳（202-1~202-8）圍繞無人機(jī)的框架204間隔。雖然此示例包括八個(gè)螺旋槳，但在其他實(shí)施中可以使用或多或少的螺旋槳。

圖一 : 無人機(jī)遞送系統(tǒng)及其無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)圖。（source：專利公告號US9573684B2）

圖二 : Amazon八旋翼無人機(jī)物流自上向下的視圖。（source：專利公告號US9573684B2）

特殊物流中心設(shè)計(jì) 強(qiáng)化商品遞送效率

物流中心通常是單層大面積的倉庫建築，用於將遞送給客戶之前暫時(shí)存放物品。為了要有足夠的空間容納儲放物品，通常這些大型建築物占地面積都很大且位於郊區(qū)，但郊區(qū)地點(diǎn)並不方便向人口稠密的城市送貨。因此，越來越需要將物流中心設(shè)在市區(qū)和城市人口稠密的地區(qū)，可以更快地交付給居住在城市中不斷增加的大量人口。都市內(nèi)的運(yùn)送需求不斷提高，若能在都市中設(shè)有多層物流中心，將可大幅增進(jìn)物流效率。

Amazon設(shè)計(jì)了一種多層物流中心用以提供無人飛行載具（UAV）（108）在人口稠密的城市環(huán)境中可以降落和起飛，並在2015年12月18日向美國專利商標(biāo)局（簡稱USPTO）提出專利名稱為「無人飛行載具多層物流中心（multi-level fulfillment center for unmanned aerial vehicles）」的美國專利（公告號US9777502B2），專利家族還包括歐洲、日本、中國以及PCT申請案等多國專利申請，且皆主張?jiān)撁绹鴮＠暾埲眨?015年12月18日）為其最早優(yōu)先權(quán)日。

與傳統(tǒng)的物流中心不同，該座設(shè)計(jì)用來協(xié)助無人飛行載具（UAV）著陸和起飛的多層物流中心（圖三），包括數(shù)層樓面且較佳設(shè)立在人口稠密的都會地區(qū)。貨物經(jīng)由地面運(yùn)送載具到多層物流中心後，再由無人機(jī)執(zhí)行都心內(nèi)的遞送；這樣的多層物流中心因?yàn)榫哂醒}數(shù)個(gè)起降地點(diǎn)，利於UAV將商品運(yùn)送至客戶住處時(shí)起飛和降落使用。

因此，該美國專利US9777502B2的國際專利分類號之一被歸類為E04H 14/00，表示其具有特殊用途或雙重用途之建築物；另一主要國際專利分類號為B64F 1/00，屬於航空運(yùn)輸領(lǐng)域中之地面設(shè)施，更具體而言，是用於運(yùn)貨之物流中心（合作專利分類[2]CPC為B64F 1/32）。

圖三 : Amazon設(shè)計(jì)用於無人機(jī)起降的多層物流中心示意圖。（source：美國專利公告號US9777502B2）

圖三顯示物流中心的外部殼體包括許多通孔114以及向外延伸的無人機(jī)停放平臺106，通孔114可使無人機(jī)能夠在飛行狀態(tài)下進(jìn)出多層物流中心100，無人機(jī)透過通孔114可將商品放置於平臺106上，將商品歸位固定後，無人機(jī)就可以繼續(xù)執(zhí)行下一趟運(yùn)送任務(wù)。其中，通孔114可以是圓形、矩形、卵形、多邊形的，或以其他方式成形以容納無人機(jī)的進(jìn)出。此外，通孔114可彼此間隔開以在不與其他UAV衝突的情況下實(shí)現(xiàn)起飛和降落。

在該專利所載的一項(xiàng)實(shí)施例中，物流中心的外觀被設(shè)計(jì)為像圓錐體且具有流線外型的蜂窩塔（beehive）狀（圖四），每一個(gè)UAV平臺（304、306、….）具有不同高低層次水平，無人機(jī)穿梭其中猶如科幻類型電影中外星人搭太空飛船或飛碟入侵地球般的畫面。

圖四 : Amazon設(shè)計(jì)具有朝物流中心頂部匯聚的多層物流中心。（source:美國專利公告號US9777502B2）

另，為了節(jié)省電能，該專利還設(shè)計(jì)一種外部殼體具有網(wǎng)格（grid）804結(jié)構(gòu)的多層物流中心（圖五），用以移動(dòng)無人機(jī)停放平臺802，例如從較下層的位置移到較上層的位置，這樣無人機(jī)就可以從較高的位置出發(fā)，節(jié)省無人機(jī)從下層往上飛行爬升的電能。

圖五 : Amazon設(shè)計(jì)具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的多層物流中心。（source：美國專利公告號US9777502B2）

建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)自我識別系統(tǒng)

一般來說，無人機(jī)在空中交通最繁忙且最難以預(yù)測的低空運(yùn)行，空域管理相對重要。空域管理是指為維護(hù)國家安全，兼顧民用、軍用航空的需要和公眾利益，統(tǒng)一規(guī)劃，合理、充分、有效地利用空域的管理工作。無人機(jī)自主運(yùn)行必須主動(dòng)避免與在公共空域運(yùn)行的其他無人機(jī)發(fā)生干擾。

為了避免空域內(nèi)附近無人機(jī)之間的相互作用，Amazon在2015年2月27日向USPTO申請一件美國專利（公告號US9646502B1，簡稱 ’502專利），描述建立相互連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其中中央控制站和無人機(jī)代表網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)以便識別空域內(nèi)的每架無人機(jī)。

如圖六所示，’502專利揭示了一種自動(dòng)無人機(jī)自我識別系統(tǒng)，透過網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)和代表該網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)（102、104、106、112）及中央控制站110自動(dòng)識別在空域（100）內(nèi)運(yùn)行的每架無人機(jī)。各個(gè)無人機(jī)（102、104、106、112）代表網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，用於在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)數(shù)據(jù)。中央控制站110可以是如機(jī)場的空中交通管制塔或中繼站等監(jiān)管機(jī)構(gòu)而代表網(wǎng)絡(luò)上的單獨(dú)節(jié)點(diǎn)。

無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)可以存儲在當(dāng)?shù)兀╨ocal）網(wǎng)狀資料庫（114（1）、114（2）、114（3）、114（4））中，以便分發(fā)到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，然後再合併到共同的中央（central）網(wǎng)狀資料庫（116）中。各架無人機(jī)之間或者無人機(jī)與中央控制站之間可以建立無線通信連接118以在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，包括當(dāng)?shù)兀╨ocal）和中央（central）的網(wǎng)格數(shù)據(jù)（114和116），也可以透過有線通信網(wǎng)絡(luò)或透過衛(wèi)星系統(tǒng)在更遠(yuǎn)的距離上發(fā)送和接收中央網(wǎng)格數(shù)據(jù)116。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上的無人機(jī)利用當(dāng)?shù)兀╨ocal）和中央（central）網(wǎng)狀資料庫資訊進(jìn)行自我識別並維護(hù)動(dòng)態(tài)飛行計(jì)劃。

圖六 : 使用無人機(jī)和中央控制站建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)管理空域內(nèi)無人機(jī)。（source:美國專利US9646502B1）

識別信號源屬性 確保可信源

Amazon在2017年11月20日又向USPTO申請一件美國專利（公告號US11079757B1，簡稱 ’757專利），揭示無人機(jī)可以勘測識別在執(zhí)行飛行計(jì)劃期間遇到的信號源。具體而言，無人機(jī)可以識別信號源並確定有關(guān)信號源的屬性，這些屬性可能包括信號源的位置（座標(biāo)、緯度/經(jīng)度等）、信號源數(shù)據(jù)（頻率、識別參數(shù)等）、標(biāo)識碼、信號/網(wǎng)路類型、信號強(qiáng)度以及有關(guān)信號或信號源的其他資訊。

信號源可以與信任級別相關(guān)聯(lián)（例如，受信任、不可信、未知等）。在不同的實(shí)施例中，某些信號源可能被指示為可信源（例如由服務(wù)提供者、電信供應(yīng)商或網(wǎng)路運(yùn)營商等可信方）而列入白名單，也有可能標(biāo)記為不受信任或未知信任級別而被列入惡意信號源之黑名單。

如圖七所示，無人機(jī)104可以識別執(zhí)行飛行計(jì)劃期間的信號源或飛行路徑的偏差。信號源分析器可以接收關(guān)於信號源的數(shù)據(jù)並透過無人機(jī)的網(wǎng)路介面進(jìn)行通信。調(diào)查結(jié)果和識別的屬性會再被編譯並提供給其他方使用，以防無人機(jī)不法入侵，影響飛安及資安。

圖七 : 無人機(jī)識別信號源並確定信號源屬性示意圖。（source：美國專利US11079757B1）

加裝射頻識別 提升空域安全

目前民航局以400呎為界，400呎以下給地方政府管，400呎以上的高空列為軍方及民航局高度管制的空域。我們要知道無人機(jī)所在的空域高度在哪裡，才有辦法管理它，但該怎麼樣得知無人機(jī)是否逾越400呎的紅線，是無人機(jī)空域安全管理首要考量的。導(dǎo)入無線射頻辨識技術(shù)（Remote ID）和無人機(jī)空中管理系統(tǒng)（UTM）才有辦法管理它。Remote ID是UTM的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)UTM運(yùn)作架構(gòu)的基本要素，有助於未來面對數(shù)量龐大、種類繁雜、大小懸殊的大量無人機(jī)空域的安全。

無人機(jī)加裝射頻識別已是全球空域管理的趨勢，歐美已有相關(guān)法規(guī)規(guī)定。民航局112年3月也在管理規(guī)則中明訂實(shí)施日期自115年起在市面銷售的無人機(jī)都要具Remote ID功能，透過手機(jī)下載民航局建置的無人機(jī)APP就可查詢無人機(jī)是否在合法空域內(nèi)飛行。

無人機(jī)已有能力飛上2千呎高的空域，再更高它與有人機(jī)重疊的部分就會越來越大，為了避免影響有人機(jī)的飛航安全，無人機(jī)加裝Remote ID射頻識別可發(fā)送「識別」和「位置」等資訊。應(yīng)用在物流運(yùn)送時(shí)，在共享空域內(nèi)發(fā)送訊息，可讓空域其他航空器能快速識別，清楚掌握其位置、姿態(tài)、速度等飛航軌跡資訊，並協(xié)助判定威脅屬性，確定無人機(jī)是否以無目的性、不小心或有犯罪意圖性的方式操作，並在必要時(shí)採取適當(dāng)行動(dòng)，強(qiáng)化無人機(jī)空域安全管理。

（本文論述僅為作者見解，不代表其任職單位之立場）

（作者現(xiàn)任職財(cái)團(tuán)法人中技社科技暨工程研究中心組長，專注於科技、能源、產(chǎn)業(yè)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等議題）

參考資料

[1] CBS NEWS, 2013 DECEMBER 1, https://www.cbsnews.com/news/amazon-unveils-futuristic-plan-delivery-by-drone/

[2]合作專利分類（Cooperative Patent Classification；簡稱CPC）