我国大型无人货机发展的探索研究

来源:临空经济研究中心 时间:2018-05-09 分享至:
[宇辰导读]大型无人货机的发展也面临着适航性、空域政策、机场体系和社会舆论问题,这些问题应当如何解决?

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文章摘要:我国大型无人货机发展的探索研究,有才华超细奉行,狼餐虎咽博览群书和睦相处。

摘要:在安全性、经济性、时效性、交通区位等因素的影响下,我国大型无人货机取得了快速发展。大型无人货机是在通用航空领域用作货物运输、农林作业等活动,替代有人机的无人化航空器。本文将我国大型无人货机的市场分为西南地区等陆路运输不便的运输市场、中东部等高时效性和高附加值货物的运输市场和农林作业等通用航空市场三部分,并对其优势进行了具体分析。但大型无人货机的发展也面临着适航性、空域政策、机场体系和社会舆论问题。针对这四个问题,本文提出相应建议,即要增加技术研发投入,满足无人机适航性;逐步开放低空领域,简化飞行申报程序;加强基础设施建设,完善通用机场体系;积极引导社会舆论,建立安全监管制度。

大型无人货机是在通用航空领域用作货物运输、农林作业等活动,替代有人机的无人化航空器。2017年7月国务院发布《新一代人工智能发展规划》,指出要大力发展智能运载工具,发展消费类和商用类无人机,建立专业化服务体系,完善空域管理措施,并在无人机等优势领域加快打造人工智能全球领军企业和品牌。同年10月,国务院发布《关于积极推进供应链创新与应用的指导意见》,指出智慧物流技术和装备的应用将促进制造供应链的智能化,推进供给侧结构性改革。

目前无人货机分为两大类:一种是主要用于中短途货物运输的大型无人货机,为本文的重点研究对象。国际无人货机会议中提到,UCA(unmannedcargo aircraft)是指有效载荷为1吨以上的中短途货运无人机,用以弥补其他运输方式的不足。另一种是针对物流末端配送而设计的小型无人货机,机型以多旋翼为主,本文不做重点介绍。

基于以上研究,本文将大型无人货机定义如下:大型无人货机(largeunmanned cargo aircraft)指的是有效载荷在1吨以上,满载航程达到1 000公里,货舱容积在10立方米以上;拥有全自主的起降方式和巡航能力,能按照预定航线将货物从某地运往其他地区的飞行器。

一、大型无人货机的发展现状

(一)国外发展现状

欧洲方面,黑龙江时时彩开奖号:西班牙无人机设计制造商SingularAircraft公司宣布,研发了四年的Flyox水陆两栖无人机于2015年8月成功首飞。2016年下半年,该公司已开始批量生产新型重型水陆两栖无人机FlyoxMark I(见图1)和Mark II,并交付肯尼亚、卢旺达两国使用。

图1 Flyox Mark I大型无人货机  来源网络

非洲方面,肯尼亚、卢旺达已将大型无人货机投入商业运行,并出台了相关的法律。2017年1月,肯尼亚星空航空(AstralAviation)应用Flyox Mark I无人货机进行运输。该款无人机具有在水面和未铺设的跑道上起降的能力。肯尼亚星空航空公司的“无人机管理系统”(UTM)于2017年获得国际航空运输协会(IATA)的运输创新奖,为无人货机的发展提供了安全可靠的飞行保障平台。IATA货运负责人GlynHughes认为,UCA的发展和使用将为全球物流业的发展创造新模式。

(二)国内发展现状

目前我国大型无人货机的发展还处于初创期,诸如帆美、顺丰、京东等公司都对大型无人货机进行了探索研究,并取得了一定的成果。

帆美航空是一家致力于开展运输无人化的科技公司,其货运飞机自动化智能改造项目致力于对中小型通航货运飞机进行无人化改造,以实现航空运输的无人化物流。公司主要产品为FM-15智能无人货机(见图2)。FM-15由运5(Y-5)改装而来,采用单发动机、半硬壳式金属结构、后三点固定式起落架、普通双翼气动布局,搭载帆美航空自研航电系统,能实现由起降到巡航阶段的全程自主飞行。其高稳定性的双翼气动布局,满足高海拔飞行条件,适用于任何中小型机场或简易跑道,并能执行预定的航线飞行任务。


图2 FM-15大型无人货机  来源网络

顺丰为了实现无人货机网络对接其全国空运网络的目的,与国内外多家公司合作,推进大型无人货机的研发与应用。国内项目推进方面,2017年7月,顺丰在成都双流自贸试验区落地无人机总部基地项目。该项目总投资7.4亿元,是全国首个将无人机运用于物流运输的项目。研发方面,2017年10月26日,由顺丰等制造的AT200大型无人货机(见图3)在陕西西安成功首飞。该款无人机以P750XL为原型机进行无人化研发设计,突破了有人机改无人机的一系列关键技术,如飞机—发动机—控制系统匹配、飞机气动参数辨识、全机质量特性测试和系统综合测试等,具有货运载荷大、续航时间长、起降能力惊人等独特的性能优势,市场前景和商业价值潜力巨大。国外合作方面,顺丰与欧洲积极合作,希望将已在两个非洲国家投入商业试运行的大型无人货机引进中国,以增加其差异化战略竞争优势。

图3 AT-200大型无人货机  来源网络

京东于2017年6月宣布在江苏宿迁建立无人机运营调度中心,并在多地与政府合作进行无人机试验。同月,京东公司首席技术官张晨表示,京东目前正在试验载重量达1000公斤的无人货机,一次充电的最大航程约为50公里。

通过对比Flyox Mark I、FM-15、AT200、京东无人货机这四种大型无人货机的参数(见表1),可知现已设计出的大型无人货机有效载荷在1.5吨左右,巡航速度都在200公里每小时以上,满载航程差异较大,均可在通航领域替代有人机进行货物运输、农林作业等活动。

表1 国内外大型无人货机参数对比表

数据来源:公开资料整理

二、市场分析

2016年,我国社会物流总额达到229.7万亿元,已超过美国成为全球最大的物流市场。然而,伴随社会物流总额的持续增长,物流行业的增速却在逐年下跌(见图4)。我国社会物流总费用占GDP的比率为14.8%,远高于美国的8%,物流运输类的成本在我国占到30%—40%的比例,而在西方发达国家只有15%—20%。这说明我国的物流成本还相对较高,在成本控制和效率提升方面还有很大提升空间。

图4 全国物流总额与增长率 

因此,向智慧物流转型升级是物流行业降本增效的重要手段,也是物流行业更好更快发展的主要途径。智慧物流发展的下一个重要方向是无人化,大型无人货机的发展与应用将顺应智慧物流的无人化趋势,实现物流运输的智能化。中国产业调研网发布的《2016-2022年中国无人机市场现状调研分析及发展前景报告》认为,未来几年无人机将保持快速增长的趋势,到2020年,全球无人机年销量有望达到433万架,市场规模将达到259亿美元。随着无人机导航控制系统和发动机技术的日益成熟,无人机的性能将越来越优越,对有人机的替代能力将越来越强。

在三四线城市消费水平不断升级的背景下,加速拓展货运航线,在高海拔地区、山区等发展航空运输业务,已成为企业实施差异化战略、扩大竞争优势的重要选择。大型无人货机的竞争优势是无人化,是指货物运输过程中无人机的一键起降和自动巡航功能。其基本要素是安全性,核心要素是经济性和时效性。货物供应地或需求地的交通区位因素是大型无人货机的市场影响条件,其决定了陆路运输是否便利,驱动着当地市场对航空运输的需求。本文以各要素在市场中的影响程度,将我国大型无人货机的市场划分为西南地区等陆路运输不便的运输市场、中东部等高时效性和高附加值货物的运输市场和农林作业等通用航空市场三部分。

(一)西南地区等陆路运输不便的运输市场

在我国西北、西南等三四线城市,受高海拔地区、山区、江河等地形影响,陆运效率低下,需要航空线路运输货物。

在陆路运输不便的货运市场中,运输高附加值货物更具有市场导向性。大型无人货机的运输与公路运输、铁路运输相比兼具经济性和时效性,能占据当地高附加值货物运输市场的绝大多数份额。高附加值货物诸如生鲜冷链产品、医疗用品和电子产品等对时效性要求严苛,运输延迟会使其失去原有价值,采取大型无人货机实现物流间的运输可以保证商品在短时间内到达目的地,满足人们对高附加值货物日渐增长的货运需求。稻城本地松茸的价格为400元/千克,而在北京却高达1 000元/千克,这是由于在高海拔生长的松茸保鲜期极短,在运输过程中耗费了大量的人力物力。以四川省内攀枝花到稻城亚丁举例,这段多山地的行程用陆运约900多公里,需16个小时,运输成本为7元/吨公里,而中间的飞行距离约350多公里,帆美FM-15大型无人货机可在2小时内完成运输,运输成本仅为5.12元/吨公里。若用大型货运无人机将山里的松茸运至成都,可在保证松茸品质的情况下,满足全国各地客户的需求。

陆运不便区域因其对时效性的要求,不仅可以运输高附加值货物,还可以用来运输快件,以满足客户对当日达、次日达等服务的需求。随着大型无人货机技术的成熟和货运网络的构建,无人化运营的成本会大大低于其他运输方式,从而在定价上和公路运输与铁路运输抗衡。在兼具时效性与经济性的条件下,用大型无人货机进行快件运输也将成为客户的选择之一。

在海岛间运输高附加值货物也是陆路运输不便的货运市场之一。企业可紧跟国家对外开放新战略,在“一带一路”沿线的马来西亚等东南亚多海岛国家之间开展无人航空运输业务。大型无人货机不仅能够利用其短距离起降能力能够解决海岛大吨位飞机的起降难题,还能利用其经济性与时效性优势,极大降低我国和“一带一路”沿线国家之间的物流运输成本。

(二)中东部等高时效性和高附加值货物的运输市场

我国中东部等三四线城市拥有较发达的高速公路、铁路,但高附加值货物对时效性和运输环境的苛刻需求将进一步激化大型无人货机的市场。未来将根据三四线城市货物对时效性的需求建立起灵活的吨位级航空运输网路,以承担起为中心城市疏散货运量的功能。大型无人货机将因其时效性优势,在三四线城市的高附加值货物运输市场中占据绝大部分市场份额。

大型无人货机还可通过构建“仓储+跑道”的形式,在仓库旁修建适合大型无人货机起降的通航跑道。目前仓库之间的货运方式往往需要先通过公路运输,再转铁路运输或航空运输,在我国多式联运体系尚未成熟的情况下,大型无人货机可在两地的仓库之间进行货物的批量运输,实现货物从出库到入库的高效转移,建立起大型无人货机直接对接智能仓储的高效物流通道,以满足市场对时效性的需求,提升供应链的总体效率。

(三)农林作业等通用航空市场

大型无人货机不仅能在运输领域发挥其巨大的商用价值,在农林作业、军事补给、物资空投、森林防火、电力巡检、石油管道巡检、地质勘探和海洋遥感等传统通航领域也均可由其代替有人机运营,且由于每个领域的需求都是经常性的,潜在市场空间极大。依托大型无人货机机场的基础设施,还可在机场周围发展无人机模拟体验、无人机操控合格证培训、飞行表演、航空赛事、无人机航空文化宣传等航空相关业务。

三、大型无人货机的优势

(一)安全性

无人货机的安全性能至关重要。国际民航组织对飞机失事分析的数据统计表明,飞机失事的人为因素占80.5%,其中机组人员因素占62%,操作程序占15%,维修不当占3.5%。随着航空科技的飞跃进展,航空事故的特性也在慢慢改变,硬件的益发精良,相对反映出人的因素的关键。有人机在遭遇紧急情况时需按手册进行紧急事故处理,而大型无人货机只需按照预设算法处理。大型无人货机不需人为操控,只需雷达监视飞行位置,其将按照预先设计好的航路在巡航状态下实现货物运输。由于剔除了飞机在飞行过程中的人员操作因素,无人货机将会在一定程度上提升飞机的安全性能。

目前我国大型无人货机都是用有人机改装的,利用成熟的飞控系统,能形成移植性比较强或通用性比较强的飞控系统。其机体结构,气动方面已经完全满足适航要求,并不需要额外的试航审定。大型无人货机还可采用新的消防技术,因其无需驾驶舱和增压舱,用机载设备产生惰性气体(氮气)填充飞机上的货物区域和空隙,能避免舱内火灾事故的发生。

(二)经济性

1.基础设施建设方面

与修建高速公路等相比,大型无人货机所需机场建设费用低廉,由运5改装的FM-15大型无人货机在1B级机场即可起降,能大大降低我国在基础设施建设上的费用。以我国川西北地区为例,这里高原山地较多,高速公路网络不发达,物流效率低下。从成都到甘孜走318国道共800公里左右,耗时11小时。若修建高速公路,将面临高原冻土、恶劣环境等风险,而且费用高昂。而大型无人货机具备高高原起降能力,只需修建200米的跑道即可完成从成都到甘孜的货物运输,不仅能够省去修建高速公路的昂贵费用,而且还可带动当地货物运输业实现跨越式发展。

此外,不同于使用万米级高空空域的货运飞机,大型无人货机的性能与升限使其可以使用隔离空域,并在通用机场起降。据调查显示,除新疆、东北两省外,其余省份(自治区)通用机场利用率极低。以河北省为例,其通用机场大多处于闲置状态,利用率不高,业务主要集中于观光、飞行训练,通用机场资源浪费、亏损情况严重。大型无人货机可充分利用现有通用机场资源,提高通用机场的利用率,实现社会资源的有效利用,带动通用航空业的整体发展。

2.运营成本方面

根据笔者调研,顺丰航空的飞行员成本占其总运行成本的30%左右。一架货运飞机平均需要配备2—3名机组人员,年均人员总成本达到200万元。根据民航局的规定,正常飞行员的飞行时间每年不得超过1000小时,一个月不得超过90小时。飞行员培训周期长,平均学习时间为三年。目前我国飞行员缺口已达2万名,而每年培训的飞行员不足百名,无法满足航空运输的市场需求,并且我国持有商照的飞行员大都倾向于飞民航客机。而大型无人货机的操作人员相较于飞行员、机组人员的人员成本低,培训周期短,未来一名操作人员可通过控制器同时控制多架无人货机。大型无人货机的应用将避免需要飞行员驾驶这一行业发展制约因素,降低在运输过程中飞行员及机组成员的运营成本。

四、大型无人货机面临的挑战

(一)适航性

商用飞机投入市场必须有型号合格证(TC)、生产许可证(PC)、适航证(AC)。目前,虽然大型无人货机的原型机运5、P750XL已满足国际的试航标准要求,但是由于我国并没有出台关于商用大型无人货机相关的适航标准,也就意味着目前的大型无人货机虽在未来容易通过试航审定,但就现阶段来说只能处于研制开发阶段,暂时还不能够投入大批量生产。

目前测试的大型无人货机虽然有相对优秀的飞行稳定性,但是在实际工作环境中,复杂地形、恶劣天气等众多不安全因素都会给大型无人货机的飞行安全带来不小的挑战。例如实际飞行中无线电控制链路是否稳定、操作人员面对突发事件的相关管理和培训制度是否完善、大型无人货机起降的机场之间能否形成良好的航线通讯网络等都是值得考虑的问题。

此外,我国现有的大型无人货机都由有人机改装而来,改装的无人货机受到小舱门设计的限制,货物的装卸都需要人力来完成。而未来将会需要更大的舱门或以开鼻门等方式实现货物的全自动装卸搬运,这就要求企业进行大型无人货机的整体研发与设计,制造出能够对接智能装卸搬运设备的无人货机。大型无人货机的系统组成包括飞行系统(动力系统、导航系统、通信系统、自动控制系统)、任务载荷系统(云台、相机、各类传感器等)和地面控制系统(无线电控制、数据处理系统、监控系统、辅助设备)三大部分,其系统的复杂程度要远远高于传统的有人飞行器,各系统之间的兼容性等问题将成为无人货机开发公司的严峻挑战。

(二)空域政策

目前我国尚未形成完备的低空空域法律体系,“空域批文”仍是大型无人货机商业化发展面前难以逾越的鸿沟。国内组织实施低空飞行的主要依据是《中华人民共和国飞行基本规则》和《通用航空飞行管制条例》,但这两部法规均缺少对低空空域管理使用和低空飞行活动的具体规范和实施细则,每次通航飞行活动必须向民航管理局和军航报批,一次通航活动审批时长至少13个工作日,至少需要协调4个管制单位。多级别的飞行申报程序、涉及众多单位的放飞审批,大大降低了各类飞行活动审批效率。

(三)机场体系

大型无人货机的发展不仅需要修建新的机场跑道,还需不断完善能为大型无人货机提供服务的通用机场体系,这不仅是无人运输发展的前提,还是解决大型无人货机“落地难”的关键举措。虽然近年来我国通用机场数量逐年增加,但在中西部地区可直接供大型无人货机起降的通用机场数量还无法满足客观需求。

(四)社会舆论

近几年随着小型无人机的大规模普及,各种小型无人机“黑飞”事件频发,对人民的生命财产和公共安全造生了巨大的隐患,无人机飞行备受公众谴责。所以大型无人货机进军运输市场,这种货运模式能否被所服务区域及航线空域下的人们接受仍是一个未知数。

五、对策建议

(一)增加技术研发投入,满足无人机适航性

大型无人货机的研制开发,不能只是进行简单的产品改装,还需要研发企业不断进行技术革新,提高各子系统之间的兼容性,以满足大型无人货机面对各类突发复杂事件的适航性能。大型无人货机在进入市场前还应收集大量的飞行数据,为将来无人货机系统的调试和整体运营提供有力的数据支持。政府部门也应填补在大型无人货机适航规则审核方面的空白,使无人货机的适航审定有规可循。

(二)逐步开放低空领域,简化飞行申报程序

政府在保证低空飞行安全的前提下,应逐渐摘掉大型无人货机发展的“紧箍咒”,逐步开放低空空域,建立起高效、便捷的低空空域管理机制,引入各种现代化先进手段改进、简化飞行申报程序,缩短审批时间,以满足日益增长的低空飞行需求。

(三)加强基础设施建设,完善通用机场体系

各地方应充分考虑自身的经济基础、地理位置、货运规模等因素,合理配置资源,加大对大型无人货机发展的支持力度,鼓励通用机场的建设,建全机场配套设施,加强通用机场的经营性运输功能审批,构建起能使大型无人货机起降的通用机场体系。还应保证无人货机油料及配件的供应、加强维修保障基础设施建设和无人货机专业维修人员的培训。

(四)积极引导社会舆论,建立安全监管制度

企业应高度重视大型无人货机的安全性能,不断进行试飞工作,加大力度宣传无人货机的安全性与经济性,消除人们的恐慌心理。通过媒体宣传,普及大型无人货机的相关知识,加强航空文化建设,为无人货机的发展营造积极的媒体生态。政府部门应尽快建立无人货机的设计、生产标准,建立建全无人货机的安全监管制度,确保人民的生命财产安全。

对我国大型无人货机的发展来说,完成首飞只是走完长征的第一步。大型无人货机系统还应在两个安全方面进行完善,一是当前热议的赛博安全能力,即防止信息入侵的安全防护能力;二是飞机态势感知能力,包括更全面的信息获取能力、危险环境下的感知能力、低能见度的运行能力。未来,随着大型无人货机技术的不断提高和我国法律法规政策的逐步完善,大型无人货机将成为智慧物流体系中不可或缺的一种智能运输设备,并替代有人机进行农林作业等通用航空活动。





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