无人机交通预测未来商业空中交通

可以肯定的是，无人机将引领未来的空中交通。低空飞行的无人机可以用于外送披萨和递送包裹，而高空飞行的全自主驾驶飞机可用于执行一些支撑性的任务，例如，监测空气质量、绘制洪水分布图及收集新闻，甚至可能像空中的士一样作为乘客在短途旅游期间的便捷交通工具。目前，无人机已开始用于上述部分用途，而在开展这些活动前还需要获得监管机构的特别许可。但是，监管机构尚未明确相关的所有有关无人机飞行的详细技术及政策要求，以确保在维护空域安全的同时能够让每位乘客乘坐的无人机按时起飞。换句话说，大型无人机应能像其他民用飞机一样按照航空运输体系中的现行规则执行飞行任务。这就需要对用于此类无人机的传感器和通信制定新的技术规范。

▲为了在山火发生初期进行早期探测，此图展示了无人机较为可行的飞行路线。Intelligent Automation公司（IAI）通过燃烧概率数据确定了哪类飞行对山火探测有帮助，然后据此绘制了可行的飞行路线

美国国家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心一个团队的队长埃里克·穆勒（Eric Mueller）说：“我们希望拥有一名训练有素的飞行员以特定方式操作无人机，这是因为他们了解空中交通系统的规则。”其所领导的团队曾与美国联邦航空管理局（FAA）及其他机构合作，研究如何减少将无人机引入国家领空时遇到的技术障碍。埃里克·穆勒（Eric Mueller）还说：“我们必须量化此预期行为，然后将其转化为对相关电子产品的要求。”具体而言，该团队的研究重点是无人机如何探测并避让空域中的物体——对于机上有飞行员负责监视其正前方天空的飞机而言，这种能力称为“见避能力”。穆勒（Mueller）说：“我们不能只是简单地构建一个系统，然后操作无人机到处飞，看看它是否会撞人、撞到什么人，然后说，‘我想这个系统还不够好’”。

该团队选择通过模拟仿真来了解空域。穆勒说：“我们对成千上万次飞机之间的相互作用进行了模拟；还模拟了拟建的侦测与回避系统的性能，看看它是否满足FAA及相关组织已经制定的安全要求。”研究人员已掌握了有助于其模拟的大量空中交通现状信息。但是，研究人员还需要获得有关无人机轨迹和飞行计划的真实信息，用于与现有空中交通数据形成对照。这就成了一个“鸡与蛋”的问题：为了帮助FAA制定良好的无人机法规，NASA需要获得无人机飞行数据，但是在法规出台之前，并没有可用的真实数据。

为此，穆勒（Mueller）就技术转让与Intelligent Automation公司（IAI）空中交通管理研发总监弗雷德·维兰德（Fred Wieland）开展了合作。IAI公司是一家位于马里兰州罗克维尔市的技术开发公司。2012年，NASA通过Ames签订的小型企业创新研究计划（SBIR）合同，资助IAI公司开展了有关未来无人机交通的研究；期间，该研究还获得了弗吉尼亚理工学院暨州立大学的帮助。当时，穆勒（Mueller）是NASA的技术代表。

无人机研究的困难在于如何使预测数据可信。“在刚开始的时候，我们也很困惑，” 维兰德（Wieland）承认，“我们从哪里得到这些数据？人们凭什么相信我们？”IAI公司团队首先查看了先前确定的可能由无人机执行的任务，然后与几十名相关领域的学科专家进行了交流，了解各专家所在领域中无人机可能开展的自主飞行情况。维兰德（Wieland）说，其研究团队本来料想这些民用机构和其他企业对使用无人机能做什么并不感兴趣。“但出乎我们意料的是，实际情况并不是这样。” 事实上，IAI公司联系的每一家机构都有专人为未来无人机飞行制定后勤计划。同时，这些机构还设立了相关办公室来监管无人机的运营。“这些机构了解无人机将在哪里飞行，何时飞行，以及无人机的飞行高度和飞行路径”，维兰德（Wieland）说。“让我们感到意外的是，我们的研究工作变得非常顺利。”一旦IAI公司证明其作出的预测可能会变为现实，公司就会收到SBIR第二阶段的资金，以继续建立其可能的飞行数据库。最后，公司会有更多的专项资金用于实现其最终产品的商业化。

IAI公司

一家位于马里兰州罗克维尔市的技术开发公司。2012年，NASA通过Ames签订的小型企业创新研究计划（SBIR）合同，资助IAI公司开展了有关未来无人机交通的研究；期间，该研究还获得了弗吉尼亚理工学院

暨州立大学的帮助。

维兰德（Wieland）及其同事们还研究了学术文献和社会经济数据，确定了19种广泛的任务类型，如地图绘制和边境巡逻。他们还考虑了一些目前尚未执行过的任务，如按需提供的空中的士服务。不过，他们在此项研究中忽略了在2000英尺以下飞行的送货无人机，以及业余爱好者的四轴飞行器，因为这类无人机和四轴飞行器不可能在机场附近以外的空域中遇到商用飞机。

IAI公司辨识出空域中出现的可能为无人机飞行的各种情况，且这样的无人机飞行频次高达每日26312次，并将这些飞行数据汇入目前每日27000～28000次的商业飞行数据中；这是空域飞行数据的重要补充。然后，IAI公司开始收集更多关于无人机飞行的信息，包括适用于无人机的机场类型，以及无人机系统（UAS）的飞行高度、轨迹和飞行路径等。

“虽然已经有一些无人机系统 （UAS）的预测数据，”维兰德（Wieland）说，“但是，这些往往都是针对未来无人机系统（UAS）制造能力或无人机机型的大概预测。据我所知，还没有哪家机构像我们一样，针对无人机系统的飞行情况，逐一统计、作出预测；目前，尚没有见到此类预测。”

无人机很有可能会引领未来的空中交通，执行各类任务，包括包裹递送、美食快递、空气质量监测、新闻收集及载客飞行。IAI公司开发的软件有助于监管机构对未来无人机交通状况作出相关预测并据此制定相关法规，用以规范无人机空中系统能够安全平稳地运营。

在NASA，穆勒（Mueller）及其团队能够在其模拟仿真中应用IAI公司的数据。“我们并不是说未来会出现这些特定的飞行组合，”穆勒（Mueller）说，“相反，我们根据不同的任务组合研究了可能发生的各种情况。这样，我们就可以看到在哪些地方安全指标会对不同任务类型的选择较为敏感。”穆勒（Mueller）的团队在提交给FAA的数百页文件中详细叙述了对无人机的技术要求。穆勒（Mueller）说：“这份文件基本上可以作为制造商制造无人机系统的指导手册。”

▲（CC BY 2.0）由维基百科的用户Don McCullough提供

NASA和IAI公司都清楚，有关无人机飞行预测的海量数据还可用于其他商业目的，这也正是他们会选择通过SBIR计划提供资金的原因。IAI公司构建的界面使用户能够轻松筛选无人机类别、飞行高度、持续时间或其他任何数据。同时，该公司目前在其网站上将该无人机数据库制作成名为“UAS-Max”的产品进行出售。IAI公司并没有限定交通预测数据的日期，不仅如此，该公司的数据库里还包括了无人机飞行法规制定之后几年内可能出现的无人机飞行数据。从某种意义上来说，此项预测还正在进行中。不过，IAI公司已经对最初的飞行数据库进行了一些更新。IAI公司没有讨论有关无人机数据库的用户或销售，但维兰德（Wieland）表示，无人机研究人员、空域安全监管机构及军事组织对“UAS-Max”等数据产品很感兴趣。他说，NASA仍然是该产品最大的政府类用户。

这种预测工作还可以带来其他好处，例如，通过执行数万次安全飞行任务，帮助解决无人机飞行中的图像问题。穆勒（Mueller）目前在NASA的另一个部门工作，从事未来城市出租车运输系统的研究工作。“目前，一说起无人机，它大多数时候都与海外军事行动或国内侵犯隐私活动联系在一起”，穆勒（Mueller）说。“其实，无人机飞行数据将有助于展示无人机运营所带来的许多潜在的公众利益。”