王澤玉,蔣太宇,方毅,石磊
中國(guó)直升機(jī)技術(shù)研究所
近年無人機(jī)技術(shù)逐步成熟,市場(chǎng)效益也逐步擴(kuò)大,但相應(yīng)的無人機(jī)系統(tǒng)適航管理尚處于起步階段,構(gòu)建完善的無人機(jī)系統(tǒng)適航管理體系是當(dāng)務(wù)之急。本文對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)適航管理的特點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行分析;并綜述國(guó)內(nèi)外無人機(jī)系統(tǒng)適航研究現(xiàn)狀,對(duì)我國(guó)基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的無人機(jī)系統(tǒng)適航管理進(jìn)行探討。
隨著無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展,無人駕駛航空器(下稱無人機(jī))在民用領(lǐng)域的應(yīng)用潛力逐步突顯,人們對(duì)低空開放的呼聲日漸高漲,無人駕駛航空系統(tǒng)(下稱無人機(jī)系統(tǒng))適航管理成為當(dāng)前空中交通管理的重要課題。無人機(jī)系統(tǒng)作為空中交通系統(tǒng)的組成部分,其運(yùn)行也應(yīng)遵循空中交通管理規(guī)則。無人機(jī)系統(tǒng)適航審定和管理不僅對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行把控,還要維護(hù)整個(gè)空域的交通安全,其重要性不言而喻。
近年,我國(guó)民航部門接連頒發(fā)多部無人機(jī)系統(tǒng)適航管理文件及政策,標(biāo)志我國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)行管理正逐步走向規(guī)范化,也給無人機(jī)產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)帶來信心。
適航管理是以保障民用航空器安全性為目標(biāo)的技術(shù)管理,是民航部門以制定的各種最低安全標(biāo)準(zhǔn),對(duì)民用航空器的設(shè)計(jì)、制造、使用和維修等環(huán)節(jié)進(jìn)行審查、鑒定、監(jiān)督和規(guī)范化管理。同時(shí),還需兼顧環(huán)境保護(hù)要求。
適航是一套體系工程,我國(guó)民用航空器適航管理是以法律作為基礎(chǔ),其管理框架如圖1所示。頂層分別是法律和行政法規(guī)?!吨腥A人民共和國(guó)民用航空法》,《中華人民共和國(guó)民用航空器適航管理?xiàng)l例》為執(zhí)行適航管理提供法律保障。其次是規(guī)章,包括《中國(guó)民用航空規(guī)章》、適航指令和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,這是適航管理的依據(jù)。
圖1 適航體系示意圖。
無人機(jī)系統(tǒng)適航管理為何不直接套用現(xiàn)有成熟的民用有人駕駛航空器系統(tǒng)的適航管理?
圖2 民用有人駕駛航空器系統(tǒng)適航流程圖。
首先,兩者適航管理對(duì)象不同。民用有人駕駛航空器系統(tǒng)適航主要考慮保證機(jī)上人員安全。無人機(jī)系統(tǒng)適航則需要考慮其失控后,可能對(duì)地面人員、重要設(shè)施及空中其他航空器的威脅。雖然無人機(jī)一般不載運(yùn)人員,但是無人機(jī)的安全性不能低于有人駕駛航空器類似標(biāo)準(zhǔn)。
其次,民用無人機(jī)發(fā)展擴(kuò)充了傳統(tǒng)民用航空器適航體系范疇。無人機(jī)適航管理和有人駕駛航空器適航管理屬于并列關(guān)系,同屬于民用航空器適航體系。由于無人機(jī)獨(dú)有的運(yùn)行特點(diǎn),使民用有人駕駛航空器部分適航管理并不適用無人機(jī)。
最后,由于無人機(jī)的任務(wù)、功能和技術(shù)等方面的異構(gòu)性,使無人機(jī)融入國(guó)家空域變得更加具有挑戰(zhàn)性。無人機(jī)種類眾多,用途廣泛,運(yùn)行場(chǎng)景不同,風(fēng)險(xiǎn)多樣。構(gòu)型分為固定翼,多旋翼,傾轉(zhuǎn)旋翼,單旋翼帶尾槳,撲翼等種類;按最大起飛重量分類,有微型、輕型、小型、中型、大型無人機(jī)。例如,無人機(jī)譜系中的小型無人機(jī)“納米蜂鳥”(Nano Hummingbird)和大型無人機(jī)RQ-4“全球鷹”,它們的翼展從16cm到35.4m不等,最大起飛重量從19g到11.6t不等,續(xù)航時(shí)間從11min到28h不等。其中,輕小型無人機(jī)造價(jià)低廉,數(shù)量可觀,技術(shù)門檻低。這些低空低速飛行的輕小型無人機(jī),往往是空管部門監(jiān)管的盲點(diǎn)和難點(diǎn)。另外,我國(guó)無人機(jī)研發(fā)企業(yè)眾多,不同企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同,無人機(jī)行業(yè)尚未達(dá)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此,必須根據(jù)無人機(jī)特點(diǎn),建立相應(yīng)的適航標(biāo)準(zhǔn)及管理體系。
目前,各個(gè)國(guó)家在民用無人機(jī)領(lǐng)域尚未正式出臺(tái)的適航管理政策。開展無人機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)制定的主要組織有無人機(jī)系統(tǒng)研究小組(UASSG)、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)、歐洲航空安全局(EASA)、中國(guó)民用航空局(CAAC)、無人系統(tǒng)規(guī)章制定聯(lián)合體(JARUS)、北大西洋公約組織(NATO)、美國(guó)國(guó)際試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(ASTM International)、美國(guó)航空無線電技術(shù)委員會(huì)(RTCA)、歐洲民航設(shè)備組織(EUROCAE)等單位。
無人機(jī)系統(tǒng)研究小組(UASSG)于2007年成立,隸屬于國(guó)際民航組織(ICAO),主要工作是協(xié)助處理無人機(jī)相關(guān)事務(wù)。該小組主要從頂層設(shè)計(jì)出發(fā),開發(fā)空中導(dǎo)航服務(wù)程序(PANS)、制定國(guó)際民航標(biāo)準(zhǔn)和建議措施(SARP)。另外,在無人機(jī)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)、生產(chǎn)批準(zhǔn)和審定原則等方面提出相關(guān)指導(dǎo)建議。
美國(guó)聯(lián)邦航空管理局于2005年組建無人機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目辦,其主要工作是開展無人機(jī)系統(tǒng)適航政策制定和標(biāo)準(zhǔn)化工作。
美國(guó)聯(lián)邦航空管理局無人機(jī)監(jiān)管特點(diǎn)是堅(jiān)持無危害原則,旨在保障無人機(jī)不會(huì)降低當(dāng)前民用航空活動(dòng)的安全水平,該局已出臺(tái)部分輕型民用無人機(jī)適航文件。2012年美國(guó)國(guó)會(huì)通過《2012年美國(guó)聯(lián)邦航空管理局現(xiàn)代化和改革法案》,該法案B部分專門適用無人機(jī)系統(tǒng)。2016年《小型民用無人機(jī)的監(jiān)管規(guī)則》(FAR-107)正式生效,該文件包括小型無人機(jī)、駕駛員資質(zhì)認(rèn)證和職責(zé)、使用限制的規(guī)定。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局還對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)適用有人駕駛航空器系統(tǒng)的適航規(guī)章進(jìn)行了分析,為無人機(jī)的適航管理提供了一定參考價(jià)值。
由美國(guó)引導(dǎo)的北大西洋公約組織于2007年發(fā)布了《無人機(jī)系統(tǒng)適航性要求》,2014年發(fā)布了《輕型無人機(jī)系統(tǒng)適航性要求》。這兩個(gè)文件構(gòu)建了北大西洋公約組織中大型(最大起飛重量150~20000kg)和輕型無人機(jī)系統(tǒng)適航規(guī)范體系。這個(gè)體系沿用了現(xiàn)有有人駕駛航空器適航規(guī)范的框架結(jié)構(gòu),增加了無人機(jī)系統(tǒng)控制、任務(wù)載荷、系統(tǒng)軟件、告警與應(yīng)急程序、操控員、安全性等無人機(jī)系統(tǒng)特有的內(nèi)容,同時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),安全性要求,風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行了說明。此外,美國(guó)也在主導(dǎo)亞太合作伙伴框架下的無人機(jī)審定工作組(UCWG)。
歐洲航空安全局成立于2002年7月,取代歐洲聯(lián)合航空局(JAA),該局隸屬于歐盟,負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理歐盟的航空空域,其頒布的航空器使用規(guī)則對(duì)歐盟成員國(guó)具有法律效力。目前,歐洲航空安全局與美國(guó)聯(lián)邦航空管理局是世界上主要的民用航空器適航證頒發(fā)機(jī)構(gòu)。
歐洲航空安全局從無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)兩方面考慮無人機(jī)適航管理。2015年該局頒布了《無人機(jī)運(yùn)行規(guī)章框架說明》,將無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行分為三類,即開放類(Open)、特許類(Specific)和審定類(Certified)。其中,歐洲航空安全局對(duì)開放類運(yùn)行和審定類運(yùn)行的無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了明確的定義,特許類定義為排除開放類和審定類之外的無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)較新的概念,其中的風(fēng)險(xiǎn)由兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)組成,一是事情或狀況發(fā)生后產(chǎn)生的危害程度;二是該事情或狀況的發(fā)生概率。因此,評(píng)估無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)時(shí),需要從事情或狀況危害程度和發(fā)生概率兩方面考慮。運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)主要指在無人機(jī)使用或運(yùn)行過程中,可能遇到的突發(fā)事件對(duì)無人機(jī)和飛行區(qū)域內(nèi)第三方造成的影響。
(1)開放類運(yùn)行的無人機(jī)系統(tǒng)要求
1)最大起飛重量 25kg;
2)無人機(jī)與人員保持安全距離,并且不會(huì)飛越人群集會(huì)(人群集會(huì)是指由于在場(chǎng)人員的密度而使得人員無法移動(dòng)的集會(huì));
3)無人機(jī)必須在視距內(nèi)運(yùn)行;
4)在飛行期間,無人機(jī)不攜帶危險(xiǎn)物品且不投放任何物質(zhì)。
根據(jù)輕小型無人機(jī)的最大起飛重量,開放類運(yùn)行的無人機(jī)系統(tǒng)細(xì)分為5個(gè)等級(jí),如表1所示。針對(duì)輕小型無人機(jī),歐洲航空安全局制定了嚴(yán)格的分類管控措施,對(duì)相關(guān)無人機(jī)制造商,廠家,進(jìn)口商進(jìn)行體系認(rèn)證。
表1 開放類運(yùn)行的無人機(jī)系統(tǒng)等級(jí)。
(2)審定類運(yùn)行的無人機(jī)系統(tǒng)要求
1)無人機(jī)最大尺寸3m,可以飛越人群上空;
2)用于運(yùn)輸人員的無人機(jī)系統(tǒng);
3)用于運(yùn)輸危險(xiǎn)物品的無人機(jī)系統(tǒng)。
審定類運(yùn)行的無人機(jī)系統(tǒng),需要按照民用有人駕駛航空器適航標(biāo)準(zhǔn)CS-23等執(zhí)行初始適航認(rèn)證。同時(shí)要建立應(yīng)對(duì)無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的解決措施,應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的意外情況。針對(duì)這三類無人機(jī)運(yùn)行監(jiān)管,歐洲航空安全局提出了授權(quán)操作的管理理念。
開放類無人駕駛航空器系統(tǒng)運(yùn)行無需事先獲得運(yùn)行授權(quán),運(yùn)行前無人駕駛航空器系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)人也無需進(jìn)行運(yùn)行聲明,但要求無人機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行期間只能在規(guī)定的空域飛行;
特許類無人駕駛航空器系統(tǒng)運(yùn)行前需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,同時(shí)需要考慮應(yīng)對(duì)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的解決措施,以獲得在特定限制條件下的運(yùn)行授權(quán);
審定類無人駕駛航空器系統(tǒng)具有較高運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),運(yùn)行應(yīng)根據(jù)相關(guān)條例對(duì)無人駕駛航空器系統(tǒng)審定和運(yùn)營(yíng)人進(jìn)行審定,以及在適用的情況下對(duì)遙控駕駛員頒發(fā)執(zhí)照。對(duì)于審定類,歐洲航空安全局的思路實(shí)際上吸收了國(guó)際民航組織的遠(yuǎn)程遙控航空器(RPAS)監(jiān)管體系的內(nèi)容,構(gòu)建了類似有人駕駛航空器的適航管理體系。
無人系統(tǒng)規(guī)章制定聯(lián)合體由歐洲航空安全局牽頭,以及世界其他國(guó)家的民航局(NAA)和地區(qū)的航空安全組織組成的專家組。目前有61個(gè)國(guó)家的民航局參加,包括美國(guó)聯(lián)邦航空管理局和中國(guó)民用航空局。該組織旨在討論和協(xié)調(diào)輕型無人航空器系統(tǒng)合格審定、運(yùn)行要求及使用限制,以評(píng)估一套滿足適航、運(yùn)行和空域要求草案,滿足大多數(shù)國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)需求,并避免重復(fù)工作。無人系統(tǒng)規(guī)章制定聯(lián)合體由秘書組和若干工作組(WG)組成,表2是無人系統(tǒng)規(guī)章制定聯(lián)合體各工作組的職責(zé)。
表2 無人系統(tǒng)規(guī)章制定聯(lián)合體工作組概況。
根據(jù)中國(guó)民用航空局統(tǒng)計(jì),截至2019年底,我國(guó)全行業(yè)無人機(jī)擁有者注冊(cè)用戶達(dá)37.1萬個(gè),其中個(gè)人用戶32.4萬個(gè),企業(yè)、事業(yè)、機(jī)關(guān)法人單位用戶4.7萬個(gè)。全行業(yè)注冊(cè)無人機(jī)共39.2萬架。而民航有人駕駛飛機(jī)在冊(cè)架數(shù)僅為6000多架。2019年全行業(yè)無人機(jī)有效駕駛員執(zhí)照67218本,參與中國(guó)民用航空局無人機(jī)云交換系統(tǒng)的無人機(jī)飛行小時(shí)共有125萬h。隨著大量無人機(jī)進(jìn)入空域中,空中交通管理將面臨巨大挑戰(zhàn)。
關(guān)于無人機(jī)系統(tǒng)適航研究,我國(guó)起步較晚,但發(fā)展迅速,相關(guān)研究正在逐步完善。2009年中國(guó)民用航空局頒發(fā)《關(guān)于民用無人機(jī)管理有關(guān)問題的暫行規(guī)定》,對(duì)無人機(jī)空域管理、空中交通管理和無線電頻率使用提出明確要求,2019年發(fā)布的《基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的無人機(jī)適航審定指導(dǎo)意見》,建立了我國(guó)無人機(jī)適航管理體系框架,后續(xù)頒布的適航標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善了基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的無人機(jī)系統(tǒng)適航體系。此外,我國(guó)也在積極推動(dòng)無人機(jī)系統(tǒng)適航審定試點(diǎn)工作。表3是我國(guó)近年頒布的民用無人機(jī)管理文件。
表3 我國(guó)民用無人機(jī)管理文件匯總表。
圖3 無人機(jī)系統(tǒng)適航審定和管理不僅管控產(chǎn)品質(zhì)量,還要維護(hù)空中交通安全。
我國(guó)目前已經(jīng)初步構(gòu)建無人機(jī)系統(tǒng)適航標(biāo)準(zhǔn)框架,《中華人民共和國(guó)民用航空法》和《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》將無人機(jī)系統(tǒng)納入管理范疇;無人機(jī)系統(tǒng)適航標(biāo)準(zhǔn)也再陸續(xù)頒發(fā),如《高風(fēng)險(xiǎn)貨運(yùn)固定翼無人機(jī)系統(tǒng)適航標(biāo)準(zhǔn)(試行)》、《中高風(fēng)險(xiǎn)無人直升機(jī)系統(tǒng)適航標(biāo)準(zhǔn)(試行)》;無人機(jī)系統(tǒng)適航規(guī)范性文件和相關(guān)審定管理程序的發(fā)布,不斷完善我國(guó)適航管理體系。
此外,我國(guó)低空空域開放逐步由管制向服務(wù)轉(zhuǎn)變,低空空域改革已由研究層面逐步轉(zhuǎn)向?qū)嵤用妫嚓P(guān)政策均已起草且不斷有新政策出臺(tái)。2010年國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深化我國(guó)低空空域管理改革的意見》,明確低空空域管理改革目標(biāo)任務(wù),并進(jìn)行改革試點(diǎn)工作。2015年,《低空空域使用管理規(guī)定(試行)》的頒布,明確了低空空域的劃分和管理辦法。2016年,國(guó)務(wù)院頒發(fā)《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》,標(biāo)志通用航空業(yè)已成為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),這些舉措推動(dòng)了無人機(jī)市場(chǎng)和我國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)適航管理體系的發(fā)展。
根據(jù)《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)適航審定管理程序(征求意見稿)》,我國(guó)民用無人機(jī)系統(tǒng)適航審定的初始適航采取基于風(fēng)險(xiǎn)的原則,從無人機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安全運(yùn)行考慮,建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理。
根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)適航管理體系的成熟度和產(chǎn)品復(fù)雜度及運(yùn)行影響,我國(guó)將無人機(jī)系統(tǒng)適航審定風(fēng)險(xiǎn)分為低風(fēng)險(xiǎn),中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)系統(tǒng)適航審定需要從設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)和體系風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)方面綜合評(píng)估。
產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)由無人機(jī)系統(tǒng)固有屬性和運(yùn)行場(chǎng)景決定。基于預(yù)期的運(yùn)行場(chǎng)景,從能量等級(jí)和碰撞可能等級(jí)兩個(gè)維度對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估。
能量等級(jí)根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)能確定,分為4個(gè)等級(jí),由最大起飛重量和巡航速度計(jì)算動(dòng)能。
碰撞可能等級(jí)根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中要飛越的人口密度(如遠(yuǎn)離人群,人口稀少,人口密集)區(qū)域和空域(如隔離空區(qū),融合空區(qū)等)要求來確定。人口密度區(qū)域按照胡煥庸線劃分,即“黑河-騰沖”線,這條線以東是人口密集區(qū),以西是人口稀少區(qū)。在人口密集區(qū)域飛行,在相同概率下,無人機(jī)失控對(duì)地面的影響比人口稀少區(qū)域大,碰撞可能等級(jí)比人口稀少區(qū)域高。飛行空域劃分按照飛行高度、管制空域和隔離空域確定。其中,有人駕駛航空器正常巡航飛行高度一般在150~18000m范圍內(nèi),在此空域內(nèi),無人機(jī)與有人駕駛航空器相遇幾率明顯較高,碰撞可能等級(jí)高于其他飛行空域。
企業(yè)是產(chǎn)品質(zhì)量安全的根本,對(duì)企業(yè)適航體系監(jiān)管可以從源頭把控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)適航性;另一方面可以減少監(jiān)管部門介入市場(chǎng)。中國(guó)民用航空局引導(dǎo)企業(yè)建立并完善適航體系,通過管控企業(yè)適航體系,使無人機(jī)企業(yè)主動(dòng)承擔(dān)其適當(dāng)主體責(zé)任,保證每一架無人機(jī)都符合適航標(biāo)準(zhǔn)。
企業(yè)體系風(fēng)險(xiǎn)分為低、中、高3個(gè)等級(jí)。中國(guó)民用航空局主要對(duì)企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制;對(duì)機(jī)構(gòu)職能、人員職責(zé)、設(shè)施設(shè)備和內(nèi)部審查機(jī)制進(jìn)行考核和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
其中《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)適航審定項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(征求意見稿)》部分內(nèi)容值得商榷。關(guān)于產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)的能量等級(jí)劃分,除按照動(dòng)能分級(jí),還應(yīng)考慮無人機(jī)系統(tǒng)尺寸的影響,無人機(jī)攜帶燃油、電池、螺旋槳及運(yùn)輸物資,其中運(yùn)輸物資是否有危險(xiǎn)品等物資,是否會(huì)造成地面人員和設(shè)施二次傷害。人口密度是按照胡煥庸線劃分,雖然貼切我國(guó)人口宏觀分布情況,但是考慮人口稀少區(qū)的大型城鎮(zhèn)建筑就不適用,因此應(yīng)對(duì)人口密度做出具體定義。除了考核無人機(jī)系統(tǒng)垂向空域運(yùn)行情況,還應(yīng)考慮其是否執(zhí)行跨區(qū)域飛行任務(wù)。
當(dāng)前無人機(jī)系統(tǒng)的部分技術(shù)尚未成熟,如感知與規(guī)避、自主控制和智能化技術(shù)。但隨著技術(shù)進(jìn)步,無人機(jī)向前發(fā)展是大勢(shì)所趨。我國(guó)應(yīng)緊跟無人機(jī)發(fā)展趨勢(shì),積極推動(dòng)我國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)適航管理體系發(fā)展,完善相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)促進(jìn)無人機(jī)相關(guān)企業(yè)規(guī)范化發(fā)展?!?/p>