16、智慧城市中未来交通与物流的安全和隐私

智慧城市中未来交通与物流的安全和隐私

1. 引言

回顾无人机事故数据和人为因素错误，引发了人们对天空安全的担忧。尤其是无人机运行对公共安全的风险，以及它们对人员、财产、隐私和安全的威胁，还有可能带来的环境负担。鉴于33% - 67%的飞机故障与机电错误有关，保障公共空间中公民的安全至关重要。

全球趋势显示，城市地区出现了新的出行和物流形式，同时数字化和全球化进程也在加速。气候变化以及弹性城市、可持续城市和智慧城市等新兴概念，都聚焦于绿色和可持续的基础设施，包括物流和交通。快速的城市人口增长也要求城市进行垂直扩张，紧凑型城市是应对人口增长和气候变化的最佳选择。因此，需要新的规划、设计和服务提供方式，以保护人们免受各种威胁，包括自然灾害和未来的技术风险。

无人机已经出现在城市天空中，并且数量正在急剧增加。例如，英国的无人机市场规模预计到2023年将达到882亿美元，仅占全球市场的3.6%。美国联邦航空管理局（FAA）预测，小型业余无人机系统（UAS）的购买量可能从2016年的190万架增长到2020年的430万架，商业无人机的销售额预计在2019 - 2023年间将增长两倍。

尽管大多数国家已经为无人机制定了法规，但近地面空中交通法规仍不完善。例如，FAA规定无人机的最大飞行高度为400英尺，但没有设定最低飞行高度限制。此外，城市规划者、设计师和政策制定者需要提前研究和规划，为FAA提供策略和政策建议，以应对无人机带来的挑战。

本文旨在找到保护城市天空和公共空间免受飞行物体潜在风险的解决方案，采用未来导向技术分析（FTA）方法，通过四个步骤进行研究：
1. 学习现状：通过回顾文献和行业新闻，了解无人机的定义、技术、演变、应用机会和担忧。
2. 寻找解决方案：识别和分类未来主义者、行业和安全公司提出的解决方案，找到保护天空的不同方案和场景。
3. 选择解决方案：选择最合理的解决方案，分为适用于智慧城市和非智慧城市的两类。
4. 提出问题：为未来的研究提出问题。

2. 方法论与分析

飞行物体（如UAV和AAV）是发展迅速的技术，涉及法律、公民隐私、国防和军事、环境研究、城市规划和设计等多个领域。这是一个多学科问题，需要从不同角度理解，并由政策制定者、技术专家、政府和市政当局共同解决。

FTA方法基于四个原则：未来导向、参与、证据和多学科性。它包括50种不同的方法和三个主要阶段：理解技术、挖掘潜力和预测发展路径。本文通过以下方式应用FTA方法：
1. 描述无人机技术的性质、功能和应用。
2. 回顾文献，分析无人机的潜力和担忧。
3. 研究其他未来主义者提出的解决方案，将其分为五个主要类别。

最后，本文选择最合理、实用和经济的因素，提出一个多学科管理方案，需要技术开发者、无人机生产商、政策制定者和用户的合作。

3. 理论回顾

3.1 城市空中交通（UAM）

2016年开始的这项研究，作者在2017年10月的第二届国际地理信息系统和遥感会议上首次表达了对未来城市天空安全和保障的担忧，早于NASA在同年11月的表态。NASA后来将城市空中交通（UAM）定义为：在城市区域内安全高效的空中客运和货运系统，包括小包裹递送和其他城市无人机系统（UAS）服务，支持机载/地面驾驶和日益自主的操作。

3.2 无人机的定义、技术和演变

无人机是一种远程控制的无人驾驶飞机，配备了传感器、软件、人工智能和算法、电机/执行器、处理单元、无线网络、内存、能源管理和存储等系统，根据用途还可能配备相机、支架或其他特定部件。

根据所需功能，出现了从极小的纳米无人机到飞机大小的无人机等各种新设计。一些无人机配备了嵌入式计算机系统、GPS或无线电技术、高分辨率相机，能够收集图像、视频、音频、红外和热图像以及热数据，并实时在线传输。

无人机的主要应用包括侦察、监视和情报收集，UAS项目从“未测试”到“实战测试”不等。现有的技术类别包括图像处理、射频、全球导航卫星系统（GNSS）、Wi-Fi、激光和超宽带（UWB）。

“无人驾驶飞行器（UAV）”意味着起飞后无需人工操作。NASA称无人机为UAS，即无人驾驶航空系统，控制小型无人机交通的系统称为UAS交通管理。“远程驾驶飞机系统（RPAS）”是UAS的一部分，无人机和远程驾驶车辆（RPV）是两种无人驾驶的UAV，但只有无人机可以自主飞行。

小型无人机存在一些局限性，如有效载荷小、软件自动化程度低、对大气条件敏感、光谱分辨率低、几何和辐射性能差、飞行耐力短、维修和维护需求高、依赖资助、碰撞可能性高、安全和隐私问题以及潜在的社会和伦理影响。不过，一些型号似乎解决了这些问题，例如DJI Phantom 4可以飞行5公里，能够捕捉720p高清视频，并通过识别障碍物避免碰撞。

2016年，Yole Development预测，超精确陀螺仪、3D相机和固态激光雷达（LIDAR）将成为未来传感技术的关键组件，也是机器人和无人机公司的重要元素。

3.3 无人机的应用和机会

无人机有多种应用，可分为机会和担忧两个类别。以下是一些主要应用：
1. 遥感和测绘 ：无人机可用于监测城市环境、城市增长、贫民窟增长、城市扩张、绘制城市地图、监测城市植被和热岛效应以及人口密度。在局部范围内，它们可以检测光污染、识别空气中的微生物和检测大气化学成分的变化。远程传感无人机和公共无人机的区别在于分辨率和传感器能力，远程传感无人机配备了热成像、激光扫描、RGB摄影传感器、雷达、多光谱和高光谱成像等工具，用于城市规划管理、农业、非法移民监测、犯罪监测、灾害管理和监视等领域。
2. 运输、物流和交付 ：运输和物流领域有两种类型的无人机。一种是大型可载人的自主飞行器（AAV），如EHANG184，它是一种智能环保车辆，使用电力，可在低空飞行，为中短途提供客运服务。另一种是用于交付和物流的无人机，美国的互联网服务和零售行业已经开始测试无人机交付服务，如UPS、Google和Amazon等公司。瑞士邮政和Matternet进行了70次飞行测试，在城市地区的两家医院之间交付实验室样本，这些无人机配备了降落伞，以确保在飞行中出现问题时能够安全降落。
3. 娱乐 ：无人机的主要娱乐功能是摄影和拍摄，它们可以捕捉人类难以到达的地方的瞬间和景色。此外，小型无人机还可用于视觉表演、艺术装置、节日和大型活动的天空展示，创造灯光秀。近年来，摄影师和摄像师越来越多地使用无人机进行自然拍摄，这种趋势在纪录片制作人和电影行业从业者中尤为流行。
4. 监视和安全监测 ：联合国在2013年于刚果和卢旺达部署了用于维和的无武装监视无人机，以监测任务、识别敌对战斗人员、提醒他们被监视，提高平民保护水平。

以下是无人机应用的总结表格：
|应用领域|具体应用|
| ---- | ---- |
|遥感和测绘|监测城市环境、绘制地图、检测光污染等|
|运输、物流和交付|载人飞行、货物交付|
|娱乐|摄影、拍摄、视觉表演|
|监视和安全监测|维和、犯罪监测|

下面是一个mermaid流程图，展示无人机应用的分类：

graph LR
    A[无人机应用] --> B[遥感和测绘]
    A --> C[运输、物流和交付]
    A --> D[娱乐]
    A --> E[监视和安全监测]

综上所述，无人机技术具有广泛的应用前景，但也带来了一些挑战和风险。未来需要通过技术、政策和设计等多方面的解决方案，保障城市天空和公共空间的安全。

4. 无人机应用的担忧与挑战

尽管无人机具有众多应用机会，但也引发了一些担忧和挑战，主要包括以下几个方面：
1. 负面经济影响 ：无人机的广泛应用可能会对某些传统行业造成冲击，例如快递行业的人力配送可能会受到无人机配送的竞争。此外，无人机的研发、生产和维护成本也需要考虑，可能会对相关企业的经济状况产生影响。
2. 安全问题 ：无人机的飞行安全是一个重要问题。由于无人机数量的增加，它们之间发生碰撞的风险也在提高。特别是在城市环境中，高楼大厦会影响无人机GPS获取卫星数据的准确性，导致无人机更容易发生碰撞。此外，无人机的故障也可能导致其坠落，对地面人员和财产造成威胁。
3. 隐私和安全 ：无人机配备的相机和传感器可以收集大量的图像和数据，这可能会侵犯公民的隐私。例如，无人机可能会在未经授权的情况下拍摄私人住宅或个人活动。同时，无人机也可能被用于恶意目的，如间谍活动或恐怖袭击。
4. 环境负担 ：无人机的能源消耗和废弃物处理可能会对环境造成负担。特别是一些小型无人机，其电池的使用和更换频率较高，如果处理不当，会对环境造成污染。
5. 武器化无人机和反无人机技术 ：无人机有可能被武器化，成为一种新型的攻击手段。为了应对这种威胁，需要发展反无人机技术，但目前反无人机技术还面临一些挑战，如识别和拦截无人机的准确性和效率。

5. 现有规则和法规

目前，大多数国家都已经制定了一些关于无人机的规则和法规，但这些法规还存在一些不足之处。例如，FAA规定了无人机的最大飞行高度为400英尺，但没有设定最低飞行高度限制，这可能会导致无人机对地面人员和财产造成威胁。加拿大航空法规规定了无人机的最低飞行高度为100英尺，但不同国家的法规标准存在差异，这给无人机的跨国飞行和管理带来了困难。

此外，随着无人机技术的不断发展，新的问题也不断出现，现有的法规可能无法及时应对这些问题。例如，无人机的自主飞行和集群飞行技术的发展，对空中交通管理提出了更高的要求，但目前的法规还没有对这些技术进行明确的规范。

6. 结果与讨论

6.1 现有解决方案的回顾与分析

许多未来主义者、行业和安全公司提出了各种解决方案来应对无人机带来的挑战。这些解决方案可以分为以下几类：
1. 规则和法规 ：包括空域分类和规划，明确不同类型无人机的飞行区域和规则。
2. 内置技术解决方案 ：为飞行物体提供内置技术，如监视、监测、识别和设计独特的外形，以提高飞行安全性。
3. 城市规划和分区 ：为飞行物体进行城市规划和分区，设计天空路线，避免无人机与其他飞行物体和地面设施发生冲突。
4. 智能城市基础设施解决方案 ：开发导航和跟踪系统，设计由GPS引导的虚拟管道，提高无人机的飞行准确性和安全性。

6.2 作者提出的解决方案

为了保障城市环境的空域安全，作者提出了以下解决方案：
1. 规则和法规：空域分类和规划 ：对空域进行分类，根据不同的用途和安全要求，划分不同的飞行区域，并为每个区域制定相应的规则。例如，可以将空域分为禁飞区、限制区和允许区，对不同区域的无人机飞行进行严格管理。
2. 内置技术解决方案 ：为飞行物体提供内置技术，包括监视、监测、识别和设计独特的外形。例如，可以使用雷达、激光雷达、摄像头等设备对无人机进行监视和监测，使用射频识别（FRID）技术对无人机进行识别，设计具有独特外形的无人机，以便于识别和区分。
3. 城市规划和分区 ：在城市规划中考虑飞行物体的需求，为无人机设计专门的飞行路线和起降区域。例如，可以在城市中建设无人机机场和充电站，规划天空路线，避免无人机与建筑物和其他飞行物体发生冲突。
4. 智能城市基础设施解决方案 ：开发智能城市基础设施，如导航和跟踪系统，设计由GPS引导的虚拟管道。这些系统可以提高无人机的飞行准确性和安全性，减少碰撞的风险。

以下是作者提出的解决方案的总结表格：
|解决方案类别|具体措施|
| ---- | ---- |
|规则和法规|空域分类和规划|
|内置技术解决方案|监视、监测、识别、设计独特外形|
|城市规划和分区|设计天空路线、建设起降区域|
|智能城市基础设施解决方案|导航和跟踪系统、虚拟管道|

下面是一个mermaid流程图，展示作者提出的解决方案的分类：

graph LR
    A[解决方案] --> B[规则和法规]
    A --> C[内置技术解决方案]
    A --> D[城市规划和分区]
    A --> E[智能城市基础设施解决方案]

7. 结论

无人机技术的发展为城市带来了新的机遇和挑战。虽然无人机在遥感和测绘、运输和物流、娱乐、监视和安全监测等领域具有广泛的应用前景，但也带来了安全、隐私、环境等方面的问题。为了应对这些问题，需要综合运用技术、政策和设计等多方面的解决方案。

本文通过未来导向技术分析（FTA）方法，对无人机技术的发展、应用、影响、潜力和担忧进行了分析，并提出了相应的解决方案。这些解决方案包括规则和法规的制定、内置技术的应用、城市规划和分区的优化以及智能城市基础设施的建设。未来，智慧城市和非智慧城市可以根据自身的需求和资源，选择适合的解决方案，以保障城市天空和公共空间的安全。

同时，随着无人机技术的不断发展，还需要持续关注和研究新出现的问题，不断完善解决方案，以适应未来城市发展的需求。

智慧城市中未来交通与物流的安全和隐私

8. 不同类型城市适用的解决方案

根据城市的发展水平和资源状况，可将解决方案分为适用于智慧城市和非智慧城市两类。

8.1 智慧城市适用的解决方案

智慧城市通常拥有更多的资源和先进的技术，能够实施较为复杂和高端的解决方案：
1. 先进的内置技术 ：利用高精度的雷达、激光雷达和智能摄像头等设备，实现对无人机的实时监测和精准识别。例如，通过多传感器融合技术，提高对无人机位置、速度和飞行轨迹的监测精度。
2. 智能城市基础设施 ：建设完善的导航和跟踪系统，结合大数据和人工智能技术，实现对无人机的智能调度和管理。设计由GPS引导的虚拟管道，确保无人机在安全的路径上飞行。
3. 高度细化的规则和法规 ：根据城市的具体情况，制定更加细致和严格的空域分类和规划，对不同类型的无人机飞行进行精确管理。

8.2 非智慧城市适用的解决方案

非智慧城市可能资源有限，需要选择经济实用的解决方案：
1. 基本的监测和识别技术 ：采用成本较低的射频识别（FRID）技术和简单的摄像头设备，实现对无人机的基本监测和识别。
2. 合理的城市规划和分区 ：在城市规划中，为无人机预留一定的飞行区域和起降点，避免无人机与建筑物和其他飞行物体发生冲突。
3. 合作与共享资源 ：与无人机生产商、政策制定者和用户合作，共享资源和信息，共同制定适合本地的管理方案。

以下是不同类型城市适用解决方案的对比表格：
|城市类型|解决方案|
| ---- | ---- |
|智慧城市|先进的内置技术、智能城市基础设施、高度细化的规则和法规|
|非智慧城市|基本的监测和识别技术、合理的城市规划和分区、合作与共享资源|

9. 实施解决方案的步骤

为了确保解决方案的有效实施，可按照以下步骤进行：
1. 现状评估 ：对城市的无人机使用情况、现有基础设施和法规进行全面评估，了解存在的问题和需求。
2. 方案制定 ：根据现状评估的结果，结合城市的类型和资源状况，制定适合的解决方案。
3. 技术研发和设备采购 ：针对选定的解决方案，进行相关技术的研发和设备的采购。
4. 法规制定和宣传 ：制定相应的规则和法规，并进行宣传和推广，确保用户了解和遵守。
5. 试点实施 ：选择部分区域进行试点实施，检验解决方案的可行性和有效性。
6. 全面推广 ：根据试点实施的结果，对解决方案进行调整和完善，然后在全市范围内进行全面推广。

下面是一个mermaid流程图，展示实施解决方案的步骤：

graph LR
    A[现状评估] --> B[方案制定]
    B --> C[技术研发和设备采购]
    C --> D[法规制定和宣传]
    D --> E[试点实施]
    E --> F[全面推广]

10. 未来研究方向

随着无人机技术的不断发展，未来还需要关注以下研究方向：
1. 新型监测和控制技术 ：研究更加先进的监测和控制技术，如基于人工智能的无人机识别和拦截技术，提高对无人机的管理能力。
2. 无人机与城市环境的融合 ：探索无人机如何更好地与城市环境融合，减少对城市景观和居民生活的影响。
3. 国际合作与标准制定 ：加强国际合作，制定统一的无人机管理标准和法规，促进无人机的跨国飞行和应用。
4. 社会影响和伦理问题 ：研究无人机应用带来的社会影响和伦理问题，如隐私保护、就业结构变化等，并提出相应的解决方案。

11. 总结

无人机技术的快速发展为城市的交通和物流带来了新的机遇，但也带来了一系列的安全和隐私问题。为了保障城市天空和公共空间的安全，需要综合运用技术、政策和设计等多方面的解决方案。

通过对无人机技术的发展、应用、影响和担忧的分析，我们提出了适用于不同类型城市的解决方案，并给出了实施步骤。未来，还需要持续关注无人机技术的发展，不断研究和完善解决方案，以适应未来城市发展的需求。同时，加强国际合作和社会参与，共同推动无人机技术在城市中的安全、合理应用。

以下是本文的要点总结列表：
1. 无人机技术具有广泛的应用前景，但也带来了安全、隐私、环境等方面的问题。
2. 采用未来导向技术分析（FTA）方法，对无人机技术进行研究和分析。
3. 提出了规则和法规、内置技术、城市规划和分区、智能城市基础设施等方面的解决方案。
4. 根据城市类型，将解决方案分为适用于智慧城市和非智慧城市两类。
5. 给出了实施解决方案的步骤和未来研究方向。