霍尼韋爾肖進:城市空中交通是藍海,三維立體發展
2021年06月28日17:17

  澎湃新聞記者 張靜 楊漾

  1903年,萊特兄弟首次在地球上駕駛人造飛機試飛,此後飛機的概念便大抵如此。100多年過去了,航空業的新變革會在哪裡?

  霍尼韋爾航空航天集團中國首席技術官肖進描繪了這樣的未來城市空中交通(UAM)場景:無人機在各自的運行走廊穿梭投遞外賣,浙江舟山的海鮮坐飛行器一小時飛抵上海;坐電梯上城市高樓頂部,搭乘飛行器飛往另一個運輸節點,旅客落地再換乘地面交通。

  “人類對自由飛翔的想法一直都在。”肖進在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)專訪時表示,城市空中交通的想法更是體現了這一點,它開拓了地面交通和傳統航空運輸以外的第三維立體交通,“絕對是片藍海”。城市空中交通、馬斯克“地球一小時交通圈”等新想法的出現讓肖進覺得航空又到了另一個變革時代,如果能夠實現城市空中交通,這比“過去這100年邁了更大一步”。

  城市空中交通通常指以即飛即停、安全高效的有人駕駛/無人駕駛為特徵的按需自動化航空客運或貨運服務。根據摩根士丹利的研究報告,到2040年,全球城市空中交通的市場規模將達到1.5萬億美元,而空中物流將有望率先實現商業化應用。

  未來的城市交通為何一定會向空中拓展?肖進解釋,城市空中交通能夠填補傳統航空工業的空白,解決航程300海里(即555.6千米)以內坐飛機不合算而地面又擁堵的出行問題。

  運貨需求上,肖進說,到2023年,全球大體有7000多億個包裹交付,這一數據還不包括外賣,如果將來外賣也通過無人機投遞,市場非常大。而客戶對貨物交付日期的期望值也越來越高,改用城市空中交通運送可避免因交通擁堵而不能及時交付的情況,降低倉儲容量和存貨要求。

  如果說建機場占地大,修地鐵、輕軌投資高,那麼城市空中交通的投資相對節省,主要利用現有機場,也可以在高樓頂部設置運輸節點。城市空中交通分層、立體,滿足點對點運輸,而一旦落地使用,出行時間大大減少,那麼城市CBD也可以分佈得更廣。

  自動駕駛汽車從L0發展到L5,城市空中交通的發展也一樣,從基礎的自動到完全的自主,飛行員的培訓時間和工作量逐漸減少,隨之而來的是增加飛行器的自主飛行能力。

  霍尼韋爾正在簡化飛行器操作,他們甚至邀請飛行員體驗操縱研製階段的人機界面或駕駛艙,並得到了“無聊”的反饋,而這正是研發人員想看到的,“飛行界面簡單化了,那麼更多的人能夠去操作。”

  但城市空中交通真正落地,在安全、環保、載荷、航程、成本、網絡安全、空管等方面都面臨挑戰。就空管而言,在隔離空域運行良好,一旦進入混合空域運行,就對設備提出了更高的技術要求。

  國際標準需要統一,公眾的接受也需要時間。安全和環境是影響公眾接受度最重要的兩個因素,由於在城市上空飛行,安全要求不能降低,飛行器重量和體積不能太大,還必須安靜,“總不能限製晚上不許飛,或者某個時段不許飛。”

  而技術上實現完全自主還面臨AI取證難題。人工智能用於航空並不像傳統意義上航空開發那樣完全透明、100%可測,“人工智能用了很多神經網絡,很多過程對我們來說是不可知的、不可解釋的。”

  這些都在摸索和研發中,“有很多挑戰和機會,但我覺得機會非常大,而且非常令人激動,因為畢竟是人類出行的一個革命性改變。”

  全球幾乎所有商用、防務和航空飛機上均有霍尼韋爾航空航天集團各類產品和服務的身影。對於城市空中交通的發展,“我們在航空業有很強的經驗,根據應用場景的不同去優化,同時也滿足安全要求。”肖進說。

  霍尼韋爾航空航天集團中國首席技術官肖進

  以下是採訪實錄:

  【未來城市交通為何一定會向空中拓展?】

  澎湃新聞:城市空中交通通常指以即飛即停、無人駕駛為特徵的按需自動化航空客運或貨運服務。具體來講,城市空中交通有哪些形式?

  霍尼韋爾航空航天集團中國首席技術官肖進:一種是小型商業級的,像大疆無人機,可能會用來做一些勘探或檢測。這一類重量輕,安全等級、設計保障度相對都比較低。

  第二種是運貨。隨著重量的增加,可以分為兩個市場,一個是“最後一公里”的運送,另一個是從樞紐機場到地區機場之後,地區機場再往分配中心的運貨,它的載重會重一點。如果用卡車運,地面有擁堵,那麼城市空中交通就能解決這些問題。

  第三種是運人。大城市都很擁堵,通勤時間基本上平均一小時以上。有一個統計說,每年因為交通擁堵,大城市每人損失200小時,中型城市可能損失100-150小時。從這個角度來說,城市空中交通開拓第三維立體交通,能大大減輕交通壓力。

  澎湃新聞:未來的城市交通為何一定會向空中拓展?城市空中交通相比地面交通,有哪些優勢?

  肖進:美國60年代有部動畫片《傑森一家》,那時候就有空中出行的場景,上班、送小孩、購物都通過城市空中交通實現。所以人類很早就已經開始考慮這個問題了。現在除了初創企業以外,傳統航空工業也開始佈局,車企也開始進入未來城市空中交通,現在有很多項目,行業非常熱。

  航程在300海里(即555.6千米)以上,可以坐飛機;300海里以內,地面交通比較有效,如果乘坐現代傳統航空,要去機場、安檢、起飛、降落,時間上不合算。所以從這個角度來說,要解決地面擁堵問題,城市空中交通能夠填補傳統航空工業的空白。

  從基礎設施建設上來說,如果建機場,占地非常大。比如美國丹佛機場每年要運5800萬客人,但它占地33000英畝。地鐵也很快,但地鐵、輕軌的投資動輒幾十億上百億。

  地面交通對基礎設施的要求非常高,地面要修路、加紅綠燈、交通管控,在山區成本更高。而在空中,這些基礎設施投資都沒有了,城市空中交通的投資相對節省,也比較有效,主要利用現有機場,直升機坪或高樓樓頂。

  從城市分佈來說,一旦能使用城市空中交通,城市的商業聚集地可以分佈更廣。如果使用城市空中交通,可以大大減少出行時間,那麼商業聚集地或CBD可以更好分佈。所以這是我們認為交通會往空中拓展的原因。

  我們以航空的標準去設計城市空中交通,商業航空從製造到運行有非常嚴謹的安全體系,把運行風險降到最低。這種安全文化傳承到城市空中交通,安全性反而更能提高,減少事故率。

  澎湃新聞:市場端有哪些需求?

  肖進:從需求上來說,過去10年,電子商務的增長速度每年超過15%。我們有個數據,到2023年,全球大體有7000多億個包裹交付,而且現在客戶對電子商務交付日期的期望值越來越高。現在的倉儲當然用了很多人工智能技術,但如果還是純地面交通,還是會受製於地面擁堵。

  因為交通擁堵導致不能及時交付,就必須倉儲擴容或囤更多貨。如果改用城市空中交通,就可以及時交付到客戶,這對倉儲容量和存貨要求就低了。因為它是完全即時的,根據客戶下單,倉庫有貨,貨能及時運到,中間環節的節省非常大。

  目前我們看到電子商務市場最大的國家是中國、美國、日本。而且全球7000多億個包裹還不包括外賣,如果將來外賣也通過無人機投遞,市場非常大。

  城市空中交通的意義不光是載人,還有無人載貨,在城市空中的範圍,把乘客或貨物安全快速有效送達目的地,真正意義上開啟第三個維度。平時我們可能需要45分鍾甚至一小時的出行時間,通過城市空中交通可能可以減少到5-10分鍾,這對交通出行、電子商務帶來的是革命性的改變。

  但大家會說,直升機也有同樣功效。相比直升機的渦軸發動機,城市空中交通用的是電動垂直起降,它的優勢第一是使用電力作為能源,排放少,機械系統維護成本低很多。

  第二個優勢是,直升機一般是一個主旋翼加一個尾旋翼,我們是分佈式電力推進系統,一般來說現在都是多旋翼的,噪音會降低,安全冗餘度會高很多,也通過旋翼不同的水平和垂直方位佈置,支持更節能的飛行。

  當然還有噪音和排放,像上海這樣的城市,如果有1000台直升機天天在飛,噪音、排放肯定是個非常大的問題。

  【未來的出行:高樓頂乘飛行器,落地換乘地面交通】

  澎湃新聞:利用城市空中交通飛行系統,未來的出行場景是怎樣的?

  肖進:Uber的elevator項目成立初期,就為我們描述了空中出租車出現後的出行方式。就像我們的打車軟件一樣,旅客在出行前通過平台預定出行方案,平台根據旅客的選擇和要求製定地面和空中混合的出行方案。

  行程開始前,無人出租車把旅客從家裡送到城市空中交通的運輸節點,類似於一個直升機場,但也可能是高樓頂部,要坐電梯上去,再用城市空中交通的飛行器把旅客送到另一個運輸節點,落地以後再快速換乘地面交通,這樣可以銜接機場、火車站、出租車,這是我們想像中未來的出行方式。

  當然像Uber或其他打車軟件,因為有大量地面數據,他們知道哪裡最堵,哪裡可能應該需要用空中交通來替代地面交通,他們可能會更好地規劃哪裡應該有垂直起降點。

  澎湃新聞:會有哪些不同的飛行器來支撐城市空中交通?

  肖進:一種是多旋翼飛行器。一種是旋翼+尾推,垂直起降時用旋翼,一旦達到巡航高度進行水平飛行時,通過尾推進行巡航。還有一種是傾轉旋翼,機翼上帶的旋翼可以改變方向。

  各有各的好處,多旋翼飛行器比較簡單,傾轉旋翼相對比較複雜,維護成本可能會高,但它本身自帶的重量可能會輕,因為它的旋翼是複用的,水平推進和垂直起降可以共用。如果從巡航距離來說,肯定選擇傾轉旋翼或有水平推力的飛行器。

  澎湃新聞:要實現城市空中交通,有哪些技術需要關注?

  肖進:從推進技術來說,推進的動力方式一種是全電,用鋰電池或燃料電池,目前電池的功率密度只能支持飛行100英里-125英里(約161千米-201千米)。如果是城際空運或長距離飛行,還是要考慮混動。

  從飛機級的設計來說,肯定是要安靜,因為這是在城市上空飛行,總不能限製晚上不許飛,或者某個時段不許飛。

  從控製來說,要考慮怎樣實現簡單控製,最後實現無人化。考慮到飛行員的需求量,假如上海將來有1000個飛行員,飛行員的培訓成本很高。

  我們現在也在做飛行器簡化操作,從電子駕駛艙的維度來說,人機界面怎樣簡單化,而不是像現在普通飛機的界面那樣複雜,培訓成本非常高,我們希望將來比較簡單。所以我們做了一些預先研究,在美國總部把一些飛行員請到我們公司,讓他們體驗在研製階段的人機界面或駕駛艙的操縱。

  他們的反應是說太沒勁,坐著很無聊。這其實反而是我們想看到的,職業飛行員覺得沒有意思,因為很多操作包括飛行界面簡單化了,那麼更多的人能夠去操作。

  就像我們跑到別的城市租車,從來沒開過的車基本上幾分鍾之內我們就能知道怎麼開。這是未來我們想看到的場景,開始是有飛行員的,慢慢過渡到完全無人,當然這還需要一段時間。

  【貨運先於載客,隔絕的小山村適合無人貨運】

  澎湃新聞:城市空中交通的發展會經曆一個怎樣的過程?

  肖進:我們認為,城市空中交通和汽車的發展一樣,自動駕駛汽車有L0到L5,城市空中交通也會有這麼一個過程,從基礎的自動到完全的自主。從技術的研發過程來說,也慢慢會把飛行員的工作量、培訓時間減弱,隨之而來的是增加飛機自主飛行的能力。

  澎湃新聞:從基礎的自動到完全的自主,有沒有區分明確的階段、每一個階段要解決的主要問題是什麼?

  肖進:國際上現在沒有統一的標準,但歐洲航空安全局對通過AI來實現全自動的城市空中交通分了三個階段。L1階段人作為輔助和增強,L2階段人和機器是合作。

  L3分為兩個階段,一個階段是人還是監視系統,另一個階段是人不再監視系統。這其實是一個很重要的課題,就是AI怎樣取證,這是整個航空界現在都在關注的課題。

  澎湃新聞:相比載客,運貨可能會先行?

  肖進:我個人判斷是的。中國可能在運貨這方面的需求會更大,因為電子商務的推廣更大,而且載貨先期可以積累很多運行經驗,為將來載人的安全規範、規章製定提供很多經驗。

  澎湃新聞:地面交通有內環、中環、外環,空中交通是否也會形成一些空中幹線,在空中交錯?

  肖進:城市空中交通相比地面交通的優勢在於分層、立體,最理想是點對點飛行,不走環路,省時節能。在大城市也可能在地面交通的高速環線上設計空中走廊,集中管理噪聲。

  到了城市空中交通繁忙的時候,需要有一套中央智能自動的空管系統給每架飛機發佈路徑、高度、 爬升、下降、緊急迫降的指令,保障飛機間隔安全。

  估計每個地區的城市空中交通設計不會千篇一律。在通航發達的地區,可以在現有的基礎設施上進行功能性的添加,在通航不發達的地區,在基礎設施設計之初,就有很大的靈活度,可以自由決定飛機最低性能要求,在不同高度層安排不同速度的運行走廊的可能性,通過智能空管系統按天氣、交通情況動態決定空中交錯點,用軟件來定下動態的空中道路。

  從這個角度來說,城市空中交通的一個很大優點是立體化,可以在不同高度安排運行走廊,在很大程度上可以避免空中擁堵的現象,操作面更大,不光是平面。

  澎湃新聞:從運貨到載人,城市空中交通的落地有沒有一個時間上的判斷?

  肖進:還是要援引歐洲航空安全局的判斷。如果是取證,基本上離運營不遠了。他們認為2024年能夠有第一台電力垂直起降飛行器取證,2024年取證,那麼一般2025年進入商業運營。

  我們更多的是支持城市空中交通廠商的路線圖,我們是系統供應商,從這個角度來說,我們很難去判斷他們什麼時候能走向市場,因為這是他們自己的規劃。這是一個多方協調的結果,有市政,有適航當局,有城市空中交通供應商。

  歐洲、美國有很多這方面的企業,中國的億航也走在前面。適航當局、城市空中交通供應商,包括霍尼韋爾這樣的系統供應商,大家都在積極地看,這絕對是片藍海。

  澎湃新聞:中國在城市空中交通方面的現狀是怎樣的?哪個城市最有可能最先實施?

  肖進:首批民用無人機駕駛航空試驗名單有13個地區,比如上海金山區目標定位是海島場景,浙江杭州是城市場景,四川自貢是支線物流場景,廣西壯族自治區賀州是綜合應用拓展場景,河南安陽是城市場景,江蘇南京是綜合應用拓展場景。13個試驗區都有相關的場景在規劃中。

  金山區選擇的是海港模式,比如舟山的海鮮一個小時運到上海市區。中國西部地區也有需求,因為公路網不是這麼發達,西部山區的應用場景會更多一點。中國有很多小山村比較隔絕,交通不是很方便,但有很多土產品要賣出來,有很多電商的貨物運進去,適合無人貨運,也不需要建基礎設施,造高速公路、穿山打洞投入非常大。

  【安全、環保、載荷、航程、成本、網絡安全、空管都要摸索】

  澎湃新聞:實現城市空中交通系統,還有哪些方面需要克服?

  肖進:航空器本身的能力方面,安全、環保、載荷、航程、成本,這些因素是最關鍵的,這幾方面都滿足的航空器其實還不多。

  從運營來說,航程、載荷和對應的成本最為關鍵。承載的重量少,可以飛得遠;如果承載多,就飛得短。如果都滿足,成本就高了。所以這是個鐵三角,技術上要優化,迎合運營要求。

  從公眾的接受度來說,安全和環境是最重要兩個因素。歐洲航空局今年5月份發佈的一個報告說,城市空中交通在歐洲社會接受度的調研中,歐洲對安全和環境的擔憂達到了37%和38%。

  從解決路徑來看,技術要不斷優化,環境上,混動或全電肯定能解決這方面的顧慮;安全上,使用航空要求的設計保障度,就像我們的飛控系統達到10億分之一的安全度,這可能提升公眾接受度。

  另外,當時汽車剛剛投入市場進入人類生活時,馬路上也很亂。慢慢開始設立交通法規,有交警,然後有交通燈。規劃以後,人就適應了。今天你看上空,啥都沒有,明天你看到上面有很多飛行器在飛,大家就說會不會掉下來。怎麼更好地規劃它們的飛行,使得更安全,這也是一個方面。

  關於空中管理,目前全國有13個試飛區在做這方面的概念驗證。怎樣做好空管,大家都還在探討,這也是一個全新的課題,但目前可能還是以在人員稀少的地區與有人飛行隔離運行為主。

  比如商用無人機有商用無人機的空管提供者,城市空中交通有城市空中交通的空管提供者,通用航空有特定的低空域管理,正常的121部運輸航空有民航空管空中交通管製人員。

  各方共享數據,協調運行每一類航空器都在自己的區域里獨立運行,符合該空域中的運行要求和標準。一旦飛到別人的空域,或把乘客由城市空中交通飛機送到運輸航空機場轉航班,那就要去符合別人空域的運行程序和標準。

  還有這些試飛區主要是在驗證在目視天氣條件的飛行運行,下一步是怎麼安全進行全天候的儀表飛行。在多高樓風大的城市,還要佈置低空的風溫微天氣觀察預報,決定運行程序和標準。

  但這還在概念驗證階段,我相信,隨著技術、法規的完善,對我們來說,我認為在不久的將來是可以開始運營的。未來人工智能、大數據進入以後,空管、飛行線路的計劃,可能就會智能自主化。目前這都在摸索和研發中。

  還有網絡安全,未來一旦被黑客入侵,帶來的損害比較大。所以在設計保障里,網絡安全怎麼保障是要考慮的。還有空管、運營,城市市政的規定,公眾的接受度都要考慮。

  澎湃新聞:成本、技術、基礎設施、空管、運營商、公眾接受度這些環節中,哪一個環節進展最慢,影響了城市空中交通的落地?

  肖進:初期基礎設施問題相對來說不大,因為有現成機場、直升機平台,當然擴容以後可能需要建垂直起降平台。關於是否需要建充電或燃料加註站在直升機平台附近,

  如果未來直接是電池動力的飛機,要解決在哪裡建充換電和儲存點來支持高峰時段的問題;如果要現充,那麼對電網的要求,可能需要有個模型,比如哪裡瞬間對電力的需求比較大。在直升機平台充電,也需要對平台樓宇的配電系統和快速大電流充電的防火系統進行升級改造。

  就空管而言,因為城市空中交通對技術的融合要求比較高,所以空中運營和空管挑戰會大一點。目前隔離空域的運行可能還好,一旦要進入混合空域運行,對通信導航監視設備和覆蓋上的要求相對更大一點, 也看每一國家的空域改革和立體交通規劃的支持。

  公眾的接受度也需要時間,還有國際標準,現在中國民航和美國聯邦航空管理局、歐洲航空安全局都有很多交流,怎樣形成統一的標準。技術上,最後要實現完全自主,AI的應用,AI怎樣去取證,這需要克服。

  就成本來說,成本跟批量成反比,需要有主流的飛機設計,大批量生產,降低成本。

  澎湃新聞:載荷、航程、成本,這三方面怎樣平衡?

  肖進:平衡各方面的要求完全是根據運營場景和運營要求來實現的。比如載貨達到一噸以上,而且運營場景要達到600英里(約966千米)以上,那麼目前的條件是不可能用全電的,需要用混動。比如在市內載人,20分鍾的航程,可以用全電。

  城市空中交通飛行器是2人座還是4人座,是旋翼機還是旋翼機帶水平推進功能,這在重量上也需要平衡,和應用場景也有關。當然跟我們本身技術的推演也有關係,跟適航當局對運營的要求也有關係,在運營中有新的經驗產生,對系統的要求可能也有變化,這是一個不停迭代和演進的過程。

  航空工業其實也是這樣,我們這麼多規範也是由血的教訓產生的。這是一個全新領域,當然這站在了巨人的肩膀上,人類在航空方面已經有這麼多年的積累,城市空中交通是一個很有效的跨界融合,航空工業、汽車工業和互聯網技術的結合。

  城市空中交通飛行器多多少少離汽車比較近,AI、機器學習、物聯網、5G這些新技術融合進去,因為城市空中交通在低空運行,運行速度比較慢。

  但由於在城市上空,安全要求也不能降低,又不可能體積做得很大,重量很重,有很多挑戰和機會,但我覺得機會非常大,而且非常令人激動,因為畢竟是人類出行的一個革命性改變。我們在航空業有很強的經驗,根據應用場景的不同去優化,同時也滿足安全要求。

  澎湃新聞:物聯網、大數據、人工智能、5G在地面有了越來越多的應用。拓展到空中時,如何幫助到無人飛行器、城市空中出租車等?

  肖進:物聯網、大數據、人工智能、5G可以和地面有很多聯動。比如將來的無人運貨,地面的運貨車、倉儲可以聯動。比如空中哪裡擁堵以後,馬上把這些信息反饋到地面控製中心,地面控製中心經過優化算法,告訴你可以調整高度和飛行計劃。

  人工智能一開始可能是用在交通規劃、路徑優化,下一步可能會用到更高等級的設備中,比如導航、防撞這些跟飛機安全直接有關的功能。

  我們也在看怎麼把視覺和大氣數據、慣導、衛星導航進行多傳感器融合,用人工智能來判斷現在的姿態和未來可能會出現的碰撞情況,大大增加情景意識能力,對飛行員的工作要求就會降低,到最後可能就不需要飛行員了,完全智能化了。

  但人工智能的認證對我們來說還是個挑戰。因為它不像傳統意義上航空開發那樣完全透明、100%可測,人工智能用了很多神經網絡,很多過程對我們來說是不可知的、不可解釋的。如何向適航當局證明人工智能的安全性還需要很多的努力,我們也在做這方面的工作。

  【人類對自由飛翔的想法一直都在,航空又到了一個變革時代】

  澎湃新聞:如何評價SpaceX“星艦”的“地球一小時”交通圈?

  肖進:這是馬斯克革命性的想法。我本人對他非常崇拜,完全是改變人類出行,紐約上完班,到倫敦吃個晚餐,再回到上海睡覺。而且是利用他自己的火箭進入軌道運行,最高時速27000公里。

  就跟現在的城市空中交通一樣,對人類的出行和生活方式的改變都是革命性的。我自己作為一個航空從業者,也非常想為這方面的新技術出力。

  現在也是一個變革的時代,好多新的企業或新的想法開始進入航空業,城市空中交通領域很多初創企業並不是航空背景,但帶來很多新的思維。

  對於怎麼實現,航天方面,也有安全性的要求,起飛以後怎樣保證安全、運行中萬一遇到安全性問題怎麼解決。飛機上有人突發心臟病,飛機可以安全迫降。火箭在軌道上運行怎麼應急處理?因為要載人,從安全性角度來說都是一樣要考慮的。

  這個技術其實是為了將來去火星做準備,但如果真的要用於客運,如果載人量不小,適航當局法規對於載人的要求跟用於航天上有什麼區別,我覺得也是一個探索。

  但我個人對此非常敬仰,我們這一代人如果真能在這個變革性的時代貢獻自己的力量,也非常令人興奮。1903年萊特兄弟首次在地球上駕駛人造飛機試飛,之後飛機基本上就是這個概念了。到現在城市空中交通的出現、馬斯克很多新的想法出現,我覺得航空又到了另一個變革時代。

  人類對自由飛翔的想法一直都在,城市空中交通的想法更體現了這一點。如果坐了城市空中交通,日常生活中的出行更多就在空中了。這個夢想的實現比我們過去這100年邁了更大一步,時間也到了,各種技術的成熟度足夠了。

  

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