Study on the Developments of Drone Delivery

王怡婷（交通部運輸研究所副研究員）

許修豪（交通部運輸研究所簡任研究員）

 

【關鍵字】物流運送、載貨無人機、鋰電池、氫燃料電池

 

國際上已有許多成功投入使用無人機運送領域案例，特別是在醫療和食品配送應用領域，但導入載貨無人機使用仍有許多因素及挑戰須被考慮及克服，但對物流及零售商而言，無人機運送相較於目前陸路運輸模式，具有相當大的發展潛力，包括縮短運送時間及運送成本等。本文整理目前載貨無人機應用於物流運送之相關資料與文獻，歸納其發展現況及未來尚待進一步研究釐清之議題，提供後續研究者參考。

 

一、前言

 

載貨無人機（delivery drone）是指將無人機應用於貨物運輸，從Amazon自2013年宣布開始探索使用無人機進行商品運送後，掀起無人機運送貨物熱潮，但伴隨而來的是各界對無人機運送貨物產生疑慮，其中運送安全、安保和監管是最受關注的問題（Robillard & Byers，2013）。疫情高峰期間，無接觸運送服務概念的普及化，更加速無人機運送發展速度，包括如何替居家隔離患者提供藥品及食物，如何利用無人機載運新冠疫苗等，都是當前熱門話題。雖然載貨無人機的使用仍有許多因素及挑戰須被考慮及克服，為搶占無人機服務市占率，許多物流及零售商都已競相推出各種試驗性服務。

 

二、載貨無人機於物流運送之應用

 

商業無人機要能順利推廣運用，目前仍有許多須克服的困難，包括監管、技術及資本。在物流應用部分，由於無人機物流服務的安全性一直受到存疑，「門前投遞」的無人機快遞無法如預期般快速普及化。目前包括美國及日本在內的27個國家，允許在事先獲得批准或在特定重量或高度的情況下可以使用無人機商用外，多數國家仍禁止無人機的商業使用，包括台灣。但隨著無人機的技術和社會觀感不斷變化，有關無人機的法律也持續不斷更新，預期未來將有越來越多國家允許無人機商業應用。由於載貨無人機同時存在潛在的優劣勢，無人機是否比傳統陸路運送更好，以及在什麼情況下無人機優於傳統運送方式，當政府在為無人機應用在物流行業做準備時，應了解無人機在貨物運送時對環境的影響。

 

2.1國外發展概況

 

最早取得美國聯邦航空總署（Federal Aviation Administration，FAA）核准的Alphabet的無人機子公司Wing，順利在2019年送出第一趟貨物，但載送貨品重量限制不可超過1.3公斤，並且只獲准在維吉尼亞州內少數的城市進行小包裹送貨，此外無人機抵達目的地後不會降落，而是盤旋在目的地半空，由繩索垂降包裹。Wing也在澳洲部分與澳洲零售與地產商Vicinity Centers合作，透過零售商商場現有閒置的屋頂空間，將貨物從販售點直接運送到客戶家中，同樣的收貨方不直接與無人機交貨，而是無人機在離地面約7公尺處盤旋，利用繫繩將包裹緩慢下降到地面，包裹到達地面後，將貨物從繫繩中釋放，當無人機飛走後，客戶可以拿起包裹。

雖然無法做到門前投遞，對老牌物流商如UPS來說，已經具備成熟的陸運配送網路，仍可利用無人機在其物流中心和分揀中心傳遞包裹，再由卡車送到客戶手裡。但從整條物流鏈來說，效率最低且成本最高的部分就在最後一英里送貨到府，從這一個角度而言，反倒給了非傳統物流服務商的一個大商機，這也是網路零售商Amazon積極投資自動化物流技術的主因，目前已擁有許多無人機技術專利。

Amazon的陸運配送網路密集度遠不如傳統物流服務商，渴望透過自動化物流技術的突破，領先在最後一哩路配送服務上。「Prime Air」無人機送貨服務，早在2016年就首度測試完成無人機宅配任務，亦於2019年獲得FAA核准，但Prime Air僅能飛行24公里，承載5磅（約2.26公斤）重貨物。

儘管存在許多疑慮，國際上已有許多成功投入使用無人機運送領域案例，特別是在醫療和食品配送應用領域。從最早2016年紐西蘭達美樂披薩公司（Domino’s Pizza）和無人機新創公司Flirtey（現在為SkyDrop）合作，推出商用無人機送貨服務，成功完成無人機的第一次披薩外送。國際無人機物流案例整理詳表1。

 

表1 國際無人機物流案例彙整

業者	服務型態	場域類型	機種	運送標的	投遞方式	商業營運/概念驗證
Wing	家戶運送	小型城鎮（人口5萬人以下）	混合翼電力垂直起降	食品、藥品、雜貨	空中吊掛不降落	商業營運
UPS Flight Forward	家戶運送	小型城鎮（人口5萬人以下）	多旋翼、混合翼	醫藥用品、檢體、疫苗等	降落後取貨	商業營運
Flytrek	家戶運送	中小型城鎮（人口20萬人以下）	多旋翼	醫藥用品、檢體、疫苗等	空中吊掛不降落	概念驗證
樂天	高山運補	高山山屋	多旋翼	食材、醫療用品	降落後取貨	概念驗證
Zipline	偏鄉運送	偏遠地區	定翼	醫藥用品、檢體、疫苗等	空中投送不降落	商業營運
Volocopter	物流端點	城際運輸、機場間運輸	多軸	不限	降落後取貨	概念驗證
DHL+億航	集中收貨站	城市地區	多軸	一般商品	集中收貨站	概念驗證

資料來源：黃于哲等人（2021）。

 

2.2台灣發展概況

 

要實現無人機物流服務的商業模式，最終須回到成本效益分析問題，且安全監管牽涉到載重及飛行高度限制，直接影響服務商的獲利能力。

當前在台灣民航局訂立遙控無人機專章及相關法規命令中，對於要使用無人機進行物流活動相關監管包括只有農噴活動及緊急事故得申請無人機投擲動作，且逾25公斤的無人機則要通過實機檢驗和註冊發照，再加上規定高度限制及指定範圍內飛行等。

依台灣之環境特性，若要使用無人機運送山區包裹及郵件，據估計承載重量至少要達到30公斤以上才符合效益，此外無人機運送郵件，是考量可用降低山區道路因天然災害造成土石崩塌時，須仰賴人力涉險挺進災區的風險。中華郵政曾在2018年成功驗證偏鄉平坦地形地無人機物流測試，載運5公斤以下內裝茶葉與咖啡的包裹，從台南市左鎮晨曦山莊飛往左鎮郵局，成功驗證。在2019年測試無人機克服山區地形高低海拔落差問題，成功完成阿里山運送血清郵件的測試。然並非所有測試都能如此順利，2021年4月測試無人機跨海離島包裹運送任務，從東港載運郵件（機體重量加包裹重量不超過25公斤限制）跨海直飛至小琉球，共有5架無人機參加測試，測試結果只有2架可順利完成運送任務，且其一雖完成任務，但過程中一度失去控制，所幸最後順利返航完成任務。

從消費者角度而言，顯然社會大眾對無人機運送的疑慮，隨著技術漸趨成熟，以及大環境應用的改變，其接受度有可能會提高。而無人機交貨方式（與顧客的互動方式），是目前用來評估無人機能否順利導入運送，進行商品交付可行性的重要指標。無人機貨運要落地商用仍存在許多挑戰與條件姑且先不論消費者對載貨無人機的接受度如何，服務商要真正讓無人機貨物運送落地，仍有許多當前無人機技術在物流領域應用的限制，包括在營運面如安裝貨物的容器設計須耐用且容易操作，以及須避免人口稠密區，降低無人機碰撞或墜機風險，尚須考量貨物或文件損毀成本，以及連帶相關的保險議題，對零售商而言，還須思考是否導入無人機配送中心（drone port）及充電站等，均會增加額外營運成本。

 

三、載貨無人機之動力來源

 

載貨無人機的技術成熟度（Technology Readiness），包括速度、耐力、距離和有效載荷，都是用來評估載貨無人機能否順利被導入市場應用的基礎。在所有技術中，續航力目前是發展在貨物無人機的一個較難但亟須突破的技術瓶頸。以Wing輕型送貨無人機為例，為全電力系統驅動，然受限於電池電力，最遠航行距離只達約9.6公里。

為了有較高的酬載與滯空能力，能源挑選須考量重量能量密度（每單位重量所能儲存的電能量mass-specific energy，Wh/Kg（瓦時／公斤）及體積能量密度（每單位體積所能儲存的電能量volumetric specific energy，Wh/L（瓦時／公升），不同能源的重量能量密度及體積能量密度如圖1。

由於鋰聚合物（Li-Po）和鋰離子（Li-ion）電池非常小巧且價格合理，目前絕大多數（約96%以上）商用無人機電源都採用此類電池方案。目前無人機鋰電池能量密度約為160Wh/kg，最高可飛行時間約落在15至20分鐘，若要酬載大型貨物，其續航力甚至可能降低。但若增加電池尺寸或數量，便會影響到總載貨重量及飛行距離，且當前電池在能量密度技術發展上有其極限，使用直流馬達為動力，以特斯拉Model 3為例，該車款使用松下的鋰電池，其能量密度為260Wh/kg，而根據松下預估未來5年內，可將能量密度提高20%。但對無人機來說，電池的能量密度需要提高到400Wh/kg以上，才能實現可行的商業電動飛行的目標。

此外，一般而言大型無人機得以載重更多的電池以具備更長的續航力，具有更高的載重能力，但僅增加更多電池或採用能量密度極高的動力來源，可能也無法提高續航力及增加酬載能力，因為整個系統都會影響飛行性能，包括推進系統重量、推進系統的熱效率（燃料燃燒的熱能轉換為機械動能的比率）等，如電池供電系統達到73%，燃料電池達44%，而傳統燃油引擎僅有39%。

顯然無人機若使用純電池系做為動力來源，就得受限於電池的能量密度無法快速成長的瓶頸，加上近年來高漲的環保意識，使得燃料電池無人機開始受到關注，尤其氫燃料電池具備高能量密度優勢，能提供無人機長時間執行任務，最被看好。目前國際上已有許多使用案例。2021年初，韓國斗山創新（Doosan Mobility Innovation，DMI）的氫能無人機，成功完成2個小時的飛行紀錄。看好燃料電池發展前景，長期投入相關研究的工研院材化所，在2020年與台灣田屋科技合作，研發以氫氣為主的燃料電池，裝置在田屋科技的無人直昇機上，透過遠端遙控無人直昇機，從宜蘭烏石港飛向的龜山島，再飛回原地，單程12公里，總航程飛行40分鐘。

表2整理各類動力來源及特性，在所有動力來源中，當前以前4項目為市面上較常見的應用來源。

 

圖1 不同能源之能量密度比較

資料來源：Drone Industry Insigths（2017）。

 

表2 無人機動力來源及特性

項目	特性
電池	可以在任何地方充電，透過更換電池組即可完成「加油」。 Li-Po 和 Li-Ion 是無人機最常見的來源。
汽油	已有許多成熟的汽油動力解決方案（petrol-powered solutions）可供選擇。 除具有續航優勢外，隨著飛行時間拉長燃料重量可因而減輕，從而使機身更輕，而進一步增加航程。 與鋰聚合物電池相比，汽油的重量能量密度增加了 48 倍，體積能量密度僅增加13倍。 內燃式引擎具有堅固、體積小、重量輕的優點，也有較好的熱效率。
氫燃料電池	低污染及噪音。 能量密度為鋰聚合物電池的 150 倍。 已有許多測試機型案例。
油電混合動力	結合電力發動機的快速反應與汽油內燃機動力的優點。
太陽能	太陽能電池效率因技術成長不斷增加，從10%到近46%，功率比約175W/m2。 適用於高海拔及長航時 （High Altitude Long Enduration, HALE） 無人機，設計目的是在不需要燃料的情況下保持飛行數年。 若使用於多旋翼無人機，需在整個機翼的表面上覆蓋大面積的太陽能板才能正常運作。
超級/超電容器（Super/Ultra-Capacitors, SuperCaps）如石墨烯	超電容的功能與「電池」頗為相似，都是儲存、供給電能的裝置。但相較於一般充電電池，「超電容」有更高的輸出功率、更長的使用壽命（充、放電次數超多）、充電效率更高、可靠度更好等諸多優點。 能量密度太低為其缺點，遠落後於電池。 「超電容」當前積極運用於「大眾交通工具」的動力來源，如高雄輕軌捷運。
雷射（laser）	原理是利用雷射光束，照射在無人機的感光板進行空中充電。

資料來源：Drone Industry Insigths。

四、應用載貨無人機於物流運送對於環境影響

 

載貨無人機進行商業應用，除了考量成本和法規層面外，亦有許多文獻認為此類新技術之應用，應考量其對環境影響並加以分析。直觀而言，因無人機尺寸小，可減少能源消耗，且目前已有許多無人機使用再生能源，例如前述之太陽能及風能等產生電力，加上無人機可方便運送陸路無法到達或難以到達的地區，避免交通壅塞，縮短送貨時間，因此可減少溫室氣體排放量。

然而由於小型無人機的有效載重及續航力都有其限制，目前技術並不適合長距離或大重量貨物運送，且若須採用無人機物流系統所需額外倉儲相關所產生排放，如配送倉庫、無人機場（drone port）或充電站基礎設施，才能有效擴展無人機運送範圍的情況下，可能抵銷無人機的能源效率優勢（Stolaroff等人，2018年），此外還須考慮到目前已有使用綠色能源的傳統運具，且當未來商業大型無人機能實際投入商業應用時，其對照之陸路運輸之運具可能已為電動汽車，而非目前的傳統汽油或柴油汽車大不相同，因此許多文獻顯示無人機是否有益於環境仍存在不確定性。

歐盟環境署於2020年出版「載貨無人機與環境」報告中表示（EEA，2020），從環保角度使用無人機進行送貨服務有其利弊，相較於許多傳統運具，如摩托車、汽車、貨卡車，在特定條件下，無人機運送有助於減少碳排量，但仍須要考慮其他因素，如電池生命週期，未來無人機應使用太陽能或風能等再生能源。其他潛在的環境影響與風險，包括噪音污染、對城市環境的負面視覺、碰撞及貨物掉落造成的碎片及其處置（Nentwich及Horváth，2018）等。

Park等人（2018）以韓國為例評估使用無人機、燃油機車、電動機車，比較在城市（首爾）和農村（江原道）地區，以無人機外送披薩對環境的影響。其研究結果顯示，使用無人機平均每公里碳排為機車配送的1/6，減少PM2.5是機車配送的1/2。此外在農村使用無人機運送的環境效益高於都市，可減少的碳排是城市地區的13倍，主要是由於農村地區配送距離較長，若使用再生能源驅動的無人機，將進一步提高無人機對環境的貢獻。

Goodchild及Toy（2018）利用行駛里程（vehicle-miles traveled，VMT）標準，估計無人機與貨車運送模式碳排量，由於無人機一次只能運送一個包裹，每次送達後須回程在進行下一趟運送，使得無人機平均行駛里程遠高於貨車，因此若無人機運送要具備碳排優勢，其應具備低電力需求、較短交付運送距離（收貨點靠近發貨點）、收貨者數量少等送貨條件，並建議利用無人機服務較近區域，傳統貨車運送到較遠區域之「混合」模式，可讓碳排放量最少。

Figliozzi（2017）以生命週期，計算無人機和傳統柴油貨車的二氧化碳排放量，其結論為：雖然無人機每單位距離碳排較低，但若將收貨者分群，貨車可沿路線配送，則無人機將喪失其相對優勢，因為無人機一次只能運送到一個地方，若須交付多個包裹，傳統方式仍較節能。

 

五、結論與後續研究建議

 

目前載貨無人機在物流運送服務的商業模式，在成本效益等方面尚未完全成熟，但國際上仍不斷有相關之應用案例進行，對於傳統大型物流商，雖可利用無人機在其物流中心和分揀中心間之貨物傳遞，但就物流鏈角度，送貨到府的最後一哩，仍是載貨無人機在物流運送服務上，構建成功完整商業模式的關鍵之處。目前台灣載貨無人機在物流運送服務的相關案例與試驗，受限法規限制，相較國外較不熱絡。且以台灣環境特性，若要使用無人機運送山區包裹及郵件，據估計承載重量至少要達到30公斤以上才符合效益，然此部分之無人機之法規限制及技術門檻更高。

技術方面，載貨無人機在續航力及增加酬載能力，仍受使用能源、推進系統重量、推進系統的熱效率等限制，尚待相關技術持續進展與突破。此外應用載貨無人機於物流運送對於環境影響方面，目前相關研究多有其特定的環境或條件的限制或設定，其評估方式不夠完整，無法確認在實際商業應用情境中，相較陸運運送方案確實具備減碳優勢。

對於台灣載貨無人機在物流運送服務所受之法規限制，建議應隨國外之相關案例與試驗之法規框架適時檢討調整，以鼓勵國內之無人機產業發展及相關案例與試驗之推動。運研所已於109年啟動無人機整合示範計畫（Integrated Pilot Project，IPP），提供無人機業者做為實地技術驗證測試的場域，應盡快思考未來如何順利將概念驗證進入商業模式驗證。

無人機在使用能源與相關硬體技術方面，仍須持續推動相關研究與發展，以增加於物流運送服務之競爭力。而未來若導入無人機物流應用，對於環境是否存在潛在效益或影響，應有量化且全面之研究與評估，包括與現行燃油貨車、機車配送系統及未來汽機車電動化進行較全面的比較。

 

 

參考文獻

 

1. 黃于哲、吳東凌、張益城（2021），「國際無人機物流發展趨勢探討」，交通部運輸研究所運輸研究專輯。
2. Drone Industry Insigths,2017, Drone Energy Sources – Pushing the Boundaries of Electric Flight, https://droneii.com/drone-energy-sources（檢索日期：2022/7/21）。
3. European Environmental Agency（EEA）, 2020, Delivery drones and theenvironment, https://www.eea.europa.eu/publications/delivery-drones-and-the-environment（檢索日期：2022/7/21）。
4. Figliozzi, M. A., 2017, Lifecycle modeling and assessment of unmanned aerial vehicles (drones) CO emissions, Transportation Research Part D: Transport and Environment 57, pp. 251-261.
5. Park, J., et al., 2018, A comparative analysis of the environmental benefits of drone-based delivery services in urbanand rural areas, Sustainability10, p. 888.
6. Goldchild, A. and Toy, J., 2017, Delivery by drone: an evaluation of unmanned aerial vehicle technology in reducingCO emissions in the delivery service industry, Transportation Research Part D: Transport and Environment61, pp. 58-67.