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全球无人机运行管理步入2.0时代 来源:科研处 作者: 科研处


       中美欧是全球民用无人机制造与应用的主角,从无人机制造、无人机融入国家空域政策、无人机运行技术路线到无人机交通管理系统研发,三方正在开启一个跨越数十年的航空新技术竞赛。无人机是我国具备全产业链优势的新一代航空分支,这场技术盛宴我们不能缺席。

       一、市场结构决定运行管理需求

       1.消费类无人机存量巨大

       2019年我国无人机制造企业1200家,产能2000万架,出货量占全球70%。但全球无人机拥有量的分布更为均衡。
我国在无人机登记、运行数据获取、驾驶员管理、运营企业监管等领域处于全球领先,欧美各国受限于法律授权的及时性问题,目前仍没有全方位获取运行数据。我国通过出台低层级的管理程序、咨询通告以及红头文件等方式最快速地建立了无人机运行数据收集统计体系(参见表1)。

       数据来源:民航局各统计报告,作者汇总。

       *数据说明:运营企业是指利用无人机对外提供商业服务的企业,注册法人用户是指使用无人机的机构用户,后者范围更广。注册无人机是指机构和个人根据民航局适航司《民用无人驾驶航空器系统实名登记管理程序》实名登记的无人机。而经营性无人机是获得无人驾驶航空器经营许可证的企业根据民航局运输司《民用无人驾驶航空器经营性飞行活动管理办法(暂行)》登记的无人机。后者范围更小,主要用于对外开展经营性飞行活动。

       2.专业级无人机加速增长

       据估算,2019年全球无人机出货量约370万架,其中专业类无人机34.4万架,约占总量10%左右。2019年我国民用无人机制造业规模约120亿元,专业类无人机销量占比12%,但销售额占比达到54.3%。我国无人机注册法人用户、无人机运营企业以及经营性无人机、无人机驾驶员执照增速超过总量数据增长速度,说明无人机企业应用、商用与职业应用将成为未来无人机发展的重要特征。

       根据美国联邦航空局(FAA)统计[1],2018年底,美国注册航模无人机业主90万人,拥有大约125万架航模无人机,此外,2018年底FAA注册的非航模小型无人机(sUAS,指起飞全重25公斤以下的无人机)达到27.7万架。FAA将1万美元以下的无人机界定为消费类,其平均价格2500美元;专业类无人机平均价格约2.5万美元,2018年美国注册的专业类无人机1.3万架,但FAA预测,到2023年美国非航模无人机将达到83.5万架,其中专业级无人机将增长10倍达到12.5万架。

       目前欧洲无人机数据统计最薄弱。根据SESAR联合体2016年的估算,当年欧洲约有100万到150万架消费类无人机,占全球30%的市场份额,其中约1万架专业类无人机。

       3.城市空中交通无人机(UAM)是下一轮增量市场

       《欧洲无人机展望研究》预测:2025年欧洲消费类无人机将达到700万架,这一规模将保持到2050年。政府和商用无人机则持续增长,2025年达到20万架,到2050年为40万架。2035年欧洲将有约7万架快递无人机每年运送2亿个小型包裹,载人城市空中交通(UAM)无人机达到4000架。美国宇航局(NASA)2018年发布的《城市空中交通(UAM)市场研究》[2]测算,美国仅机场空中巴士(Airport Shuttle)以及空中的士(AirTaxi)两类市场的潜在市场规模有5000亿美元/年,但受制于各方面限制,初期市场容量约为25亿美元/年,每天需要4100架UAM为8万旅客提供5.5万次飞行。

       无人机对有人航空的替代将在2040年后逐步实现。到2050年,欧洲大型审定类无人机(包括可选择有人或无人驾驶的机型)将达到1.2万架,占全部商业运输机队(含公务机与旋翼机)的28%。大型货运飞机将全部转为无人驾驶,公务机与旋翼机规模将因替代效应而显著萎缩。



       注:EASA和JARUS采用一种基于运行风险的无人机运行分类方法。*指运行风险较低,允许开放运行的无人机类型,消费类无人机主要归于此类;**指运行风险较高,需要通过风险评估与风险控制才可开展运行的无人机类型,目前专业类无人机主要归于这类。***指运行风险很高,需要按照航空器适航审定程序进行管理的无人机类型,载人UAM和大型高空长航程载人或载货无人机都归于此类。

       从数据看,中美欧的无人机规模以及近中期市场展望结果相近,三方无人机应用市场基本形成均势(参见表3),中美欧基本在相近的市场需求基础上开展运行技术开发。

       此外,关注无人机的重点不仅是规模,技术特征与运行特征更为关键。尽管消费类无人机在机械性能、物理指标上远弱于有人航空,但无人机是数字时代产品——基于移动互联网的数字航迹、数字控制与数据链传输,无人机运行管理、运行服务与交通控制具备智能化发展的基础。传统航空器发源与机械时代,数字化改造困难。从技术时代来区分,消费类无人机类似哺乳动物中的松鼠,具备进化为人类的潜力,而传统航空器则更像卵生动物的恐龙。



 

       二、无人机运行管理1.0

       由于各国公众和政府对无人机的态度从关注鼓励转向慎重约束,无人机制造技术对市场扩张作用减弱,空域容纳能力(运行管理技术)成为产业短板与技术瓶颈。无人机能否安全、快速、大规模融入国家空域系统成为全球无人机竞争新赛道。

       根据出货量估算,全球消费类无人机存量达到2000万,每年新增无人机规模约为存量传统航空器的10倍,各国难以参照有人航空的方式管理无人机。消费类无人机管理的首要任务是解决巨量无人机的信息管理。解决方案是无人机电子注册、无人机远程识别(RID)技术以及飞行数据云系统(含电子地理围栏等基础功能),目前技术架构基本成熟,基本实现运行主体、运行轨迹的可追溯。我国在消费类无人机制造技术、无人机信息系统建设以及管理制度出台速度等方面存在明显优势。针对消费类无人机的运行管理1.0我国处于领先位置,实用性规章出台最快、运行数据获取最全面。美国其次,欧洲较慢但正在加速赶上(参见表4)。




 

       无人机技术发展日新月异,随着专业类无人机成为产业发展的重点,小型快递运输、载人UAM、大型长航程无人机渐次成熟,对无人机运行管理与服务提出全新的需求,无论是规制体系还是技术方案都与消费类无人机解决方案1.0都不同,全球正在展开无人机解决方案2.0的全方位竞赛。

       三、无人机运行管理2.0

       1. 政策法律规章

       欧盟在民用无人机领域忧患意识最强,欧盟委员会自2015年起连续5年在欧洲各地举办欧洲无人机高层论坛,凝聚欧盟共识并每年发布欧洲无人机宣言。通过高层动员、社会宣传与政策制定,欧盟后发而先至,建立了全球最具前瞻性的无人机法规标准体系。欧盟首先提出基于运行风险的无人机分类管理理念,2019年欧盟出台两部航空条例——DR(EU)2019/945、IR(EU)2019/947分别从无人机适航与无人机运行两个方面建立无人机管理体系,欧洲无人机交通管理系统(U-space)条例已经完成公开征求意见,进入欧盟委员会立法程序,预计2020年第四季度颁布实施。如果按期颁布,在欧洲所有19部民航法规中将有3部是无人机法规。

       美国无人机法律起步最早,2012年的《FAA现代化与改革法案》明确规定FAA在无人机融入国家空域系统的责任与义务,根据法案要求,FAA2013年发布《无人机融入国家空域系统路线图(第一版)》,2016年出台的《107部小型无人机系统》建立了25公斤以内无人机运行规则。根据2017年10月发布的总统备忘录,美国交通运输部选择10个地方政府开展无人机一体化试点计划(IPP),美国联邦、州、地方和部落政府通过IPP开展紧密合作。

       中国民航局于2013年建立了无人机驾驶员管理机制,2015年出台轻小型无人机运行规定,2017年起建立无人机实名登记制度,2018年出台经营性飞行活动管理机制。中国民航局在2018年举办无人驾驶航空国际论坛,并在年底成立民航局无人机管理领导小组与工作组、专家组,2020年民航局着手推进无人驾驶航空试验区试点。我国深圳市、海南省也推进了无人机管理地方法规的制定。但我国无人机管理条例仍在立法过程,民航局无人机规章(CCAR-92)仍在等待上位法授权。

       过去5年全球出台的无人机法律规章与技术文件超过了100年间通用航空的法规体系,验证了各国对无人机的重视程度。

       2.运行安全风险控制工具

       欧洲首先建立无人机运行概念,按照运行风险将无人机运行分为开放类、特定类与审定类。针对特定类运行建立了风险评估工具(SORA),通过对特定类运行开展评估风险、采取风险缓解措施等方式建立特定类无人机运行的标准场景,采取相同运行模式的企业按照标准场景开展运行,不再需要局方审定。开放类无需审定,审定类纳入适航程序,欧盟将所有无人机纳入法规标准体系。

       美国采用安全管理体系(SMS)的风险矩阵工具开展无人机风险管理,企业作为责任主体承担风险评估与运行管理责任。由于风险管理矩阵评估不必限制在小型无人机(107部范围),因此更大型的无人机运行也可以采用此模式实施安全管理,针对物流快递、UAM等无人机复杂应用,FAA纳入通用航空的空中的士(Airtaxi)审定程序管理。美国充分利用传统安全管理与认证程序解决无人机问题。

       我国原则采纳了无人机规则制定联合体(JARUS)的分类管理理念与SORA2.0管理体系,但无人机运行概念尚在制定过程中。

       3.融入空域的技术路线

       2018年3月,SESAR发布了《欧洲空管主计划:无人机安全融入所有空域的路线图》[1]。欧洲无人机融入国家空域系统提出两条并行路线,一是大型遥控驾驶航空器系统(RPAS)融入传统有人航空使用空域,从RPAS从仪表飞行能力向仪表飞行/目视飞行双重能力发展,从RPAS在A/B/C空域融合运行向所有空域融合运行发展。二是针对小型无人机交通管理系统U-space划分四个发展阶段(U1-U4),但目前暂时只能界定前三个阶段U-space的功能与技术需求(参见图1)。



 

       2018年7月,FAA发布了第二版的《民用无人机融入国家空域系统路线图——五年路线图》[1],是对2013年第一版的修订。美国按照运行复杂程度由低到高界定了7类运行,分别提出无人机运行管理的能力需求,但没有对7类运行能力提出实现时间表(参加图2)。

图2 不同类型运行需要具备的运行管理能力
 
       2017年,中国民航局提出建立以运行为中心的无人机管理体系,由于空域管辖权的差异,我国没有出台《民用无人机融入国家空域系统路线图》。

       4.无人机交通管理系统(UTM)的运行概念

       法律、规章与运行程序可以控制80%的运行风险,剩余20%运行风险需要技术解决方案。残余风险才是无人机能否大规模扩张以及开展复杂运行的关键瓶颈。

       美国UTM概念框架首次由NASA在2013年提出来的,到2015年,NASA和sUAS运营人明确提出应当建立超低空域的无人机交通管理系统。根据《2016FAA延长、安全与安保法案》,FAA与NASA合作推进无人机交通管理试点计划(UPP),NASA负责UTM原型系统的研发,FAA与NASA建立UTM 研究转化小组(UTMResearch Transition Team, RTT),确保2020年9月之前完成原型系统研发与交付。FAA在2018年和2020年分别发布第一版和第二版的《UTM运行概念》,界定了19种UTM服务。在运行管理2.0阶段,FAA和空管部门仅承担空域管理责任,其它运行保障任务由运营人承担主要责任,无人机服务商USS承担次要责任(参见表5)。



       欧洲《U-space运行概念》由SESAR联合体提出,U-space服务包括与安全和安保相关的8类31种服务(参见图3),但也包括商业服务。U-space运行概念仅描述了U3之前的服务,U4阶段的服务与功能尚未确认。

3. U-space服务类型(U1-U3阶段)

 
       我国已经批准立项开展无人机运行管理系统(UOM)的建设,计划将现有民航局分属各司局的信息系统打通边界、数据共享,将无人机注册、驾驶员管理、运营企业监管、无人机交通管理(UTMISS)融合起来形成大系统,但系统运行概念与未来功能服务架构没有公布。

       三、UTM研发是运行管理2.0竞争的焦点

       欧美在无人机交通管理系统研发上不遗余力。

       美国由NASA牵头并利用NextGen等资助途径,在2015-2020年度每年投入2000万美元开展UTM原型系统研发。NASA整体制定了UTM四个技术水平(Technology Capability Level,TCL)的全部测试验证计划。其中2016年8月和10月完成TCL1和TCL2试验验证,2018年5月和6月,NASA与40家合作单位在6个试验区完成TCL3验证,2019年5月到8月,NASA与35个合作单位完成TCL4验证试验。

       以Neveda自动化系统研究所(NIAS)主导的一次TCL4验证试验为例,共有34家大学、研究机构、制造企业、互联网服务企业参与试验。试验包括建立项目测试验证目标、参与主体、相关场景设计、信息流程。随着UTM原型系统技术能力等级不断升级,参与各方的技术成熟度都得到同步提升,并获得大量试验成果,目前仅公布在NASA网站的UTM测试验证报告超过100篇。


图4. 美国UTM(TCL4)测试验证的三个试验区 

 
       在2017-2019年度,欧盟最大的研发创新计划——“地平线2020(Horizon 2020)”资助3300万欧元建立了SESAR联合体牵头的U-space综合研发计划。欧洲在U-space研发计划集中了欧洲最顶尖的大学、研究机构、运行部门与创新企业的核心资源,试验区遍布全欧洲,共计19个欧洲国家、11所大学、25家空管部门、25座机场、65个创新企业的800名技术专家参与,开展186项飞行任务完成850小时飞行。其中一个U-space验证项目——PODIUM(The Proving Operationsof Drones with Initial UTM)分别在丹麦、法国与荷兰的五个试验场开展,涉及18个运行场景、73次真实飞行和138个许可流程。

        从试验验证来看,欧洲采取统一规划、分开测试验证、集成优势技术的方式推进无人机交通管理技术研发。10个测试验证试验遍布欧洲各地(参见图5),选取比较有代表性的区域和试验环境开展测试,兼顾了各国参与的积极性与公平性。

 
图5. 欧洲U-space研发项目的10个测试场布局

 
       目前我国UTMISS与UOM都未提出清晰的法律授权、运行概念与聚焦于交通管理功能的系统开发验证计划(参见表6)。


       五、启示

       1.无人机交通管理技术只能自主开发


       一是目前全球研发都处于并跑阶段,没有现成产品可以购买,而且谁也等不起。其次,无人机更加贴近经济建设与社会生活,包括敏感的地理信息、经济市场信息、居民社区信息,不宜由外方实施管理。三是无人机运行技术定制开发需求较大,传统空管雷达与自动化系统功能一致,通用产品易于采购,而各国无人机运行规则、法规、流程都不同,只能定制开发。四是无人机交通管理系统将逐步融入“城市大脑”并成为立体交通基础设施的组成部分,我国100万人口以上城市超过百座,市场体量足以支撑自主开发。

       2.阶段优势不意味着持续优势-

       不同的赛场。消费类无人机的价值是创造流量与体验,专业无人机强调控制精确度、完整性、可靠性与连续性等不同技术指标,专业无人机应用需要不同的产业生态。消费类无人机运行以自我约束为主,商用运营则以付费服务保证安全,全球空中交通管理体系主要是为商业航空建立的。此外,与消费类无人机在视距内超低空飞行相比,商用无人机具有业务驱动、高载重、超视距、复杂运行轨迹等运行特征,B2B将是无人机信息服务与运行管理的主要模式。

       - 工业软件短板。无人机交通管理系统是大容量、短时延、广覆盖移动互联网与工业软件精准控制相结合的应用系统。技术指标不仅是规模、流量总量指标,而是运行概念、系统架构与整体效能的竞争,我国工业软件开发短板不利于运行技术的全球竞争。

       -适航审定短板。当无人机向eVTOL、UAM/AAM(advanced Arial Mobility)等高性能、高可靠性、高风险应用发展时,适航技术短板就逐渐体现出来。

       - 研发生态短板。无论是美国NASA-FAA技术转移的接力模式,还是欧洲组队平行开发的赛马模式,都有多类机构广泛参与。通常局方与业界提出技术需求-大学与研究机构提供技术解决方案(原理与元器件)-行业研发机构制定运行概念并整合原型系统-标准组织制定专门标准-制造企业开发定型产品(品质控制)-市场竞争(政府采购)挑出优势产品。各个环节有不同机构提供不同研发专长,动态地组成一个有活力的研发生态。我国从大学或研究机构就直接生产定型产品的做法不是常态,不能实现研发体系博采众长、合理分工。

       3.有计划地推进我国无人机运行管理技术试验验证

        无人机运行管理是一条“足够长的技术坡道”,覆盖当今科技前沿应用——大容量低时延移动通信+空中机器人(精准运动+精准遥控)+人工智能(全局动态轨迹规划与智能控制)+物联网(态势感知+轨迹协调)。这也将是一条延续数十年的航空业新赛道。在“唯快不破”策略获得初期成功之后,我们需要些“慢功夫”建立无人机运行管理的持续优势(参见表7)。

       - 建立国家级科研专项持续资助。建立政产研学用一体、高科技企业牵头的研发机制,主导机构具有整合资源、完成空缺任务的意愿与能力。

       - 构建无人机交通管理的运行概念。文字落地过程是积累知识、凝聚共识的重要途径,也是汇聚研发专长的过程。- 定向征集技术工具与技术解决方案。

       - 制定试验验证计划。在虚拟与实地运行场景广泛中测试广泛验证各类工具与程序方案,才可能有实用的原型产品。

       - 培育研发生态。研发生态是创新的生命力基础,博取众长、激励相容的创新生态才是未来各国技术竞争的主体。

       - 依托试验区聚集研发要素。目前开展的无人机试验区借鉴了欧美强化社会动员、发挥行业与地方两个积极性的做法。试验区之间还应分工协作,聚焦于我国无人机运行管理中不同应用场景的测试验证。



本文来源:民航管干院-通航系