隨著信息技術特別是人工智能技術的快速發展，無人機在諸多領域正發揮著重要作用。在軍事領域，作為“平臺無人、系統有人、自主運行”的無人機使現代戰爭模式正發生著重大變革；在民用領域，種類繁多、功能齊全的無人機產品層出不窮，已催生出龐大的產業鏈。
2019年，藉助於人工智能技術，無人機行業爆發出更加強勁的活力，市場推新、標準制定、行業競賽等各種各樣的活動與成果層出不窮，無人機集群自主控制成為了新的研究熱點和關鍵技術難點。美國、中國等紛紛制定無人機發展新思路、新戰略。從無人機前沿理論，到無人機型號裝備和工程創新；從加緊完成對現役和在研無人機性能的綜合測試，到無人機集群研究和實現均被提到了新的高度。
01 佈局無人機新戰略
數據和人工智能已成為第 4 次工業革命時代重要的生產要素,是否擁有大數據、人工智能水平的高低將成為未來國家競爭的核心,而人工智能技術的應用將為無人機自主能力提升提供無限可能。
美國：2019年2月11日,美國國家科技政策辦公室發佈了一項由特朗普總統簽署的《美國人工智能倡議》行政令,正式啟動了美國人工智能計劃。美國作為人工智能研發和部署的全球領先者,從投資人工智能研發、釋放人工智能資源、制定人工智能治理標準、構建人工智能勞動力、國際參與和保護美國的人工智能優勢5個重點領域入手,以謀求維持和加強美國在人工智能研發和部署方面的科學、技術和經濟領先地位。2019年4月17日,美國空軍公佈《美國空軍科技戰略:為2030年及之後加強美國空軍科技》(以下簡稱《戰略》),如圖 1(a)。新版的《戰略》描述了美國空軍維持科技優勢面臨的挑戰,提出了2030年及以後的科技發展願景、主要目標和關鍵舉措。
韓國：韓國科學技術信息通信部於 2019年1月16 日出臺了《數據和人工智能經濟發展計劃(2019—2023)》(以下簡稱《計劃》),旨在將韓國建設成為數據和人工智能強國。該《計劃》包括促進數據價值鏈的全週期發展,營造世界一流的人工智能創新環境,推動數據和人工智能融合發展 3 大戰略。
中國：從 2017年到2018年,人工智能已連續 2 年被寫入政府工作報告,《新一代人工智能發展規劃》的印發標誌著人工智能已上升至國家戰略層面。由科技部新一代人工智能發展研究中心、中國科學技術發展戰略研究院聯合國內外10 餘家機構編寫的《中國新一代人工智能發展報告2019》(中英文版)於2019年5月24日在上海發佈。該報告從全球形勢、創新環境、科研突破、經濟發展、社會應用、人才支撐和區域格局等視角,肯定中國在人工智能領域取得的成績,反映了《新一代人工智能發展規劃》啟動實施以來的落實推進情況,為未來加速推進人工智能產業快速、良性發展指明瞭方向。在國務院頒佈的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中明確提出,推進民用飛機產業化,大力開發市場需求大的民用直升機、多用途飛機、特種飛機和工業級無人機。隨著監管政策完善,工業級無人機的市場潛力將不斷釋放。2019年9月,由中國投資有限責任公司研究院和賽顧問股份有限公司聯合撰寫了《工業級無人機投資白皮書》(圖1(b),結合各自在國際與國內、投資與產業方面的經驗和優勢,確定了商業戰略上“農村包圍城市”,投資可關注美國、西歐和東亞3 大市場,聚焦農業、建築業和實物資產檢查、物流運輸、安防等4大行業的應用主線。
02 強化無人機管控政策
“低、慢、小”各類航空器存在探測難度大、監管困難等問題,導致威脅機場、政府要地、軍事設施、大型活動場館和工業設施等重要區域安全的案例層出不窮。因此,美國、英國、法國和中國等加緊計劃或推行無人機管控政策。
美國：擁有眾多反無人機技術的美國,在廣泛部署反無人機裝備的問題上仍然面臨一些阻礙。2019年2月,全球領先無人機空域管理平臺AirMap聯合 Alphabet 公開演示 InterUSS 平臺對無人機進行網絡遠程身份識別的解決方案。2019年12月,國際標準化組織(ISO)宣佈世界上第一個 ISO批准的無人機標準,新標準有助於制定未來的法規和法規,標誌著全球無人機行業標準化的巨大進步,將對未來無人機行業發展產生深遠影響。
英國：自倫敦希斯羅與蓋維克機場發生多起無人機干擾事件後,英國政府於2019年2月20日規定機場5 km範圍內,禁止無人機飛行,以免受無人機使用產生不當的影響。英國於2019 年11月9日啟動了新的《無人機和模型飛機註冊與教育計劃》,規定操縱重量在250g~20kg之間的無人機的駕駛員或操作員都需要通過在線教育課程學習和註冊。
中國：近年來,中國無人機市場呈現井噴式發展,但相關的具體政策和措施還相對缺乏,強化無人機監管勢在必行,2019年中國各地陸續出臺了辦法例和法律法規。如:2019年2月,中國民用航空局飛行標準司、航空器適航審定司和空管行業管理辦公室聯合發佈了《特定類無人機試運行管理規程》(AC-92-01),針對特定類行業級無人機應用啟動無人機空中交通空域管理、流量管理、飛行管制與風險評估等研究與試點。為了推動反無人機技術的創新和機場的安全及正常的運輸生產秩序,在第三屆世界無人機大會期間,國內外參會專家就反無人機技術的改進、創新低空管理、應對無人機的違規亂飛、無人機行業及應用標準化問題展開討論交流。將提升中國無人機管理模式創新和技術發展,提升行業競爭力和產品質量,推動無人機產業健康有序發展。2019年8月,中國民用機場協會發布了《民用機場無人駕駛航空器系統監測系統通用技術要求》。明確規範了民用機場無人駕駛航空器監測系統通用技術的適用範圍、術語定義、通用技術要求及安裝部署條件,填補了國內標準空白。為了實現輕、小型民用無人機及植物保護無人機飛行動態實時監控,逐步簡化輕、小型民用無人機及植物保護無人機的飛行空域、飛行計劃、飛行活動管理,實施民用無人機空中交通管理。2019年11月19日,中國民用航空局下發了關於印發《輕小型民用無人機飛行動態數據管理規定》的通知(圖 2)。此外,2019年12月5日,工業和信息化部公開徵集對《民用無人機地理圍欄數據技術規範等2項強制性國家標準計劃項目的意見並予以公示。
03 推動無人機相關賽事
無人機賽事是近年來在歐美等國興起的新型體育賽事,國際航空聯合會已於2016年將其納入管轄範圍。在低空空域管理改革持續推進、航空運動產業規範化發展以及建設航空強國、科技強國和體育強國上升為國家戰略的大背景下,中國在無人機相關賽事上開展積極探索。
美國：美國國家航空航天局(NASA)一 直 致 力 於 為 現有和新興航空運營活動提供方便、經濟、安全、高效的國家空域。藉助行業、政府和學術界之間的合作,NASA 於2019年8月推出自動導航演示挑戰賽。通過眾多小型企業集思廣益,將幫助 NASA 解決國家空域中無人機的關鍵安全風險問題,提高公眾對日益自主化的商業無人機運營能力的信心。
韓國：2019年9月28—29日韓國無人機冠軍賽在韓國果川市圓滿舉行,來自全球各地的46位競速飛手對冠軍進行了激烈角逐。本次賽事由韓國果川市政府主辦,KDRA 韓國無人機競速協會和X-FLY 無人機競速聯盟承辦,也是首次由中韓兩國頂尖無人機競速賽事協會共同舉辦的國際無人機競速賽事。
日本：2019 年10月下旬至11月上旬舉辦了日本首屆無人機比賽。該項比賽經過空中運動國際組織、國際航空聯合會的公認,比賽形式為無人機穿點競速穿越。
中國：2019 年6月20 日,由中部戰區聯合參謀部等協辦,中國航空工業發展研究中心等單位聯合承辦 的“無形截擊-2019”反無人機對抗挑戰賽,在位於內蒙古自治區阿拉善左旗的中國兵器工業試驗測試研究院試驗區拉開序幕(圖 3(a))。由軍事科學院系統工程研究院、中國航天科工集團有限公司聯合舉辦的“暢聯智能”無人蜂群聯合行動挑戰賽於 2019年7月在重慶舉行,該賽有效地推動了無人蜂群技術軍民協同創新及無人蜂群系統裝備發展,發掘優秀創新團隊及成果,推進創新成果轉化應用。2019年8月24—25日,2019年國際空中機器人大賽(亞太賽區)在昆明舉行(圖 3(b))。來自賓夕法尼亞大學、密歇根大學、清華大學、浙江大學、北京航空航天大學和西北工業大學等在內的5個國家 23 所高校的27支代表隊參賽。通過比賽培養了學生嚴謹的科學態度和團隊合作精神,增強了學生創新意識、創新思維,以及運用知識、解決實際問題的能力。
04
促進無人機技術革新隨著新材料、新能源、智能製造以及人工智能技術的發展,無人機的性能不斷提升與擴展,應用前景也將更為廣闊。無人機在長航時、隱身性和垂直起降等方面將成為未來的發展趨勢。
眾所周知,動力系統是商業無人機最大的問題,傳統電池極大地限制了無人機的飛行時間。因此,提高無人機續航能力是科學界在努力突破的課題,而燃料電池因能夠顯著提高續航時間,成為了商用和軍用無人機的理想動力選擇。英國燃料電池公司 Intelligent Energy 與韓國 MetaVista Inc 公司共同宣佈推出了全球首款使用液態氫為燃料的MetaVista 無人機飛行器(圖 4(a))。裝備有超輕量液態儲氫罐的多旋翼無人機連續飛行時間延長至10h50min,打破此前續航飛行記錄的同時,證明了液化氫比壓縮氫擁有更強的續航能力。中國已將氫能發展與燃料電池技術創新提升到國家戰略高度,列為重點發展方向,這將進一步推動氫燃料與無人機技術和產業的發展。
近年來,仿生科技正在快速發展,尤其是在機器人行業,從蜘蛛到鳥類,從章魚到蟑螂,各種生物為技術進步提供了源源不斷的靈感,仿生科技也成為機器人技術發展最快的領域之一。2019年3月,耶魯大學研究人員通過觀察鳥類和蝙蝠,發現其在起飛和著陸時可利用自身結構來保存能量,據此研發出一款模仿蝙蝠爪子的新型無人機(圖4(b)),其相關研究成果發表在《Science Robotics》期刊。研究者希望通過更好地瞭解蝙蝠的飛行機制,未來製造出能夠在空中移動更快、風阻更小的無人機。
除了以上方式延長飛行時間和提高飛行性能外,通過研製新材料或對飛機構型加以特殊設計同樣可以滿足特殊情況下對無人機的需求。
文字|來源於《科技導報》2020年第38卷第1期，作者：段海濱、申燕凱、趙彥傑、範彥銘、 王寅、牛軼峰、魏晨、羅德林
