低空交通发展与飞行保障体系研究
科技
2024-11-09 10:30
北京
编者按：在广东省智能交通协会、赛文交通网联合主办的“低空智慧交通发展与创新论坛”上，中山大学智能工程学院教授蔡铭作了《低空交通发展与飞行保障体系研究》主题报告。该报告首先对低空经济的构成、国内外发展现状进行了详细介绍，随后对于城市空中交通（UAM）的发展历程、全球发展态势及相关文献进行深入分析，紧接着介绍了相关飞行保障体系初步研究成果，最后分享了低空经济未来发展面临的挑战与建议。低空经济是指在低空空域范围内，以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为载体，以载人、载货及其他作业等多场景低空飞行活动为牵引，带动相关领域融合发展的综合性经济业态，是国家战略性新兴产业的新赛道。低空经济作为新质生产力重要赛道，具有辐射面广、产业链条长、成长性和带动性强等特点。首先，城市范围内能够利用的地面空间范围已经不多，如何向低空进行拓展，满足多样化的社会需求与广泛的应用场景，这是当前国家层面非常重视的工作。其次，低空经济能够带动上中下游产业链（零件与系统、制造与保障、应用与配套）的发展，促进产业升级、创造就业机会，增强我国的国际竞争力。第三，随着科技进步和市场需求的增加，低空经济展现出强大的成长潜力；政策支持和投资热潮也为低空行业的快速发展提供了良好环境。最后，低空物流能够促进电商和传统物流行业转型升级，低空旅游将推动地方经济发展和文化传播。低空经济带动相关产业兴起，为整个社会经济注入新的活力。此外，低空经济也能够很好地促进军民融合，是“以民促军、平急两用”的典型代表，意义重大。从低空经济的全景图来看，低空经济包含低空基础设施、低空飞行器制造、低空运营服务、低空飞行保障四大部分。从上图可以看出，这四部分都能够和新技术进行强有力的结合。如低空基础设施中，低空网络设施的飞行器导航、识别、监控等关键技术不同于传统的地面交通和民航，相关技术需要更新换代，这也在倒逼各类技术不断革新。从世界范围来看，当前低空经济发展集中于北美、亚太、欧洲三大区域。美国低空飞行器在军事应用是其发展最强的一个领域；中国近年来制定了一系列政策推动低空经济全面发展；欧洲以城市空中出租车作为其主要的应用设想领域。整体来看，全球低空经济发展以中美最为领先。美国通用航空产业积累的丰富航空经验带来了先发优势，中国依靠无人机与低空飞行基础设施快速发展形成了后发优势。近年来，我国出台了一系列政策推动低空经济发展，相关政策经梳理可总结为概念提出、初步发展、快速发展三个阶段。2009-2010年是概念提出期，在2009年的“中国通用航空发展研究”课题研讨会上，中国民航大学李卫民副教授首次提出“低空经济”这一概念术语；随后，《关于深化我国低空空域管理改革的意见》 的发布拉开了低空空域管理改革的序幕。2011-2020年是初步发展期，这期间主要开展的工作是对于空域管理、飞行保障等相关政策的制定和探讨。2021年至今是快速发展期，几个标志性政策的出台加速了低空经济的发展。2021年2月，中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》 ，提出发展交通运输平台经济、枢纽经济、通道经济、低空经济；“低空经济”概念首次被写入国家规划。2023年11月，《中华人民共和国空域管理条例（征求意见稿）》 明确提出空域用户定义，并提出空域用户的权利和义务规范，标志着我国空域放开有了实质性的突破。2024年3月，在全国两会期间，低空经济首次写入政府工作报告，并纳入新质生产力范畴。当前，粤港澳大湾区正在加速打造我国低空经济产业高地。广东省以《广东省推动低空经济高质量发展行动方案(2024-2026年)》为牵引，带动了全省低空经济的发展，并开展了一系列工作。值得注意的是，深圳市在低空经济的发展上起步迅速。深圳市在2022年12月发布《深圳市低空经济产业创新发展实施方案(2022-2025年)》，空域改革工作开展于2023年，但深圳在2022年就发布了这样的实施方案，并于今年2月通过了《深圳经济特区低空经济促进条例》，在一定程度上实现并促进了立法工作，可见深圳市在低空经济发展方面非常具有前瞻性。根据各类公开资料，我们总结了广州、深圳、珠海低空经济发展现状。如下图所示，广州主打飞行汽车，代表企业有亿航智能、小鹏汇天、广汽集团、极飞科技，低空经济相关企业数量居全国第二。深圳主打消费级无人机，代表企业有大疆、丰翼科技、道通智能、天鹰装备，低空经济相关企业数量全国第一。珠海主打场景应用，这是由于珠海属于大湾区岛屿面积最大的城市，有独特且多样化的海岛环境优势，代表企业有通飞公司、欧比特、天晴、隆华、紫燕。城市空中交通（UAM）是指利用具有自主驾驶能力或有人驾驶的航空器在城市空域内进行载人载货的运输方式。低空经济包含城市空中交通，城市空中交通着重在于空中载人、载物运输过程，而低空经济是由低空飞行活动辐射的综合性经济业态，内涵和外延都更广，但城市空中交通无疑是低空经济最核心的形态。城市空中交通的主要目标是从空中满足城市交通出行及物流快递需求，以缓解地面交通拥堵及交通污染等问题，具有广泛性、立体性、融合性、区域性四大特征。城市低空交通发展起源于美国，可分为以下三个阶段。第一阶段是 1941-1979年，此阶段是城市空中交通概念的萌芽阶段，诞生了对城市空中交通商业化运营、空中交通管制以及发展规划等方面的诸多思考。期间，纽约航空和洛杉矶航空分别于1947年和1949年开始利用直升机运输人员与邮件，纽约航空公司的运营量甚至在1967年达到120万人次，但由于事故多、污染重等问题，UAM发展陷入停滞。第二阶段是2003-2014年，此阶段是城市空中交通概念的复兴阶段。2003年，伴随着NASA个人飞行器(Personal Air Vehicle, PAV)概念的提出以及按需运营(On-Demand)、门到门服务(Door-to-Door)空中交通运输方式的兴起，城市空中交通再次进入研究人员的视野。随着航空技术的发展，航空事故率相较于20世纪80年代以前已经大幅度降低，这一阶段主要采用私人飞行的模式运营。第三阶段是 2014年-至今，这是城市空中交通的快速成长阶段。2014年，NASA首次提出了无人机交通管理的概念，并于2016年对UTM运行概念进行了全面的阐述，这标志着无人机时代全面降临。2017年，NASA正式提出Urban Air Mobility的专业术语，自此城市空中交通的研究层出不穷，并逐步形成以具有电动、垂直起降、自动驾驶等特点的eVTOL为主的低空飞行新模态。放眼全球，美国UAM发展仍处于领先地位；中国注重创新，持续推动空域管理等改革；欧盟非常重视城市空中出租车工作的推进，并逐步完善相关监管体系；新加坡主要强调低空交通效能的最大化；日韩目前仍处于低空发展战略制定层面。从上述分析可以看出，全球UAM的发展目前仍处于规划与框架制定阶段，全面启动UAM发展将在全球竞争中占据先机。城市空中交通包括空域、基础设施、飞行器和飞行保障体系等组成部分。当前空域面临的最主要问题是如何合理地进行城市空域规划配置，这也是UAM发展的基础问题。之前，空域基本都是管制空域，如今划分了G类和W类空域作为非管制空域。G类空域包括两部分，一是B、C类空域以外真高300米以下空域（W类空域除外）；二是平均海平面高度低于6000米、对民航公共运输飞行无影响的空域。W类空域为G类空域内真高120米以下的部分空域。即使在非常狭窄的空域范围内，仍需开展UAM空域设计类型研究。有以下几种空域设计思路，一是完全混合， 即自主飞行不设置航道；二是将空域划分为层，其中每个高度带对应于不同的航向范围；三是水平方向可以分为圆形和径向区域，垂直方向的高度是根据出发地和目的地之间的计划飞行距离进行灵活选择；四是管道式空域，管道提供固定路线结构，飞机只能跟随管道，并保持与其他飞机在空域相同的速度。无论哪种空域设计类型，都应该根据飞行阶段（起降、降航）、飞机形态，作业任务等进行选择，但目前行业并没有较为深入的研究和权威的定论。UAM的有效运行离不开地面基础设施的全面支持。如下图所示，低空基础设施“四张网”包括服务网、航路网、空联网以及设施网，实现广义基础设施的虚实结合，软硬件结合。对于飞行器而言，打造安全可靠、便捷高效、经济舒适的航空器对UAM的发展至关重要。目前，低空飞行器产品主要有eVTOL（电动垂直起降飞行器）、无人机（消费级、工业级）、直升机、固定翼飞机等，主要以其重量作为重要的划分依据。根据飞行器的载重能力和用途，我们可以将其分类，比如微型无人机、轻型无人机、小型、中型、大型无人机，以及具有较大载重能力用于载人载物的飞行器（包括eVTOL、直升机、固定翼飞机等）。eVTOL是目前主流的低空飞行器，是指以电力作为飞行动力来源且具备垂直起降功能的飞行器，具有垂直起降、智能操作、快捷机动、低成本等特点，适用于城市短距离空中运输。国内外知名飞行器公司的eVTOL产品具有不同的形态，下图整理了部分国内企业eVTOL的主要参数，可以看出主流机型中有人驾驶占主流。我的理解eVTOL和无人机有重叠的部分， eVTOL可以载人也可以不载人，而无人机不载人；与直升机的区别在于eVTOL是电机驱动；和固定翼飞机的区别在于eVTOL是垂直起降；和飞行汽车的区别在于飞行汽车可以在地面行走，eVTOL一般垂直起降，不在地面行走。前不久，我对于UAM研究文献热点分布进行了统计。通过选取web of science中截至2024年9月，研究主题与UAM相关的文献共558篇进行分析发现，UAM研究呈现出快速发展态势；美国发文量最高，中国其次，均呈明显的增长势头，这表明UAM研究集中于科技发展水平较高、经济较发达的国家。涉及的热门研究领域为工程学、自动控制系统、机器人；交通、能源燃料；商业经济、公共管理。通过对这558篇文献提取文章摘要，提取每篇文章的关键名词，统计每个关键名词的文章数量并用自然语言处理的方式进行处理分析，最终发现，电动垂直起降技术出现次数最多，仿真技术、空中管理、环境影响、拥堵规划、能源管理、数字模拟技术、推动力、推进系统和噪声控制等次之。研究一：面向低空经济的低空飞行服务保障体系技术路线围绕“低空经济”产业链，我们作为参与单位，与产业链上的龙头企业共同聚焦低空经济的载具端、基建端和场景端，设计低空飞行服务保障技术路线。其中包括研究飞行器的故障诊断和监测技术、通信感知技术、低空数字时空底座搭建技术、风险识别和运行优化技术，以及搭建基于数字孪生的低空飞行管理与开放服务平台，最终希望形成广州市低空通行公共服务典型应用示范。研究二：城市空中交通大规模飞行冲突管理与解脱技术路线由于传统管理方法难以满足低空飞行活动需求的发展，亟需建立城市低空安全体系，搭建低空大规模动态飞行的冲突识别、预警、解脱及响应手段，以实现城市低空飞行活动安全监管与高效应急响应。基于此研究背景，我们正在研究城市空中交通大规模飞行冲突管理与解脱技术路线，主要针对未来城市低空空域中的高密度、多类别飞行器，对空域整体的飞行活动进行特征挖掘，在此基础上，研究复杂场景中多因素耦合影响下的飞行器的全周期风险，并对于高密度空域整体中的实时飞行风险进行评估及预警。由于飞行安全对气象非常敏感，需要时空密度大、精细化程度高、方式灵活的气象服务，且航空器体积小、重量轻，缺少气象探测设备，飞行中不能监测天气并适时避让。基于此，我们探讨为具备条件的低空飞行器均搭载气象传感器，形成创新的气象观测模式：精确监控、实时反馈、移动布点，该模式能提高低空飞行所需的高时空分辨率气象数据，参与的飞行器越多，低空气象监测结果则越准，结果不仅能用于低空飞行，对重大活动、地面出行等众多方面也有助益。广东省高速公路总里程超过11000公里，覆盖区域广泛，地理环境复杂多变，在无人机大规模应用的背景下，设备数量庞大，飞行航线错综复杂，飞行频率高，面临资源合理布局、飞行安全保障、高效管理等问题。目前，我们团队正在开展建设高速公路低空飞行综合管理服务平台、打造高速公路低空交通枢纽站、形成市场化的高速公路低空飞行运营管理体系的相关研究，以便利用高速公路已有设施，和空中廊道形成呼应，形成高速公路的立体布局。空域管理方面，国内目前对空域结构的划分尚未进行深入的研究。此外，如何根据安全参数设计空域航路、确定低空空域容量，至今仍没有统一、明确的标准。低空基础设施方面，我国缺乏相关的空中通航运行数据，这使得对低空交通未来运行需求的预测变得困难，可考虑基于城市地面交通流OD数据、出行方式划分等手段预测低空交通需求并优化起降站点选址，以及预测未来eVTOL实用化后的客运量需求及交通分担率。此外，无人机技术的扩散增加了对空域监视的难度，城市复杂地形环境制约了传统甚高频通信导航台站应用。因此，需探索并论证新型通信导航监视技术以满足城市空中运输应用的通信导航监视需求，并选择合适的地面设施。低空飞行器制造方面，能源和动力技术仍然是影响低空交通系统效率的主要瓶颈。大部分能量在爬升和下降过程中被消耗，导致飞行距离缩短，电池需频繁充电，从而降低了eVTOL机队的利用率。自主飞行控制技术方面，配置驾驶员会显著降低运营经济性，eVTOL 驾驶员培训和执照管理也会显著影响其商业化进程。因此，eVTOL需要实现自主飞行控制，包括冗余、多功能操纵面的控制分配与重构以及基于人工智能的自主飞行控制和应急着陆控制。避障技术是城市空中交通安全运行的核心，采用智能传感、雷达探测和视觉感知等技术可以实现对飞行器周围环境的实时感知和碰撞风险评估。无人机之间（对空风险）、无人机与建筑物之间（对地风险）、无人机失效等对地面的致害风险（对地风险）亟待评估和论证。低空飞行保障方面，需要设计空中交通规则并验证有效性。同时，针对eVTOL设计空管运行系统，并思考空管系统如何对大规模飞行冲突进行宏观管理，这是接下来需要重点思考的问题。能源与动力技术方面，要实现 eVTOL飞得更远、更安静、更绿色，高能量密度的小型化、轻量化电池技术是一个重要的发展方向。同时，eVTOL动力系统的设计应充分考虑噪声影响，采用合适的降噪措施以减少其对城市环境产生的噪声污染。通信感知方面，民航领域传统的雷达和无线电通信难以适用于城市空中交通的大规模飞行场景，为了满足UAM低延迟传输和高覆盖率的需求，需要发展更稳定、更高效、更经济、更安全的通讯技术。空域规划与航路设计方面，城市空中交通商业运行对低空空域资源的利用率和动态性要求高，需要在低空交通管理初期应用结构化的空域划设方式，将低空空域网格化和数字化，以更好地平衡运行安全和空域容量之间的矛盾。飞行规则方面，要制定低空管理制度、监管措施、统一空中飞行标准、突发事故处理机制，实现从“飞行计划”发展至“完全自主”的飞行模式。风险识别方面，随着低空经济从飞行试验期向应用商业期迈进， 飞行架次、 航路航线规模化增长， 飞行器类型、 运营主体、 应用场景等更加多元， 城市空中交通大规模飞行冲突安全问题凸显，要开展飞行活动特征挖掘、全周期飞行风险识别及预警技术研究，做好低空交通安全的“最后一道屏障”。空中管制平台方面，城市空中交通应充分考虑复杂城市气象条件、多维城市空间结构、海量飞行任务等因素，建立中心化、多层次、高鲁棒性和灵活性的空中交通集中管制系统，以确保高效的、安全的运输。
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