無(wú)人機(jī)交通預(yù)測(cè)未來(lái)商業(yè)空中交通

可以肯定的是，無(wú)人機(jī)將引領(lǐng)未來(lái)的空中交通。低空飛行的無(wú)人機(jī)可以用于外送披薩和遞送包裹，而高空飛行的全自主駕駛飛機(jī)可用于執(zhí)行一些支撐性的任務(wù)，例如，監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量、繪制洪水分布圖及收集新聞，甚至可能像空中的士一樣作為乘客在短途旅游期間的便捷交通工具。目前，無(wú)人機(jī)已開(kāi)始用于上述部分用途，而在開(kāi)展這些活動(dòng)前還需要獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)的特別許可。但是，監(jiān)管機(jī)構(gòu)尚未明確相關(guān)的所有有關(guān)無(wú)人機(jī)飛行的詳細(xì)技術(shù)及政策要求，以確保在維護(hù)空域安全的同時(shí)能夠讓每位乘客乘坐的無(wú)人機(jī)按時(shí)起飛。換句話(huà)說(shuō)，大型無(wú)人機(jī)應(yīng)能像其他民用飛機(jī)一樣按照航空運(yùn)輸體系中的現(xiàn)行規(guī)則執(zhí)行飛行任務(wù)。這就需要對(duì)用于此類(lèi)無(wú)人機(jī)的傳感器和通信制定新的技術(shù)規(guī)范。

▲為了在山火發(fā)生初期進(jìn)行早期探測(cè)，此圖展示了無(wú)人機(jī)較為可行的飛行路線(xiàn)。Intelligent Automation公司（IAI）通過(guò)燃燒概率數(shù)據(jù)確定了哪類(lèi)飛行對(duì)山火探測(cè)有幫助，然后據(jù)此繪制了可行的飛行路線(xiàn)

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心一個(gè)團(tuán)隊(duì)的隊(duì)長(zhǎng)埃里克·穆勒（Eric Mueller）說(shuō)：“我們希望擁有一名訓(xùn)練有素的飛行員以特定方式操作無(wú)人機(jī)，這是因?yàn)樗麄兞私饪罩薪煌ㄏ到y(tǒng)的規(guī)則。”其所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)曾與美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）及其他機(jī)構(gòu)合作，研究如何減少將無(wú)人機(jī)引入國(guó)家領(lǐng)空時(shí)遇到的技術(shù)障礙。埃里克·穆勒（Eric Mueller）還說(shuō)：“我們必須量化此預(yù)期行為，然后將其轉(zhuǎn)化為對(duì)相關(guān)電子產(chǎn)品的要求。”具體而言，該團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)是無(wú)人機(jī)如何探測(cè)并避讓空域中的物體——對(duì)于機(jī)上有飛行員負(fù)責(zé)監(jiān)視其正前方天空的飛機(jī)而言，這種能力稱(chēng)為“見(jiàn)避能力”。穆勒（Mueller）說(shuō)：“我們不能只是簡(jiǎn)單地構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)，然后操作無(wú)人機(jī)到處飛，看看它是否會(huì)撞人、撞到什么人，然后說(shuō)，‘我想這個(gè)系統(tǒng)還不夠好’”。

該團(tuán)隊(duì)選擇通過(guò)模擬仿真來(lái)了解空域。穆勒說(shuō)：“我們對(duì)成千上萬(wàn)次飛機(jī)之間的相互作用進(jìn)行了模擬；還模擬了擬建的偵測(cè)與回避系統(tǒng)的性能，看看它是否滿(mǎn)足FAA及相關(guān)組織已經(jīng)制定的安全要求。”研究人員已掌握了有助于其模擬的大量空中交通現(xiàn)狀信息。但是，研究人員還需要獲得有關(guān)無(wú)人機(jī)軌跡和飛行計(jì)劃的真實(shí)信息，用于與現(xiàn)有空中交通數(shù)據(jù)形成對(duì)照。這就成了一個(gè)“雞與蛋”的問(wèn)題：為了幫助FAA制定良好的無(wú)人機(jī)法規(guī)，NASA需要獲得無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，但是在法規(guī)出臺(tái)之前，并沒(méi)有可用的真實(shí)數(shù)據(jù)。

為此，穆勒（Mueller）就技術(shù)轉(zhuǎn)讓與Intelligent Automation公司（IAI）空中交通管理研發(fā)總監(jiān)弗雷德·維蘭德（Fred Wieland）開(kāi)展了合作。IAI公司是一家位于馬里蘭州羅克維爾市的技術(shù)開(kāi)發(fā)公司。2012年，NASA通過(guò)Ames簽訂的小型企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃（SBIR）合同，資助IAI公司開(kāi)展了有關(guān)未來(lái)無(wú)人機(jī)交通的研究；期間，該研究還獲得了弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)的幫助。當(dāng)時(shí)，穆勒（Mueller）是NASA的技術(shù)代表。

無(wú)人機(jī)研究的困難在于如何使預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可信。“在剛開(kāi)始的時(shí)候，我們也很困惑，” 維蘭德（Wieland）承認(rèn)，“我們從哪里得到這些數(shù)據(jù)？人們憑什么相信我們？”IAI公司團(tuán)隊(duì)首先查看了先前確定的可能由無(wú)人機(jī)執(zhí)行的任務(wù)，然后與幾十名相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)科專(zhuān)家進(jìn)行了交流，了解各專(zhuān)家所在領(lǐng)域中無(wú)人機(jī)可能開(kāi)展的自主飛行情況。維蘭德（Wieland）說(shuō)，其研究團(tuán)隊(duì)本來(lái)料想這些民用機(jī)構(gòu)和其他企業(yè)對(duì)使用無(wú)人機(jī)能做什么并不感興趣。“但出乎我們意料的是，實(shí)際情況并不是這樣。” 事實(shí)上，IAI公司聯(lián)系的每一家機(jī)構(gòu)都有專(zhuān)人為未來(lái)無(wú)人機(jī)飛行制定后勤計(jì)劃。同時(shí)，這些機(jī)構(gòu)還設(shè)立了相關(guān)辦公室來(lái)監(jiān)管無(wú)人機(jī)的運(yùn)營(yíng)。“這些機(jī)構(gòu)了解無(wú)人機(jī)將在哪里飛行，何時(shí)飛行，以及無(wú)人機(jī)的飛行高度和飛行路徑”，維蘭德（Wieland）說(shuō)。“讓我們感到意外的是，我們的研究工作變得非常順利。”一旦IAI公司證明其作出的預(yù)測(cè)可能會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，公司就會(huì)收到SBIR第二階段的資金，以繼續(xù)建立其可能的飛行數(shù)據(jù)庫(kù)。最后，公司會(huì)有更多的專(zhuān)項(xiàng)資金用于實(shí)現(xiàn)其最終產(chǎn)品的商業(yè)化。

IAI公司

一家位于馬里蘭州羅克維爾市的技術(shù)開(kāi)發(fā)公司。2012年，NASA通過(guò)Ames簽訂的小型企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃（SBIR）合同，資助IAI公司開(kāi)展了有關(guān)未來(lái)無(wú)人機(jī)交通的研究；期間，該研究還獲得了弗吉尼亞理工學(xué)院

暨州立大學(xué)的幫助。

維蘭德（Wieland）及其同事們還研究了學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，確定了19種廣泛的任務(wù)類(lèi)型，如地圖繪制和邊境巡邏。他們還考慮了一些目前尚未執(zhí)行過(guò)的任務(wù)，如按需提供的空中的士服務(wù)。不過(guò)，他們?cè)诖隧?xiàng)研究中忽略了在2000英尺以下飛行的送貨無(wú)人機(jī)，以及業(yè)余愛(ài)好者的四軸飛行器，因?yàn)檫@類(lèi)無(wú)人機(jī)和四軸飛行器不可能在機(jī)場(chǎng)附近以外的空域中遇到商用飛機(jī)。

IAI公司辨識(shí)出空域中出現(xiàn)的可能為無(wú)人機(jī)飛行的各種情況，且這樣的無(wú)人機(jī)飛行頻次高達(dá)每日26312次，并將這些飛行數(shù)據(jù)匯入目前每日27000～28000次的商業(yè)飛行數(shù)據(jù)中；這是空域飛行數(shù)據(jù)的重要補(bǔ)充。然后，IAI公司開(kāi)始收集更多關(guān)于無(wú)人機(jī)飛行的信息，包括適用于無(wú)人機(jī)的機(jī)場(chǎng)類(lèi)型，以及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）的飛行高度、軌跡和飛行路徑等。

“雖然已經(jīng)有一些無(wú)人機(jī)系統(tǒng) （UAS）的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，”維蘭德（Wieland）說(shuō)，“但是，這些往往都是針對(duì)未來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）制造能力或無(wú)人機(jī)機(jī)型的大概預(yù)測(cè)。據(jù)我所知，還沒(méi)有哪家機(jī)構(gòu)像我們一樣，針對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的飛行情況，逐一統(tǒng)計(jì)、作出預(yù)測(cè)；目前，尚沒(méi)有見(jiàn)到此類(lèi)預(yù)測(cè)。”

無(wú)人機(jī)很有可能會(huì)引領(lǐng)未來(lái)的空中交通，執(zhí)行各類(lèi)任務(wù)，包括包裹遞送、美食快遞、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、新聞收集及載客飛行。IAI公司開(kāi)發(fā)的軟件有助于監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)未來(lái)無(wú)人機(jī)交通狀況作出相關(guān)預(yù)測(cè)并據(jù)此制定相關(guān)法規(guī)，用以規(guī)范無(wú)人機(jī)空中系統(tǒng)能夠安全平穩(wěn)地運(yùn)營(yíng)。

在NASA，穆勒（Mueller）及其團(tuán)隊(duì)能夠在其模擬仿真中應(yīng)用IAI公司的數(shù)據(jù)。“我們并不是說(shuō)未來(lái)會(huì)出現(xiàn)這些特定的飛行組合，”穆勒（Mueller）說(shuō)，“相反，我們根據(jù)不同的任務(wù)組合研究了可能發(fā)生的各種情況。這樣，我們就可以看到在哪些地方安全指標(biāo)會(huì)對(duì)不同任務(wù)類(lèi)型的選擇較為敏感。”穆勒（Mueller）的團(tuán)隊(duì)在提交給FAA的數(shù)百頁(yè)文件中詳細(xì)敘述了對(duì)無(wú)人機(jī)的技術(shù)要求。穆勒（Mueller）說(shuō)：“這份文件基本上可以作為制造商制造無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的指導(dǎo)手冊(cè)。”

▲（CC BY 2.0）由維基百科的用戶(hù)Don McCullough提供

NASA和IAI公司都清楚，有關(guān)無(wú)人機(jī)飛行預(yù)測(cè)的海量數(shù)據(jù)還可用于其他商業(yè)目的，這也正是他們會(huì)選擇通過(guò)SBIR計(jì)劃提供資金的原因。IAI公司構(gòu)建的界面使用戶(hù)能夠輕松篩選無(wú)人機(jī)類(lèi)別、飛行高度、持續(xù)時(shí)間或其他任何數(shù)據(jù)。同時(shí)，該公司目前在其網(wǎng)站上將該無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)制作成名為“UAS-Max”的產(chǎn)品進(jìn)行出售。IAI公司并沒(méi)有限定交通預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的日期，不僅如此，該公司的數(shù)據(jù)庫(kù)里還包括了無(wú)人機(jī)飛行法規(guī)制定之后幾年內(nèi)可能出現(xiàn)的無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，此項(xiàng)預(yù)測(cè)還正在進(jìn)行中。不過(guò)，IAI公司已經(jīng)對(duì)最初的飛行數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了一些更新。IAI公司沒(méi)有討論有關(guān)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)或銷(xiāo)售，但維蘭德（Wieland）表示，無(wú)人機(jī)研究人員、空域安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)及軍事組織對(duì)“UAS-Max”等數(shù)據(jù)產(chǎn)品很感興趣。他說(shuō)，NASA仍然是該產(chǎn)品最大的政府類(lèi)用戶(hù)。

這種預(yù)測(cè)工作還可以帶來(lái)其他好處，例如，通過(guò)執(zhí)行數(shù)萬(wàn)次安全飛行任務(wù)，幫助解決無(wú)人機(jī)飛行中的圖像問(wèn)題。穆勒（Mueller）目前在NASA的另一個(gè)部門(mén)工作，從事未來(lái)城市出租車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)的研究工作。“目前，一說(shuō)起無(wú)人機(jī)，它大多數(shù)時(shí)候都與海外軍事行動(dòng)或國(guó)內(nèi)侵犯隱私活動(dòng)聯(lián)系在一起”，穆勒（Mueller）說(shuō)。“其實(shí)，無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)將有助于展示無(wú)人機(jī)運(yùn)營(yíng)所帶來(lái)的許多潛在的公眾利益。”