“末端+支线”无人机运营场景成本分析

  2020年4月，为进一步推进“快递进村”工程，国家邮政局印发《快递进村三年行动方案(2020-2022年)》，明确建立县、乡、村快递物流体系，2022年底实现行政村全覆盖。与此同时，随着国家“双碳”战略的提出，绿色环保的发展理念逐步渗透进入各行各业社会经济活动中。就快递物流行业而言，构建绿色低碳且高效低成本的物流运输配送体系，是落实“快递进村”工程，促进行业长效发展的不懈动力。

  随着小型无人机和大型无人航空器技术水平的提升以及航空运营能力的增强，一方面，无人航空运输摒弃了传统陆运路由线路迂回冗长、高耗低效的方式，优化运输线路，节能减排，充分满足了绿色发展的理念;另一方面，末端无人机配送则破解了由乡到村配送不畅的困境，真正实现“快递进村”。“末端+支线”无人航空物流体系是快递物流行业发展动力源泉中更加强劲的一支。

  与传统陆路、航空货运及物流配送模式相比，支线无人航空货运与末端无人机物流配送相结合的模式具备较强的经济性和适应性优势。在这种模式下，专用航空物流网络中的货物由干线货机中转后经支线无人运输机200-500公里的短途运输到达智能物流中转站点，再无缝衔接末端配送无人机设备至最终货主，货物自干线货机开始由整套无人航空物流系统独立地完成支线运输和投递工作。

  一方面这种模式能够解决有人支线航空货运资源短缺和人工成本高昂的问题，另一方面则可以解决现有物流配送中，货物投递的人员因素导致的及时性不足问题，同时大幅降低现有物流模式中企业的仓储成本。在该模式下物流企业只需要定期对无人机设备进行检查维护，确保其能够正常运行即可。在为物流企业降低人力物力投入的同时，也为其极大地节约了成本，更有效保障了物流配送工作的时效性。每年“双十一购物节”电商促销期间，物流配送规模巨大，凭借人工投递很难满足客户需求，而使用无人机进行投递，对货物进行有效的末级路径网络规划和分流配送，则极大地降低物流企业的配送负担和工时冗余。

  末端无人机配送应用分析及运营成本测算

  当前，我国的山区、农村等地区交通欠发达问题仍然存在，特别是行政村到自然村的末端通行，自然灾害和恶劣天气导致的交通阻断情况时有发生。小型无人机不受陆地交通的影响，通过低空支线运输，在此类末端物流配送领域能够及时响应，快捷便利，发挥奇效。此外，由于当前尤其是农村地区线上消费水平不高，部分地区快件量有限，前期利用传统的交通工具(汽车、摩托车等)实施配送，经济性不佳。末端配送无人机带来的高效低成本运力，能够为此类地区提供过渡的经济性较高的配送解决方案。等到此类地区快件量达到一定规模，再切换成其他传统配送方式。

  末端无人机的运营成本主要由3个方面构成，包括无人机设备成本、供能设备成本以及能源使用成本。

  无人机设备成本是指一架无人机设备从生产制造到投入使用再到退役报废过程中产生的所有投入，它包含设备的生产制造成本以及定期保养与不定期维修成本。

  如下表(以六旋翼无人机为例)所示，一款物流无人机主要由机体、动力分系统、飞控与航电分系统、载荷分系统以及其他辅助模块构成。其中机体即为构成一架无人机的基本骨架，可以是一体成型的造型，也可以是中心体、机臂与脚架相对独立的结构;动力分系统主要包含多套电机、电调和螺旋桨总成;飞控与航电分系统是无人机的大脑，包括飞控模块、机载计算模块以及传感器模组，还包括地面端的辅助控制模块;对于物流无人机而言，其载荷分系统就是装载货箱以及货箱外部的涂装贴纸等;其他辅助模块则包括供电线路和信号线路使用的线材、接插件，以及结构连接的螺栓等。无人机的生产制造成本包括所有零配件的采购成本以及前期研发的成本分摊。

  表1 一架六旋翼无人机的零配件组成

  分系统零配件数量单位

  机体机架1套

  动力分系统电机6颗

  电调6颗

  螺旋桨3对

  飞控与航电分系统飞控1套

  主控系统1套

  传感器套件1套

  遥控器1套

  载荷分系统货箱1个

  贴纸1张

  其他辅助模块线材、接插件、螺栓等若干---

  供能设备成本是指无人机存储及释放能量的设备的使用成本。在纯电动无人机设备中，供能设备指储能动力电池;在油动无人机设备中，指燃油的储存设备;在油电混合无人机设备中，指燃油存储设备和储能动力电池。一架无人机生产周期内，供能设备需要依据寿命定时更换，出现损坏时为了设备整体性能与可靠性也需要及时更换。因此供能设备的使用成本是指：无人机生命周期内，更换的所有供能设备的总采购成本。

  能源使用成本是指一架无人机生命周期内消耗的所有燃油和电能产生的成本总和。对于纯电动无人机，燃油消耗量为0，电能的消耗成本即为能源使用成本;对于油动无人机，电能的消耗量为0，燃油的消耗成本即为能源使用成本;对于油电混合无人机，其储能动力电池内的电能绝大部分由燃油转化，约占95%，同时转化率一般低于100% ;另外5%的电能由电能直充而得，充电损耗几乎为0。

  中通“海燕”电动六旋翼无人机是目前正投入末端快递配送应用的一款物流无人机系统，其最大载重达15公斤，设备成本为5.6万元，每架次航程为20公里，生命周期内可运行总里程数为5万公里，一共可飞行2500架次，达到总运行里程后即强制退役，且退役后便不再使用。这款无人机使用的动力电池的单价为每组5200元，考虑定期及不定期更换，可用充放电循环次数平均为500次，即每组电池平均可供飞行500架次，一架无人机生命周期内共需5组动力电池。一组动力电池充满电需要1.5度电量，上海地区电价平均为1元/度左右。使用过程中，无人机运输的包裹单件平均重量为0.5公斤，一个架次无人机最多可运输30个包裹。

  表2 “海燕”电动六旋翼物流无人机单架运营成本

  成本构成金额(万元)

  无人机设备成本5.60

  供能设备成本2.60

  能源使用成本0.375

  单架无人机运营总成本8.575

  初步测算，一架无人机生命周期内运营的总成本为8.575万元，其中无人机设备及供能设备成本占比超过95%。总共可运输的包裹数量为7.5万个，则单个包裹的运输成本约为1.15元。

  影响无人机运营成本的因素主要有6类，包括载重、无人机总飞行架次、设备成本、电池的充放电循环次数、动力电池的单价及用电成本。其中，电池的充放电循环次数及储能容量与动力电池行业整体技术水平紧密相关;而用电成本则又与电机、电调、螺旋桨的动力系统行业整体技术水平以及地理区域紧密相关。

  当纯电动无人机的载重提升至25公斤，单架使用成本控制为5万元，电池单价控制为5000元，单架次用电量为2.5度，其他条件不变时，测算可得单架无人机运营总成本为8.125万元。

  表3 一架载重25kg级物流无人机单架运营成本

  成本构成金额(万元)

  无人机设备成本5.00

  供能设备成本2.50

  能源使用成本0.625

  单架无人机运营总成本8.125

  载重25公斤时，单架次运输包裹最多为50个，共可运输12.5万个，则不考虑人工成本时，单个包裹的运输成本可下降至0.65元。

  显然，在电池损耗及无人机设备损耗接近的条件下，提升无人机的载重量，也能够明显改善运营成本。

  通过以上分析可见，现阶段通过研发更大载重的无人机，并通过大规模量产控制无人机及电池设备的成本，是降低无人机运营成本的一种有效途径。尽管上面的测算未考虑人员成本，但一方面随着动力电池技术的发展，其储电容量预计每年将有10%的提升空间;另一方面，电价的成本下降也可预见，相较东部、西部地区的电价仍然有较大的下浮空间。此外，相较纯电动无人机，油电混动无人机的单架次航程普遍更高。因此随着大载重油电混动无人机的成功研发并投入使用，其航程将成倍提升，配送距离和效率也将大幅改善，随之而来的则是成本的进一步下降。末端无人机物流配送值得期待。

  当前支线物流运输状态分析

  为了更直观展示，我们选取了中通快递的2条路由线路进行综合对比。

  传统路由线路中，从牡丹江市到延边市，快递包裹需要先由牡丹江陆路转运至哈尔滨，再运输至长春中转站，最后运送至延边，全程陆运距离可达986公里左右。而经由陆运直达，运输距离缩短至271公里左右。但如果采用支线航空直飞，一方面总航程可进一步缩短至183公里左右，另一方面由于飞行速度比陆运更快，时间也将极大缩短。

  另一条线路中，若需要将快递从衢州运送至景德镇，现有路由中转线路是：从衢州出发，先向反方向运输至金华，后再沿原路线返程直到南昌中转站，最后再沿返程方向运输至景德镇，全程757公里。这中间路程多处往返重合，造成了极大的时间与成本浪费。若除去中转线路，陆路直运总路程只有204公里。而选择支线空运直飞，全程仅有165公里，只有路由中转路程的四分之一不到。

  支线无人航空货运运营成本测算

  支线航空货运的运输效率优势明显，如果其运营成本合理，必将能够展现出传统运输模式无法企及的优越性。

  一般而言，飞机总运营成本可划分为两部分：直接运营成本和间接运营成本。直接运营成本指航空公司的飞机在航班/航线上生产过程中发生的各种费用，包括固定成本和变动成本，其中固定成本主要是所有权成本(既购机成本)、机组成本等，变动成本主要是燃油成本，维护成本，空勤成本，机场/总局收费等。

  变动成本中燃油成本是航路耗油量花费的费用。机场总局收费包括：民航基础设计建设基金、航路费、进近指挥费、签派费等。维修成本包括：计划性维修活动的人工和材料成本、修理活动的人工和材料成本、GSE设备的维修成本、时寿件成本、人员定时复训成本、训练设施/维修设施/支援保障设施的使用/维护成本、技术出版物更新/修订/发布成本、工程服务成本、工程支援保障成本、技术支持服务成本等。无人机的燃油成本和机场总局收费较有人机计算方法一致。考虑到国家对通用航空和无人机发展的大力支持，相继出台政策提倡发展，机场总局收费这块有可能会做相应的减免。

  固定成本中的机组成本包括飞机驾驶员、运维人员和运控人员的工资，与有人机相比，有人机的机组成本除了固定成本中的机组工资外，还有一部分变动成本是机组人员的执飞小时补贴，同时有人机比一般情况下一架飞机会配3-5组机组，故无人机的机组成本较有人机成本优势明显。购机成本为飞机采购成本。为了充分开发、发挥通用航空的潜力，国务院和地方政府在政策上做出了大力支持，例如减免增值税和关税等，故本次测算的购机成本以飞机采购价测算，未包含增值税等其他费用。其他运营成本包括机库租赁费和通讯费。

  以某飞机设计公司研发的一款大型航空货运无人飞机为例，其最大起飞重量达1400公斤，最大商载500公斤，最大航程1500公里，巡航速度可达240公里每小时，使用升限3500米。

  该型飞机设计使用寿命为12年，12年后残值假设为0。假设航运过程中典型航段距离为200km，航班频次为每天航飞6班，一周飞行6天。油价考虑到目前价格较低，受疫情影响所致，为非正常情况价格，故以以往的正常情况下航空煤油价格作为假设条件，假设为4000元人民币/吨。考虑到现阶段无人机运输还属于初级运营模式探索阶段，在机组设置方面较为保守，一个机组由一名驾驶员、一名运维人员和一名运控人员组成，且可同时负责三架无人飞机的运行。机组成本依据某无人机企业的机组薪酬水平做的测算。维修成本是依据通航企业的维修经验值做的综合测算。

  某大型航空货运无人机飞机运行成本

  费用结构金额(元)

  变动成本602

  固定成本559

  单航段运行成本合计1161

  通过初步模拟测算，在200km的典型航段中，预计该型飞机的单航段运行成本合计人民币1161元，其中变动成本占直接运营成本的51.8%，固定成本占直接运营成本的48.2%。变动成本中机场/总局收费后期将有相应的减免政策，且量产后该飞机的售价保守估计将下降30%，运营成本将下降5%到10%。

  2016年国务院发布38号文件，将通用航空定位为“战略性新兴产业体系”，将发展通用航空上升为国家政策。民航局2018年发布《关于同意航空分类管理的指导意见》，加大放管服力度，致使省级政府成为通航发展的引导力量。无人航空产业已成为各地经济转型的重要抓手。作为一种综合学科产业，当地无人航空运输产业的发展，一方面能够完善当地产业结构，有效带动当地经济，另一方面可以缓解地方就业压力，培养一批新兴行业人才。地方政府极大可能为此配套相应的的补贴政策，能够进一步摊薄运营成本，实现更大的盈利空间。

  经过综合测算，采用“末端+支线”无人航空物流的模式，可为物流企业降低经营成本达30%以上，提升运送效率达50%以上，其效率与成本优越性显而易见，真正实现降本增效的目标。

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