【中國科協(xié)之聲】國家科技傳播中心講壇:低空天路時代開啟新變革!

來源:中國科協(xié)之聲公眾號??作者:廖小罕 ?日期2024317

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2024317日,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員、中國民航局民航低空地理信息與航路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任廖小罕做客國家科技傳播中心講壇,為大家?guī)砹艘粓鲫P(guān)于無人機(jī)低空天路時代的視聽盛宴,以下是轉(zhuǎn)載演講內(nèi)容以饗讀者。

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當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展迅速,其中很重要的一個進(jìn)展是在通信導(dǎo)航的基礎(chǔ)設(shè)施方面。過去我們認(rèn)為通訊可能是昂貴而麻煩的,現(xiàn)在無線通信已經(jīng)到了每個人的手里,可以輕易和全世界進(jìn)行聯(lián)系。導(dǎo)航也深入到千家萬戶,每一個人出行都有幾十個導(dǎo)航衛(wèi)星為我們服務(wù)。

在這種科技浪潮大環(huán)境下,無人機(jī)迅速發(fā)展起來了。中國在其中占有一席之地。我想用三個數(shù)字讓大家看一下中國無人機(jī)的發(fā)展情況:

第一,全世界無人機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量。中國走在前面,大疆這種多軸無人機(jī),全球80%來自于中國。

第二,無人機(jī)活動數(shù)量。現(xiàn)在無人機(jī)按飛行數(shù)量已經(jīng)和我們的運(yùn)輸航空持平。我們通常把通航和民航說成兩個類別,除民航、軍航以外都?xì)w為通航。如果把無人機(jī)從通航里面分離出來,無人機(jī)的飛行量將是通航的10倍以上。

第三,載人無人機(jī)數(shù)量。這個聽起來有點(diǎn)拗口,無人機(jī)怎么又載人了?無人機(jī)指的是沒有人駕駛它,實(shí)際上地面上還是有人員進(jìn)行操縱。載人無人機(jī)是說無人機(jī)可以作為運(yùn)輸載體運(yùn)人,簡稱載人無人機(jī)。中國的載人無人機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)、制造和運(yùn)行也走在了世界前列,而且剛剛獲得了全球第一張適航證。


低空:未來將成稀缺資源

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今天我重點(diǎn)要說的不是無人機(jī)在整個大氣層里面的活動,而是討論一個專門的領(lǐng)域:低空。

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低空是大氣層和地表之間相互接壤的這一部分。先說1千米以下,這1千米無論對于航空飛行活動、民航機(jī)、航空體育等都不是一個主要的空域,甚至對于很多飛行活動來說屬于荒山荒坡。我常用荒山荒坡來形容低空空域,主要是因?yàn)槠溟_發(fā)利用價值少,且風(fēng)險(xiǎn)高。高于1千米的空域,通常地表地貌復(fù)雜,還有很多起伏的地形、建筑物、電網(wǎng)高塔、風(fēng)車等。這些人工建筑物不確定性很多,同時還有隨時可能出現(xiàn)的邊界層的湍流、氣流、切變風(fēng)等;在這個高度,飛機(jī)與地面的通訊可能因?yàn)榈匦蔚脑蚴艿礁蓴_,監(jiān)視飛機(jī)的雷達(dá)在低空或者超低空的層面上是看不見的。

這就是低空環(huán)境,對于航空飛行來說它是荒山荒坡。但由于無人機(jī)的出現(xiàn),尤其是低空的輕小型無人機(jī)大量出現(xiàn)以后,低空空域資源變得稀缺。

針對迅速涌現(xiàn)的、規(guī)模化出現(xiàn)的無人機(jī)在低空怎樣才能安全高效地飛行這一問題,科技界、產(chǎn)業(yè)界都有很多解決方案。這里簡單說幾個。

一是為了安全、合規(guī)、監(jiān)視好無人機(jī),我們提出了低空監(jiān)視網(wǎng)——在一個面上把相應(yīng)的裝置都布上,能夠把低空的無人機(jī)飛行活動隨時監(jiān)測到。這主要是想有序地管控?zé)o人機(jī)的安全運(yùn)行。

我們提出的第二個概念,叫低空智聯(lián)網(wǎng)。這主要是想到單一的無人機(jī)在信息化高度發(fā)達(dá)的年代可以通過相互之間的協(xié)同而釋放更多的力量。

另一個概念是低空遙感網(wǎng)。無人機(jī)很重要的使命是做低空的對地觀測、遙感,如果把眾多的無人機(jī)布置在一個區(qū)域里,就可以對這一區(qū)域進(jìn)行無縫覆蓋。

最后一個是低空航路網(wǎng)。這是本文要說的主題。無人機(jī)如果規(guī)模大又要商業(yè)化運(yùn)行,我們要以有一定秩序的交通方式來運(yùn)行,路網(wǎng)和低空網(wǎng)格化就自然地提出來了。低空實(shí)際上是看不見的,我們?nèi)绾文苤滥硞€精準(zhǔn)的空中位置?這就必須把低空進(jìn)行網(wǎng)格化,簡單形容就是把低空像積木一樣分成方塊,每一塊都被標(biāo)記,并且把數(shù)據(jù)裝在方塊里面。將來這無論是對于規(guī)劃路網(wǎng)還是做其他的用途都非常重要。

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懸浮在城市上方的立體路網(wǎng)

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無人機(jī)興旺是因?yàn)橥ㄓ崒?dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展,但并不是給大眾普適性的通訊導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施就可以滿足無人機(jī)的發(fā)展。針對無人機(jī)的應(yīng)用,可能還要建更高分辨率、更高帶寬的通訊導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)此,低空通道一體化被提出來,這樣就解決了設(shè)施布局效率的問題。

在此我想提一個問題:規(guī)?;虡I(yè)無人機(jī)安全高效應(yīng)用和發(fā)展路在何方?無人機(jī)不是僅僅拿來看的,它要作為工具為生產(chǎn)建設(shè)服務(wù),其應(yīng)用正在形成規(guī)模,包括電網(wǎng)巡檢等,目前都依賴數(shù)以萬計(jì)的無人機(jī)在運(yùn)行。這相對于未來可能還是很小的量,未來無人機(jī)會有大量商業(yè)化需求,規(guī)模會更龐大、數(shù)量更多。

這里我說的“路”,一是指出路,二是指天路——這么多的移動載體,有沒有足夠的路?對于這個問題,我們可以在歷史縱深中去尋找啟示。汽車、火車、輪船、民航飛機(jī)我們都經(jīng)歷了,大家都非常熟悉,它們從發(fā)明以來都不是一帆風(fēng)順的。比如汽車、火車在世界上的應(yīng)用,包括在中國的應(yīng)用,都經(jīng)歷了曲折的歷程。當(dāng)年汽車剛出來的時候英國還有個紅旗法案:汽車不允許走得比馬車快,還得舉著一個紅旗在前面,汽車才能上路;鐵路也一樣,當(dāng)年火車進(jìn)入華北平原以后我們修了一段鐵路,慈禧太后后來又把它拆了。

但是從今天來看,這些在當(dāng)時可能會是洪水猛獸的東西,借助相應(yīng)的路網(wǎng)建設(shè)都得以了規(guī)?;膽?yīng)用和發(fā)展,無論天上地下,這些東西最終都有序在運(yùn)行,并且安全、高效,都在可控范圍內(nèi),路網(wǎng)最終是解決我們規(guī)?;?、商業(yè)化的一個重要的閉合。

2019年9月,美國官方,確切說是美國航空署FAA,批準(zhǔn)在紐約州規(guī)劃一條無人機(jī)廊道,可以試運(yùn)行50英里。在這個范圍內(nèi),超視距的無人機(jī)可以飛行和做實(shí)驗(yàn)?,F(xiàn)在對無人機(jī)的管理,視距范圍內(nèi)和超視距是不太一樣的。對于超視距管理各國還是比較嚴(yán)的。2022年8月份英國在范堡羅航展上高調(diào)宣布,要規(guī)劃世界最長的無人機(jī)高速公路(Drone Super Highway),說是largest Drone Super Highway in the world。這條路將從倫敦連接里丁,再連接牛津、考文垂幾個地方,這條路網(wǎng)廊道上面將會有交通的管理系統(tǒng),有不同類別的無人機(jī)按照一定的交通規(guī)范進(jìn)行流動。

我們再看中國。2022年中國民航局頒布了民用無人航空發(fā)展路線圖征求意見稿,這個路線圖需要開展的幾大任務(wù)里明確提出要發(fā)展低空公共航路基礎(chǔ)設(shè)施。這應(yīng)該是中國官方經(jīng)過過去幾年組織科技界開展相關(guān)工作后一個明確的態(tài)度,要對低空公共航路基礎(chǔ)設(shè)施的科研和規(guī)劃布局的研究工作以支持。將來低空路網(wǎng)的組成是從地上的起降點(diǎn),加上地-天連接之路,以及天上的路網(wǎng)這三塊,也就是說低空天路發(fā)展起來以后我們的綜合交通路網(wǎng)就是立體的了。

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“路基”已經(jīng)開始修筑

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將來天上的路網(wǎng)依然是看不見的,但我們可以通過一定的方法識別:我們通過AR技術(shù)(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù))賦能,可以讓原本看不見的路變得能夠看見。通過技術(shù)賦能,我們還可以看見天路上的各種標(biāo)志,以及路上的交通流。未來,我們通過手機(jī)上相關(guān)的APP,也可以知道飛行器是否在路上合規(guī)地飛行。

可能大家會和我一樣有這種感覺:天路既陌生又熟悉。陌生是因?yàn)槲覀冋l也沒見過天路;但是又覺得熟悉,是因?yàn)槿祟愒缇驮诘厣辖⒘送晟频墓猜肪W(wǎng),只不過這一次把地上的路抬到了我們頭頂上而已。典型的場景是,在城市上空80米、100米、150米都會有一條路,大家各自繁忙運(yùn)行。

將來AR技術(shù)、人工智能可能要在其中扮演重要的角色。要管理這么多的無人機(jī),人們提出了Smart Air Mobility,也就是借助AI技術(shù),加上自動駕駛技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。以后控制小的無人機(jī)不需要復(fù)雜的指令,用普通的語音指令或手勢就足以完成任務(wù)。

可以暢想一下,將來會有全國的天路網(wǎng)骨干航路,也會有主干航路,還有末端航路,最后是社區(qū)的路網(wǎng)。它們會有什么不同點(diǎn)和相同點(diǎn)?

先來看一下天上的路和地上的路的區(qū)別。從組成上,天上的路是電子的、數(shù)字化的,我們地上的路有水泥有沙子;天上的路正常情況下是看不見的,地上的路是可以看見的;時空維度也不一樣,天上的路是四維的,也就是說可以隨時間變化,白天晚上可以不一樣:骨干道可以從東邊移到西邊,改變電子化道路相對來說成本低,不同于地上的路修好了二三十年不能動;天上的路依靠的是空域資源,地上的路依靠的是土地資源,不過兩者都是有限的;天上的路更加依賴我們的基礎(chǔ)設(shè)施,尤其是通信導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施,沒有通信導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施天上就不可能有路,相對來說地上的路比較簡單。

兩者的共同點(diǎn)是:第一,都是為交通載具的移動提供合理合規(guī)的空間;第二,公共屬性,支撐多用戶路權(quán);第三,都有交通規(guī)則和交通管理的措施;第四,天路和地上的路一樣,可以通過吸引投資建設(shè),并通過一定的收費(fèi)機(jī)制收回投資,地方政府將來可以在這方面制定相應(yīng)的政策。

國內(nèi)外在天路的規(guī)劃構(gòu)建上面都已經(jīng)做了一些工作,歐洲、美國、新加坡、日本都有很多研究。在國內(nèi),中國科學(xué)院牽頭,會同相關(guān)單位,也已經(jīng)做了一些工作,特別是在關(guān)鍵技術(shù)的突破以及標(biāo)準(zhǔn)的制定上面,比如在IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會)層面上,我們制定了一個面向無人機(jī)運(yùn)行的低空空域框架的標(biāo)準(zhǔn)。

由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所牽頭,會同民航科學(xué)技術(shù)研究院、民航管理干部學(xué)院、民航大學(xué)等建立了一個民航的低空地理信息航路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開展相關(guān)的天路工程研究,取得了一些成果,包括我們的路網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)。我把這項(xiàng)工作叫做筑路機(jī),其過程如同是把低空的遙感影像當(dāng)作桑葉吃進(jìn)去,把路網(wǎng)作為蠶絲吐出來,我們因此取了個名字叫春蠶系統(tǒng),在這個方向做了開拓。

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃方面還有一項(xiàng)很重要的工作,就是低空的地理信息收集。我們要把天上的路修好,就必須把地上的數(shù)據(jù)搞準(zhǔn)確。全國高精準(zhǔn)的地理信息數(shù)據(jù),尤其是基于遙感影像獲取的地表信息就顯得非常重要。


低空天路時代即將來臨

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科技的力量以外,政策資源同樣重要。在推動天路規(guī)劃、天路構(gòu)建的工作中,20212月國家頒布了綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要。這是在國家層面上正式把低空這一塊明確寫到了交通網(wǎng)里,開展低空天路網(wǎng)構(gòu)建有了政策的依據(jù)。

另外,中國民航局2020年以來先后兩次總共批準(zhǔn)了20個城市開展民用無人駕駛航空試驗(yàn)區(qū)建設(shè),也是了不起的舉措。

天路不是拿來看的,也不僅是拿來攀登科研高峰的,發(fā)展它,更重要的是為我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。當(dāng)前很多地方都提出要發(fā)展低空經(jīng)濟(jì),政府也在抓,產(chǎn)業(yè)界也在跟進(jìn)、都在做,但總的來說,低空經(jīng)濟(jì)還沒有真正產(chǎn)生大的效益。從我的分析看,天路網(wǎng)尚未構(gòu)建好是現(xiàn)在低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸,因?yàn)榈涂章肪W(wǎng)是整個低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的血脈。如果說地上的交通路網(wǎng)是國民經(jīng)濟(jì)的動脈,則對于低空經(jīng)濟(jì),天路網(wǎng)就是相應(yīng)的動脈。這幾年我去各地做學(xué)術(shù)交流的時候,也越來越明確提出,要致富先修路,先修天路。一旦修路就會涉及到投資、涉及到就業(yè)、涉及到物流、涉及到消費(fèi),整個經(jīng)濟(jì)就循環(huán)帶動起來了。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,通常能夠認(rèn)可的是1億人民幣的公路投資能帶動1.9個億的GDP增長,涉及到相關(guān)就業(yè)崗位3900個。用同樣的方法來分析天路,我們團(tuán)隊(duì)做的初步結(jié)果是:一個億的天路投資可以帶動2.4億的GDP增長,創(chuàng)造就業(yè)崗位5780個。就業(yè)崗位包括天路勘察、規(guī)劃、修建、管控、路網(wǎng)的養(yǎng)護(hù),以及涉及到起降、充電、中轉(zhuǎn)、飛行、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象、培訓(xùn)等服務(wù),還有制造業(yè)等,都會因?yàn)樘焐涎}網(wǎng)的建設(shè)、經(jīng)濟(jì)大循環(huán)而拉動起來。

2022年在深圳召開的世界無人機(jī)大會上,通過了一個天路宣言,其核心內(nèi)容就是將來大家要團(tuán)結(jié)起來,產(chǎn)學(xué)研各界一起共同修天路。中國制造的低空載人無人機(jī)已經(jīng)在全球多個城市開展了運(yùn)行實(shí)驗(yàn),其中我們億航智能的載人無人機(jī)——億航智能216剛剛獲得了全球第一張適航證,這是非常了不起的,系統(tǒng)性的天路基礎(chǔ)設(shè)施還沒有建成,適航證卻已經(jīng)拿到,要開始運(yùn)營了。因此,人類正在創(chuàng)造新的歷史。

汽車帶來了公路時代,火車帶來了鐵路時代,民航飛機(jī)帶來了航空時代,無人機(jī)的規(guī)?;l(fā)展必將帶來低空天路時代。城市低空天路將為大眾的出行提供立體交通的選擇,也將是出行方式的重大變革;大眾的廣泛參與也將迎來低空經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的時代。

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