無人駕駛航空器及其衍生系統(tǒng)（以下簡稱“無人機”） 是21世紀航空業(yè)發(fā)展的最大技術變量。中美歐都具備相對完整的民用無人機產業(yè)鏈，具備主導全球民用無人機發(fā)展的實力與動力,也是全球無人機產業(yè)主要的創(chuàng)新源與目標市場。美歐在社會動員、無人機融入空域戰(zhàn)略、運行技術研發(fā)方面不遺余力，值得我國關注并自主推進無人機融入空域戰(zhàn)略。
一、民用無人機構筑航空業(yè)新結構新動能
1.全球行業(yè)規(guī)模快速增長
機隊規(guī)?？焖贁U大。根據美國聯邦航空局（以下簡稱“FAA”）統(tǒng)計，2019年底，美國25公斤以下小型無人機數量共170.5萬架，其中航模無人機132萬架，在線注冊商用小型無人機38.5萬架。FAA預測到2024年美國小型無人機數量達到230.8萬架。根據歐盟資助的市場預測，歐洲無人機數量到2025年將達到720萬架，其中消費類無人機約700萬架，商用或政府用途的專業(yè)無人機約20萬架。我國2020年在民航局實名登記注冊的無人機達到52.4萬架，同比增長33.6%，經營性無人機13.2萬架，同比增長63.4%。
參與者眾多。2020年底，我國注冊無人機運營企業(yè)10725家，注冊無人機法人用戶達到5.8萬家。2019年美國在107部規(guī)章下登記的無人機運營人10.8萬個。截止2019年底，美國注冊航模無人機愛好者達到99萬人。FAA預測美國獲得執(zhí)照的無人機駕駛員將從2019年的16.2萬人增長到2024年34.9萬。2020年我國注冊無人機用戶49.3萬人，同比增長32.9%。2020年底我國無人機駕駛執(zhí)照88944本，同比增長32.3%。SESAR聯合體預測，到2035年歐洲的無人機行業(yè)直接從業(yè)者將達到10.5萬人。到2050年，歐洲無人機產業(yè)直接和間接工作崗位將達到25萬到40萬個之間。
運行量快速提升。2020年我國無人機經營性飛行量逆勢增長36.4%，達到159.4萬小時。2020年民航局云系統(tǒng)上傳的無人機飛行183萬小時，較上年增長46.4%。2019年我國參與云交換系統(tǒng)的無人機僅3.4萬架，僅占當年在民航局實名登記無人機總量的8.7%，據此推算，我國民用無人機飛行量在1000萬小時量級，超過我國通用航空飛行量，與運輸航空飛行量相當。FAA根據抽樣數據測算，2019年度美國航模/娛樂無人機的飛行量達到1500萬小時，同比推測商用小型無人機約700萬飛行小時，美國小型無人機飛行量已達2200萬小時，超過當年美國運輸航空的飛行量并接近通用航空飛行量。2018年5月，FAA推出受理小型無人機管制空域申請的LANNC系統(tǒng)，2020財年LAANC批準了14.1萬次空域申請。2019年國際民航組織預測，民用無人機運行總量將很快超過傳統(tǒng)航空器。
2.使用主體加速轉化
全球消費類無人機規(guī)模在2010年代實現爆發(fā)式增長，但近年來消費類無人機增長逐漸放緩。FAA預測美國消費類無人機將在2024年達到峰值150萬架，但商用無人機將保持年均17%的快速增長，到2024年達到82.8萬架，其中價格在1萬美元以上的專業(yè)類無人機將從2019年2.5萬架增長到2024年的12.4萬架。歐洲預測消費類無人機在2025年達到700萬架的峰值，而商用與政府用途無人機將持續(xù)增長，從2015年的9000架增長到2020年的8.6萬架，2025年和2030年達到20萬架與37.3萬架。從我國的情況來看，2020年經營性無人機規(guī)模同比增速（63.4%）要快于總體注冊無人機的增速（33.7%），運營企業(yè)數量同比增速（50.0%）也高于注冊用戶數量增速（32.9%），2020年我國經營性飛行量同比增長36.4%，而且比2018年經營性飛行量（37萬小時）增長331%。數據說明，無人機使用主體正在深刻轉變，商業(yè)應用已經成為全球無人機的主流市場。
表1. 我國民用無人機規(guī)模統(tǒng)計指標（2020）
數據來源：民航局各司局各統(tǒng)計數據。
3.應用廣度深度不斷拓展
無人機航拍、無人機競速、空中表演等應用技術已經成熟，專業(yè)類無人機技術漸趨成熟，無人機在基礎設施巡檢、末端物流配送、城市高層建筑消防市場占比逐年提高。農業(yè)植保市場是第一個無人機商用的規(guī)模市場，2020年專門為農林植保服務的極飛云提交飛行數據達到131.2萬飛行小時，占無人機經營性飛行量的82.2%，占無人機總飛行量的71.6%。審定類無人機正在迅速改進技術并形成生產能力，支線物流無人機已投入測試驗證。太陽能無人機已經具備2萬米以上超高空超長時間運行的能力。
無人機下一個規(guī)模市場是城市空中交通（UAM）或先進空中交通（AAM）。美國目前正在起草和提出AAM的國家戰(zhàn)略。SESAR預測，到2035年歐洲城市空中交通（UAM）將達到4000架。FAA預測到2030年美國將有4萬架物流無人機提供5億次快遞服務。NASA預測到2030年美國將有2.3萬架UAM提供7.4億人次的載客飛行。
未來無人機還將逐步進入傳統(tǒng)航空運輸業(yè)，并優(yōu)先在貨運業(yè)務實現替代。SESAR聯合體預測：到2050年將有1.2萬架大型無人駕駛或可選駕駛航空器進入歐洲高空空域，占運輸航空機隊規(guī)模的28%。2050年歐洲中高空大型無人機飛行將達到700萬小時，飛行距離40億公里。150米以下超低空的無人機飛行量將超過3.5億小時,飛行距離170億公里。
21世紀后半葉，將是無人機技術逐步占據優(yōu)勢并最終與有人駕駛航空技術實現融合的過程。
三、無人機技術實質是航空數字化與智能化
1.基于算力平臺的人工智能應用
人類技術發(fā)展史上建立了兩個最大的通用技術平臺：
——以瓦特蒸汽機為代表的動力技術，替代人畜的生物動力；
——以圖靈計算機為代表的算力技術，替代人的計算能力。
傳統(tǒng)航空器是動力技術平臺的集大成者，現代無人機則是算力平臺上開發(fā)出來的新一代航空應用。有人航空是人腦與機械動力的組合，人的感知與決策能力是有人航空的核心。而當代無人機以數字化為基礎，充分利用了算力平臺技術，是機械簡單而數據豐富的新一代航空產品，具備利用算力與算法實現人工智能應用的潛力。無人機的優(yōu)勢不在于有人駕駛還是無人駕駛，而是航空業(yè)能否從算力技術的指數式發(fā)展中充分獲益。
2.突破傳統(tǒng)航空業(yè)普及的局限
民航業(yè)在交通運輸行業(yè)中規(guī)模較小。阻礙航空業(yè)獲得更深更廣應用的因素是基礎設施遠離客戶、僅提供長距離交通服務與使用頻率低，這三個因素相互作用。目前航空運輸主要應用于居民800公里以上交通，這是居民頻率最低的月度或年度出行需求。通用航空在全球規(guī)模萎縮進一步限制了航空業(yè)的應用場景。
無人機將顯著擴大航空業(yè)的應用領域與使用深度，進入城市社區(qū)與超高空，進入普通大眾的日常生活，高頻次地為居民提供娛樂飛行、快遞服務與日常交通，成為各行各業(yè)日益普及的輔助工具，最終將補充、替代與融合傳統(tǒng)有人航空。無人機將支持航空業(yè)在其第二個一百年歷史成為一個真正的大眾產業(yè)。
3.構建空域中的移動物聯網
民航業(yè)的短板在空中交通管理。空中交通管理至今仍然主要依靠人的計算能力與語音通信來為空域中的航空器配置飛行間隔。
一方面，空管技術變革的動力不足。2019年全球共運行4680萬個航班，2017年歐洲儀表飛行1600萬小時，美國2380萬小時。2019年我國運輸航空飛行1231萬小時。2020年中國和美國管制員規(guī)模都在1.4萬人左右，歐洲管制員1.8萬人，智能化可以替代的空管行業(yè)規(guī)模有限，數字化轉型的需求不夠迫切。
另一方面，空中交通管理存在數字化轉型的困難。傳統(tǒng)有人航空的特征是制造一個完備的航空器供飛行員操縱，整個航空業(yè)圍繞飛行員建立基礎設施、提供配套服務。當需要管制員-飛行員介入決策，就必須讓人能理解飛行意圖、管制指令以及機器的決策，人是航空數字化、智能化的最大障礙。
由于飛行員不在航空器上，無人機的飛行完全基于地面發(fā)出的數字化指令，徹底改變了飛行員、管制員與航空器、空管服務提供商之間的責任分配與角色。
四、美歐民用無人機融入空域戰(zhàn)略
1.開展社會動員
根據2017年10月發(fā)布的總統(tǒng)備忘錄，美國運輸部部長在2017年11月發(fā)布了一體化試點計劃（IPP），邀請州、地區(qū)和部落政府共同參與無人機運行的試點。為了促進產業(yè)發(fā)展并避免損害少數人利益，IPP是一次重要的社會動員。截止2020年8月中旬，FAA通過IPP計劃與9個地區(qū)合作完成15,402次無人機飛行，廣泛測試了各類無人機飛行任務的社會接受度。
歐洲通過連續(xù)舉辦跨歐洲的無人機高層論壇來開展社會動員。2015年歐洲航空安全局（EASA）在拉脫維亞首都里加舉辦無人機高層論壇并發(fā)布《里加宣言：“構建航空業(yè)的未來”》，提出建立無人機監(jiān)管框架的五項原則。2016年在華沙、2017年在赫爾辛基、2018和2019年在阿姆斯特丹，歐洲連續(xù)成功舉辦無人機高層論壇，不斷凝聚歐洲各界、各層面發(fā)展無人機產業(yè)的共識。
2.制定無人機發(fā)展戰(zhàn)略
歐洲：2011年，歐盟委員會發(fā)布《飛行軌跡2050：歐洲的航空愿景》預測“到2050年，很多航空器將是遠程駕駛或完全自動化”。歐盟委員會2015年提出的《歐洲航空戰(zhàn)略》將“充分釋放無人機的潛力”列為歐洲“擁抱創(chuàng)新和數字技術”領域的主要任務。2014年歐盟委員會發(fā)布《航空業(yè)的新時代：安全與可持續(xù)地向無人機開放航空業(yè)市場》，確認由SESAR聯合體負責開發(fā)無人機融入空域的技術。SESAR聯合體則將航空戰(zhàn)略明確的戰(zhàn)略目標落實到歐洲空管發(fā)展主計劃的戰(zhàn)略框架，從探索性研究、產業(yè)技術開發(fā)、大型驗證三個層面建立運行概念、技術原型到實用系統(tǒng)驗證的研發(fā)流程。歐洲的無人機戰(zhàn)略是從歐盟最高決策機關制定頂層航空戰(zhàn)略和中遠期規(guī)劃開始，到EASA制定專項路線圖和實施計劃，再到由SESAR聯合體預測市場需求與測算研發(fā)投資，最后落實到研發(fā)計劃以及各機構的年度工作計劃中，是一個體系完整、決策路徑清晰、執(zhí)行責任明確的戰(zhàn)略。
美國：《2012FAA現代化與改革法案》的出臺，基本奠定了其后美國無人機相關政策的基調，該法案以法律授權方式確立了美國將無人機融入到國家空域系統(tǒng)的戰(zhàn)略。法案要求FAA建立無人機融入空域計劃、制定運行規(guī)則、開展試點項目等法律條款，規(guī)劃了無人機發(fā)展的基礎法規(guī)體系。根據法案的要求，2013年美國運輸部向美國國會提交了《無人機綜合計劃：國家無人機發(fā)展路徑報告》，為實現無人機融入國家空域系統(tǒng)，綜合計劃確定了6個可量化考核的高層戰(zhàn)略目標與8項任務，建立了實施戰(zhàn)略的整體框架、跨部門目標、任務與方法。根據綜合計劃的要求，FAA制定《下一代航空運輸系統(tǒng)（NextGen）無人機研發(fā)路線圖》，確認了通信、空域運行、無人機和人機融合四個領域的23個挑戰(zhàn)。《綜合計劃》提出的國家目標與任務，被FAA細化為NextGen戰(zhàn)略中的具體研究領域、研究課題與優(yōu)先資助的清單，最終通過預算落實形成研發(fā)計劃。
五、無人機運行技術創(chuàng)新體系
（一）美國
美國無人機應用研究由FAA組織。FAA通過NextGen戰(zhàn)略對相關無人機應用研究實施整體協調，NextGen根據美國國會法案建立，有完善的目標、規(guī)劃、實施模式，采取了政府與產業(yè)界充分合作的方式，可以充分調動美國航空界的研發(fā)創(chuàng)新資源。FAA還通過支持政策或資金支持等方式建立研發(fā)合作關系，例如選拔無人機試驗區(qū)、建立聯邦研發(fā)中心與無人機卓越中心。此外，FAA通過建立無人機咨詢委員會，吸引產業(yè)界、學術界、標準化組織參與無人機政策咨詢與技術支持等等。
近年來FAA持續(xù)加大對無人機的研究，無人機在美國國家航空研究計劃（NARP）中的比重，從2011年的1%逐步提高到2019年的10%左右，2020年更是接近15%，達到7593.5萬美元。
表2. 無人機研究在美國國家航空研究計劃的占比
單位：千美元
注：*為申請預算值。
美國無人機前沿技術研究由NASA負責。美國國家航空航天局（NASA）有200多億美元年度預算和16000名高素質雇員，在無人機運行領域有長期的積累與研發(fā)組織能力。FAA與NASA共同建立了無人機交通管理系統(tǒng)（UTM）試點計劃（UPP），由NASA按照FAA需求開發(fā)UTM原型系統(tǒng)并在2020年將成果移交FAA。
2021財年，NASA的航空研究預算達到8.19億美元，其五個研究方向中有三個與無人機直接相關：
——空域運行與安全計劃。包括無人機交通管理系統(tǒng)（UTM）的測試驗證以及未來航空交通工具的一體化測試驗證。2021年預算0.904億美元。
——一體化航空系統(tǒng)計劃。包括UAM的自動化研究。預算2.69億美元。
——變革性航空概念計劃。包括簡化UAM運行操作和對航空貨運航班的遠程控制運行。預算1.299億美元。
（二）歐洲
歐洲由SESAR聯合體整體負責無人機融入空域技術的研發(fā)與部署。SESAR聯合體是依據歐洲理事會條例(Council Regulation (EC)219/2007)成立的跨國公私合作機構，由歐盟、歐控（Eurocontrol）和產業(yè)界合作伙伴按照1：1：1的比例聯合配資開展研究。SESAR2020計劃（2016-2024）預算達到16億歐元。聯合體目前有19個成員，成員下屬企業(yè)或組成機構超過100家，擁有行業(yè)專家超過3000名，具備協調歐洲研發(fā)資源開展民用無人機研究的能力。
SESAR預測在2016-2025年，無人機產業(yè)需要公私部門共同投入大約4億歐元創(chuàng)新資金，其中超低空的無人機空管系統(tǒng)U-space將需要研發(fā)投資2億到2.5億歐元，而傳統(tǒng)空中交通管制部門針對無人機運行的改造研發(fā)投資將在1.5億到2億歐元左右。
2010年歐洲已經通過歐盟第6期研發(fā)框架計劃資助了無人機融合項目。在SESAR2020計劃中投資4000萬歐元在儀表飛行無人機（IFR RPAS）融入傳統(tǒng)管制空域的研究。歐洲防務局（EDA）投資約5000萬歐元開發(fā)RPAS的感知避讓技術（SAA）。2017年-2019年，“地平線2020”研發(fā)計劃資助3300萬歐元對歐洲無人機交通管理系統(tǒng)（U-space）進行研發(fā)與驗證。按照SESAR出資的規(guī)則，歐控與SASAR其它成員單位將同比例配資歐盟的研發(fā)資金，因此U-space的第一期研發(fā)資金約1億歐元。
“地平線2020”計劃和SESAR框架下，歐洲正式啟動了第二輪無人機研發(fā)投資，2021年1月歐洲范圍的大型城市空中交通驗證項目——CORUS-XUAM開始在比利時、法國、德國、意大利、西班牙、瑞士和英國進行UAM大規(guī)模真實飛行驗證，我國億航參與驗證飛行。
六、運行技術是關鍵技術瓶頸
新技術帶來的難題最終需要靠更新的技術來解決。無人機運行管理技術開發(fā)難度體現在三個方面：
運行復雜性。無人機規(guī)模龐大且飛行模式各異，無人機在大幅擴展航空業(yè)使用領域和范圍的同時，也在增大其運行復雜性，超低空、超視距、長航時、城市內運行、超高空運行都需要技術解決方案，還需要逐步解決無人機與有人航空融合難題。
系統(tǒng)復雜性。美歐的無人機運行研究基本取得共識，無人機的交通管理將是去中心化的生態(tài)系統(tǒng)而非傳統(tǒng)空管的單一決策中心模式，需要大量的數字基礎設施、數據公共服務和更多主體間的協調、協同與數據交換。
智能化難題。FAA提出了UTM的19類服務類型，SESAR則列出U-space應當具備的30項功能。絕大部分功能都需要全新定義與開發(fā)，而且這些功能都是基于數字化和自動化的服務，系統(tǒng)功能開發(fā)任重道遠。
七、中美歐無人機融入空域戰(zhàn)略評估
根據綜述，我們建立了一個評估框架來評估全球無人機融入空域戰(zhàn)略的進展。評估維度包括五個方面：
——社會動員與社會支持程度；
——戰(zhàn)略完整性與可實施性；
——法規(guī)框架完整性與實用性；
——國家研發(fā)支持與研發(fā)能力；
——產業(yè)鏈實力與業(yè)界支持能力。
通過框架性、整體性的定量評估方式比較我國、美國與歐洲三方在五個評價維度的領先度。每項進行排序，領先者獲得3分，居中者獲得2分，落后者記1分。評估結果見表3。
表3. 中美歐無人機融入空域戰(zhàn)略綜合評估
綜合來看，美國在無人機融入空域戰(zhàn)略上處于領先，歐洲在戰(zhàn)略與法規(guī)體系的強項部分彌補了產業(yè)鏈實力的不足。我國在政府社會動員、行政效率、產業(yè)鏈實力方面具備一定優(yōu)勢，但在戰(zhàn)略與研發(fā)生態(tài)方面存在顯著不足。如果我國盡快研究制定民用無人機發(fā)展的整體戰(zhàn)略，積極爭取國家和地方的廣泛支持，可持續(xù)地推進自主創(chuàng)新，將具備與美歐開展并跑競爭的條件與潛力。
八、政策建議
面對民用航空業(yè)發(fā)展的新百年新賽道，我國應當盡早制定民用無人機發(fā)展戰(zhàn)略，設立民用無人機監(jiān)管常設機構，召集民用無人機政策咨詢委員會，開展廣泛的社會動員。
立足自主創(chuàng)新，爭取國家重大創(chuàng)新計劃10年以上的長期支持，充分調動國內科研院所建立運行技術研發(fā)體系，開展國內國際技術合作。推動無人機研發(fā)項目、基礎設施、人才與科研資金的整體規(guī)劃與一體化配置，無人機運行技術研發(fā)試行“揭榜掛帥”制度，采取平行支持與后資助方式，完善科研激勵機制。明確研發(fā)轉化時間、成果、適用性與技術成熟度指標，確保研發(fā)成果可用性與實用性。
堅持和發(fā)展市場親和的監(jiān)管政策，深化無人機專項試點，賦予無人駕駛航空試驗區(qū)具體的創(chuàng)新任務，培育我國民用無人機各個應用領域的隱形冠軍企業(yè)，鼓勵無人機制造商、云服務商和互聯網企業(yè)、地理信息、氣象服務機構參與公共服務，豐富無人機運行管理生態(tài)。
來源：民航管干院-通航系 作者：民航管理干部學院通航系主任 呂人力
原標題：《年度重磅：全球民用無人機融入空域戰(zhàn)略與我國對策》
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