林志玮 朱惠玲 洪宇

[摘 要] 在“新常态”背景下，我国传统物流行业也随之转型升级，逐步适应“互联网+”时代下通融互联、高流动的特点，以形成一个开放的有机生态圈。但在“最后一公里”及短途运输等情况下仍存在效率低下的问题，运用无人机可以有效地解决这类问题。通过开发的多旋翼无人机物流模拟系统可以操控无人机自主取物、运输。该系统拟解决个人物品短距离运输问题，代替了现在高成本的跑腿代送服务，同时实现传统行业与前沿技术的有机结合。通过“交叉”的科学理念颠覆现有的传统单一的科研范式，实现教学模式深化改革，促进学科协同，形成解决问题的新模式，力图培育与社会需求接轨的新时代复合型人才。

[关键词] 无人机;传统行业;交叉学科;教学模式改革

[基金项目] 2018年度福建省研究生教育教学改革项目“AR/VR技术背景下研究生教学模式改革研究与实践”（FBJG20180197）

[作者简介] 林志玮（1981—），男，台湾台北人，博士，福建农林大学计算机与信息学院副教授，主要从事图像处理、图形识别、机器学习、虚拟现实与增强现实研究;朱惠玲（1997—），女，上海人，福建农林大学计算机与信息学院2020级统计学专业硕士研究生，研究方向为统计信息技术与数据挖掘，图像分割识别;洪 宇（1996—），女，福建南平人，福建农林大学计算机与信息学院2018级统计学专业硕士研究生，研究方向为统计信息技术与数据挖掘，图像分割识别。

[中图分类号] TP399   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）24-0145-04   [收稿日期] 2020-02-28

一、引言

近年来，我国经济迎来“新常态”，传统物流面临着高成本低效率的运营难题，因此物流业开始寻求信息化、自动化与机械化的新模式，提出智慧物流的概念。2017年国务院发布了《关于印发新一代人工智能发展规划的通知》，对重要的生产性服务业——物流业提出了更高要求，将智慧物流提升到“引导新一轮经济发展和产业变革动力”这一新的高度[1]。无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是指利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，最早起源于军事领域，随着物流业务订单的急剧增加、成本日益增加以及考虑到人工作业延误时常发生，智慧物流企业逐渐开始选择使用无人机技术配送[2]。

相较于传统物流运输方式，无人机物流运输有配送效率高、节约资源、环境适应性强等优点，主要应用于运输的“最后一公里”和特殊环境配送中，尚未普及至日常物流运输。无人机对精度、可靠性及抗干扰性都有较高的要求，目前在导航系统、动力系统与数据链等方面存在技术难点，同时由于相关法规建设滞后，无人机物流面临监管难题。无人机物流的发展需同时考虑技术和监管，例如建立完善的物流云监管系统和无人机监管机制，攻克技术阻碍的同时充分考虑安全与隐私问题。因此，社会对能够熟练使用无人机进行作业的人才需求量必定会大大增加[3]。

可见，围绕世界科学发展前沿、国际研究发展趋势和我国经济社会发展战略需要，组织开展跨学科研究，形成新的方向和学科分支，解决新问题是未来的大方向。福建农林大学计算机与信息学院目前设有计算机科学与技术、统计学学科硕士点，可以结合无人机等相关技术进行前沿技术研究，通过跨越学科界限来进一步合理调整专业结构。本文研究基于微型无人机操控的物流模拟系统及其应用，以期丰富研究生综合素质培养，将传统学科与先进技术有机融合，培养社会战略需要型人才。

二、无人机背景下研究物流模拟系统的意义

（一）对于教学模式的意义

技术爆炸的时代，新技术层出不穷，更新节奏越来越快，各传统行业都在进行思维模式变革适应新的技术环境[4]。教育的最终目的是为国民经济的发展、社会的前进服务，各个国家的经济发展无不与教育的发展和高校的科学研究有关。因此，本文以行业发展趋势与社会需求为方向，对陈旧化、单一化的传统教学模式进行改革，以提升学科交叉能力，同时将研究应用到实践。对前沿技术与传统行业有机融合的研究具有解决复杂问题、培育符合新时代特征的复合型人才以及拓展研究生培养方向的现实意义。该研究通过跨学科方式综合多学科的相关知识，培养学生实践能力、创新思维能力与问题解决能力，与美国开创的STEAM教育教学理念相吻合，即以探究式学习方法为主，以项目驱动模式为主导[5]。

（二）对于物流产业的意义

随着人们不断增长的物质需求和对美好生活的向往，我国的物流产业正处于一个蓬勃发展的时期，由于市场机制开始发挥越来越重要的作用，物流具有了广阔的发展空间[6]，智慧物流更是成了经济发展与产业变革的动力之一，正越来越多地应用于我们生活中。与无人机技术相结合的物流系统目前仍主要服务于企业，即末端配送、偏远地区配送等情况，随着技术水平的整体提升以及相关法规的逐步完善，未来会逐渐渗入到普通用户的日常生活中，如个人物品短距离运输。运用无人机运输的优势有：（1）传统运输方式如跑腿代送等，在运输过程中耗费了大量的人力，相较之下，无人机运输配送效率更高、环境适应性更强且节约资源。（2）无人机运输旨在透明化个人物品的运输过程，避免了安全与隐私问题。（3）在用户体验上，现有的运输系统中，用户仅为被动接受方，而无人机运输系统中，用户可以自选时间、地点，直接对无人机下达指令。

三、基于无人机操控的物流模拟系统内容

共享无人机物流模拟系统是包含了App客户端、服务端、无人机客户端的全面系统。其主要功能划分如图1所示。

（一）App客戶端

App客户端是用户与系统交互的主要途径。用户可在App客户端进行账号注册登录的操作，另外用户还可以通过App客户端首页的实时地图查看自身当前位置和无人机的实时位置，在以用户当前定位为中心的地图上设定出发点与目的点，来完成对无人机飞行任务目标点的指定，随后点击开始任务按钮来完成对无人机的模拟呼叫，开始模拟飞行任务。

Android App是使用uni-app技術制作的App，运行过程中时刻保持与服务器的连接。App客户端接受用户的请求并将其发送给服务端，服务端进行相关的业务处理后，再将数据发送给无人机客户端。

（二）服务端

服务端是系统业务的处理中心，需要时刻保持运行状态，保证每个请求被快速正确处理。服务端包含三个模块：网络模块、业务模块和数据存储模块理。服务端通过网络模块，连接App客户端和无人机客户端，进行数据的接收和转发。业务模块负责处理收到的数据，如客户端的身份验证、用户的登录注册、App客户端的开始任务请求、无人机客户端的实时位置处理等，并将处理结果交给网络模块进行转发，此外业务模块还会存储必要的数据在内存中。数据存储模块负责数据库的存储操作，进行重要数据的持久化存储。

（三）无人机客户端

通过装载双目摄像头的无人机，用户利用手机就能实时查看无人机飞行路线。同时，使用树莓派作为无人机机载电脑。树莓派4B用USB数据线连接双目摄像头，实时获取前方图像进行障碍物的检测。

无人机客户端包含三个模块：网络模块、数据处理模块和无人机控制模块。无人机客户端通过网络模块与服务端保持通信，通知服务端无人机当前的任务执行情况和位置信息，或者处理收到的信息，如App客户端的开始飞行任务请求。数据处理模块处理当前无人机的位置信息和高度信息，判断无人机是否抵达目标点，对双目摄像头获取到的图像数据进行立体匹配以获得前方空间的深度信息，并根据前方物体的深度信息配合无人机控制模块进行避障处理。无人机控制模块分为飞行控制模块和双目立体视觉处理模块。飞行控制模块，简称飞控，是无人机的飞行控制中心，使用DroneKit Python库进行基本的飞行控制，如飞行方向的控制和飞行速度的控制。无人机客户端在飞行中会通过视觉处理模块实时获取前方图像，并使用OpenCV提供的BM块匹配算法对图像进行立体匹配得到两个相互匹配像素点之间的距离，即视差。利用视差结合摄像头的内外参数可获得深度信息，根据图像深度信息测量飞机前进方向上的障碍物与无人机间的距离，并将该深度信息发送给数据处理模块进行障碍物识别判断。系统模块构成如图2所示。

上述共享无人机物流模拟系统跨越电子信息技术、飞行操控、材料学、软件工程等多个领域的知识，实现了个人物品短距离运输功能，为无人机运输的应用提供了一种新思路。无人机涵盖专业知识广泛，是跨学科、多层次教学的理想载体。学科发展与社会需求是相辅相成、互为表里、共同成长的，而交叉学科更是指导科技发展的指向性制度政策和布局体系。与传统的学科发展和问题统计方式不同，交叉学科更多的是围绕大方向目标，在应用情景中组织起来。这不仅出于发展学科认知的需要，更体现出交叉学科组织模式中带有的实用性目的和解决问题的责任，属于问题导向的研究[7]。

四、结语

《国家教育事业“十三五”规划的通知》指出，要积极发展互联网+教育，综合利用互联网、大数据、人工智能等技术，探索未来教育教学新模式[8]。为跟进国家发展方向，福建农林大学计算机与信息学院也在积极推进，不断探索高互动的互联网教学类产品，力图深化改革现有教学模式，探索新科学研究范式，实现与社会需求接轨，做到需求方向与教改路径一致。同时，丰富研究生课题研究方向，提升科研与实践综合能力，完成人才培养、科学研究和服务社会的三大职能。

交叉学科之间通过相互借鉴相关理论与方法，克服现存屏障，为学科进一步裂变创造条件，促进学术研究方向的转变以及学术水平的提高，看似周而复始，实则在宏观上呈现出进步的状态，是科学发展到一定程度后的必然趋势。但是，高校在交叉学科研究方面仍然存在观念滞后、组织障碍和制度瓶颈等方面的缺陷，严重制约了研究生培养模式的转型[9]。本文提供了一种将新技术与传统行业有机融合的思路，提出了结合无人机技术在物流系统中应用的新方向，验证了共享无人机在物流系统中应用的可行性。作为示例，本文仅提供一种基本框架与新思路，在现有教学模式下引入其他领域的跨学科知识，探索基于学科融合并面向国家需求和成果转化的教学新模式。

参考文献

[1]余娟.我国智慧物流发展趋势、存在问题和对策研究[J].价格月刊，2019（2）：65-69.

[2]孙捷.智慧物流背景下无人机配送发展分析[J].价值工程，2019，38（29）：218-219.

[3]梁璐莉，吕文红，葛家丽，等.无人机物流发展综述[J].物流技术，2018，37（12）：41-45.

[4]楚小庆.技术发展与艺术形态嬗变的关系研究[D].江苏：东南大学，2018.

[5]刘泽良，张春梅，陈福山，等.浅析VR技术在STEAM教育中的应用[J].科技传播，2019，11（23）：143-144.

[6]詹国华.高校物流专业学科建设刻不容缓[J].中国物资流通，2002（5）：34-36.

[7]王孜丹，杜鹏，马新勇.从交叉学科到学科交叉：美国案例及启示[J].科学通报，2021，66（9）：965-973.

[8]高海波.VR（虚拟现实）教育应用综述[J].信息与电脑（理论版），2019（2）：231-232+235.

[9]游士兵，惠源，崔娅雯.高校协同创新中交叉学科发展路径探索[J].教育研究，2014，35（4）：94-99.

On the Influence of the Combination of Traditional Industries and Cutting-Edge Technology on

Teaching Model

LIN Zhi-wei， ZHU Hui-ling， HONG Yu

（School of Computer and Information， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China）

Abstract： In the background of the “new normal”， our traditional industries have also been transformed and upgraded， gradually adapting to the characteristics of accommodating interconnection and high mobility in the “Internet +” era to form an open organic ecosystem. However， there still has problems of inefficiency in the case of the “last mile” and short-distance transportation， and that can be effectively solved by using the UAV. The proposed multi-rotor UAV logistics simulation system can control the UAV to autonomously fetch and transport objects. The system intends to solve the problem of short-distance transportation of personal belongings， replace the current high-cost errand delivery service， and realize the organic combination of traditional industries and cutting-edge technology. The goals are to subvert the existing traditional single scientific research paradigm through the “cross-over” scientific concept to deepen the reform of the teaching model， promote the collaboration of disciplines， form a new model for solving problems， and strive to cultivate new era compound talents that are in line with social needs.

Key words： UAV; traditional industries; interdisciplinary; teaching model reform