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2022-09-14 11:55
商业与经济

无人机困局

这些争夺空域的公司承诺,它们的无人机可以帮助缓解城市拥堵、减少交通碳排放;“人们忘记了NASA中的‘A’代表飞行术”。
无人机送货
Chris Feliciano Arnold

■“请远离航线。”Wing的美国业务总监基思·海德(Keith Hyde)警告说。在弗吉尼亚州克里斯蒂安斯堡欢迎大街的尽头,有两块被围栏围起来的土地,在这里,安全是第一要务。自2019年以来,Wing一直在此经营北美第一个无人机送货服务。这些无人机是电动垂直起降(简称eVTOL)飞机,因此它们不是停在跑道上,而是停在一块块着陆垫上,着陆垫同时可以用作充电站。36块着陆垫呈网格状排列在一块篮球场大小的砾石地上,每块垫子上面都有一个足够大的二维码,供飞来的无人机扫描并确认其着陆位置。

由Alphabet Inc.拥有的无人机送货公司Wing在克里斯蒂安斯堡上空没有竞争对手,而且它只在晴朗无风的天气状况下运营。克里斯蒂安斯堡是距离弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)不远的一个拥有2.2万人口的小镇。该公司的无人机由轻质塑料和聚苯乙烯制成,但重量仍有10磅(约0.9公斤),这是因为它们需要装备控制器、激光器、相机和电池才能实现12英里(约19公里)的往返航程。这天早上,十几架无人机正在充电,等待命令。航线两侧排列着11个集装箱。标有C1、C2和C3的集装箱是无人机在非工作时间“睡觉”的地方。标号为C4、C5和C6的集装箱存放着当地咖啡店Walgreens和地区女童子军等合作伙伴的库存,后者在疫情期间依靠Wing来支撑低迷的饼干销售。

在停机坪外围,戴着安全帽和N95口罩、穿着黄色安全背心的“商户成功伙伴”福莱克·阿德希纳(Folake Adeshina)在等待订单。她的平板电脑响了一下,她看了一眼请求:热咖啡。C6集装箱里备有玻璃水瓶、杯子、奶油、糖和搅拌棒。阿德希纳装了两杯热气腾腾的咖啡。当她在准备咖啡的时候,驻守在C11集装箱电脑前的机长(PIC)(只知道他叫P.J.)选择由哪架无人机来完成这项任务。这个系统已经计算出最佳飞行方案,但美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,简称:FAA)要求由一位“飞行员”来完成任务,还要有一名观察员在附近的山坡上查看飞行情况。海德说:“PIC也许可以被精确的算法取代。”这个时候,P.J.在他的集装箱窗户后面露出了微笑。(海德现在已不再为Wing工作。)

P.J.是人类,这不是他的错,航空旅行史上的大多数事故都是由人类引起的,这也不是他的错。自商用航空诞生以来,FAA一直在努力解决飞行员和空中交通管制员的失误问题。在1965年的一项研究中,该机构确定了作为一名成功的空中交通管制员的重要特征。标准包括:

●对工作和行为的持续关注

●能够组织和最有效地利用当前可用的时间、设备和信息

●持续改善率

●在压力之下保持情绪稳定

尽管P.J.和航空系统的其他人可能很坚定,但他们在这些领域无法与精心调制的算法抗衡。因此,从Wing的角度来看,人类最好只负责倒咖啡,越早做到这一点它的业务就越安全,越有利可图。

从眼下来看,P.J.还没有失业之虞。这台无人机嗡嗡作响,它的12个旋翼将其提升到距离二维码20英尺(1英尺约0.3米)的空中。它盘旋在C6集装箱上方,阿德希纳在那里准备咖啡订单,她把所有东西塞进一个盒子,还加了一小盒水作为压舱物。一条带有红色塑料挂钩的绳子从无人机腹部垂下来。挂钩勾住盒子,无人机将包裹紧紧抓到腹部,上升到180英尺的高度,转换为巡航模式,并以每小时70英里(1英里约1.6公里)的速度飞行。在克里斯蒂安斯堡的某个地方,收件人可能正在Wing的移动应用上跟踪咖啡的送货进度。一旦接近预先批准的降落区域,无人机将减速至悬停,下降至20英尺的高度,放下挂钩,小心翼翼地将货物放在地面上,然后嗡嗡叫着飞回家去充电。

要打造一个成功的无人机送货企业,最棘手的要素之一就是公众信心,上面这个精心控制的流程就是朝着这个要素迈出的关键一步。在FAA批准此类无人机广泛运行以及在人们容忍空中交通流量增加之前,坠机事故的统计数据必须接近于零。就连最狂热的无人机拥护者也承认,一次不合时宜的坠机事故可能会让这个行业倒退好几年。

不过,根据Grand View Research Inc.的分析,如果关键的监管批准到位,到2028年,全球商用无人机服务市场的规模可能会从2021年的208亿美元增加到5000亿美元左右。设计者们正在备制无人驾驶飞机,以协助长途和短途包裹递送、农业、基础设施检查、消防和警察服务等事宜。客运航班可能紧随其后。

这些争夺空域的公司承诺,它们的无人机可以帮助缓解城市拥堵、减少交通碳排放,让政府没有必要在未开发地区修建和维护道路。然而,尽管电力推进和电池技术取得了进步,关于无人机飞行的最乐观预期却迟迟未能实现。自杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)在《60分钟》(60Minutes)新闻节目上展示亚马逊公司的无人机送货项目以来,已经过去了近十年时间,但这项技术仍处于概念验证阶段,至少在美国是这样。硬件、软件和基础设施方面的需求已经足够复杂,但最严峻的挑战很可能是对发生巨变的空中交通流量进行管理。目前,美国正在使用的飞机和无人机大约有20万架,高峰时段约有5400架在飞行;可以飞上天空的无人机的潜在数量呈指数级增长。

着眼于这一未来,美国航空航天局(NASA)和FAA自2017年以来一直在合作研究和制定美国领空的新规则。其目的是要容纳数百万架在400英尺以下作业的无人机,以及在5000英尺高空飞行的结合了人类驾驶和算法驾驶的下一代轻型客机。这个项目包括一系列令人眼花缭乱的规范说明,涵盖机身、传感器、通信硬件和带宽、垂直起降场(即无人机机场),以及最重要的一点,交通。无人机将需要人类和计算机都可以直观遵循的规则,并且帮助确定事故的责任方。

这个无人机网络将需要政府和行业展开前所未有的合作。忠实信徒担心监管机构落后于航空技术的进步,指出其他国家在将无人机融入经济方面取得了很大进展。另一方面,一些批评人士担心整个行业正在强推监管机构过快行动,低估了将数百万架新飞机引入国家领空的难度。做错了,可能有人丧命。做对了,这个系统将赢得公众的信任,创造出大量新产业,并标志着美国的交通运输实现了自州际公路系统以来最大的发展。

2010年,NASA资深工程师马克·穆尔(Mark Moore)发表了一份白皮书,指出分布式电力推进(用更小、更高效的电动机取代笨重的内燃机)可以改变飞机起飞、机动和着陆的方式。穆尔回忆道:“当时,每个人都看着这些电动机、控制器和电池,然后说,‘它们太重了。’”但是,怀疑论者计算的依据是关于距离、重量和有效载荷的疲惫假设。大多数传统客机和货机在设计的时候都是为了在尽可能远的距离中承载最大重量。这种设计反过来又决定了地面所需的基础设施:地区性、全国性和国际性的枢纽,这些枢纽建立在由人类空中交通管制员规划和管理的线路上。

穆尔对eVTOL飞机的愿景是更小的有效载荷和更短的飞行距离。在他的论文发表十年后,电动机、电池容量和计算能力的进步让这一愿景变得可行。2017年,他离开NASA,为Uber Elevate雄心勃勃的空中出租车项目担任顾问。他说:“一旦你开发出这套新技术,你就彻底改变了飞机设计的规则。”

这套新技术还意味着改变空中交通管理的规则。今天,大多数拥堵发生在距离主要机场几海里之内的1万英尺高空,即所谓的B类空域。在空中交通管制员的帮助下,飞行员们小心翼翼地共享这个空域,直到他们达到相对安全的A类空域(1.8万英尺以上)和最终的巡航高度(通常在3.3万英尺和4.2万英尺之间),在那里,对人和财产造成伤害或者与另一架飞机相撞的可能性要小得多。

相比之下,在eVTOL飞机的世界中,成千上万架送货无人机可以在400英尺以下的G类空域飞行,这是一个目前不受控制的小型空域。就在这个空域上方,数百架更大的载人无人机(有些是自主飞行的,有些是有人驾驶的)可以在B类空域运行,沿着通常被直升机占领的航线飞行。像P.J.这样的飞行员可以同时监督数十架这种飞机的作业,计算机会处理大多数即时决策。

2005年,当无人驾驶的休闲无人机首次进入美国空域时,FAA看到了迫在眉睫的麻烦。该机构有责任和地方、州以及其他联邦政策制定者一起,确定这些数量激增的飞行器安全运行所需要的精确法规和基础设施。需要讨论的事项包括:无人机是否遵循现有的运输路线,如铁轨和高速公路;它们是否可以自由穿越私人领空;需要在哪些时间、高度和分贝水平对它们进行观察。潜在的无人机飞行数量之多也带来了隐私和监视问题。是否允许这些无人机捕捉静止图像、视频或者音频?还有这些数据可以存储多长时间?

将无人机融入空中交通管制系统需要大量的航空专业知识和计算能力。幸运的是,美国宇航局艾姆斯研究中心的标志性特征就是兼具这两项专长,这个中心是一个受月球基地启发的园区,夹在莫菲特菲尔德和硅谷的谷歌总部(Googleplex)之间。艾姆斯航空系统部门的首席技术官乔伊·里奥斯(Joey Rios)说:“人们忘记了NASA中的‘A’代表‘Aeronautics’(飞行术)。”自1939年成立以来,在这个由风洞、实验室和超级计算机组成的综合园区里,工程师们推动了飞行技术的每一次突破。他们对战争飞艇和战斗机进行过失败的测试,让宇航员在实验飞机上体验失重,还设计了用来在火星上登陆的降落伞。

里奥斯是一名训练有素的计算机科学家,于2014年加入NASA的无人驾驶交通管理(Unmanned Traffic Management)项目,一年后,该机构正式与FAA合作解决这个问题。这个小组的大部分工作涉及到处理实时和理论飞行数据,以创建模型和3D模拟。里奥斯说:“它就像是一个原封未动的黏土球。每个人对它完工后应该是什么样子都有自己的看法。但我们必须在这个过程中剥离掉一些东西,最终得到美好的结果。”

为了让无人机具有商业用途,它们必须首先获得超出操作员视线范围的飞行认证,这需要证明它们即使在断电、断开连接或遭遇怪事的情况下也可以安全飞行。2016年,NASA开始在美国六个地点的空域测试这种飞机,这些空域日益密集而且不受管控。首先,试飞员在乡村地区试飞无人机,期待它们可以协助农业活动、基础设施检查、灭火和其他危险工作。在空域几乎别无他物的情况下,里奥斯和他的同事们集中精力为调度和确定地理边界等事项设计基本规则,试图使指导方针足够灵活,以适用于更复杂的环境。他说:“最困难的事情之一就是要确保我们作出的设计决定不会削弱未来可能非常有价值的运营架构。”

从那里开始,测试推进到远郊和小城镇,这里的生命和财产面临的风险更大,然后是近郊地区,无人机送货在这些地区可能很常见。从此,技术挑战开始和信任问题相交汇,里奥斯说:“现在你开始进入更多的公众认知范围。人们知道,‘有无人机从我头顶飞过。’你要如何开始极力确保这个系统和飞行器本身,以便让人们相信它是安全的?”

在几轮测试间隙,他和整个团队将飞行数据输入“hyperwall”,这是一个由超级计算机驱动的可视化系统,可以让艾姆斯的研究人员在3D环境中模拟飞行计划。他们将天空规划为按颜色编码的虚拟高速公路和车道—黄色、红色、蓝色和绿色—每条车道都有关于高度、速度和通行权的特殊考虑和规则。大部分无人机交通发生在400英尺以下的G类空域,远离商业交通,但距离某些敏感的基础设施很近。输电线路和桥梁很容易受到撞击。在学校场地,安全和隐私显然是最受关注的问题。监狱官员担心无人机可能会将违禁品扔到墙上。在400英尺和5000英尺之间,也就是客运无人机和空中出租车的理想高度,大多数飞机将从使用现有的直升机航线开始,只有在系统被证明是安全的情况下才会扩展。所有这些低空交通仍然需要和往返1万英尺以上B类空域的现有空中交通合作。

更复杂的是,各个公司正在试验的无人机具有各种不同的尺寸、形状和设计特征。NASA和FAA一直在与波音(Boeing)、空中客车(Airbus)、亚马逊(Amazon)、联邦快递(FedEx)、警察局长、消防员以及其他公共和私人合作伙伴密切合作。他们已经进行了数千小时的飞行,传递了连接率、着陆精度、飞行性能等方面的数据,以帮助政府机构和制造商完善他们的法规和设计。

对这些飞机进行的最终测试是在人口稠密的大都市的“城市峡谷”进行的,从理论上说,数百架无人机可以同时在这里运送寿司、协助消防员和拍摄婚礼视频。家用Wi-Fi设备会干扰飞机信号吗?无人机将如何应对高楼之间的风洞和上升气流?随着对带宽的需求增加,它们会保持连接吗?测试从内华达州的里诺市开始,研究人员首先将传感器绑在一辆皮卡车的底盘上,在航线下方行驶,以此来模拟飞行。直到他们对安全有把握,才让无人机起飞。

空中交通管理的基本任务之一就是所谓的战术性消除冲突—从本质上讲,就是在空间和时间方面规划路线,以免飞行器发生碰撞。传统上,这个问题是由空中交通管制员在雷达和软件的帮助下解决的。然而,一旦飞机在高空飞行,它们就必须为战术性消除冲突做好准备,在此期间,飞行员同样也是在雷达和软件的协助下避免碰撞。对于无人驾驶飞机的设计者来说,战术性消除冲突尤其令人头疼。建造一种能够识别自己与地面相对位置的飞行器是一回事。更困难的是设计传感器,这种传感器能够在风、雨、鸟、风筝和其他变量组成的不受控制的环境中识别其他小型飞行器。里奥斯说:“我们发现,两架运行的飞机即使相距不到300英尺,也会遭遇截然不同的天气。”

随着空中交通密度的增加和用户按需召唤无人机,战略性和战术性消除冲突变得更加复杂。为兄弟会递送的墨西哥卷饼需要为爷爷的处方药补给让路,而爷爷的处方药又需要为移植途中的肾脏让路。在某些紧急情况下(比如医疗运送、雷电风暴和恐怖威胁),所有无人机都需要停飞。然而,最具有挑战性的情况是为每天的“非标称情况”做规划,比如意外改道、进场失败、垂直机场的障碍物、不稳定的着陆、空域内不合作的飞行器,等等。对人类飞行员来说,很难在开放的空域中对这些情况进行协商;在拥挤的空域中,这些情况可能是灾难性的,一个错误就可能引发故障或碰撞的连锁反应。

为了评估这些风险,由一流大学和FAA合作的项目Mid-Atlantic Aviation Partnership在克里斯蒂安斯堡郊区的一个试验场将无人机撞向建筑物、汽车和假人。他们测量撞击时的动能,试图确定给定重量的无人机在多快的速度下会穿透墙壁、打碎挡风玻璃、撕裂皮肤或造成严重伤害。这些数据将为飞机变量提供标准,比如重量、建造材料、电池容量、最大速度、高度、航程和有效载荷。这些标准将反过来影响整个系统的基础设施需求。

在里奥斯和同事继续收集数据并建模的同时,包括芬兰和阿拉伯联合酋长国在内的一些较小国家已经批准了商用无人机飞行。英国于2021年启动了首个商用无人机走廊,并计划到2024年将其扩展为“无人机高速公路”,将164英里范围内的小镇连接起来。今年早些时候,中国监管当局概述了自主飞行系统的认证要求。美国在某些方面落后了,它正在规划的联邦网络一旦建成将迅速扩大规模。就像今天的手机网络供应商一样,它将包含一个由较小的私人网络组成的大网络,这些私人网络将实时共享重要信息,这样飞机就可以规划路线,侦测到其他飞机并互相避让,确定交通流量的优先级别。运营商和网络服务供应商将共享足够多的飞行数据以确保天空安全,但不会多到威胁隐私或竞争的程度。

无人机公司和投资者希望,如果这个网络被证明可以安全地运送货物,人们会很快安心地让自己也成为货物,乘坐更大、更漂亮的飞机穿行在城镇之间。他们投入了数十亿美元,期待那一天的到来。

霍利斯特市机场是一处位于加利福尼亚州中央谷地的拥有两条跑道的公共设施,被用作消防任务的基地。当汽车驶出这个机场时,迎面而来的是一条标语:飞行员:你关闭你的飞行计划了吗?

Wisk Aero LLC是波音公司和拉里·佩奇(Larry Page)的航空企业Kitty Hawk Corp.合作的项目,它正试图通过开发一种人工智能驱动的飞行控制系统来解决飞行员忘记提交文件的老问题,这个系统足够可靠,值得乘客信赖。在机场的另一边,在一个被菜地包围的机库里,Wisk正在对自主飞行的空中出租车Cora进行试飞,根据设计,这种飞行器可以安全地、不知疲倦地飞行,而且永远记得它的飞行计划。Wisk的首席执行官加里·吉森(Gary Gysin)在Cora试飞的那天早晨说:“超过80%的航空事故都是人为失误所致。”这个数字似乎是在谴责人类飞行员,尽管许多重大决定与环境或技术因素密不可分。这不要紧。吉森对这些机器充满信心:“我们知道自主飞行会更安全。”他是专注于海底自动采矿的波音子公司Liquid Robotics Oil & Gas的前首席执行官。

尽管像Archer Aviation Inc.这样的竞争对手最初都在寻求推出由人类飞行员参与的服务,Wisk却押注人工智能驱动的产品最终将更安全,更有利可图。在它的世界里,垂直机场配备的一位(人类)迎宾员将帮助你就座,然后宣读安全须知,但是,一旦你升入空中,在飞机将你带到目的地的过程中,机上将只有你和其他乘客以及与地面控制相连接的耳机。去年,该公司与飞机共享服务公司Blade Urban Air Mobility Inc.签署了一项协议,在其美国航线上提供和运营30架自主飞行空中出租车。其目标是在2024年年底前对它们进行部署—该公司有一项更宏大的计划,就是制造出一个机队,每年能在全球24个城市运营1400万次航班,这个目标只是该计划的一部分。不过,首先,Wisk需要将其第六代四座飞行器提交给FAA进行认证,以拥有美国第一架可运行的自主飞行客机。

在此类飞行器的监管标准发布之前,该公司要测试、测试、再测试,为Cora提供数兆兆字节的飞行数据,这样它就可以学会避免在地面上困扰自主驾驶活动的各种事故。在这一天,吉森和他的团队将监督一次从简易机场起飞的飞行活动,这个简易机场散布着四处溜达的鸡只。在机库里,FAA授权的指挥人员、首席试飞员雷蒙德·施赖纳(Raymond Schreiner)将带领Cora进行一系列旨在磨练空中转弯技巧的练习。或者,更确切地说,施赖纳将看着Cora自己完成一系列练习。

在停机坪上,一架出租车大小的鲜黄色多旋翼飞行器(配备了12个白色旋翼)突然转动起来。这架Cora呼啸着起飞并悬停在33英尺的高度,然后旋翼缩回,在尾部螺旋桨的驱动下沿着简易跑道疾行。根据FAA的说法,Cora不能飞出人类的视线,因此Wisk的工作人员开着一辆日产聆风(Nissan Leaf)在跑道上追着它跑。在到达101号高速公路(地面上的通勤者为了生计而在这条路上忙碌奔波)之前,Cora停下来,盘旋,然后完成了一个精妙的180度转弯。吉森说:“那些落叶飘真的很难。我们经验丰富的驾驶员都说,要保持这么稳定真的很困难。”

Cora飞快地回到起点重复这种练习,那辆日产聆风掉了个头,努力追赶。多年来,这个团队经历了各种故障情况,将硬件和软件推向极限,并测试了无人机的紧急降落伞。施赖纳带领Cora完成了旋转和过山车演习,“让风扇真正运转起来。”每一次练习都会让计算机更敏捷地应对变化,也会降低飞行器坠毁的可能性。最终,该公司需要在每一种可能的飞行场景中测试Cora的可见性、连接性和可靠性,但在此之前,它需要收到来自FAA的新指令。与此同时,Wisk正在新西兰进行额外的测试。那里的监管比较宽松,可以允许它在人类观察者的视线之外飞行更长时间、执行更复杂的任务。

该公司还在当地努力提高社会对其服务的接受度,调查当地人对这项新技术的恐惧和渴望,并进行公开飞行表演。它甚至在其机库里为毛利学童举办实地考察活动,旨在激发未来工程师的想象力。吉森说:“这是一张蓝图,描绘了在我们推出服务的任何城市和任何国家我们必须如何做到这一点。从社会许可的角度来看,这是可以接受的吗?噪音水平正常吗?你介意在天上看到这些东西吗?”

为了增强美国公众的信心,NASA和FAA正在策划一场由行业工作组、飞行测试和表演以及社区参与活动组成的全国性运动。在整个过程中,NASA将收集意见数据,政策制定者和标准机构可以将这些数据与技术要求结合起来,制定地方、州和联邦规则。在NASA负责领导AdvancedAirMobility研究的航天工程师施万吉利·夏尔马(Shivanjli Sharma)说:“这些飞行器在较低的高度飞行,并降落在传统飞机通常没有降落过的区域。噪音不仅仅涉及到频率和分贝水平。在我们将这些操作更紧密地结合到日常生活中之前,这些零碎的东西对我们来说非常重要。”

当然,获得社会认可的核心要素是安全。无人机坠毁似乎是无可避免的,就像电脑当机、手机死机和飞机坠毁一样。灾难可以有多种形式。无人机可以用来投掷武器和贩运毒品。它们可以飞越个人领空并侵犯公民自由。它们会推动一种非接触式的按需文化,让人们进一步困守于自己的小圈子里,从而削弱本已磨损的社交网络。无论无人机变得多么普遍,用来指导它们的系统都必须足够灵活,以适应尚且无法想象的未来,否则它将注定与我们的地面交通网络同样危险、低效和不公平。

在克里斯蒂安斯堡,Wing的试点项目在疫情暴发初期成为居民的生命线,在新冠限制措施放宽后,人们对无人机送货的亲近感仍然存在。弗吉尼亚理工大学的一项同行评审表明,克里斯蒂安斯堡89%的受访者已经使用过或者计划很快使用这项服务,尽管许多人都发现了一系列隐忧:噪音、隐私、潜在的失业—当然还有坠机事故。在对噪音感到困扰的人当中,有四分之三的人表示他们仍然喜欢这项服务的理念。

克里斯蒂安斯堡中学的图书管理员凯利·帕塞克(Kelly Passek)在疫情期间成为Wing最忠实的客户之一,她使用无人机将图书馆的书籍递送给居家学习的孩子—解除封锁后还在继续这么做。她说:“有些孩子每天都能得到一本书。”

在2021学年即将结束的一个春光明媚的早晨,她带领七、八年级学习科技和教育的学生对Wing总部进行了一次虚拟实地考察。在网格状的视频电话会议屏幕上,一位运营助理向孩子们展示四周的情况,同时,Wing的营销代表雅各布·德米特(Jacob Demmitt)谈起了这家公司及其起源故事。他告诉孩子们,在克里斯蒂安斯堡,有一对老年夫妇,其中一个人断了腿,另一个人有只眼睛视力不好,所以他们很难出门购物。Wing给他们提供了帮助。

德米特说:“我们相信天空是一种尚未开发的广阔资源。如果我们负责任地使用天空,我们就能帮助社会。”

帕塞克演示了未来的学生可能会如何订购商品,她从Walgreens挑选了一袋成人零食包:切达干酪爆米花、士力架和星冰乐。一位学生问道:“你们每天能接到多少订单?”德米特说:“我们想保守商业秘密,所以我们不会帮助竞争对手(了解这些信息)。”

在视频会议上,出现了罕见的订单处理延迟的情况,因为P.J.到了休息时间。很快,一位新的飞行员就位,Wing的代表继续他的现场解说。平板电脑响了一下,商户成功伙伴开始准备订单。

另一名学生问道:“编码有多难?”德米特回答说:“非常难。”终于,那架送货的无人机离开了三英里外的总部。学生们向Wing代表提出各种问题。帕塞克走到院子里等待无人机投放包裹。你还听不到它的声音,但它正在穿过万里无云的天空。

一个学生想知道:“当无人机撞到东西时会发生什么?”

德米特毫不犹豫地回答:“那种情况从未发生。”■

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由Alphabet Inc.拥有的无人机送货公司Wing在克里斯蒂安斯堡上空没有竞争对手,而且它只在晴朗无风的天气状况下运营。克里斯蒂安斯堡是距离弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)不远的一个拥有2.2万人口的小镇。该公司的无人机由轻质塑料和聚苯乙烯制成,但重量仍有10磅(约0.9公斤),这是因为它们需要装备控制器、激光器、相机和电池才能实现12英里(约19公里)的往返航程。这天早上,十几架无人机正在充电,等待命令。航线两侧排列着11个集装箱。标有C1、C2和C3的集装箱是无人机在非工作时间“睡觉”的地方。标号为C4、C5和C6的集装箱存放着当地咖啡店Walgreens和地区女童子军等合作伙伴的库存,后者在疫情期间依靠Wing来支撑低迷的饼干销售。

在停机坪外围,戴着安全帽和N95口罩、穿着黄色安全背心的“商户成功伙伴”福莱克·阿德希纳(Folake Adeshina)在等待订单。她的平板电脑响了一下,她看了一眼请求:热咖啡。C6集装箱里备有玻璃水瓶、杯子、奶油、糖和搅拌棒。阿德希纳装了两杯热气腾腾的咖啡。当她在准备咖啡的时候,驻守在C11集装箱电脑前的机长(PIC)(只知道他叫P.J.)选择由哪架无人机来完成这项任务。这个系统已经计算出最佳飞行方案,但美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,简称:FAA)要求由一位“飞行员”来完成任务,还要有一名观察员在附近的山坡上查看飞行情况。海德说:“PIC也许可以被精确的算法取代。”这个时候,P.J.在他的集装箱窗户后面露出了微笑。(海德现在已不再为Wing工作。)

P.J.是人类,这不是他的错,航空旅行史上的大多数事故都是由人类引起的,这也不是他的错。自商用航空诞生以来,FAA一直在努力解决飞行员和空中交通管制员的失误问题。在1965年的一项研究中,该机构确定了作为一名成功的空中交通管制员的重要特征。标准包括:

●对工作和行为的持续关注

●能够组织和最有效地利用当前可用的时间、设备和信息

●持续改善率

●在压力之下保持情绪稳定

尽管P.J.和航空系统的其他人可能很坚定,但他们在这些领域无法与精心调制的算法抗衡。因此,从Wing的角度来看,人类最好只负责倒咖啡,越早做到这一点它的业务就越安全,越有利可图。

从眼下来看,P.J.还没有失业之虞。这台无人机嗡嗡作响,它的12个旋翼将其提升到距离二维码20英尺(1英尺约0.3米)的空中。它盘旋在C6集装箱上方,阿德希纳在那里准备咖啡订单,她把所有东西塞进一个盒子,还加了一小盒水作为压舱物。一条带有红色塑料挂钩的绳子从无人机腹部垂下来。挂钩勾住盒子,无人机将包裹紧紧抓到腹部,上升到180英尺的高度,转换为巡航模式,并以每小时70英里(1英里约1.6公里)的速度飞行。在克里斯蒂安斯堡的某个地方,收件人可能正在Wing的移动应用上跟踪咖啡的送货进度。一旦接近预先批准的降落区域,无人机将减速至悬停,下降至20英尺的高度,放下挂钩,小心翼翼地将货物放在地面上,然后嗡嗡叫着飞回家去充电。

要打造一个成功的无人机送货企业,最棘手的要素之一就是公众信心,上面这个精心控制的流程就是朝着这个要素迈出的关键一步。在FAA批准此类无人机广泛运行以及在人们容忍空中交通流量增加之前,坠机事故的统计数据必须接近于零。就连最狂热的无人机拥护者也承认,一次不合时宜的坠机事故可能会让这个行业倒退好几年。

不过,根据Grand View Research Inc.的分析,如果关键的监管批准到位,到2028年,全球商用无人机服务市场的规模可能会从2021年的208亿美元增加到5000亿美元左右。设计者们正在备制无人驾驶飞机,以协助长途和短途包裹递送、农业、基础设施检查、消防和警察服务等事宜。客运航班可能紧随其后。

这些争夺空域的公司承诺,它们的无人机可以帮助缓解城市拥堵、减少交通碳排放,让政府没有必要在未开发地区修建和维护道路。然而,尽管电力推进和电池技术取得了进步,关于无人机飞行的最乐观预期却迟迟未能实现。自杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)在《60分钟》(60Minutes)新闻节目上展示亚马逊公司的无人机送货项目以来,已经过去了近十年时间,但这项技术仍处于概念验证阶段,至少在美国是这样。硬件、软件和基础设施方面的需求已经足够复杂,但最严峻的挑战很可能是对发生巨变的空中交通流量进行管理。目前,美国正在使用的飞机和无人机大约有20万架,高峰时段约有5400架在飞行;可以飞上天空的无人机的潜在数量呈指数级增长。

着眼于这一未来,美国航空航天局(NASA)和FAA自2017年以来一直在合作研究和制定美国领空的新规则。其目的是要容纳数百万架在400英尺以下作业的无人机,以及在5000英尺高空飞行的结合了人类驾驶和算法驾驶的下一代轻型客机。这个项目包括一系列令人眼花缭乱的规范说明,涵盖机身、传感器、通信硬件和带宽、垂直起降场(即无人机机场),以及最重要的一点,交通。无人机将需要人类和计算机都可以直观遵循的规则,并且帮助确定事故的责任方。

这个无人机网络将需要政府和行业展开前所未有的合作。忠实信徒担心监管机构落后于航空技术的进步,指出其他国家在将无人机融入经济方面取得了很大进展。另一方面,一些批评人士担心整个行业正在强推监管机构过快行动,低估了将数百万架新飞机引入国家领空的难度。做错了,可能有人丧命。做对了,这个系统将赢得公众的信任,创造出大量新产业,并标志着美国的交通运输实现了自州际公路系统以来最大的发展。

2010年,NASA资深工程师马克·穆尔(Mark Moore)发表了一份白皮书,指出分布式电力推进(用更小、更高效的电动机取代笨重的内燃机)可以改变飞机起飞、机动和着陆的方式。穆尔回忆道:“当时,每个人都看着这些电动机、控制器和电池,然后说,‘它们太重了。’”但是,怀疑论者计算的依据是关于距离、重量和有效载荷的疲惫假设。大多数传统客机和货机在设计的时候都是为了在尽可能远的距离中承载最大重量。这种设计反过来又决定了地面所需的基础设施:地区性、全国性和国际性的枢纽,这些枢纽建立在由人类空中交通管制员规划和管理的线路上。

穆尔对eVTOL飞机的愿景是更小的有效载荷和更短的飞行距离。在他的论文发表十年后,电动机、电池容量和计算能力的进步让这一愿景变得可行。2017年,他离开NASA,为Uber Elevate雄心勃勃的空中出租车项目担任顾问。他说:“一旦你开发出这套新技术,你就彻底改变了飞机设计的规则。”

这套新技术还意味着改变空中交通管理的规则。今天,大多数拥堵发生在距离主要机场几海里之内的1万英尺高空,即所谓的B类空域。在空中交通管制员的帮助下,飞行员们小心翼翼地共享这个空域,直到他们达到相对安全的A类空域(1.8万英尺以上)和最终的巡航高度(通常在3.3万英尺和4.2万英尺之间),在那里,对人和财产造成伤害或者与另一架飞机相撞的可能性要小得多。

相比之下,在eVTOL飞机的世界中,成千上万架送货无人机可以在400英尺以下的G类空域飞行,这是一个目前不受控制的小型空域。就在这个空域上方,数百架更大的载人无人机(有些是自主飞行的,有些是有人驾驶的)可以在B类空域运行,沿着通常被直升机占领的航线飞行。像P.J.这样的飞行员可以同时监督数十架这种飞机的作业,计算机会处理大多数即时决策。

2005年,当无人驾驶的休闲无人机首次进入美国空域时,FAA看到了迫在眉睫的麻烦。该机构有责任和地方、州以及其他联邦政策制定者一起,确定这些数量激增的飞行器安全运行所需要的精确法规和基础设施。需要讨论的事项包括:无人机是否遵循现有的运输路线,如铁轨和高速公路;它们是否可以自由穿越私人领空;需要在哪些时间、高度和分贝水平对它们进行观察。潜在的无人机飞行数量之多也带来了隐私和监视问题。是否允许这些无人机捕捉静止图像、视频或者音频?还有这些数据可以存储多长时间?

将无人机融入空中交通管制系统需要大量的航空专业知识和计算能力。幸运的是,美国宇航局艾姆斯研究中心的标志性特征就是兼具这两项专长,这个中心是一个受月球基地启发的园区,夹在莫菲特菲尔德和硅谷的谷歌总部(Googleplex)之间。艾姆斯航空系统部门的首席技术官乔伊·里奥斯(Joey Rios)说:“人们忘记了NASA中的‘A’代表‘Aeronautics’(飞行术)。”自1939年成立以来,在这个由风洞、实验室和超级计算机组成的综合园区里,工程师们推动了飞行技术的每一次突破。他们对战争飞艇和战斗机进行过失败的测试,让宇航员在实验飞机上体验失重,还设计了用来在火星上登陆的降落伞。

里奥斯是一名训练有素的计算机科学家,于2014年加入NASA的无人驾驶交通管理(Unmanned Traffic Management)项目,一年后,该机构正式与FAA合作解决这个问题。这个小组的大部分工作涉及到处理实时和理论飞行数据,以创建模型和3D模拟。里奥斯说:“它就像是一个原封未动的黏土球。每个人对它完工后应该是什么样子都有自己的看法。但我们必须在这个过程中剥离掉一些东西,最终得到美好的结果。”

为了让无人机具有商业用途,它们必须首先获得超出操作员视线范围的飞行认证,这需要证明它们即使在断电、断开连接或遭遇怪事的情况下也可以安全飞行。2016年,NASA开始在美国六个地点的空域测试这种飞机,这些空域日益密集而且不受管控。首先,试飞员在乡村地区试飞无人机,期待它们可以协助农业活动、基础设施检查、灭火和其他危险工作。在空域几乎别无他物的情况下,里奥斯和他的同事们集中精力为调度和确定地理边界等事项设计基本规则,试图使指导方针足够灵活,以适用于更复杂的环境。他说:“最困难的事情之一就是要确保我们作出的设计决定不会削弱未来可能非常有价值的运营架构。”

从那里开始,测试推进到远郊和小城镇,这里的生命和财产面临的风险更大,然后是近郊地区,无人机送货在这些地区可能很常见。从此,技术挑战开始和信任问题相交汇,里奥斯说:“现在你开始进入更多的公众认知范围。人们知道,‘有无人机从我头顶飞过。’你要如何开始极力确保这个系统和飞行器本身,以便让人们相信它是安全的?”

在几轮测试间隙,他和整个团队将飞行数据输入“hyperwall”,这是一个由超级计算机驱动的可视化系统,可以让艾姆斯的研究人员在3D环境中模拟飞行计划。他们将天空规划为按颜色编码的虚拟高速公路和车道—黄色、红色、蓝色和绿色—每条车道都有关于高度、速度和通行权的特殊考虑和规则。大部分无人机交通发生在400英尺以下的G类空域,远离商业交通,但距离某些敏感的基础设施很近。输电线路和桥梁很容易受到撞击。在学校场地,安全和隐私显然是最受关注的问题。监狱官员担心无人机可能会将违禁品扔到墙上。在400英尺和5000英尺之间,也就是客运无人机和空中出租车的理想高度,大多数飞机将从使用现有的直升机航线开始,只有在系统被证明是安全的情况下才会扩展。所有这些低空交通仍然需要和往返1万英尺以上B类空域的现有空中交通合作。

更复杂的是,各个公司正在试验的无人机具有各种不同的尺寸、形状和设计特征。NASA和FAA一直在与波音(Boeing)、空中客车(Airbus)、亚马逊(Amazon)、联邦快递(FedEx)、警察局长、消防员以及其他公共和私人合作伙伴密切合作。他们已经进行了数千小时的飞行,传递了连接率、着陆精度、飞行性能等方面的数据,以帮助政府机构和制造商完善他们的法规和设计。

对这些飞机进行的最终测试是在人口稠密的大都市的“城市峡谷”进行的,从理论上说,数百架无人机可以同时在这里运送寿司、协助消防员和拍摄婚礼视频。家用Wi-Fi设备会干扰飞机信号吗?无人机将如何应对高楼之间的风洞和上升气流?随着对带宽的需求增加,它们会保持连接吗?测试从内华达州的里诺市开始,研究人员首先将传感器绑在一辆皮卡车的底盘上,在航线下方行驶,以此来模拟飞行。直到他们对安全有把握,才让无人机起飞。

空中交通管理的基本任务之一就是所谓的战术性消除冲突—从本质上讲,就是在空间和时间方面规划路线,以免飞行器发生碰撞。传统上,这个问题是由空中交通管制员在雷达和软件的帮助下解决的。然而,一旦飞机在高空飞行,它们就必须为战术性消除冲突做好准备,在此期间,飞行员同样也是在雷达和软件的协助下避免碰撞。对于无人驾驶飞机的设计者来说,战术性消除冲突尤其令人头疼。建造一种能够识别自己与地面相对位置的飞行器是一回事。更困难的是设计传感器,这种传感器能够在风、雨、鸟、风筝和其他变量组成的不受控制的环境中识别其他小型飞行器。里奥斯说:“我们发现,两架运行的飞机即使相距不到300英尺,也会遭遇截然不同的天气。”

随着空中交通密度的增加和用户按需召唤无人机,战略性和战术性消除冲突变得更加复杂。为兄弟会递送的墨西哥卷饼需要为爷爷的处方药补给让路,而爷爷的处方药又需要为移植途中的肾脏让路。在某些紧急情况下(比如医疗运送、雷电风暴和恐怖威胁),所有无人机都需要停飞。然而,最具有挑战性的情况是为每天的“非标称情况”做规划,比如意外改道、进场失败、垂直机场的障碍物、不稳定的着陆、空域内不合作的飞行器,等等。对人类飞行员来说,很难在开放的空域中对这些情况进行协商;在拥挤的空域中,这些情况可能是灾难性的,一个错误就可能引发故障或碰撞的连锁反应。

为了评估这些风险,由一流大学和FAA合作的项目Mid-Atlantic Aviation Partnership在克里斯蒂安斯堡郊区的一个试验场将无人机撞向建筑物、汽车和假人。他们测量撞击时的动能,试图确定给定重量的无人机在多快的速度下会穿透墙壁、打碎挡风玻璃、撕裂皮肤或造成严重伤害。这些数据将为飞机变量提供标准,比如重量、建造材料、电池容量、最大速度、高度、航程和有效载荷。这些标准将反过来影响整个系统的基础设施需求。

在里奥斯和同事继续收集数据并建模的同时,包括芬兰和阿拉伯联合酋长国在内的一些较小国家已经批准了商用无人机飞行。英国于2021年启动了首个商用无人机走廊,并计划到2024年将其扩展为“无人机高速公路”,将164英里范围内的小镇连接起来。今年早些时候,中国监管当局概述了自主飞行系统的认证要求。美国在某些方面落后了,它正在规划的联邦网络一旦建成将迅速扩大规模。就像今天的手机网络供应商一样,它将包含一个由较小的私人网络组成的大网络,这些私人网络将实时共享重要信息,这样飞机就可以规划路线,侦测到其他飞机并互相避让,确定交通流量的优先级别。运营商和网络服务供应商将共享足够多的飞行数据以确保天空安全,但不会多到威胁隐私或竞争的程度。

无人机公司和投资者希望,如果这个网络被证明可以安全地运送货物,人们会很快安心地让自己也成为货物,乘坐更大、更漂亮的飞机穿行在城镇之间。他们投入了数十亿美元,期待那一天的到来。

霍利斯特市机场是一处位于加利福尼亚州中央谷地的拥有两条跑道的公共设施,被用作消防任务的基地。当汽车驶出这个机场时,迎面而来的是一条标语:飞行员:你关闭你的飞行计划了吗?

Wisk Aero LLC是波音公司和拉里·佩奇(Larry Page)的航空企业Kitty Hawk Corp.合作的项目,它正试图通过开发一种人工智能驱动的飞行控制系统来解决飞行员忘记提交文件的老问题,这个系统足够可靠,值得乘客信赖。在机场的另一边,在一个被菜地包围的机库里,Wisk正在对自主飞行的空中出租车Cora进行试飞,根据设计,这种飞行器可以安全地、不知疲倦地飞行,而且永远记得它的飞行计划。Wisk的首席执行官加里·吉森(Gary Gysin)在Cora试飞的那天早晨说:“超过80%的航空事故都是人为失误所致。”这个数字似乎是在谴责人类飞行员,尽管许多重大决定与环境或技术因素密不可分。这不要紧。吉森对这些机器充满信心:“我们知道自主飞行会更安全。”他是专注于海底自动采矿的波音子公司Liquid Robotics Oil & Gas的前首席执行官。

尽管像Archer Aviation Inc.这样的竞争对手最初都在寻求推出由人类飞行员参与的服务,Wisk却押注人工智能驱动的产品最终将更安全,更有利可图。在它的世界里,垂直机场配备的一位(人类)迎宾员将帮助你就座,然后宣读安全须知,但是,一旦你升入空中,在飞机将你带到目的地的过程中,机上将只有你和其他乘客以及与地面控制相连接的耳机。去年,该公司与飞机共享服务公司Blade Urban Air Mobility Inc.签署了一项协议,在其美国航线上提供和运营30架自主飞行空中出租车。其目标是在2024年年底前对它们进行部署—该公司有一项更宏大的计划,就是制造出一个机队,每年能在全球24个城市运营1400万次航班,这个目标只是该计划的一部分。不过,首先,Wisk需要将其第六代四座飞行器提交给FAA进行认证,以拥有美国第一架可运行的自主飞行客机。

在此类飞行器的监管标准发布之前,该公司要测试、测试、再测试,为Cora提供数兆兆字节的飞行数据,这样它就可以学会避免在地面上困扰自主驾驶活动的各种事故。在这一天,吉森和他的团队将监督一次从简易机场起飞的飞行活动,这个简易机场散布着四处溜达的鸡只。在机库里,FAA授权的指挥人员、首席试飞员雷蒙德·施赖纳(Raymond Schreiner)将带领Cora进行一系列旨在磨练空中转弯技巧的练习。或者,更确切地说,施赖纳将看着Cora自己完成一系列练习。

在停机坪上,一架出租车大小的鲜黄色多旋翼飞行器(配备了12个白色旋翼)突然转动起来。这架Cora呼啸着起飞并悬停在33英尺的高度,然后旋翼缩回,在尾部螺旋桨的驱动下沿着简易跑道疾行。根据FAA的说法,Cora不能飞出人类的视线,因此Wisk的工作人员开着一辆日产聆风(Nissan Leaf)在跑道上追着它跑。在到达101号高速公路(地面上的通勤者为了生计而在这条路上忙碌奔波)之前,Cora停下来,盘旋,然后完成了一个精妙的180度转弯。吉森说:“那些落叶飘真的很难。我们经验丰富的驾驶员都说,要保持这么稳定真的很困难。”

Cora飞快地回到起点重复这种练习,那辆日产聆风掉了个头,努力追赶。多年来,这个团队经历了各种故障情况,将硬件和软件推向极限,并测试了无人机的紧急降落伞。施赖纳带领Cora完成了旋转和过山车演习,“让风扇真正运转起来。”每一次练习都会让计算机更敏捷地应对变化,也会降低飞行器坠毁的可能性。最终,该公司需要在每一种可能的飞行场景中测试Cora的可见性、连接性和可靠性,但在此之前,它需要收到来自FAA的新指令。与此同时,Wisk正在新西兰进行额外的测试。那里的监管比较宽松,可以允许它在人类观察者的视线之外飞行更长时间、执行更复杂的任务。

该公司还在当地努力提高社会对其服务的接受度,调查当地人对这项新技术的恐惧和渴望,并进行公开飞行表演。它甚至在其机库里为毛利学童举办实地考察活动,旨在激发未来工程师的想象力。吉森说:“这是一张蓝图,描绘了在我们推出服务的任何城市和任何国家我们必须如何做到这一点。从社会许可的角度来看,这是可以接受的吗?噪音水平正常吗?你介意在天上看到这些东西吗?”

为了增强美国公众的信心,NASA和FAA正在策划一场由行业工作组、飞行测试和表演以及社区参与活动组成的全国性运动。在整个过程中,NASA将收集意见数据,政策制定者和标准机构可以将这些数据与技术要求结合起来,制定地方、州和联邦规则。在NASA负责领导AdvancedAirMobility研究的航天工程师施万吉利·夏尔马(Shivanjli Sharma)说:“这些飞行器在较低的高度飞行,并降落在传统飞机通常没有降落过的区域。噪音不仅仅涉及到频率和分贝水平。在我们将这些操作更紧密地结合到日常生活中之前,这些零碎的东西对我们来说非常重要。”

当然,获得社会认可的核心要素是安全。无人机坠毁似乎是无可避免的,就像电脑当机、手机死机和飞机坠毁一样。灾难可以有多种形式。无人机可以用来投掷武器和贩运毒品。它们可以飞越个人领空并侵犯公民自由。它们会推动一种非接触式的按需文化,让人们进一步困守于自己的小圈子里,从而削弱本已磨损的社交网络。无论无人机变得多么普遍,用来指导它们的系统都必须足够灵活,以适应尚且无法想象的未来,否则它将注定与我们的地面交通网络同样危险、低效和不公平。

在克里斯蒂安斯堡,Wing的试点项目在疫情暴发初期成为居民的生命线,在新冠限制措施放宽后,人们对无人机送货的亲近感仍然存在。弗吉尼亚理工大学的一项同行评审表明,克里斯蒂安斯堡89%的受访者已经使用过或者计划很快使用这项服务,尽管许多人都发现了一系列隐忧:噪音、隐私、潜在的失业—当然还有坠机事故。在对噪音感到困扰的人当中,有四分之三的人表示他们仍然喜欢这项服务的理念。

克里斯蒂安斯堡中学的图书管理员凯利·帕塞克(Kelly Passek)在疫情期间成为Wing最忠实的客户之一,她使用无人机将图书馆的书籍递送给居家学习的孩子—解除封锁后还在继续这么做。她说:“有些孩子每天都能得到一本书。”

在2021学年即将结束的一个春光明媚的早晨,她带领七、八年级学习科技和教育的学生对Wing总部进行了一次虚拟实地考察。在网格状的视频电话会议屏幕上,一位运营助理向孩子们展示四周的情况,同时,Wing的营销代表雅各布·德米特(Jacob Demmitt)谈起了这家公司及其起源故事。他告诉孩子们,在克里斯蒂安斯堡,有一对老年夫妇,其中一个人断了腿,另一个人有只眼睛视力不好,所以他们很难出门购物。Wing给他们提供了帮助。

德米特说:“我们相信天空是一种尚未开发的广阔资源。如果我们负责任地使用天空,我们就能帮助社会。”

帕塞克演示了未来的学生可能会如何订购商品,她从Walgreens挑选了一袋成人零食包:切达干酪爆米花、士力架和星冰乐。一位学生问道:“你们每天能接到多少订单?”德米特说:“我们想保守商业秘密,所以我们不会帮助竞争对手(了解这些信息)。”

在视频会议上,出现了罕见的订单处理延迟的情况,因为P.J.到了休息时间。很快,一位新的飞行员就位,Wing的代表继续他的现场解说。平板电脑响了一下,商户成功伙伴开始准备订单。

另一名学生问道:“编码有多难?”德米特回答说:“非常难。”终于,那架送货的无人机离开了三英里外的总部。学生们向Wing代表提出各种问题。帕塞克走到院子里等待无人机投放包裹。你还听不到它的声音,但它正在穿过万里无云的天空。

一个学生想知道:“当无人机撞到东西时会发生什么?”

德米特毫不犹豫地回答:“那种情况从未发生。”■

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