采用無人機(jī)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(jī)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(rèn)可，低空領(lǐng)域很可能被越來越多的無人機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，技術(shù)系統(tǒng)間實(shí)時(shí)通信效率提升，無人機(jī)配送或?qū)⑷找嫫占啊?span style=display:none>bIbesmc
它們將能夠動(dòng)態(tài)感知環(huán)境并與周圍環(huán)境實(shí)時(shí)交互，從而更迅速地響應(yīng)變化。然而，隨著低空域無人機(jī)數(shù)量增加，此類航空流量需像傳統(tǒng)航空交通一樣實(shí)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(shí)現(xiàn)智能城市對諸多靜態(tài)要素的管控，但無人機(jī)的快速移動(dòng)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(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃復(fù)雜度遠(yuǎn)超地面交通管理。
在實(shí)現(xiàn)跨機(jī)構(gòu)無人機(jī)編隊(duì)能夠在智慧城市環(huán)境中的自由通行之前，仍需攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
安全防護(hù)與通信傳輸?shù)碾p重挑戰(zhàn)
由于大量無人機(jī)可能攜帶收件人的個(gè)人信息，安全與數(shù)據(jù)隱私問題已成為最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。
無人機(jī)系統(tǒng)始終面臨被入侵的風(fēng)險(xiǎn)，敏感數(shù)據(jù)可能落入黑客手中用于惡意活動(dòng)。所以，必須建立強(qiáng)健的安全協(xié)議與監(jiān)管體系以防范此類風(fēng)險(xiǎn)，尤其在智慧城市環(huán)境中接入更廣泛的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時(shí)。
無人機(jī)搭載的各類攝像頭及傳感器可采集高價(jià)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(jī)部署自主網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤與丟包，進(jìn)而影響無人機(jī)的導(dǎo)航定位精度。因此，無人機(jī)在作業(yè)過程中存在顯著的信號干擾與系統(tǒng)中斷風(fēng)險(xiǎn)。
若要使無人機(jī)在智慧城市中的普及達(dá)到科幻電影般的規(guī)模，就必須部署能夠承載無人機(jī)高帶寬需求、并協(xié)調(diào)管理多機(jī)編隊(duì)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(jī)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(shí)時(shí)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(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括氣象態(tài)勢、空域動(dòng)態(tài)及應(yīng)急告警等信息，助力無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)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(jī)面臨的另一通信挑戰(zhàn)是標(biāo)準(zhǔn)化缺失，這導(dǎo)致不同無人機(jī)之間及無人機(jī)與智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施間的互操作性不足。
每架無人機(jī)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(jī)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(chǔ)設(shè)施，可能遮蔽無人機(jī)與地面站(以及期待接收貨物的消費(fèi)者)之間的通信鏈路。
即使是短暫的通信中斷，也可能影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而影響無人機(jī)在配送過程中的飛行時(shí)間和軌跡。因此，通信網(wǎng)絡(luò)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(jī)出現(xiàn)延遲。
小型化導(dǎo)致功能空間受限
盡管通信網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(jī)在特定配送場景及應(yīng)用中可能面臨功能制約，其影響程度與機(jī)體尺寸呈正相關(guān)。
對于面向企業(yè)或消費(fèi)者的商用配送無人機(jī)而言，其有限的貨艙容量將導(dǎo)致多數(shù)機(jī)型難以運(yùn)輸大尺寸或笨重物品。
不同規(guī)格無人機(jī)需適配多樣化任務(wù)場景，在規(guī)劃空中交通路線時(shí)須統(tǒng)籌考慮各尺寸機(jī)型的運(yùn)行特性。而增大貨艙容量可能擠壓其他關(guān)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(jī)型，以及搭載高性能電池、支持長距離運(yùn)輸?shù)臋C(jī)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(jī)在繁忙城市環(huán)境中往往面臨嚴(yán)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(biāo)識別，還需滿足實(shí)時(shí)決策需求，同時(shí)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(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理效能，該瓶頸直接關(guān)聯(lián)通信與安全挑戰(zhàn)。在繁忙環(huán)境中，其響應(yīng)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(jī)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(jī)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(jī)流量、實(shí)現(xiàn)空域資源動(dòng)態(tài)平衡至關(guān)重要。
這個(gè)系統(tǒng)需集成多套核心算法，實(shí)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(wù)調(diào)度能力的管控體系，以應(yīng)對未來智慧城市中大規(guī)模無人機(jī)的協(xié)同運(yùn)行需求。
區(qū)塊鏈技術(shù)能否提供助力？
盡管需重點(diǎn)解決無人機(jī)本體能力與智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施等核心挑戰(zhàn)，但這并不意味著其他技術(shù)無法為關(guān)鍵系統(tǒng)增強(qiáng)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(xué)的分布式數(shù)字賬本，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間的安全通信與交易。
在網(wǎng)絡(luò)安全、通信及個(gè)人數(shù)據(jù)保護(hù)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(jī)所面臨的多項(xiàng)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(jī)分布式交通管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)營與協(xié)同作業(yè)，降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)；
- 促進(jìn)無人機(jī)與應(yīng)急響應(yīng)者間的高速安全通信，在事故發(fā)生時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)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(wù)無需人工干預(yù)即可自主完成，同時(shí)提供無人機(jī)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(jìn)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(yàn)證。但可以確定的是，若要在智慧城市中實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)群的規(guī)模化應(yīng)用，仍有大量問題亟待解決。
無人機(jī)在物流應(yīng)用領(lǐng)域具有多重優(yōu)勢，其使用需求與市場關(guān)注度持續(xù)攀升。隨著社會向智慧城市環(huán)境演進(jìn)，無人機(jī)在空域中的無縫穿梭或?qū)⒊蔀槿粘？梢姷某B(tài)景象。
