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国家科技传播中心讲坛:低空天路时代开启新变革!

编辑: 来源: 日期:2024-03-22 16:37:46 点击量:488

“无人机的规模化发展必将带来低空天路时代,城市低空天路将为大众的出行提供立体交通的选择,也将是出行方式的重大变革;大众的广泛参与将迎来低空经济大发展时代。”中国科学院地理科学与资源研究所研究员廖小罕在国家科技传播中心讲坛上发表如上观点。


《国家科技传播中心讲坛》为中国科协打造的新型演讲类新知栏目,以科学精神,科技探索和科技产业为主要讲述内容,汇集相关领域顶尖科技工作者讲述科技创新故事,传播前沿创新成果,弘扬科学家精神。本文摘选部分内容以飨读者。



当代高新技术发展迅速,其中很重要的一个进展是在通信导航的基础设施方面。过去我们认为通讯可能是昂贵而麻烦的,现在无线通信已经到了每个人的手里,可以轻易和全世界进行联系。导航也深入到千家万户,每一个人出行都有几十个导航卫星为我们服务。


在这种科技浪潮大环境下,无人机迅速发展起来了。中国在其中占有一席之地。我想用三个数字让大家看一下中国无人机的发展情况:


第一,全世界无人机的生产数量。中国走在前面,大疆这种多轴无人机,全球80%来自于中国。


第二,无人机活动数量。现在无人机按飞行数量已经和我们的运输航空持平。我们通常把通航和民航说成两个类别,除民航、军航以外都归为通航。如果把无人机从通航里面分离出来,无人机的飞行量将是通航的10倍以上。

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第三,载人无人机数量。这个听起来有点拗口,无人机怎么又载人了?无人机指的是没有人驾驶它,实际上地面上还是有人员进行操纵。载人无人机是说无人机可以作为运输载体运人,简称载人无人机。中国的载人无人机研发、生产、制造和运行也走在了世界前列,而且刚刚获得了全球第一张适航证。




低空:未来将成稀缺资源




今天我重点要说的不是无人机在整个大气层里面的活动,而是讨论一个专门的领域:低空。


低空是大气层和地表之间相互接壤的这一部分。先说1千米以下,这1千米无论对于航空飞行活动、民航机、航空体育等都不是一个主要的空域,甚至对于很多飞行活动来说属于荒山荒坡。我常用荒山荒坡来形容低空空域,主要是因为其开发利用价值少,且风险高。高于1千米的空域,通常地表地貌复杂,还有很多起伏的地形、建筑物、电网高塔、风车等。这些人工建筑物不确定性很多,同时还有随时可能出现的边界层的湍流、气流、切变风等;在这个高度,飞机与地面的通讯可能因为地形的原因受到干扰,监视飞机的雷达在低空或者超低空的层面上是看不见的。


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这就是低空环境,对于航空飞行来说它是荒山荒坡。但由于无人机的出现,尤其是低空的轻小型无人机大量出现以后,低空空域资源变得稀缺。


针对迅速涌现的、规模化出现的无人机在低空怎样才能安全高效地飞行这一问题,科技界、产业界都有很多解决方案。这里简单说几个。


一是为了安全、合规、监视好无人机,我们提出了低空监视网——在一个面上把相应的装置都布上,能够把低空的无人机飞行活动随时监测到。这主要是想有序地管控无人机的安全运行。


我们提出的第二个概念,叫低空智联网。这主要是想到单一的无人机在信息化高度发达的年代可以通过相互之间的协同而释放更多的力量。


另一个概念是低空遥感网。无人机很重要的使命是做低空的对地观测、遥感,如果把众多的无人机布置在一个区域里,就可以对这一区域进行无缝覆盖。


最后一个是低空航路网。这是本文要说的主题。无人机如果规模大又要商业化运行,我们要以有一定秩序的交通方式来运行,路网和低空网格化就自然地提出来了。低空实际上是看不见的,我们如何能知道某个精准的空中位置?这就必须把低空进行网格化,简单形容就是把低空像积木一样分成方块,每一块都被标记,并且把数据装在方块里面。将来这无论是对于规划路网还是做其他的用途都非常重要。




悬浮在城市上方的立体路网




无人机兴旺是因为通讯导航基础设施的发展,但并不是给大众普适性的通讯导航基础设施就可以满足无人机的发展。针对无人机的应用,可能还要建更高分辨率、更高带宽的通讯导航基础设施。据此,低空通道一体化被提出来,这样就解决了设施布局效率的问题。


在此我想提一个问题:规模化商业无人机安全高效应用和发展路在何方?无人机不是仅仅拿来看的,它要作为工具为生产建设服务,其应用正在形成规模,包括电网巡检等,目前都依赖数以万计的无人机在运行。这相对于未来可能还是很小的量,未来无人机会有大量商业化需求,规模会更庞大、数量更多。


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这里我说的“路”,一是指出路,二是指天路——这么多的移动载体,有没有足够的路?对于这个问题,我们可以在历史纵深中去寻找启示。汽车、火车、轮船、民航飞机我们都经历了,大家都非常熟悉,它们从发明以来都不是一帆风顺的。比如汽车、火车在世界上的应用,包括在中国的应用,都经历了曲折的历程。当年汽车刚出来的时候英国还有个红旗法案:汽车不允许走得比马车快,还得举着一个红旗在前面,汽车才能上路;铁路也一样,当年火车进入华北平原以后我们修了一段铁路,慈禧太后后来又把它拆了。


但是从今天来看,这些在当时可能会是洪水猛兽的东西,借助相应的路网建设都得以了规模化的应用和发展,无论天上地下,这些东西最终都有序在运行,并且安全、高效,都在可控范围内,路网最终是解决我们规模化、商业化的一个重要的闭合。


2019年9月,美国官方,确切说是美国航空署FAA,批准在纽约州规划一条无人机廊道,可以试运行50英里。在这个范围内,超视距的无人机可以飞行和做实验。现在对无人机的管理,视距范围内和超视距是不太一样的。对于超视距管理各国还是比较严的。2022年8月份英国在范堡罗航展上高调宣布,要规划世界最长的无人机高速公路(Drone Super Highway),说是largest Drone Super Highway in the world。这条路将从伦敦连接里丁,再连接牛津、考文垂几个地方,这条路网廊道上面将会有交通的管理系统,有不同类别的无人机按照一定的交通规范进行流动。


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我们再看中国。2022年中国民航局颁布了民用无人航空发展路线图征求意见稿,这个路线图需要开展的几大任务里明确提出要发展低空公共航路基础设施。这应该是中国官方经过过去几年组织科技界开展相关工作后一个明确的态度,要对低空公共航路基础设施的科研和规划布局的研究工作以支持。将来低空路网的组成是从地上的起降点,加上地-天连接之路,以及天上的路网这三块,也就是说低空天路发展起来以后我们的综合交通路网就是立体的了。




“路基”已经开始修筑



将来天上的路网依然是看不见的,但我们可以通过一定的方法识别:我们通过AR技术(增强现实技术)赋能,可以让原本看不见的路变得能够看见。通过技术赋能,我们还可以看见天路上的各种标志,以及路上的交通流。未来,我们通过手机上相关的APP,也可以知道飞行器是否在路上合规地飞行。


可能大家会和我一样有这种感觉:天路既陌生又熟悉。陌生是因为我们谁也没见过天路;但是又觉得熟悉,是因为人类早就在地上建立了完善的公共路网,只不过这一次把地上的路抬到了我们头顶上而已。典型的场景是,在城市上空80米、100米、150米都会有一条路,大家各自繁忙运行。


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将来AR技术、人工智能可能要在其中扮演重要的角色。要管理这么多的无人机,人们提出了Smart Air Mobility,也就是借助AI技术,加上自动驾驶技术、人机交互技术。以后控制小的无人机不需要复杂的指令,用普通的语音指令或手势就足以完成任务。


可以畅想一下,将来会有全国的天路网骨干航路,也会有主干航路,还有末端航路,最后是社区的路网。它们会有什么不同点和相同点?


先来看一下天上的路和地上的路的区别。从组成上,天上的路是电子的、数字化的,我们地上的路有水泥有沙子;天上的路正常情况下是看不见的,地上的路是可以看见的;时空维度也不一样,天上的路是四维的,也就是说可以随时间变化,白天晚上可以不一样:骨干道可以从东边移到西边,改变电子化道路相对来说成本低,不同于地上的路修好了二三十年不能动;天上的路依靠的是空域资源,地上的路依靠的是土地资源,不过两者都是有限的;天上的路更加依赖我们的基础设施,尤其是通信导航基础设施,没有通信导航基础设施天上就不可能有路,相对来说地上的路比较简单。


两者的共同点是:第一,都是为交通载具的移动提供合理合规的空间;第二,公共属性,支撑多用户路权;第三,都有交通规则和交通管理的措施;第四,天路和地上的路一样,可以通过吸引投资建设,并通过一定的收费机制收回投资,地方政府将来可以在这方面制定相应的政策。


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国内外在天路的规划构建上面都已经做了一些工作,欧洲、美国、新加坡、日本都有很多研究。在国内,中国科学院牵头,会同相关单位,也已经做了一些工作,特别是在关键技术的突破以及标准的制定上面,比如在IEEE(电气与电子工程师协会)层面上,我们制定了一个面向无人机运行的低空空域框架的标准。


由中国科学院地理科学与资源研究所牵头,会同民航科学技术研究院、民航管理干部学院、民航大学等建立了一个民航的低空地理信息航路重点实验室,开展相关的天路工程研究,取得了一些成果,包括我们的路网规划系统。我把这项工作叫做筑路机,其过程如同是把低空的遥感影像当作桑叶吃进去,把路网作为蚕丝吐出来,我们因此取了个名字叫春蚕系统,在这个方向做了开拓。


国内外标准规划方面还有一项很重要的工作,就是低空的地理信息收集。我们要把天上的路修好,就必须把地上的数据搞准确。全国高精准的地理信息数据,尤其是基于遥感影像获取的地表信息就显得非常重要。




低空天路时代即将来临




科技的力量以外,政策资源同样重要。在推动天路规划、天路构建的工作中,2021年2月国家颁布了综合立体交通网规划纲要。这是在国家层面上正式把低空这一块明确写到了交通网里,开展低空天路网构建有了政策的依据。


另外,中国民航局2020年以来先后两次总共批准了20个城市开展民用无人驾驶航空试验区建设,也是了不起的举措。


天路不是拿来看的,也不仅是拿来攀登科研高峰的,发展它,更重要的是为我们的经济发展服务。当前很多地方都提出要发展低空经济,政府也在抓,产业界也在跟进、都在做,但总的来说,低空经济还没有真正产生大的效益。从我的分析看,天路网尚未构建好是现在低空经济发展的瓶颈,因为低空路网是整个低空经济发展的血脉。如果说地上的交通路网是国民经济的动脉,则对于低空经济,天路网就是相应的动脉。这几年我去各地做学术交流的时候,也越来越明确提出,要致富先修路,先修天路。一旦修路就会涉及到投资、涉及到就业、涉及到物流、涉及到消费,整个经济就循环带动起来了。


根据数据显示,通常能够认可的是1亿人民币的公路投资能带动1.9个亿的GDP增长,涉及到相关就业岗位3900个。用同样的方法来分析天路,我们团队做的初步结果是:一个亿的天路投资可以带动2.4亿的GDP增长,创造就业岗位5780个。就业岗位包括天路勘察、规划、修建、管控、路网的养护,以及涉及到起降、充电、中转、飞行、导航、监视、气象、培训等服务,还有制造业等,都会因为天上血脉网的建设、经济大循环而拉动起来。


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2022年在深圳召开的世界无人机大会上,通过了一个天路宣言,其核心内容就是将来大家要团结起来,产学研各界一起共同修天路。中国制造的低空载人无人机已经在全球多个城市开展了运行实验,其中我们亿航智能的载人无人机——亿航智能216刚刚获得了全球第一张适航证,这是非常了不起的,系统性的天路基础设施还没有建成,适航证却已经拿到,要开始运营了。因此,人类正在创造新的历史。


汽车带来了公路时代,火车带来了铁路时代,民航飞机带来了航空时代,无人机的规模化发展必将带来低空天路时代。城市低空天路将为大众的出行提供立体交通的选择,也将是出行方式的重大变革;大众的广泛参与也将迎来低空经济大发展的时代。