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全球民用无人机融入空域战略与我国对策

发布日期:2021-06-30我要投稿我要评论

无人驾驶航空器及其衍生系统(以下简称“无人机”) 是21世纪航空业发展的最大技术变量中美欧都具备相对完整的民用无人机产业链,具备主导全球民用无人机发展的实力与动力,也是全球无人机产业主要的创新源与目标市场。美欧在社会动员、无人机融入空域战略、运行技术研发方面不遗余力,值得我国关注并自主推进无人机融入空域战略。

一、民用无人机构筑航空业新结构新动能

1.全球行业规模快速增长

机队规模快速扩大。根据美国联邦航空局(以下简称“FAA”)统计,2019年底,美国25公斤以下小型无人机数量共170.5万架,其中航模无人机132万架,在线注册商用小型无人机38.5万架。FAA预测到2024年美国小型无人机数量达到230.8万架。根据欧盟资助的市场预测,欧洲无人机数量到2025年将达到720万架,其中消费类无人机约700万架,商用或政府用途的专业无人机约20万架。我国2020年在民航局实名登记注册的无人机达到52.4万架,同比增长33.6%,经营性无人机13.2万架,同比增长63.4%。

参与者众多。2020年底,我国注册无人机运营企业10725家,注册无人机法人用户达到5.8万家。2019年美国在107部规章下登记的无人机运营人10.8万个。截止2019年底,美国注册航模无人机爱好者达到99万人。FAA预测美国获得执照的无人机驾驶员将从2019年的16.2万人增长到2024年34.9万。2020年我国注册无人机用户49.3万人,同比增长32.9%。2020年底我国无人机驾驶执照88944本,同比增长32.3%。SESAR联合体预测,到2035年欧洲的无人机行业直接从业者将达到10.5万人。到2050年,欧洲无人机产业直接和间接工作岗位将达到25万到40万个之间。

运行量快速提升。2020年我国无人机经营性飞行量逆势增长36.4%,达到159.4万小时。2020年民航局云系统上传的无人机飞行183万小时,较上年增长46.4%。2019年我国参与云交换系统的无人机仅3.4万架,仅占当年在民航局实名登记无人机总量的8.7%,据此推算,我国民用无人机飞行量在1000万小时量级,超过我国通用航空飞行量,与运输航空飞行量相当。FAA根据抽样数据测算,2019年度美国航模/娱乐无人机的飞行量达到1500万小时,同比推测商用小型无人机约700万飞行小时,美国小型无人机飞行量已达2200万小时,超过当年美国运输航空的飞行量并接近通用航空飞行量。2018年5月,FAA推出受理小型无人机管制空域申请的LANNC系统,2020财年LAANC批准了14.1万次空域申请。2019年国际民航组织预测,民用无人机运行总量将很快超过传统航空器。

2.使用主体加速转化

全球消费类无人机规模在2010年代实现爆发式增长,但近年来消费类无人机增长逐渐放缓。FAA预测美国消费类无人机将在2024年达到峰值150万架,但商用无人机将保持年均17%的快速增长,到2024年达到82.8万架,其中价格在1万美元以上的专业类无人机将从2019年2.5万架增长到2024年的12.4万架。欧洲预测消费类无人机在2025年达到700万架的峰值,而商用与政府用途无人机将持续增长,从2015年的9000架增长到2020年的8.6万架,2025年和2030年达到20万架与37.3万架。从我国的情况来看,2020年经营性无人机规模同比增速(63.4%)要快于总体注册无人机的增速(33.7%),运营企业数量同比增速(50.0%)也高于注册用户数量增速(32.9%),2020年我国经营性飞行量同比增长36.4%,而且比2018年经营性飞行量(37万小时)增长331%。数据说明,无人机使用主体正在深刻转变,商业应用已经成为全球无人机的主流市场。

表1. 我国民用无人机规模统计指标(2020)

数据来源:民航局各司局各统计数据。

3.应用广度深度不断拓展

无人机航拍、无人机竞速、空中表演等应用技术已经成熟,专业类无人机技术渐趋成熟,无人机在基础设施巡检、末端物流配送、城市高层建筑消防市场占比逐年提高。农业植保市场是第一个无人机商用的规模市场,2020年专门为农林植保服务的极飞云提交飞行数据达到131.2万飞行小时,占无人机经营性飞行量的82.2%,占无人机总飞行量的71.6%。审定类无人机正在迅速改进技术并形成生产能力,支线物流无人机已投入测试验证。太阳能无人机已经具备2万米以上超高空超长时间运行的能力。

无人机下一个规模市场是城市空中交通(UAM)或先进空中交通(AAM)。美国目前正在起草和提出AAM的国家战略。SESAR预测,到2035年欧洲城市空中交通(UAM)将达到4000架FAA预测到2030年美国将有4万架物流无人机提供5亿次快递服务。NASA预测到2030年美国将有2.3万架UAM提供7.4亿人次的载客飞行

未来无人机还将逐步进入传统航空运输业,并优先在货运业务实现替代。SESAR联合体预测:到2050年将有1.2万架大型无人驾驶或可选驾驶航空器进入欧洲高空空域,占运输航空机队规模的28%。2050年欧洲中高空大型无人机飞行将达到700万小时,飞行距离40亿公里。150米以下超低空的无人机飞行量将超过3.5亿小时,飞行距离170亿公里。

21世纪后半叶,将是无人机技术逐步占据优势并最终与有人驾驶航空技术实现融合的过程。

三、无人机技术实质是航空数字化与智能化

1.基于算力平台的人工智能应用

人类技术发展史上建立了两个最大的通用技术平台:

——以瓦特蒸汽机为代表的动力技术,替代人畜的生物动力;

——以图灵计算机为代表的算力技术,替代人的计算能力。

传统航空器是动力技术平台的集大成者,现代无人机则是算力平台上开发出来的新一代航空应用。有人航空是人脑与机械动力的组合,人的感知与决策能力是有人航空的核心。而当代无人机以数字化为基础,充分利用了算力平台技术,是机械简单而数据丰富的新一代航空产品,具备利用算力与算法实现人工智能应用的潜力。无人机的优势不在于有人驾驶还是无人驾驶,而是航空业能否从算力技术的指数式发展中充分获益。

2.突破传统航空业普及的局限

民航业在交通运输行业中规模较小。阻碍航空业获得更深更广应用的因素是基础设施远离客户、仅提供长距离交通服务与使用频率低,这三个因素相互作用。目前航空运输主要应用于居民800公里以上交通,这是居民频率最低的月度或年度出行需求。通用航空在全球规模萎缩进一步限制了航空业的应用场景。

无人机将显著扩大航空业的应用领域与使用深度,进入城市社区与超高空,进入普通大众的日常生活,高频次地为居民提供娱乐飞行、快递服务与日常交通,成为各行各业日益普及的辅助工具,最终将补充、替代与融合传统有人航空。无人机将支持航空业在其第二个一百年历史成为一个真正的大众产业。

3.构建空域中的移动物联网

民航业的短板在空中交通管理。空中交通管理至今仍然主要依靠人的计算能力与语音通信来为空域中的航空器配置飞行间隔。

一方面,空管技术变革的动力不足。2019年全球共运行4680万个航班,2017年欧洲仪表飞行1600万小时,美国2380万小时。2019年我国运输航空飞行1231万小时。2020年中国和美国管制员规模都在1.4万人左右,欧洲管制员1.8万人,智能化可以替代的空管行业规模有限,数字化转型的需求不够迫切。

另一方面,空中交通管理存在数字化转型的困难。传统有人航空的特征是制造一个完备的航空器供飞行员操纵,整个航空业围绕飞行员建立基础设施、提供配套服务。当需要管制员-飞行员介入决策,就必须让人能理解飞行意图、管制指令以及机器的决策,人是航空数字化、智能化的最大障碍

由于飞行员不在航空器上,无人机的飞行完全基于地面发出的数字化指令,彻底改变了飞行员、管制员与航空器、空管服务提供商之间的责任分配与角色。

四、美欧民用无人机融入空域战略

1.开展社会动员

根据2017年10月发布的总统备忘录,美国运输部部长在2017年11月发布了一体化试点计划(IPP),邀请州、地区和部落政府共同参与无人机运行的试点。为了促进产业发展并避免损害少数人利益,IPP是一次重要的社会动员。截止2020年8月中旬,FAA通过IPP计划与9个地区合作完成15,402次无人机飞行,广泛测试了各类无人机飞行任务的社会接受度。

欧洲通过连续举办跨欧洲的无人机高层论坛来开展社会动员。2015年欧洲航空安全局(EASA)在拉脱维亚首都里加举办无人机高层论坛并发布《里加宣言:“构建航空业的未来”》,提出建立无人机监管框架的五项原则。2016年在华沙、2017年在赫尔辛基、2018和2019年在阿姆斯特丹,欧洲连续成功举办无人机高层论坛,不断凝聚欧洲各界、各层面发展无人机产业的共识。

2.制定无人机发展战略

欧洲:2011年,欧盟委员会发布《飞行轨迹2050:欧洲的航空愿景》预测“到2050年,很多航空器将是远程驾驶或完全自动化”。欧盟委员会2015年提出的《欧洲航空战略》将“充分释放无人机的潜力”列为欧洲“拥抱创新和数字技术”领域的主要任务。2014年欧盟委员会发布《航空业的新时代:安全与可持续地向无人机开放航空业市场》,确认由SESAR联合体负责开发无人机融入空域的技术。SESAR联合体则将航空战略明确的战略目标落实到欧洲空管发展主计划的战略框架,从探索性研究、产业技术开发、大型验证三个层面建立运行概念、技术原型到实用系统验证的研发流程。欧洲的无人机战略是从欧盟最高决策机关制定顶层航空战略和中远期规划开始,到EASA制定专项路线图和实施计划,再到由SESAR联合体预测市场需求与测算研发投资,最后落实到研发计划以及各机构的年度工作计划中,是一个体系完整、决策路径清晰、执行责任明确的战略。

美国《2012FAA现代化与改革法案》的出台,基本奠定了其后美国无人机相关政策的基调,该法案以法律授权方式确立了美国将无人机融入到国家空域系统的战略。法案要求FAA建立无人机融入空域计划、制定运行规则、开展试点项目等法律条款,规划了无人机发展的基础法规体系。根据法案的要求,2013年美国运输部向美国国会提交了《无人机综合计划:国家无人机发展路径报告》,为实现无人机融入国家空域系统,综合计划确定了6个可量化考核的高层战略目标与8项任务,建立了实施战略的整体框架、跨部门目标、任务与方法。根据综合计划的要求,FAA制定《下一代航空运输系统(NextGen)无人机研发路线图》,确认了通信、空域运行、无人机和人机融合四个领域的23个挑战。《综合计划》提出的国家目标与任务,被FAA细化为NextGen战略中的具体研究领域、研究课题与优先资助的清单,最终通过预算落实形成研发计划。

五、无人机运行技术创新体系

(一)美国

美国无人机应用研究由FAA组织。FAA通过NextGen战略对相关无人机应用研究实施整体协调,NextGen根据美国国会法案建立,有完善的目标、规划、实施模式,采取了政府与产业界充分合作的方式,可以充分调动美国航空界的研发创新资源。FAA还通过支持政策或资金支持等方式建立研发合作关系,例如选拔无人机试验区、建立联邦研发中心与无人机卓越中心。此外,FAA通过建立无人机咨询委员会,吸引产业界、学术界、标准化组织参与无人机政策咨询与技术支持等等。

近年来FAA持续加大对无人机的研究,无人机在美国国家航空研究计划(NARP)中的比重,从2011年的1%逐步提高到2019年的10%左右,2020年更是接近15%,达到7593.5万美元。

表2. 无人机研究在美国国家航空研究计划的占比

单位:千美元

注:*为申请预算值。

美国无人机前沿技术研究由NASA负责。美国国家航空航天局(NASA)有200多亿美元年度预算和16000名高素质雇员,在无人机运行领域有长期的积累与研发组织能力。FAA与NASA共同建立了无人机交通管理系统(UTM)试点计划(UPP),由NASA按照FAA需求开发UTM原型系统并在2020年将成果移交FAA。

2021财年,NASA的航空研究预算达到8.19亿美元,其五个研究方向中有三个与无人机直接相关:

——空域运行与安全计划。包括无人机交通管理系统(UTM)的测试验证以及未来航空交通工具的一体化测试验证。2021年预算0.904亿美元。

——一体化航空系统计划。包括UAM的自动化研究。预算2.69亿美元。

——变革性航空概念计划。包括简化UAM运行操作对航空货运航班的远程控制运行。预算1.299亿美元。

(二)欧洲

欧洲由SESAR联合体整体负责无人机融入空域技术的研发与部署。SESAR联合体是依据欧洲理事会条例(Council Regulation (EC)219/2007)成立的跨国公私合作机构由欧盟、欧控(Eurocontrol)和产业界合作伙伴按照1:1:1的比例联合配资开展研究。SESAR2020计划(2016-2024)预算达到16亿欧元。联合体目前有19个成员,成员下属企业或组成机构超过100家,拥有行业专家超过3000名,具备协调欧洲研发资源开展民用无人机研究的能力。

SESAR预测在2016-2025年,无人机产业需要公私部门共同投入大约4亿欧元创新资金,其中超低空的无人机空管系统U-space将需要研发投资2亿到2.5亿欧元,而传统空中交通管制部门针对无人机运行的改造研发投资将在1.5亿到2亿欧元左右。

2010年欧洲已经通过欧盟第6期研发框架计划资助了无人机融合项目。在SESAR2020计划中投资4000万欧元在仪表飞行无人机(IFR RPAS)融入传统管制空域的研究。欧洲防务局(EDA)投资约5000万欧元开发RPAS的感知避让技术(SAA)。2017年-2019年,“地平线2020”研发计划资助3300万欧元对欧洲无人机交通管理系统(U-space)进行研发与验证。按照SESAR出资的规则,欧控与SASAR其它成员单位将同比例配资欧盟的研发资金,因此U-space的第一期研发资金约1亿欧元。

“地平线2020”计划和SESAR框架下,欧洲正式启动了第二轮无人机研发投资,2021年1月欧洲范围的大型城市空中交通验证项目——CORUS-XUAM开始在比利时、法国、德国、意大利、西班牙、瑞士和英国进行UAM大规模真实飞行验证,我国亿航参与验证飞行。

六、运行技术是关键技术瓶颈

新技术带来的难题最终需要靠更新的技术来解决。无人机运行管理技术开发难度体现在三个方面:

运行复杂性。无人机规模庞大且飞行模式各异,无人机在大幅扩展航空业使用领域和范围的同时,也在增大其运行复杂性,超低空、超视距、长航时、城市内运行、超高空运行都需要技术解决方案,还需要逐步解决无人机与有人航空融合难题

系统复杂性。美欧的无人机运行研究基本取得共识,无人机的交通管理将是去中心化的生态系统而非传统空管的单一决策中心模式,需要大量的数字基础设施、数据公共服务和更多主体间的协调、协同与数据交换。

智能化难题。FAA提出了UTM的19类服务类型,SESAR则列出U-space应当具备的30项功能。绝大部分功能都需要全新定义与开发,而且这些功能都是基于数字化和自动化的服务,系统功能开发任重道远。

七、中美欧无人机融入空域战略评估

根据综述,我们建立了一个评估框架来评估全球无人机融入空域战略的进展。评估维度包括五个方面:

——社会动员与社会支持程度;

——战略完整性与可实施性;

——法规框架完整性与实用性;

——国家研发支持与研发能力;

——产业链实力与业界支持能力。

通过框架性、整体性的定量评估方式比较我国、美国与欧洲三方在五个评价维度的领先度。每项进行排序,领先者获得3分,居中者获得2分,落后者记1分。评估结果见表3。

表3. 中美欧无人机融入空域战略综合评估

综合来看,美国在无人机融入空域战略上处于领先,欧洲在战略与法规体系的强项部分弥补了产业链实力的不足我国在政府社会动员、行政效率、产业链实力方面具备一定优势,但在战略与研发生态方面存在显著不足。如果我国尽快研究制定民用无人机发展的整体战略,积极争取国家和地方的广泛支持,可持续地推进自主创新,将具备与美欧开展并跑竞争的条件与潜力。

八、政策建议

面对民用航空业发展的新百年新赛道,我国应当尽早制定民用无人机发展战略,设立民用无人机监管常设机构,召集民用无人机政策咨询委员会,开展广泛的社会动员。

立足自主创新,争取国家重大创新计划10年以上的长期支持,充分调动国内科研院所建立运行技术研发体系,开展国内国际技术合作。推动无人机研发项目、基础设施、人才与科研资金的整体规划与一体化配置,无人机运行技术研发试行“揭榜挂帅”制度,采取平行支持与后资助方式,完善科研激励机制。明确研发转化时间、成果、适用性与技术成熟度指标,确保研发成果可用性与实用性。

坚持和发展市场亲和的监管政策,深化无人机专项试点,赋予无人驾驶航空试验区具体的创新任务,培育我国民用无人机各个应用领域的隐形冠军企业,鼓励无人机制造商、云服务商和互联网企业、地理信息、气象服务机构参与公共服务,丰富无人机运行管理生态。

来源:民航管干院-通航系 作者:民航管理干部学院通航系主任 吕人力

原标题:《年度重磅:全球民用无人机融入空域战略与我国对策》

 
本文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/202106/30/73398.html
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