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城市低空物流无人机立体航路网络规划方法

李姗 张洪海 李卓伦

李姗, 张洪海, 李卓伦. 城市低空物流无人机立体航路网络规划方法[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(4): 50-67. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.163
引用本文: 李姗, 张洪海, 李卓伦. 城市低空物流无人机立体航路网络规划方法[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(4): 50-67. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.163
LI Shan, ZHANG Hong-hai, LI Zhuo-lun. Planning method for three-dimensional air route network of urban low-altitude logistics drones[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(4): 50-67. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.163
Citation: LI Shan, ZHANG Hong-hai, LI Zhuo-lun. Planning method for three-dimensional air route network of urban low-altitude logistics drones[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(4): 50-67. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.163

城市低空物流无人机立体航路网络规划方法

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.163
基金项目: 

国家社会科学基金项目 22&ZD169

国家自然科学基金项目 U2133207

江苏省研究生科研与实践创新计划项目 KYCX24_0465

详细信息
    作者简介:

    李姗(1998-),女,河南林州人,工学博士研究生,E-mail:lishan0812@nuaa.edu.cn

    通讯作者:

    张洪海(1979-),男,山东菏泽人,教授,博士生导师,工学博士,E-mail:honghaizhang@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: U8

Planning method for three-dimensional air route network of urban low-altitude logistics drones

Funds: 

National Social Science Foundation of China 22&ZD169

National Natural Science Foundation of China U2133207

Postgraduate Research & Practice Innovation Plan Program of Jiangsu Province KYCX24_0465

More Information
Article Text (Baidu Translation)
  • 摘要: 为规范城市低空物流无人机规模化运行秩序,提出了城市低空物流无人机立体航路网络规划方法。基于城市低空分层空域结构,采用栅格法对城市低空进行离散化建模;结合“一网-双层-三节点”航路网络架构,构建了转运点选址模型与航路网络规划模型;搭建了基于自组织映射神经网络与多目标模拟退火的算法框架,优化转运点空间布局与网络拓扑结构。以南京某地区为例进行仿真试验,结果表明:当需求点数量一定时,由于转运层承担了货物的流转功能,转运网络的节点平均度大于配送网络;与遗传算法与灰狼优化算法相比,提出的多目标模拟退火算法可以更好地兼顾目标之间的关系,综合得分提升17%以上;随着需求点规模不断扩大,转运点数量呈现增长趋势,激活了更多可选航路节点,拓展了无人机航路选择维度;与单层网络相比,所构建航路网络的非直线系数减少14.09%,航路流量均值降低52.43%,可有效分散航路负载。所提方法可以实现用户需求密集场景下的航路网络规划,提升了物流无人机在复杂城市环境中的运行可行性。

     

  • 图  1  栅格法空域环境表征示意

    Figure  1.  Schematic of airspace environment representation by grid method

    图  2  物流无人机立体航路网络整体架构

    Figure  2.  Overall architecture of three-dimensional route network for logistics drone

    图  3  基于SOM的转运点选址流程

    Figure  3.  Transfer node location process based on SOM

    图  4  航路网络个体编码示意

    Figure  4.  Schematic of individual coding for air route network

    图  5  交叉与变异算子

    Figure  5.  Crossover and mutation operators

    图  6  仿真环境

    Figure  6.  Simulation environment

    图  7  转运点初始选址服务距离与得分

    Figure  7.  Service distance and score of transfer node initial location

    图  8  算法迭代曲线

    Figure  8.  Algorithm iteration curves

    图  9  转运网络长度与得分

    Figure  9.  Lenth and score of transfer network

    图  10  航路网络结构示意

    Figure  10.  Schematic of the route network structure

    图  11  算法对比结果

    Figure  11.  Algorithm comparison results

    图  12  不同需求规模下的航路网络结构

    Figure  12.  Route network structures under different demand scales

    图  13  不同需求规模下的节点度分布

    Figure  13.  Node degree distribution under different demand scales

    图  14  不同需求规模下的航路流量分布

    Figure  14.  Route traffic distribution under different demand scales

    图  15  不同需求规模下的飞行时间

    Figure  15.  Flight time under different demand scales

    图  16  航路网络结构对比

    Figure  16.  Comparison of route network structures

    图  17  不同结构下的节点度分布

    Figure  17.  Node degree distribution under different structures

    图  18  不同结构下的航路流量分布

    Figure  18.  Route traffic flow distribution under different structures

    表  1  仿真参数

    Table  1.   Simulation parameters

    参数 取值
    无人机满载续航里程/km 8
    无人机空载续航里程/km 10
    无人机最大负载质量/kg 30
    无人机水平飞行速度/(m·s-1) 12
    无人机垂直飞行速度/(m·s-1) 5
    转运点服务半径/km 1
    转运点服务压力上限 10
    转运点服务压力下限 1
    配送层网络高度/m 50
    转运层网络高度/m 80
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    表  2  航路网络特征参数

    Table  2.   Characteristic parameters of the network

    参数类别 参数名称 参数数值
    航路网络长度 整体航路网络/km 66.40
    转运层网络/km 33.24
    配送层网络/km 29.90
    航路网络结构 网络非直线系数 1.28
    航路平均介数 37.18
    转运层节点平均度 5.57
    配送层节点平均度 3.27
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    表  3  不同需求规模下的航路网络规划结果

    Table  3.   Planning results of route networks under different demand scales

    需求点数量 10 15 20 25 30 35 40 45 50
    需求规模 配送量/kg 2 475 3 625 4 777 6 083 7 378 8 554 9 665 10 877 12 116
    转运点 转运点数量 5 5 7 6 9 7 10 9 12
    服务需求点均值 3.00 4.00 3.57 5.00 3.89 5.71 4.51 5.56 4.58
    网络长度/kg 整体航路网络 23.10 25.97 31.39 32.69 43.57 46.00 54.15 57.57 66.40
    转运层网络 6.40 12.68 15.74 20.82 20.29 29.52 26.70 34.06 33.24
    配送层网络 15.64 11.99 14.04 10.04 21.11 14.12 24.75 20.58 29.90
    航路介数 均值 8.82 13.34 20.10 21.48 23.05 25.70 32.70 34.25 37.18
    标准差 6.64 13.61 20.95 27.63 23.72 33.71 34.22 40.15 39.69
    节点度 均值 3.76 3.87 4.10 4.13 4.34 4.36 4.50 4.52 4.62
    标准差 1.55 1.45 1.64 1.76 2.20 2.14 2.34 2.38 2.77
    航路流量/veh 均值 48.85 46.95 61.58 43.03 46.84 34.46 45.62 35.44 41.09
    标准差 32.09 40.84 52.45 45.46 41.79 41.10 34.66 38.36 41.95
    飞行时间/s 均值 159.52 161.50 170.99 164.41 151.73 148.18 157.36 158.43 155.05
    标准差 70.10 73.13 77.11 72.31 59.85 58.58 65.04 65.89 62.54
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    表  4  不同结构下的航路网络规划结果

    Table  4.   Route network planning results under different structures

    参数 单层网络 双层直连 双层互连
    网络长度/km 38.77 46.68 66.40
    网络非直线系数 1.49 1.37 1.28
    航路介数 均值 69.61 57.59 37.18
    标准差 75.31 34.35 39.69
    节点度 均值 3.89 2.91 4.62
    标准差 0.89 3.52 2.77
    航路流量/veh 均值 86.38 74.19 41.09
    标准差 96.93 52.47 41.95
    飞行时间/s 均值 191.72 164.43 155.05
    标准差 86.36 68.52 62.54
    任务累计里程/107 m 2.41 2.06 1.81
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-28
  • 录用日期:  2026-01-23
  • 修回日期:  2025-11-22
  • 刊出日期:  2026-04-28

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