劉小川，郭亞周，張永杰

1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省 西安市 710065

2.無(wú)人機(jī)公共安全聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,陜西省 西安市 710065

3.西北工業(yè)大學(xué)，陜西省 西安市 710065

我國(guó)民用無(wú)人機(jī)技術(shù)和無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，在個(gè)人娛樂(lè)、農(nóng)林植保、物流、巡檢、安防、測(cè)繪等領(lǐng)域獲得深度應(yīng)用，涌現(xiàn)了一批優(yōu)勢(shì)企業(yè)，已是中國(guó)制造一張亮麗的名片。在無(wú)人機(jī)深度應(yīng)用，豐富人們生活改變行業(yè)模式的同時(shí)，其安全性問(wèn)題特別是碰撞安全問(wèn)題日益凸顯，碰撞傷人、損物的事件頻發(fā)，在引爆媒體的同時(shí)也成為公眾的關(guān)注焦點(diǎn)，國(guó)外已經(jīng)全面開(kāi)展相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作，意欲搶占先機(jī)，我國(guó)的管理部門(mén)、從業(yè)者和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)有何種作為，是本文關(guān)注的重點(diǎn)。本文從無(wú)人機(jī)安全體系的構(gòu)建，碰撞安全或被動(dòng)安全的定義出發(fā)，探討了輕小型無(wú)人機(jī)輕小型無(wú)人機(jī)的碰撞安全挑戰(zhàn)，并提出了相關(guān)的對(duì)策建議。

近年以來(lái)，我國(guó)民用無(wú)人機(jī)技術(shù)和無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，而輕小型無(wú)人機(jī)與消費(fèi)者需求和工業(yè)需求緊密連接，在個(gè)人娛樂(lè)、農(nóng)林植保、物流、巡檢、安防、測(cè)繪等領(lǐng)域獲得深度應(yīng)用，涌現(xiàn)出一批明星企業(yè)和明星產(chǎn)品，成為中國(guó)制造一道亮麗的名片。

我國(guó)在《無(wú)人機(jī)駕駛航空器飛行管理暫行條例》中以重量標(biāo)準(zhǔn)為指標(biāo)，綜合無(wú)人機(jī)的其他性能指標(biāo)，將無(wú)人機(jī)規(guī)劃為微型、輕型、小型、和大型無(wú)人機(jī)，其中輕小型無(wú)人機(jī)主要指的是空機(jī)重量不大于15kg，最大起飛總量不大于25kg的無(wú)人機(jī)。

雖然輕小型無(wú)人機(jī)的技術(shù)復(fù)雜度和系統(tǒng)復(fù)雜度難以比擬有人飛機(jī)，但其作為飛行器的基本屬性決定了其也必須遵循適航性(即適于安全飛行)的要求，以保證公眾的安全需求獲得滿(mǎn)足。引申開(kāi)來(lái)，民用航空器的適航性是指航空器能在預(yù)期環(huán)境中安全飛行(包括起飛和著陸)的固有特性，這種固有特性需要在設(shè)計(jì)和制造階段來(lái)實(shí)現(xiàn)，并在后續(xù)使用中通過(guò)合適的維護(hù)和維修而持續(xù)保持。

圖1 歐洲“U-Space”空域藍(lán)圖對(duì)無(wú)人機(jī)特別是市區(qū)內(nèi)的無(wú)人機(jī)安全完全融入歐洲空域內(nèi)

由于行業(yè)的發(fā)展速度大大超出了預(yù)期，適航性標(biāo)準(zhǔn)制定滯后，隨著無(wú)人機(jī)的深度應(yīng)用，特別是在城市公共空間的深度應(yīng)用，各類(lèi)負(fù)面案例的發(fā)生也不斷引發(fā)輿論的關(guān)注，主要聚焦在兩大方面：

國(guó)家安全方面：近年來(lái)頻繁發(fā)生無(wú)人機(jī)侵入敏感空域事件，如飛近黨政軍重要目標(biāo)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)開(kāi)展非法測(cè)繪等，特別是國(guó)外已發(fā)生了利用小型多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行恐怖襲擊的案例，由于輕小型無(wú)人機(jī)的低速和低敏感性，難以有效探測(cè)，現(xiàn)有攻擊模式下的連帶損傷也是需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)低空安防提出了巨大的挑戰(zhàn)；

公共安全方面：媒體上報(bào)道的無(wú)人機(jī)墜落、飛行傷人損物事件不枚勝舉，各地已出臺(tái)各種無(wú)人機(jī)管控政策，特別是要求在人員密集場(chǎng)所如集會(huì)現(xiàn)場(chǎng)、交通樞紐等嚴(yán)禁無(wú)人機(jī)的使用，由于無(wú)人機(jī)保有量大，且大量無(wú)人機(jī)并沒(méi)有在管控平臺(tái)上注冊(cè)，還存在大量的航模特征入門(mén)級(jí)無(wú)人機(jī)，要求重大活動(dòng)、重大集會(huì)時(shí)必須采取有效的低空管控措施，以避免公對(duì)地面人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

圖 “黑飛”無(wú)人機(jī)威脅民航客機(jī)安全，機(jī)場(chǎng)周?chē)_(kāi)始相繼布置電子圍欄來(lái)圍阻機(jī)場(chǎng)周?chē)臒o(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)作為現(xiàn)代立體交通運(yùn)輸領(lǐng)域的新來(lái)者，如何有效融入已有體系并向公眾表達(dá)其安全性，是這個(gè)行業(yè)參與者都應(yīng)思考的問(wèn)題。與每個(gè)成熟的行業(yè)發(fā)展路徑一樣，適度的監(jiān)管、行業(yè)的自治、技術(shù)的推動(dòng)都是關(guān)鍵因素，但無(wú)論從哪個(gè)角度，都不應(yīng)把無(wú)人機(jī)視作毒蛇猛獸和冒險(xiǎn)家的樂(lè)園。

無(wú)人機(jī)安體系建設(shè)思路：其他行業(yè)的一些做法

雖然預(yù)測(cè)模型各異，但行業(yè)的共識(shí)是無(wú)人機(jī)極有可能成為下一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)能力與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)相當(dāng)?shù)男屡d產(chǎn)業(yè)，但在加強(qiáng)積極監(jiān)管的大背景下，改如何統(tǒng)一各方力量共同推進(jìn)有序發(fā)展呢？回顧汽車(chē)發(fā)展史，可能對(duì)無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展也有一定的啟示。

1769年，法國(guó)人居紐制造了世界上第一輛蒸汽驅(qū)動(dòng)三輪汽車(chē)。1831年，美國(guó)人哥德史沃奇將一臺(tái)蒸汽汽車(chē)投入運(yùn)輸，提供有規(guī)律的運(yùn)輸服務(wù)(15km路程，耗時(shí)45min)。此后倫敦街頭也出現(xiàn)了蒸汽驅(qū)動(dòng)公共汽車(chē)，這種車(chē)比現(xiàn)在的筑路用的壓道機(jī)還重，速度又低，常常撞壞未經(jīng)鋪修的路面，引起各種事故。市民們當(dāng)時(shí)曾呼吁取締這種汽車(chē)。為此英國(guó)制訂了所謂的“紅旗法規(guī)”，具有諷剌意味的是，由于這條法規(guī)的實(shí)施，使得英國(guó)后來(lái)在制造汽車(chē)的起步上大大落后于其它工業(yè)國(guó)家。

1885年德國(guó)工程師卡爾.苯茨制成了第一輛苯茨專(zhuān)利機(jī)動(dòng)車(chē)，該車(chē)為三輪汽車(chē)，采用一臺(tái)兩沖程單缸0.9hp的汽油機(jī)，此車(chē)具備了現(xiàn)代汽車(chē)的一些基本特點(diǎn)，例如火花點(diǎn)火、水冷循環(huán)、鋼管車(chē)架、鋼板彈簧懸架、后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向和制動(dòng)手把等，由此人類(lèi)社會(huì)開(kāi)始進(jìn)入汽車(chē)時(shí)代。

但是汽車(chē)大規(guī)模應(yīng)用后，也誘發(fā)了很多新問(wèn)題(與當(dāng)前無(wú)人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用遭遇的問(wèn)題相類(lèi)似)，例如隨著城市運(yùn)轉(zhuǎn)的提速，較慢的行人、稍快的馬車(chē)與快速的汽車(chē)之間如何分配路權(quán)，汽車(chē)如何向公眾闡述其安全性、以及如何通過(guò)技術(shù)措施保證新體系的有效運(yùn)行成了擺在汽車(chē)行業(yè)發(fā)展前的大問(wèn)題。

最早的交通燈原型誕生于英國(guó)，是有人值守的煤氣燈，目的是為了防止馬車(chē)扎人，這盞燈的歷史只有23天，中斷的原因是煤氣燈突然爆炸使一位警察殉職，直到1914年，克里夫蘭市才率先在街道中恢復(fù)交通信號(hào)燈，當(dāng)然這回是電燈了。

因此我們知道現(xiàn)代的以汽車(chē)為核心的地面交通體系是通過(guò)4大系統(tǒng)保證安全的：

一是被動(dòng)安全系統(tǒng)：如我們熟知的新車(chē)安全評(píng)定如CNCAP等，目的就是為了評(píng)價(jià)汽車(chē)在典型場(chǎng)景下保護(hù)車(chē)內(nèi)乘客和避免車(chē)外行人不受致命傷害的能力，這已經(jīng)是新車(chē)推向市場(chǎng)前必須完成的測(cè)試項(xiàng)目，而諸如安全帶、安全氣囊、保險(xiǎn)杠等也是現(xiàn)代汽車(chē)的標(biāo)配。

二是主動(dòng)安全系統(tǒng)：汽車(chē)通過(guò)主動(dòng)控制措施，通過(guò)各類(lèi)傳感器，在超車(chē)、倒車(chē)、換道、大霧、雨天等易發(fā)生危險(xiǎn)的情況下，向駕駛員提供汽車(chē)周?chē)匾男畔?，并可自?dòng)采取措施，有效防止事故發(fā)生，還可以對(duì)駕駛員和車(chē)輛進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。例如ABS，EBD，TCS，LDWS、高位剎車(chē)燈，前后霧燈，后窗除霧等都是主動(dòng)安全設(shè)計(jì)。

三是法律法規(guī)系統(tǒng)：我們都知道汽車(chē)要在交管所取得號(hào)牌并登記，行駛要遵守各種交通信號(hào)標(biāo)識(shí)的指引，汽車(chē)駕駛員也要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)取得駕駛資格，違反交通法規(guī)后也會(huì)面臨各類(lèi)處罰。

四是運(yùn)行支持系統(tǒng)：汽車(chē)使用說(shuō)明書(shū)都會(huì)向使用者說(shuō)明所購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品的特性，可以行駛的道路、需要加什么樣的燃料、行駛多場(chǎng)時(shí)間要保養(yǎng)、各類(lèi)配件的使用壽命等，并往往建議前往授權(quán)的4S店接受正規(guī)服務(wù)，以確保車(chē)輛處在最佳使用狀態(tài)。

無(wú)人機(jī)安全體系建設(shè)與研究的重點(diǎn)

回到輕小型無(wú)人機(jī)的話(huà)題，也可以從四大安全系統(tǒng)的角度對(duì)其安全性是否得到滿(mǎn)足給出一定的判斷，不應(yīng)否認(rèn)在確保其安全運(yùn)行的四大領(lǐng)域，各方已開(kāi)展了大量工作，并取得了一定的成效。

主動(dòng)安全：隨著飛行控制技術(shù)的不斷完善，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

電子圍欄

由于主動(dòng)避障具有一定的場(chǎng)景適用性，因此對(duì)于有些特殊場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)有的主動(dòng)避障體系下就不再適用了，于是在某些重要的區(qū)域電子圍欄便應(yīng)運(yùn)而生。

電子圍欄，通俗意義上來(lái)說(shuō)就是在機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)景下安裝一臺(tái)干擾無(wú)人機(jī)信號(hào)的機(jī)器，開(kāi)啟在其有效半徑范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)會(huì)無(wú)法接受指令，并且失去圖像傳送和鏈接功能，只能按照自帶的GPS系統(tǒng)自動(dòng)原路返回地面。這也是機(jī)場(chǎng)等其他重要場(chǎng)景下為了防止無(wú)人機(jī)“黑飛”而引發(fā)重大的飛行安全事故而采取的安保措施。為此，杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)還專(zhuān)門(mén)編制了《杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)無(wú)人機(jī)等升空物體防控工作方案》。

主動(dòng)避障

主動(dòng)避障，即通過(guò)智能技術(shù)來(lái)使得無(wú)人機(jī)自主躲避障礙物，從而達(dá)到避免發(fā)生碰撞安全事故的目的。在輕小型無(wú)人機(jī)的諸多技術(shù)中，避障能力是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)在避障技術(shù)幾乎是輕小型無(wú)人機(jī)的必備系統(tǒng)技術(shù)。主動(dòng)避障集感知、自主決策與合理回歸路線為一體，在一定程度上避免了對(duì)周?chē)藛T財(cái)產(chǎn)的損害。

航路規(guī)劃

無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃技術(shù)是在已有的特定約束條件下，尋找從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)并滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)性能指標(biāo)的最優(yōu)或可行的航路，具有較高的自主性，其中包括環(huán)境信息、飛行約束、航路目標(biāo)以及航路規(guī)劃器四個(gè)部分。在地面控制站的指揮下實(shí)現(xiàn)自主飛行，無(wú)人機(jī)甚至能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算和優(yōu)化航路規(guī)劃，從而保障了無(wú)人機(jī)的安全飛行。

云端注冊(cè)

云端注冊(cè)主要是通過(guò)國(guó)家管理機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)人機(jī)駕駛員進(jìn)行集中管理，頒發(fā)有效的駕駛證書(shū)，從而通過(guò)管理層面來(lái)從終端對(duì)無(wú)人機(jī)飛手進(jìn)行限制，同時(shí)能夠在云端對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。保障了大部分無(wú)人機(jī)的正常狀態(tài)下的飛行安全。

法律法規(guī)：輕小型無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題不僅引起了公眾的關(guān)注，同時(shí)也引起了國(guó)家相關(guān)部門(mén)的高度重視，目前國(guó)務(wù)院及各部委圍繞無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和安全監(jiān)管，出臺(tái)了一系列的規(guī)章和政策，其中2018年5月，民航局發(fā)布了《民用無(wú)人駕駛航空器經(jīng)營(yíng)性飛行活動(dòng)管理辦法(暫行)》，其中規(guī)定了最大空機(jī)重量為250g以上的無(wú)人機(jī)的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)需要取得經(jīng)營(yíng)許可，2019年1月4日，我國(guó)民航司發(fā)布了《輕小型無(wú)人機(jī)運(yùn)行規(guī)定》修訂稿的征求意見(jiàn)通知，以大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”為依托，對(duì)低、慢、小無(wú)人機(jī)運(yùn)行實(shí)施放管結(jié)合的細(xì)化分類(lèi)管理，進(jìn)一步維護(hù)輕小型無(wú)人機(jī)的飛行秩序，確保其運(yùn)行安全；適航司在1月23日印發(fā)了《基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的無(wú)人機(jī)適航審定指導(dǎo)意見(jiàn)》(民航適發(fā)[2019]3號(hào))；2月1日飛標(biāo)司、適航司、空管辦又聯(lián)合下發(fā)了咨詢(xún)通告《特定類(lèi)無(wú)人機(jī)試運(yùn)行管理規(guī)程(暫行)》(編號(hào)：AC-92-2019-01)。從無(wú)人機(jī)法規(guī)政策的發(fā)布數(shù)量和頻率來(lái)看，我國(guó)對(duì)于輕小型無(wú)人機(jī)的安全管理和飛行秩序極為重視，對(duì)于更多適用性和符合性的管理規(guī)章的建立具有較大需求。

運(yùn)營(yíng)支持：目前各大無(wú)人機(jī)廠商公司在消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)無(wú)人機(jī)之后會(huì)提供較為完備的用戶(hù)指導(dǎo)手冊(cè)，讓消費(fèi)者對(duì)于無(wú)人機(jī)的性能、無(wú)人機(jī)的使用環(huán)境和使用要求有較為全面的認(rèn)知，同時(shí)也會(huì)提供相應(yīng)的技術(shù)支持。除此之外廠家還給出了針對(duì)不同機(jī)型無(wú)人機(jī)的維修服務(wù)項(xiàng)目，對(duì)不同次數(shù)的無(wú)人機(jī)維修費(fèi)用進(jìn)行分級(jí)，使得用戶(hù)的每一份錢(qián)都能夠花在刀刃上，也能夠一定程度上排查無(wú)人機(jī)的飛行安全隱患，保障無(wú)人機(jī)的安全飛行。

容易被忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：無(wú)人機(jī)被動(dòng)安全

作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行基礎(chǔ)的被動(dòng)安全，相較于其他方面卻有所忽視。但是沒(méi)有人能夠保證無(wú)人機(jī)永遠(yuǎn)可靠，永遠(yuǎn)不出問(wèn)題，也無(wú)法保證不會(huì)出現(xiàn)不符合無(wú)人機(jī)飛行規(guī)定的無(wú)意或者惡意“黑飛”現(xiàn)象，而被動(dòng)安全則是在無(wú)人機(jī)主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)措施失效和其他碰撞難以避免的場(chǎng)景下，盡可能能的減少無(wú)人機(jī)的公共安全威脅，是無(wú)人機(jī)安全設(shè)計(jì)的底線，同時(shí)也是無(wú)人機(jī)公共安全管理制度制定的出發(fā)點(diǎn)，因此對(duì)于無(wú)人機(jī)的被動(dòng)安全的研究是無(wú)人機(jī)安全評(píng)估、設(shè)計(jì)和管控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)被動(dòng)安全的實(shí)質(zhì)是通過(guò)材料的選用、工藝的選擇、強(qiáng)度剛度的匹配、系統(tǒng)重量的布置，在平臺(tái)各類(lèi)主動(dòng)安全措施失效的情況下，最大限度的減少被碰撞對(duì)象的損傷。

無(wú)人機(jī)被動(dòng)安全主要從無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，關(guān)注的是在無(wú)人機(jī)在碰撞不可避免的發(fā)生之后，應(yīng)該如何最大程度的減少無(wú)人機(jī)碰撞傷害，即不傷害被撞擊對(duì)象，又能夠在一定程度上保證無(wú)人機(jī)下一步的正常使用和可維修性。

對(duì)于輕小型無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)被動(dòng)安全，從其用途(個(gè)人用途、城市環(huán)境下的物流等)和使用特點(diǎn)出發(fā)(低空、慢速)，以下三類(lèi)場(chǎng)景需要我們重點(diǎn)關(guān)注。

無(wú)人機(jī)跌落撞擊地面人員/財(cái)產(chǎn)

當(dāng)無(wú)人機(jī)因自身系統(tǒng)不可靠“炸機(jī)”或遭遇惡劣天氣、復(fù)雜使用環(huán)境等因素，從其正常飛行高度跌落(一般在200m以下)，僅考慮其跌落勢(shì)能(以2kg無(wú)人機(jī)從20m高跌落，其勢(shì)能為392J)，如果跌落撞擊行人頭部(跌落主要考慮頭部和肩部傷害)，在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)平臺(tái)沒(méi)有考慮撞擊過(guò)程的能量耗散問(wèn)題的前提下，撞擊動(dòng)能的較大部分將被人體吸收，將有極大可能導(dǎo)致嚴(yán)重傷害。

圖3 無(wú)人機(jī)在飛行狀態(tài)失控狀態(tài)下砸向地面的汽車(chē)，風(fēng)擋在撞擊后碎裂

圖 日前已有相關(guān)載人客機(jī)險(xiǎn)些撞上失控?zé)o人機(jī)案例

無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)撞擊地面人員/財(cái)產(chǎn)

圖4 國(guó)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行的無(wú)人機(jī)碰撞安全性評(píng)估實(shí)驗(yàn)

當(dāng)無(wú)人機(jī)穿越飛行，特別是在城市人員密集環(huán)境穿越飛行時(shí)，有可能直接撞擊人員和地面物體，輕小型無(wú)人機(jī)的飛行速度一般在20m/s左右，以2kg無(wú)人機(jī)為例，撞擊動(dòng)能為400J，如果撞擊人體，主要影響區(qū)為頭部、面部和上軀干，也將有極大概率導(dǎo)致嚴(yán)重傷害(歐盟規(guī)定動(dòng)能超過(guò)80J的無(wú)人機(jī)禁止穿越人體飛行)。

無(wú)人機(jī)飛行撞擊其他飛行器

尤其嚴(yán)重的是與有人航空器的撞擊問(wèn)題，日前大疆公司就美國(guó)相關(guān)研究提出了嚴(yán)正抗議，出發(fā)點(diǎn)就是認(rèn)為研究者夸大了威脅程度，對(duì)其商譽(yù)造成了不利影響。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究者力圖通過(guò)與鳥(niǎo)撞的相關(guān)性對(duì)比建立某種安全聯(lián)系，但不因忽視的是，相對(duì)與飛鳥(niǎo)，無(wú)人機(jī)具有3種典型特征：(1)飛行路徑的可控性(飛鳥(niǎo)的飛行具有一定的隨機(jī)性，無(wú)法主動(dòng)避讓飛機(jī))；(2)態(tài)勢(shì)感知能力(來(lái)源于系統(tǒng)分發(fā)的航路信息，飛鳥(niǎo)可不具備)；(3)結(jié)構(gòu)特征的可設(shè)計(jì)性(飛鳥(niǎo)的構(gòu)成是天生的，羽毛、骨骼、血肉的組合不可能輕易改變)。這是研究無(wú)人機(jī)與航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)必須要考慮的因素。

無(wú)人機(jī)被動(dòng)安全評(píng)估方法研究的進(jìn)展

目前被動(dòng)安全領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)研究在一定程度上滯后于輕小型無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展步伐，也正是由于缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐，使得無(wú)人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、管理法規(guī)等的制定工作遇到不少困難，具體表現(xiàn)為輕小型無(wú)人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)因素尚未充分識(shí)別、碰撞損傷判據(jù)和損傷等級(jí)的劃分有待明確、碰撞安全驗(yàn)證與評(píng)估的能力不夠完善等。

國(guó)外方面，由于無(wú)人機(jī)被動(dòng)安全評(píng)估是一項(xiàng)集成性的系統(tǒng)工程，因此2016年美國(guó)FAA、弗吉尼亞大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)相繼開(kāi)展了無(wú)人機(jī)碰撞安全性研究項(xiàng)目，進(jìn)行了關(guān)于無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則的研究，得出了不同應(yīng)用場(chǎng)合下無(wú)人機(jī)最有可能造成的傷害類(lèi)型，并且基于技術(shù)層面的研究數(shù)據(jù)有根據(jù)性的對(duì)每種傷害給出了相應(yīng)無(wú)人機(jī)的類(lèi)別、速度和高度。日前，歐盟EASA同樣啟動(dòng)了無(wú)人機(jī)被動(dòng)碰撞安全性研究，并提交發(fā)布了項(xiàng)目可行性報(bào)告。

國(guó)內(nèi)方面，目前無(wú)人機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章大部分都是以國(guó)外相關(guān)的研究工作為部分指標(biāo)來(lái)制定，而中國(guó)作為無(wú)人機(jī)制造和消費(fèi)大國(guó)，根據(jù)自身的研究成果，進(jìn)而制定更加符合中國(guó)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)國(guó)情的規(guī)章顯得尤為迫切和重要。

圖5 強(qiáng)度所開(kāi)展無(wú)人機(jī)與人員碰撞安全測(cè)試

圖 無(wú)人機(jī)通過(guò)裝降落傘裝置來(lái)防止“炸機(jī)”跌落

基于這種研究現(xiàn)狀和需求，國(guó)內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始逐步開(kāi)展輕小型無(wú)人機(jī)被動(dòng)碰撞安全的研究工作，其中以中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所牽頭的團(tuán)隊(duì)走在了國(guó)內(nèi)研究前列，強(qiáng)度所于2017年末聯(lián)合深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司、西安京東無(wú)人機(jī)研發(fā)部、西北工業(yè)大學(xué)等在無(wú)人機(jī)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品以及學(xué)術(shù)研究具有較大話(huà)語(yǔ)權(quán)的單位組建了一支研究團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)聚焦地面人員、高價(jià)值目標(biāo)物等碰撞對(duì)象，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的航空強(qiáng)度驗(yàn)證、評(píng)估技術(shù)，采用大量的實(shí)驗(yàn)做先行驗(yàn)證，結(jié)合數(shù)值仿真分析方法來(lái)揭示碰撞條件對(duì)碰撞對(duì)象損傷的影響關(guān)系，從而建立碰撞對(duì)象的損傷等級(jí)劃分準(zhǔn)則，理清輕小型無(wú)人機(jī)安全使用的邊界，給出安全性評(píng)價(jià)的方法、平臺(tái)和判據(jù)，為輕小型無(wú)人機(jī)的安全使用和監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。強(qiáng)度所已經(jīng)進(jìn)行了兩期實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證工作，目前正在穩(wěn)步開(kāi)展第三期研究工作，最終將基于研究工作形成輕小型無(wú)人機(jī)碰撞安全性設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和評(píng)估相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，為無(wú)人機(jī)安全性相關(guān)的法律法規(guī)制定提供可靠數(shù)據(jù)。

除了輕小型無(wú)人機(jī)地面碰撞研究，民航上海航空器適航審定中心聚焦空中運(yùn)輸機(jī)、客機(jī)等飛行器牽頭開(kāi)展了民用輕小型無(wú)人機(jī)與空中飛行器的碰撞試驗(yàn)研究。該團(tuán)隊(duì)于2017年底在航空工業(yè)航宇襄北試驗(yàn)基地進(jìn)行了輕小型無(wú)人機(jī)與典型民機(jī)結(jié)構(gòu)的碰撞實(shí)驗(yàn)，比對(duì)了無(wú)人機(jī)碰撞和鳥(niǎo)撞的差異性。

考慮被動(dòng)安全要求的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

無(wú)人機(jī)的被動(dòng)安全設(shè)計(jì)指的是通過(guò)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)平臺(tái)的吸能設(shè)計(jì)(在直接碰撞中減少傳遞到被碰撞對(duì)象的能量)和減傷設(shè)計(jì)(在接觸性碰撞中減少對(duì)人員的劃傷和擦傷)。

就無(wú)人機(jī)自身的特性來(lái)講，無(wú)人機(jī)碰撞時(shí)可能發(fā)生的傷害主要分為兩種：無(wú)人機(jī)機(jī)體撞擊后發(fā)生的鈍性傷害和無(wú)人機(jī)葉片在撞擊人體時(shí)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的銳性傷害。就銳性傷害而言，目前相關(guān)無(wú)人機(jī)廠商在考慮到葉片割傷的情況下會(huì)配備有槳葉罩來(lái)一定程度的預(yù)防無(wú)人機(jī)在特殊狀況下可能發(fā)生的割傷事故，但是這種槳葉罩目前只針對(duì)重量較小的無(wú)人機(jī)，而對(duì)稍大點(diǎn)的無(wú)人機(jī)葉片目前仍未有有效的防護(hù)措施。

就無(wú)人機(jī)的鈍性傷害而言，無(wú)人機(jī)被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)防鈍性創(chuàng)傷目前主流上主要有以下三種方法：

降落傘防護(hù)裝置

降落傘的優(yōu)點(diǎn)在于其廣泛的適用性，其即可用于多旋翼無(wú)人機(jī)，同時(shí)又可適用于固定翼無(wú)人機(jī)。降落傘主要由控制系統(tǒng)控制，當(dāng)無(wú)人機(jī)出現(xiàn)故障后會(huì)觸發(fā)降落打開(kāi)裝置，從而減少無(wú)人機(jī)不受控制而下落時(shí)的總動(dòng)能，從而減少無(wú)人機(jī)受故障跌落后的撞擊嚴(yán)重程度。但是該方法也有缺點(diǎn)，即若是控制系統(tǒng)損壞則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置失效，同時(shí)降落傘打開(kāi)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)故障。

無(wú)人機(jī)整機(jī)防護(hù)罩

無(wú)人機(jī)整機(jī)防護(hù)罩顧名思義，就是在無(wú)人機(jī)周?chē)捎镁W(wǎng)狀防護(hù)結(jié)構(gòu)，這樣基本杜絕了撞擊意外發(fā)生的可能性，這種方法能夠?qū)o(wú)人機(jī)連同槳葉一起防護(hù)在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，這樣螺旋槳能夠有運(yùn)行空間，同時(shí)也不會(huì)外露，達(dá)到安全防護(hù)的作用。但是這種方法的會(huì)使得機(jī)身更重，一定程度降低了無(wú)人機(jī)的整體機(jī)動(dòng)性和性能。

柔性防撞結(jié)構(gòu)

自然界中飛鳥(niǎo)直接摔殘的情況并不多見(jiàn)，舉例來(lái)說(shuō)，鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)都會(huì)偶爾在空中沖撞某些物體，這是因?yàn)樗麄冏陨砭哂凶銐虻娜犴g度，從而能夠起到緩沖保護(hù)作用。

圖6 瑞士洛桑高等工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的“不怕摔”的柔性無(wú)人機(jī)

因此日前瑞士相關(guān)學(xué)者通過(guò)改善無(wú)人機(jī)四軸的彈性，使得整個(gè)無(wú)人機(jī)具有較高的柔性特性，在無(wú)人機(jī)發(fā)生碰撞時(shí)整個(gè)機(jī)翼都可以被逆壓縮，能夠在軟硬兩種狀態(tài)下切換，在不影響飛行的情況下同時(shí)具備機(jī)械彈性。這種無(wú)人機(jī)飛行巧妙，在飛行時(shí)具有足夠的剛度，穩(wěn)定性和操作性能夠得到保障，而碰撞時(shí)又具有足夠的安全性。但是這種無(wú)人機(jī)由于考慮到安全性因素而在很大程度上放棄了無(wú)人機(jī)的承載特性和續(xù)航特性。

無(wú)人機(jī)被動(dòng)安全設(shè)計(jì)就目前看來(lái)，雖然已經(jīng)有幾種可以提高其安全性的方法，但是這些方法大多都是在犧牲無(wú)人機(jī)部分重要性能的基礎(chǔ)上換來(lái)的，應(yīng)用具有較大的局限性，同時(shí)合理性也需要進(jìn)一步評(píng)估，因此關(guān)于無(wú)人機(jī)被動(dòng)安全設(shè)計(jì)仍然具有較大的挑戰(zhàn)。

結(jié)論和展望

行業(yè)發(fā)展迅速但安全短板突出

輕小型無(wú)人機(jī)作為一種在全球范圍內(nèi)發(fā)展突飛猛進(jìn)的行業(yè)，據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空局預(yù)測(cè)2020年美國(guó)的民用無(wú)人機(jī)銷(xiāo)量將高達(dá)300萬(wàn)臺(tái)。而我國(guó)國(guó)內(nèi)不僅擁有以大疆為代表的輕小型無(wú)人機(jī)世界級(jí)龍頭研發(fā)制造單位，同時(shí)也有一批無(wú)人機(jī)系統(tǒng)服務(wù)單位，更有京東、順豐等行業(yè)單位不僅從事無(wú)人機(jī)物流應(yīng)用，也從事無(wú)人機(jī)整機(jī)開(kāi)發(fā)工作，2014-2017年我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)值復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)80%以上，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)民用輕小型無(wú)人機(jī)保有量超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)，行業(yè)發(fā)展和行業(yè)優(yōu)勢(shì)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。

但我國(guó)在民用輕小型無(wú)人機(jī)行業(yè)仍然存在值得引起重視的短板，目前我國(guó)國(guó)內(nèi)共出臺(tái)了50余部無(wú)人駕駛航空器相關(guān)的法律法規(guī)，從中可以看出，每新出臺(tái)一部法律法規(guī)，政府機(jī)關(guān)都會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)安全性提出新的更高的要求。特別是工信部頒布的《無(wú)人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2017-2018年版)》[13]中有提出，無(wú)人機(jī)應(yīng)用廣泛，但是標(biāo)準(zhǔn)體系卻并不完善，導(dǎo)致了產(chǎn)品質(zhì)量缺乏保證，技術(shù)要求難以統(tǒng)一，行業(yè)發(fā)展受限，影響了國(guó)家安全和公共安全。指南中隨附的標(biāo)準(zhǔn)表中共列舉了267項(xiàng)，其中關(guān)于無(wú)人機(jī)強(qiáng)度，無(wú)人機(jī)碰撞的相關(guān)指南共24項(xiàng)，都處于急需制定或者待制定的狀態(tài)，例如《無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)地面試驗(yàn)要求》、《民用無(wú)人駕駛航空器用鋰電池及電池組危險(xiǎn)特性檢驗(yàn)要求》、《無(wú)人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度規(guī)范》。而目前的基礎(chǔ)技術(shù)研究對(duì)于無(wú)人機(jī)的驗(yàn)證、評(píng)估、設(shè)計(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)的制定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

國(guó)外已有進(jìn)展，國(guó)內(nèi)初步開(kāi)展

就目前的國(guó)內(nèi)外針對(duì)輕小型無(wú)人機(jī)碰撞安全研究的現(xiàn)狀而言，國(guó)內(nèi)針對(duì)該方面的研究與國(guó)外之間仍然具有一定差距，國(guó)外對(duì)于無(wú)人機(jī)碰撞安全性、重要性和復(fù)雜性有較早的認(rèn)識(shí)，其管理當(dāng)局和和工業(yè)部門(mén)能夠更好的理解無(wú)人機(jī)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)、無(wú)人機(jī)對(duì)不同碰撞對(duì)象的損傷情況。從2015年以來(lái)以FAA為代表的一批研究機(jī)構(gòu)逐步開(kāi)展了一系列無(wú)人機(jī)碰撞安全性研究。結(jié)合無(wú)人機(jī)事故調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了較為完善的無(wú)人機(jī)碰撞安全性分析與驗(yàn)證技術(shù)體系。

而我國(guó)雖然在民用輕小型無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是在無(wú)人機(jī)碰撞安全研究方面卻起步相對(duì)較晚，雖然近年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的拓展，國(guó)內(nèi)的無(wú)人機(jī)市場(chǎng)越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)政府主管部門(mén)、民航管理部門(mén)、主機(jī)單位、科研院所和高效逐漸認(rèn)識(shí)了無(wú)人機(jī)安全性的重要性，開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)研究，但研究進(jìn)度仍然相對(duì)于滯后于國(guó)外研究機(jī)構(gòu)，尚處于初步研究階段。

匯聚共識(shí)，搭建平臺(tái)，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)完善，建立測(cè)試評(píng)估平臺(tái)

雖然國(guó)外研究在一定程度上領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，但從其發(fā)布的研究報(bào)告結(jié)果上來(lái)看，作為近幾年剛興起的研究項(xiàng)目，國(guó)外對(duì)于輕小型無(wú)人機(jī)碰撞安全研究并不是特別充分，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)之間的成果并未較好的融合，國(guó)際上無(wú)人機(jī)碰撞安全相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、分析驗(yàn)證的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也處于待定狀態(tài)，因此我國(guó)仍然有追趕的潛力和空間，我國(guó)目前在該技術(shù)領(lǐng)域有一定的技術(shù)突破，通過(guò)進(jìn)一步挖掘研究深度，加強(qiáng)研究基礎(chǔ)，繼續(xù)加大力度開(kāi)展一系列體系化研究項(xiàng)目，我國(guó)有望在未來(lái)3～4年內(nèi)在無(wú)人機(jī)碰撞安全領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，通過(guò)搶占國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制高點(diǎn)，突破國(guó)外可能對(duì)我國(guó)民用輕小型無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)封鎖。

因此在這種行業(yè)發(fā)展背景之下，我國(guó)相關(guān)部門(mén)、相關(guān)產(chǎn)業(yè)方、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)匯聚共識(shí)，聚焦民用輕小型無(wú)人機(jī)公共安全領(lǐng)域內(nèi)的碰撞安全問(wèn)題，充分考慮企業(yè)發(fā)展和行業(yè)監(jiān)管需求，開(kāi)展相關(guān)研究工作，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建輕小型無(wú)人機(jī)碰撞安全驗(yàn)證與評(píng)估體系。從而以相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究工作數(shù)據(jù)結(jié)果作為輸入，大力完善和補(bǔ)充我國(guó)現(xiàn)有的輕小型無(wú)人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，全面強(qiáng)化我國(guó)無(wú)人機(jī)在國(guó)際上的領(lǐng)軍地位，維護(hù)空域、地面交通運(yùn)行秩序，提升社會(huì)公眾的認(rèn)可度和接受能力，帶動(dòng)我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。 ■