低空經(jīng)濟的下一個爆點，破解無人機城市闖關
采用無人機技術(shù)的最大企業(yè)之一是亞馬遜，而最新加入這一行列的則是Chipotle(用于食品配送)。隨著無人機配送(可避開交通擁堵)的便利性和優(yōu)勢被更多企業(yè)所認可，低空領域很可能被越來越多的無人機占據(jù)。
圖1：亞馬遜包裹配送 圖片來源：亞馬遜
隨著城市向智慧城市轉(zhuǎn)型，各類流程實現(xiàn)自動化，技術(shù)系統(tǒng)間實時通信效率提升，無人機配送或?qū)⑷找嫫占啊?span style="display:none">bIbesmc
它們將能夠動態(tài)感知環(huán)境并與周圍環(huán)境實時交互，從而更迅速地響應變化。然而，隨著低空域無人機數(shù)量增加，此類航空流量需像傳統(tǒng)航空交通一樣實現(xiàn)高效管理——以避免空中碰撞及交通擁堵。
雖然現(xiàn)有技術(shù)已能實現(xiàn)智能城市對諸多靜態(tài)要素的管控，但無人機的快速移動特性(理論上可在空中選擇多種路徑，而車輛僅能沿既定道路行駛)帶來了更大挑戰(zhàn)——其動態(tài)路徑規(guī)劃復雜度遠超地面交通管理。
在實現(xiàn)跨機構(gòu)無人機編隊能夠在智慧城市環(huán)境中的自由通行之前，仍需攻克多項關鍵技術(shù)瓶頸。
安全防護與通信傳輸?shù)碾p重挑戰(zhàn)
由于大量無人機可能攜帶收件人的個人信息，安全與數(shù)據(jù)隱私問題已成為最嚴峻的挑戰(zhàn)之一。
無人機系統(tǒng)始終面臨被入侵的風險，敏感數(shù)據(jù)可能落入黑客手中用于惡意活動。所以，必須建立強健的安全協(xié)議與監(jiān)管體系以防范此類風險，尤其在智慧城市環(huán)境中接入更廣泛的數(shù)字網(wǎng)絡時。
無人機搭載的各類攝像頭及傳感器可采集高價值影像與傳感數(shù)據(jù)，這些信息同樣可能被潛在黑客獲取。
然而，在智慧城市中為無人機部署自主網(wǎng)絡安全系統(tǒng)面臨顯著挑戰(zhàn)，因其通信頻段與既有無線技術(shù)存在重疊。
此類干擾可能導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤與丟包，進而影響無人機的導航定位精度。因此，無人機在作業(yè)過程中存在顯著的信號干擾與系統(tǒng)中斷風險。
若要使無人機在智慧城市中的普及達到科幻電影般的規(guī)模，就必須部署能夠承載無人機高帶寬需求、并協(xié)調(diào)管理多機編隊形成高效空中交通模式的通信系統(tǒng)。
唯有通過全球化的安全通信通道，方能規(guī)避可能危及公共安全的事故與事件。
無人機與各類飛行器/地面載具、地面控制站及空中交通管制系統(tǒng)之間的安全實時通信鏈路，可確保其在智慧城市高密度交通環(huán)境中始終處于安全可控狀態(tài)。
此類通信鏈路可提供關鍵實時數(shù)據(jù)，包括氣象態(tài)勢、空域動態(tài)及應急告警等信息，助力無人機實現(xiàn)精準導航、智能航跡規(guī)劃及基于環(huán)境感知的自主決策。
智慧城市中無人機面臨的另一通信挑戰(zhàn)是標準化缺失，這導致不同無人機之間及無人機與智慧城市基礎設施間的互操作性不足。
每架無人機都會收集大量數(shù)據(jù)。然而，如果各技術(shù)系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一操作流程，或缺失能將各類數(shù)據(jù)融合處理成通用格式的數(shù)據(jù)融合機制，那么不同技術(shù)之間極易產(chǎn)生信息混淆。
最終，智慧城市環(huán)境中密集的高層建筑及其他物理基礎設施，可能遮蔽無人機與地面站(以及期待接收貨物的消費者)之間的通信鏈路。
即使是短暫的通信中斷，也可能影響實時數(shù)據(jù)傳輸，進而影響無人機在配送過程中的飛行時間和軌跡。因此，通信網(wǎng)絡需要覆蓋廣闊區(qū)域，并警惕任何視線障礙和通信盲區(qū)，以防止無人機出現(xiàn)延遲。
小型化導致功能空間受限
盡管通信網(wǎng)絡對智慧城市整體架構(gòu)構(gòu)成重大挑戰(zhàn)，但多數(shù)無人機的小型化特性亦帶來其特有的直接性技術(shù)瓶頸。
小型化雖帶來體積優(yōu)勢，但受限于緊湊空間，部分無人機在特定配送場景及應用中可能面臨功能制約，其影響程度與機體尺寸呈正相關。
對于面向企業(yè)或消費者的商用配送無人機而言，其有限的貨艙容量將導致多數(shù)機型難以運輸大尺寸或笨重物品。
不同規(guī)格無人機需適配多樣化任務場景，在規(guī)劃空中交通路線時須統(tǒng)籌考慮各尺寸機型的運行特性。而增大貨艙容量可能擠壓其他關鍵組件(如電池)的布局空間。
就電池配置而言，載貨量及其他組件的空間需求將決定適配的電池規(guī)格。如同貨艙容量差異，未來可能出現(xiàn)配備小容量電池、僅適用于短途配送的機型，以及搭載高性能電池、支持長距離運輸?shù)臋C型，這兩類電池系統(tǒng)均需納入統(tǒng)一管理。
然而，電池技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新或可破解此困局。續(xù)航能力有限的無人機在繁忙城市環(huán)境中往往面臨嚴峻挑戰(zhàn)，其能源消耗不僅需支撐通信鏈路、環(huán)境監(jiān)測與目標識別，還需滿足實時決策需求，同時可能因局部交通狀況頻繁啟停或變速。
續(xù)航能力不足將顯著制約無人機的實時數(shù)據(jù)處理效能，該瓶頸直接關聯(lián)通信與安全挑戰(zhàn)。在繁忙環(huán)境中，其響應敏捷性將因算力受限而大幅降低。
低空交通管理的必要性
盡管無人機融入智慧城市環(huán)境面臨諸多挑戰(zhàn)，比如需依賴可靠的無人機技術(shù)，但構(gòu)建低空交通一體化管控系統(tǒng)對協(xié)調(diào)無人機流量、實現(xiàn)空域資源動態(tài)平衡至關重要。
這個系統(tǒng)需集成多套核心算法，實現(xiàn)沖突管理、容量-流量平衡及數(shù)字化空域管理功能，從而構(gòu)建具備全域態(tài)勢感知、智能航跡規(guī)劃與任務調(diào)度能力的管控體系，以應對未來智慧城市中大規(guī)模無人機的協(xié)同運行需求。
區(qū)塊鏈技術(shù)能否提供助力？
盡管需重點解決無人機本體能力與智慧城市基礎設施等核心挑戰(zhàn)，但這并不意味著其他技術(shù)無法為關鍵系統(tǒng)增強可靠性。
已有提案建議采用區(qū)塊鏈技術(shù)——這是一種基于密碼學的分布式數(shù)字賬本，可實現(xiàn)計算機間的安全通信與交易。
在網(wǎng)絡安全、通信及個人數(shù)據(jù)保護面臨多重挑戰(zhàn)的背景下，區(qū)塊鏈技術(shù)有望解決智慧城市環(huán)境中無人機所面臨的多項技術(shù)難題。
區(qū)塊鏈技術(shù)可能解決這些挑戰(zhàn)的主要潛在途徑包括：
- 構(gòu)建無人機分布式交通管理系統(tǒng)，實現(xiàn)實時運營與協(xié)同作業(yè)，降低碰撞風險；
- 促進無人機與應急響應者間的高速安全通信，在事故發(fā)生時縮短響應時間；
- 創(chuàng)建不可篡改的傳感器數(shù)據(jù)記錄，確保數(shù)據(jù)僅能在授權(quán)方之間安全存儲與共享；
- 開發(fā)智能合約，使配送任務無需人工干預即可自主完成，同時提供無人機位置及包裹配送狀態(tài)的全程透明化追蹤。
區(qū)塊鏈或其他先進技術(shù)，抑或是多種技術(shù)的融合，能否解決這些技術(shù)難題仍有待驗證。但可以確定的是，若要在智慧城市中實現(xiàn)無人機機群的規(guī)模化應用，仍有大量問題亟待解決。
無人機在物流應用領域具有多重優(yōu)勢，其使用需求與市場關注度持續(xù)攀升。隨著社會向智慧城市環(huán)境演進，無人機在空域中的無縫穿梭或?qū)⒊蔀槿粘？梢姷某B(tài)景象。
