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從創新試驗看無人機應用之發展

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字數 7882
頁數 10
出版作者 歐宜佩、陳信宏
出版單位 中華經濟研究院
出版日期 2020/02/06
出版類型 產業評析
所屬領域 機械設備
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評價分數 7人評價/4.6分
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隨著全球無人機應用的快速成長,各國政府運用多項政策工具如試驗項目、法規與政策等,以引導更多元且安全的無人機應用模式。如何讓無人機應用可朝向大規模商業化及常態化應用成為各國推動產業化應用發展之目標。我國經濟部於2019年推出「無人載具科技發展與創新實驗條例」和交通部提出無人機產業發展藍圖,積極促成無人機應用之落地。本文試圖從創新試驗的觀點,探討以冰島、新加坡及美國等國家進行標竿案例探討,作為我國推動無人機應用落地之發展參考。
 

一、前言

隨著全球無人機應用的快速成長,各國的試驗項目、法規與政策也逐步出台,引導更多元且安全的無人機應用模式,從公部門的業務職掌應用(如執法部門運用無人機加強公眾維安、公營事業運用無人機檢查電纜或清掃電塔、災難事件的協助等),產業界的商業化應用(如食品物流運送、醫療物資運送等)均有。甚至在非洲國家,如盧安達在WEF及瑞士郵政計畫項目下,經由Zipline公司協助,也讓無人機負責50%以上的醫療血液運送。其中,也不乏多項應用開始朝向固定路線及商業化發展。

隨著無人機應用越來越廣泛,也考驗著傳統空中交通管理系統的極限,對空域管理造成挑戰。尤其當無人機執行複雜的操作指令、進行目視外飛行(BVLOS)或飛越人群集會的上空時,如何讓無人機納入管理越顯重要。從2018年開始,越來越多國家投入於改善空域管理計畫,並且加強目視外操作無人機的安全及聯網功能。在2019年,越來越多國家致力於制度規範的設計,強化無人機應用之普及,如英國民航局發佈目視外飛行指南,目標推動BVLOS飛行模式的應用普及;國際無人駕駛系統協會進行申請豁免調查,加強掌握無人機飛行申請豁免之流程與細節;WEF組織發布無人機政策工具包,為想要推動無人機應用發展之政府提供政策制定架構,以便加速推動安全無人機社會應用發展;涉及之模組化功能元素,有跨部會委員會、性能導向的監理法規、空中交通系統、法規監理沙盒等。

其中,在實際場域的應用試驗項目尤為重要,因為無人機應用涉及層面廣泛,不僅於技術議題,更重要的在於如何鑲嵌入現有社會經濟體系中。例如,瑞士郵政在2019年歷經兩次無人機的墜毀,甚至地點距離孩童非常近。而其復飛之條件則在於非技術議題的強化,包括:提高允許飛行許可條件(如降低恆風風速上限、陣風風速、無人機飛行速度)、降落傘牢固性及
安全性強化、加強緊急事件發生的提醒警訊等。換言之,實際場域的試驗是無人機應用與社會制度對話的過程,藉此釐清應用模糊地帶,進而推動無人機應用之普及。後續,本文將從冰島ReyKjavik地區、新加坡及美國等國家之案例進行討論。
 

二、國際案例分析:冰島ReyKjavik地區

1.發展背景

冰島ReyKjavik地區的無人機應用是全球成功商用案例之一,特殊地理區位及主導企業市場獨占性是促成應用發展成功的關鍵。Aha公司為主導的電子商務企業,在ReyKjavik地區,約有2/3家庭為Aha客戶。2014年,因勞動力成本暴增,Aha公司決定啟動自動化物流計畫。

2017年,初期只有一條固定路線,距離長度約4公里,主要在Ellidarvogur海灣入口上空(可見圖1)。現有方式是用電動車運送,無人機應用可讓運送時間從25分鐘縮減到4分鐘,同時可減少60%成本。初期鎖定運送食品類型,包括:熱食、雜貨及電子產品。在2018年6月嘗試向運輸管理局申請,獲得13條固定的路線許可證。


資料來源:Techniek.(2018). Aha's on-demand drone bezorgservice .
https://www.graphicnews.com/nl/pages/38469/TECHNIEK-Bezorging-per-dron-in-Reykjavik.

圖1 冰島ReyKjavik地區無人機物流應用流飛行路線
 

2.應用服務模式及試驗設計

第一階段,採用固定路線的點對點模式,從市政中心的Aha營運中心為出發點;其中,在無人機起飛與降落風險相對較高,故此,在風險最小化之目標下,選擇運送地點鎖定在新建置或無人居住的工業區,儘量避開住宅區。但是,此模式試驗9個月後發現,商業化可能性不高,因為這些據點相對人口稀少,相對訂單也比較少。

第二階段,為走向家庭後院(最後一哩路),改變運送方式。無人機飛達地點後,採用線材將運送物品垂降到地面,而不是無人機直接降落到地面。由於涉及到個人隱私和安全問題,除加強對外宣導無人機上不會裝置攝影機外,運輸管理局同時規定須取得50米半徑內住戶的書面同意。實際試驗情況發現,獲得同意的住宅地區訂單購買數量比其他地區高。但是要取得50米半徑內用戶的同意,相當具有挑戰性,目前也嘗試找尋其他方法。

Aha公司同時開始建立付費模式,經過測試發現,一趟運送距離要超過1公里以上,每次費用約7美元,才足以支撐營運成本,且客戶願意付費。相對美國在1公里內(通常經驗顯示不願意付費),ReyKjavik地區的平均距離為4.2公里。因為每次起降的成本相近,只有飛行距離越遠時,客戶願付運費越高,才相對划算。

目前採用目視範圍外飛行模式,以GPS基礎的雲端控制系統,搭配大疆DJI Martice 600機型,操作員運用手機就可掌握無人機飛行路線及情況。為確保安全性加強對無人機的追蹤,無人機配載三種加密的通訊方式,可以做到全程監控;只有意外時,操作員才會介入。另外,在地居民的反映不是無人機應用時可能產生掉落等問題,而是無人機起降地點占用辦公室外的停車場,以及接近車輛時,司機被無人機吸引分散注意力。

現有6架無人機在使用,每天最多飛行30公里(實驗至今約飛行700趟),約整個運輸物流服務的50%,雖然商業模式可行,但仍難以取代現有電動車的運送模式。主要受限於天氣(尤其是下雨),原因包括:1.每天只有11點到晚上8點可飛;2.雨天全面停飛。目前技術開發方向要克服氣候問題,讓無人機可具備防雨及抗強風。未來目標將朝向國際購物中心提供無人機送貨服務能力,應用飛行時間達90%以上。在發展上,不會單獨使用無人機運送體系,而是會與其他交通工具共存。故此,也相當重視空域管理系統建置。

3.小結

冰島Aha公司主導的無人機物流運輸計畫是一個由下而上模式,主要特徵(請參見表1),包括:

◎目前已經走向商業化營運,也就當地環境條件與居民需求建立收費機制。過程中,重視應用服務流程設計,非為只是技術開發,故此,可觀察到其最後採用的解決方案是採用以色列Flyterx雲端控制系統以及中國大陸大疆無人機。

◎未來之動向,除持續透過常態性固定路線增加飛行經驗記錄外,也加強投入技術開發,如防雨無人機、續航力等,以便擴大服務時間與範圍。

◎未來朝向成為國際購物中心物流運送體系之一環。考量到無人機不會自成一套服務體系,未來仍需要與現有的運輸方式作搭配,以便可契合客戶物流運送需求。

◎隨著無人機應用普及,將需要與現有空域體系做整合,越來越重視交通運輸管理系統的研發與試驗。
 

表1 冰島ReyKjavik地區案例特徵歸納
 

資料來源: 本計畫整理。

 

三、國際案例分析:新加坡

1.發展背景

除在緯壹科學城(One-North)設立無人機測試場域外,新加坡CAAS與交通部於2017年啟動的無人機試點項目。整體試點計畫的訴求可逐步開放許可制度,以促進無人機商業應用。其中,最大挑戰是如何讓無人機融入於現有空域內或城市環境。無人機應用的思考,並非單獨執行特定任務,而是如何融入於現有體制內。

整體試點項目的重點為開發新技術和共同制訂新指導方針和規則,讓新加坡城市環境,可安全地大量使用無人機;鎖定技術議題與BVLOS模式有關,具體項目有:導航功能、感知及防碰撞技術、空中交通管理系統和UAS監控系統。

目前選出補助4個計畫,補助資金50%或上限150萬美金,項目需在2年內完成,涉及二大方向,一是與物流運送有關,涉及領域有海事服務、醫療物資及城市物流,二是空域管理系統的設計與測試。包括:1.Avetics的海事無人機服務項目:建置專門提供海事服務的24小時無人機營運中心;2.Wilhelmsen公司的無人機海事運送服務項目:海上物品運送服務系統建置,提高安全性、有效性及生產效率;3.Garuda Robitics的無人機聯網空域管理系統項目:實現管理、授權和追蹤大量異構飛機的單一管理架構空中交通系統、BVLOS;以及建置醫療物資運送服務模式;4.Nova Systems的無人機包裹物流運送:開發無人機交通管理系統UTM、BVLOS,以及城市環境的無人機物流運送服務。

2.應用服務模式及試驗設計:以Wilhelmsen公司的無人機海事運送服務為例

Wilhelmsen為新加坡海事服務公司,過往「岸到船」的物資運送是由拖船運送到位處海中心的工作船舶。目前想要以無人機的方式作為提供服務,預估可提高生產力6倍、降低90%運送成本、減少碳足跡及降低事故風險。目前測試項目,不只是進行服務概念雛型的驗證,更重要的是要制定海上無人機操作規則及安全標準。
圖2為主要服務流程。一開始將要運送的物品(如備用零件、文件、海事產品(如水和燃料檢驗器)、醫療用品、3D列印耗材等)安裝到置物箱,之後在海岸碼頭特定的起飛台起飛,飛到海岸邊吊錨拖船(約飛行1.5公里),並且降落到錨定船舶上專用的無人機著陸區,之後由船上人員從置物箱取出文件貨品,並飛回岸上專門的停靠點。另外,由於需要在海岸港口設置專門的據點,並無法隨意選擇地點,需要有場域主管單位共同的參與。
 


資料來源: 本計畫繪製,內容參考自
https://www.wilhelmsen.com/media-news-and-events/press-releases/2019/wilhelmsen-and-airbus-trial-worlds-first-commercial-drone-deliveries-to-vessels-at-anchorage/..
圖2 新加坡:Wilhelmsen公司的無人機海事運送服務
 

目前試驗項目仍是著重於服務雛型概念的實驗,故此,在飛行模式上,仍採用操作員視線內的飛行方式,並用事先規劃好固定路線。未來規劃,除要延長飛行範圍到3公里,也將改用BVLOS模式。故此,需要持續開發的關鍵技術領域,包括:船舶定位與精準著陸、有效載荷釋放系統、可靠4G/LTE通訊、陸上包裹和自動包裹快遞系統。

3.小結

新加坡無人機發展應用主要從城市交通及物流運輸發展之角度出發,尤其關切城市環境的應用情況,以及導入優勢產業的應用。主要特徵(請參見2),包括:

◎新加坡是一個政府深度參與的無人機推動模式,雖然招募許多國際型企業的參與,但是政府扮演的角色仍相當重要,尤其在統籌協調部分,如公共部門場域選址、處理隱私與安全性問題等。

◎試驗項目側重點,一是服務雛型及營運模式建置,過程中特別重視與社會體系的互動,尤其關切隱私與安全性問題,如公宅建築維護。二是以特定場域為核心的技術議題開發,雖然採用國外解決方案,但仍會針對垂直領域的應用需求,進行流程設計及技術開發,以便能夠擴大規模應用,成為現有產業體系的一環,如海事服務、物流服務等。

◎著重在空中交通系統的開發,不僅於加強對空域無人機的管理,同時也希望可快速整合到現有的航空運輸系統。其中,空中交通系統也與開發目視外飛行模式有關,涉及到的資料、技術與風險議題更高於既有無人機的應用類型。
 

表2 新加坡:無人機應用案例特徵歸納
 

 資料來源:本計畫整理。

 

四、國際案例分析:美國

1.發展背景

美國近期發展無人機的重點措施,聚焦於推動無人機大規模商業化發展,以及無人機融入現有國家空域系統。2013年到2015年陸續啟動零星的應用實驗計畫,如UAS北極地區應用計畫、產業夥伴探路者計畫及UAS偵測計畫。2016年,開始推動商業無人機應用,針對特定領域商業應用鬆綁。在2017年提出整體發展策略以及發展地圖。2018年發佈LAANC及Part 107部分法規鬆綁,嘗試將夜間、飛越人員、BVLOS模式納入。

2017年則發佈UAS無人機綜合試點項目備忘錄,並且啟動大型無人機綜合試點計畫(UAS IPP program)向全國公開徵集,2018年公布10個地區獲得UAS綜合試點項目(實驗時間為3年)。徵集試點項目內主要著重於在Part 107規則近期鬆綁的方向,尤其是針對複雜低空域飛行應用。用意希望透過試點項目掌握實際無人機飛行之情況與數據,用以作為新監理架構審查規格之建構,協助FAA落實無人機大規模整合到現有空域中。具體作法希望在可控制的環境中進行測試及驗證現有需要個別豁免的飛行模式,包括:BVLOS、夜間飛行、飛越人員、貨品運送(醫療用品或一般商品快遞)、遠端識別無人機系統。

大體而言,資助項目特徵有二,包括:

◎與在地發展需求或在地環境條件有關,如:阿拉斯加州(考量極地氣候),由阿拉斯加大學費爾班克斯分校主導的項目,聚焦於邊遠地區/惡劣氣候環境的管道檢查及量測、公共應用服務,想要測試的飛行模式有BVLOS、夜間模式。類似的案例也可在加州地區的San Diego市,由於處於國家邊境地區,其所提出的項目與邊境保護有關,具體項目包括國際商業、智慧城市、無人機通訊及追蹤系統。佛羅里達州的島礁蚊蟲控制區,其規劃運用無人機解決當地問題,蚊子問題的控制與監測,想要測試的飛行模式有BVLOS、夜間模式、飛越人群等。

◎大規模尺度(如全州、國家層次)及常態性的固定路線,例如:內華達州北部的雷諾市,提出全州層次的精準農業應用服務,申請測試的模式為BVLOS。

2.應用服務模式及試驗設計:以San Diego計畫的Chula Vista市的公共安全應用為例                  

Chula Vista市的公共安全應用項目是2017年First Responder計畫的一環,也是Chula Vista市智慧城市計畫的一部分。由Chula Vista市警察局主導,計畫啟動初期就籌組無人機委員會。建立相關民眾社群,發布相關應用規劃,並積極徵詢民眾的回饋意見。2018年5月獲得IPP試點項目,期將無人機的應用定位於整體警政支援體系的一部分,因此把無人機納入為日常緊急救援行動一環;並於2018年10月開始啟用無人機應用。

目前共部署30多架無人機,從2018年10月啟用後,約出行300次,飛行80小時、逮捕40多人。過程中,無人機扮演的角色有二,一是前往察看之後回傳資訊,從實際經驗來看,常遇到的情況,就是無人機飛到事發現場,事件當事人已經離開,透過無人機回傳,可以減少地面團隊出動,可以節省無效率的出團。二是即時將動態資料回傳,可協助地面團隊捕捉罪犯。

就Chula Vista市經驗總結無人機之角色,包括:加快對緊急救援任務的處理時間,協助最快速掌握現場情況;特別鬧事人員的報案事件,常常在地面人員到現場後,鬧事人群就不見了,透過無人機可以快速探勘現場情況,同時可協助警政單位的第一現場資料收集工具,即時回傳,以動態調配警力。

第1階段(2018/10-2019/3)之訴求目的在於服務模式建立,讓無人機可以融入警政單位體系,在符合333章節飛行規範和Part 107豁免之廠商中挑選可適合的廠商如Cape,共同制定安全及風險緩解分析提交FAA;同時在服務啟動前,就加強發佈資訊並與民眾建立溝通管道。主要研究團隊,包括:Chula Vista市警察局(主導)、Cape(線上無人機飛行平台)、AirMap(UTM服務供應商)、Skyfire Consulting(協助公共安全無人機的FAA法規申請諮詢公司)等。

第二階段則是從2019年3月開始,主要訴求之方向是採用BVLOS模式,並擴大服務範圍及層次。具體而言,服務場域範圍擴大,從原本3平方公里延伸到40平方公里,約視線內服務範圍的10倍大。另外是服務層次提高到緊急救援服務,加入警察總部優先緊急救援系統,處理犯罪現場、火災、交通事故及危險事件等。與現有的維安服務有層次上的差異。需要處理的議題有兩大部分,一是技術議題,導入新技術如衛星輔助體系(Geo-fencing)協助BVLOS飛行實現;二是法規議題,包括:1.Chula Vista市警察局向FAA申請取得適合BVLOS規定的有效緊急救援回應授權書。2.因IPP計畫,特殊利益關係者規定,不用依規定90天獲得授權。

3.小結

美國無人機發展應用是由上而下的引導模式,在議題發展上比較偏向結合地方挑戰,故此可觀察到非常多樣化應用樣態。表3為其發展模式之歸納,主要特徵,包括:

◎雖然是一個由上而下的推動機制,但公部門的角色在於法規鬆綁許可及試點項目的經驗總結及歸納,並將發現成果作為調整現有的法規之參考。故此,在整體設計上,偏向於法規議題及試點計畫項目的整合。從案例中也可發現,透過參與試點項目,讓參與團隊可以快速拿到允許授權,無形中增加企業參與誘因。值得一說,美國現行在Part 107的調整方向,與臺灣民航局制定的專章類似,但其中仍為原則性規範,仍需經由試點項目的試驗收集相關數據與經驗,並制定適航條件與要求。

◎ 無人機應用主題與地方發展挑戰有關,隨著垂直應用之議題進行不同技術、法規和服務型態的設計。其中,也與嵌入在地運作體系有關,將會影響到無人機應用的程度。例如,公共安全維安應用,以臺灣的應用作法,為大型活動的維安監測,相對為於一次事件型態;相對於美國Chula Vista市應用,走向常態化,成為警政維安系統的一員。從應用落實的經驗中,也可觀察到,運用無人機可以提高行動效率,將現況資訊回傳總部,同時也可節省人力的出動。
 

表3 美國:無人機試驗案例特徵歸納
 

資料來源:本計畫整理。
 

五、小結

綜合上述討論可觀察到,冰島、新加坡及美國導入無人機應用之動機不同,在結合在地環境條件與應用情境,也可觀察到不同的樣態與模式。冰島Aha公司主導的物流運輸計畫,由上而下的方式,漸進式地擴展範圍,並深入到家庭後院。新加坡為城市國家,著重無人機在城市交通與物流運輸之發展,過程中密切與現有的優勢產業進行整合,如海事服務。美國FAA大型綜合試驗項目,議題著重在結合地方發展挑戰,故可觀察多樣化的應用型態。同時,強調法規調整與技術試驗成果的滾動式調整。

整體來說,具一些共通發展特點,包括:

◎依據場域需求,各有不同應用方向,與應用垂直專業領域知識密切相關。類似之趨勢也可在台灣的應用案例中觀察到,由法人主導,透過場域單位的合作,克服導入應用所需的專業知識。即便同樣為農業應用,法人主導的型態比較偏向於物流運輸,尤其是載重及續航力有關之應用。農委會或科技部動員的農業學校,偏重於勘災(涉及業務職掌)及農噴(涉及農藥規範)。

◎無人機應用服務不只是單一面向思考,在場域內提供單獨的服務;無人機應用越來越朝向整合性質,且嵌入於應用體系內。從三國經驗發現,無人機應用多與現行方式並行,再依據實際情況進行整體體系之調度。這也意味著,無人機應用為現有體系所接納,逐漸朝向常規化或商業化發展。

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