【中國科協(xié)之聲】國家科技傳播中心講壇:低空天路時(shí)代開(kāi)啟新變革!

來(lái)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)驗室主任廖小罕做客國家科技傳播中心講壇,為大家帶來(lái)了一場(chǎng)關(guān)于無(wú)人機低空天路時(shí)代的視聽(tīng)盛宴,以下是轉載演講內容以饗讀者。

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當代高新技術(shù)發(fā)展迅速,其中很重要的一個(gè)進(jìn)展是在通信導航的基礎設施方面。過(guò)去我們認為通訊可能是昂貴而麻煩的,現在無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)到了每個(gè)人的手里,可以輕易和全世界進(jìn)行聯(lián)系。導航也深入到千家萬(wàn)戶(hù),每一個(gè)人出行都有幾十個(gè)導航衛星為我們服務(wù)。

在這種科技浪潮大環(huán)境下,無(wú)人機迅速發(fā)展起來(lái)了。中國在其中占有一席之地。我想用三個(gè)數字讓大家看一下中國無(wú)人機的發(fā)展情況:

第一,全世界無(wú)人機的生產(chǎn)數量。中國走在前面,大疆這種多軸無(wú)人機,全球80%來(lái)自于中國。

第二,無(wú)人機活動(dòng)數量。現在無(wú)人機按飛行數量已經(jīng)和我們的運輸航空持平。我們通常把通航和民航說(shuō)成兩個(gè)類(lèi)別,除民航、軍航以外都歸為通航。如果把無(wú)人機從通航里面分離出來(lái),無(wú)人機的飛行量將是通航的10倍以上。

第三,載人無(wú)人機數量。這個(gè)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)拗口,無(wú)人機怎么又載人了?無(wú)人機指的是沒(méi)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(wú)人機是說(shuō)無(wú)人機可以作為運輸載體運人,簡(jiǎn)稱(chēng)載人無(wú)人機。中國的載人無(wú)人機研發(fā)、生產(chǎn)、制造和運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(lái)將成稀缺資源

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今天我重點(diǎn)要說(shuō)的不是無(wú)人機在整個(gè)大氣層里面的活動(dòng),而是討論一個(gè)專(zhuān)門(mén)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(shuō)1千米以下,這1千米無(wú)論對于航空飛行活動(dòng)、民航機、航空體育等都不是一個(gè)主要的空域,甚至對于很多飛行活動(dòng)來(lái)說(shuō)屬于荒山荒坡。我常用荒山荒坡來(lái)形容低空空域,主要是因為其開(kāi)發(fā)利用價(jià)值少,且風(fēng)險高。高于1千米的空域,通常地表地貌復雜,還有很多起伏的地形、建筑物、電網(wǎng)高塔、風(fēng)車(chē)等。這些人工建筑物不確定性很多,同時(shí)還有隨時(shí)可能出現的邊界層的湍流、氣流、切變風(fēng)等;在這個(gè)高度,飛機與地面的通訊可能因為地形的原因受到干擾,監視飛機的雷達在低空或者超低空的層面上是看不見(jiàn)的。

這就是低空環(huán)境,對于航空飛行來(lái)說(shuō)它是荒山荒坡。但由于無(wú)人機的出現,尤其是低空的輕小型無(wú)人機大量出現以后,低空空域資源變得稀缺。

針對迅速涌現的、規?;霈F的無(wú)人機在低空怎樣才能安全高效地飛行這一問(wèn)題,科技界、產(chǎn)業(yè)界都有很多解決方案。這里簡(jiǎn)單說(shuō)幾個(gè)。

一是為了安全、合規、監視好無(wú)人機,我們提出了低空監視網(wǎng)——在一個(gè)面上把相應的裝置都布上,能夠把低空的無(wú)人機飛行活動(dòng)隨時(shí)監測到。這主要是想有序地管控無(wú)人機的安全運行。

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

另一個(gè)概念是低空遙感網(wǎng)。無(wú)人機很重要的使命是做低空的對地觀(guān)測、遙感,如果把眾多的無(wú)人機布置在一個(gè)區域里,就可以對這一區域進(jìn)行無(wú)縫覆蓋。

最后一個(gè)是低空航路網(wǎng)。這是本文要說(shuō)的主題。無(wú)人機如果規模大又要商業(yè)化運行,我們要以有一定秩序的交通方式來(lái)運行,路網(wǎng)和低空網(wǎng)格化就自然地提出來(lái)了。低空實(shí)際上是看不見(jiàn)的,我們如何能知道某個(gè)精準的空中位置?這就必須把低空進(jìn)行網(wǎng)格化,簡(jiǎn)單形容就是把低空像積木一樣分成方塊,每一塊都被標記,并且把數據裝在方塊里面。將來(lái)這無(wú)論是對于規劃路網(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(wú)人機興旺是因為通訊導航基礎設施的發(fā)展,但并不是給大眾普適性的通訊導航基礎設施就可以滿(mǎn)足無(wú)人機的發(fā)展。針對無(wú)人機的應用,可能還要建更高分辨率、更高帶寬的通訊導航基礎設施。據此,低空通道一體化被提出來(lái),這樣就解決了設施布局效率的問(wèn)題。

在此我想提一個(gè)問(wèn)題:規?;虡I(yè)無(wú)人機安全高效應用和發(fā)展路在何方?無(wú)人機不是僅僅拿來(lái)看的,它要作為工具為生產(chǎn)建設服務(wù),其應用正在形成規模,包括電網(wǎng)巡檢等,目前都依賴(lài)數以萬(wàn)計的無(wú)人機在運行。這相對于未來(lái)可能還是很小的量,未來(lái)無(wú)人機會(huì )有大量商業(yè)化需求,規模會(huì )更龐大、數量更多。

這里我說(shuō)的“路”,一是指出路,二是指天路——這么多的移動(dòng)載體,有沒(méi)有足夠的路?對于這個(gè)問(wèn)題,我們可以在歷史縱深中去尋找啟示。汽車(chē)、火車(chē)、輪船、民航飛機我們都經(jīng)歷了,大家都非常熟悉,它們從發(fā)明以來(lái)都不是一帆風(fēng)順的。比如汽車(chē)、火車(chē)在世界上的應用,包括在中國的應用,都經(jīng)歷了曲折的歷程。當年汽車(chē)剛出來(lái)的時(shí)候英國還有個(gè)紅旗法案:汽車(chē)不允許走得比馬車(chē)快,還得舉著(zhù)一個(gè)紅旗在前面,汽車(chē)才能上路;鐵路也一樣,當年火車(chē)進(jìn)入華北平原以后我們修了一段鐵路,慈禧太后后來(lái)又把它拆了。

但是從今天來(lái)看,這些在當時(shí)可能會(huì )是洪水猛獸的東西,借助相應的路網(wǎng)建設都得以了規?;膽煤桶l(fā)展,無(wú)論天上地下,這些東西最終都有序在運行,并且安全、高效,都在可控范圍內,路網(wǎng)最終是解決我們規?;?、商業(yè)化的一個(gè)重要的閉合。

2019年9月,美國官方,確切說(shuō)是美國航空署FAA,批準在紐約州規劃一條無(wú)人機廊道,可以試運行50英里。在這個(gè)范圍內,超視距的無(wú)人機可以飛行和做實(shí)驗?,F在對無(wú)人機的管理,視距范圍內和超視距是不太一樣的。對于超視距管理各國還是比較嚴的。2022年8月份英國在范堡羅航展上高調宣布,要規劃世界最長(cháng)的無(wú)人機高速公路(Drone Super Highway),說(shuō)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(gè)地方,這條路網(wǎng)廊道上面將會(huì )有交通的管理系統,有不同類(lèi)別的無(wú)人機按照一定的交通規范進(jìn)行流動(dòng)。

我們再看中國。2022年中國民航局頒布了民用無(wú)人航空發(fā)展路線(xiàn)圖征求意見(jiàn)稿,這個(gè)路線(xiàn)圖需要開(kāi)展的幾大任務(wù)里明確提出要發(fā)展低空公共航路基礎設施。這應該是中國官方經(jīng)過(guò)過(guò)去幾年組織科技界開(kāi)展相關(guān)工作后一個(gè)明確的態(tài)度,要對低空公共航路基礎設施的科研和規劃布局的研究工作以支持。將來(lái)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(shuō)低空天路發(fā)展起來(lái)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(kāi)始修筑

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將來(lái)天上的路網(wǎng)依然是看不見(jiàn)的,但我們可以通過(guò)一定的方法識別:我們通過(guò)AR技術(shù)(增強現實(shí)技術(shù))賦能,可以讓原本看不見(jiàn)的路變得能夠看見(jiàn)。通過(guò)技術(shù)賦能,我們還可以看見(jiàn)天路上的各種標志,以及路上的交通流。未來(lái),我們通過(guò)手機上相關(guān)的APP,也可以知道飛行器是否在路上合規地飛行。

可能大家會(huì )和我一樣有這種感覺(jué):天路既陌生又熟悉。陌生是因為我們誰(shuí)也沒(méi)見(jiàn)過(guò)天路;但是又覺(jué)得熟悉,是因為人類(lèi)早就在地上建立了完善的公共路網(wǎng),只不過(guò)這一次把地上的路抬到了我們頭頂上而已。典型的場(chǎng)景是,在城市上空80米、100米、150米都會(huì )有一條路,大家各自繁忙運行。

將來(lái)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(wú)人機,人們提出了Smart Air Mobility,也就是借助AI技術(shù),加上自動(dòng)駕駛技術(shù)、人機交互技術(shù)。以后控制小的無(wú)人機不需要復雜的指令,用普通的語(yǔ)音指令或手勢就足以完成任務(wù)。

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

先來(lái)看一下天上的路和地上的路的區別。從組成上,天上的路是電子的、數字化的,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(jiàn)的,地上的路是可以看見(jiàn)的;時(shí)空維度也不一樣,天上的路是四維的,也就是說(shuō)可以隨時(shí)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(lái)說(shuō)成本低,不同于地上的路修好了二三十年不能動(dòng);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(guò)兩者都是有限的;天上的路更加依賴(lài)我們的基礎設施,尤其是通信導航基礎設施,沒(méi)有通信導航基礎設施天上就不可能有路,相對來(lái)說(shuō)地上的路比較簡(jiǎn)單。

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

國內外在天路的規劃構建上面都已經(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,中國科學(xué)院牽頭,會(huì )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)的突破以及標準的制定上面,比如在IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會(huì ))層面上,我們制定了一個(gè)面向無(wú)人機運行的低空空域框架的標準。

由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所牽頭,會(huì )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(gè)民航的低空地理信息航路重點(diǎn)實(shí)驗室,開(kāi)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)規劃系統。我把這項工作叫做筑路機,其過(guò)程如同是把低空的遙感影像當作桑葉吃進(jìn)去,把路網(wǎng)作為蠶絲吐出來(lái),我們因此取了個(gè)名字叫春蠶系統,在這個(gè)方向做了開(kāi)拓。

國內外標準規劃方面還有一項很重要的工作,就是低空的地理信息收集。我們要把天上的路修好,就必須把地上的數據搞準確。全國高精準的地理信息數據,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(shí)代即將來(lái)臨

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

另外,中國民航局2020年以來(lái)先后兩次總共批準了20個(gè)城市開(kāi)展民用無(wú)人駕駛航空試驗區建設,也是了不起的舉措。

天路不是拿來(lái)看的,也不僅是拿來(lái)攀登科研高峰的,發(fā)展它,更重要的是為我們的經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)。當前很多地方都提出要發(fā)展低空經(jīng)濟,政府也在抓,產(chǎn)業(yè)界也在跟進(jìn)、都在做,但總的來(lái)說(shuō),低空經(jīng)濟還沒(méi)有真正產(chǎn)生大的效益。從我的分析看,天路網(wǎng)尚未構建好是現在低空經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸,因為低空路網(wǎng)是整個(gè)低空經(jīng)濟發(fā)展的血脈。如果說(shuō)地上的交通路網(wǎng)是國民經(jīng)濟的動(dòng)脈,則對于低空經(jīng)濟,天路網(wǎng)就是相應的動(dòng)脈。這幾年我去各地做學(xué)術(shù)交流的時(shí)候,也越來(lái)越明確提出,要致富先修路,先修天路。一旦修路就會(huì )涉及到投資、涉及到就業(yè)、涉及到物流、涉及到消費,整個(gè)經(jīng)濟就循環(huán)帶動(dòng)起來(lái)了。

根據數據顯示,通常能夠認可的是1億人民幣的公路投資能帶動(dòng)1.9個(gè)億的GDP增長(cháng),涉及到相關(guān)就業(yè)崗位3900個(gè)。用同樣的方法來(lái)分析天路,我們團隊做的初步結果是:一個(gè)億的天路投資可以帶動(dòng)2.4億的GDP增長(cháng),創(chuàng )造就業(yè)崗位5780個(gè)。就業(yè)崗位包括天路勘察、規劃、修建、管控、路網(wǎng)的養護,以及涉及到起降、充電、中轉、飛行、導航、監視、氣象、培訓等服務(wù),還有制造業(yè)等,都會(huì )因為天上血脈網(wǎng)的建設、經(jīng)濟大循環(huán)而拉動(dòng)起來(lái)。

2022年在深圳召開(kāi)的世界無(wú)人機大會(huì )上,通過(guò)了一個(gè)天路宣言,其核心內容就是將來(lái)大家要團結起來(lái),產(chǎn)學(xué)研各界一起共同修天路。中國制造的低空載人無(wú)人機已經(jīng)在全球多個(gè)城市開(kāi)展了運行實(shí)驗,其中我們億航智能的載人無(wú)人機——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,系統性的天路基礎設施還沒(méi)有建成,適航證卻已經(jīng)拿到,要開(kāi)始運營(yíng)了。因此,人類(lèi)正在創(chuàng )造新的歷史。

汽車(chē)帶來(lái)了公路時(shí)代,火車(chē)帶來(lái)了鐵路時(shí)代,民航飛機帶來(lái)了航空時(shí)代,無(wú)人機的規?;l(fā)展必將帶來(lái)低空天路時(shí)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(lái)低空經(jīng)濟大發(fā)展的時(shí)代。

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