Передовые технологии и перспективы их развития в транспортной отрасли Китая

Создание системы для разработки будущих продуктов и технологий гражданской авиации. Технологии создания и эксплуатации гражданских самолетов стремительно развиваются, появляются новые аэродинамические схемы, передовые силовые установки, авионика нового поколения и мультиэлектронные системы, новые материалы, новые процессы, интеллектуальное производство и другие технологии, которые помогли создать новые гражданские самолеты, разрушить монополию нынешних основных моделей и добиться преимущества на поздних этапах, что способствовало диверсификации рынка гражданских самолетов. Планы действий «Сделано в Китае – 2025» и «Интернет плюс» определяют направления и пути развития отечественной индустрии гражданских самолетов. Китай должен использовать стратегию «Интернет плюс» для создания потенциала предварительных исследований, проектирования и НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки) гражданских самолетов, а также для развития облачных вычислений и интернета вещей. Новое поколение информационных технологий, представленное большими данными и аддитивным производством (технология 3D-печати), будет интегрировано в гражданскую авиационную промышленность, а применение новых технологий будет поощряться с помощью крауд-платформ и инновационного развития в режиме массовых инноваций и предпринимательства, чтобы реализовать трансграничную интеграцию и инновационное развитие гражданской авиационной промышленности и новых технологий.

Усиление вспомогательного потенциала интегрированного узла аэропорта. Чтобы повысить уровень безопасности и защищенности аэропортов, расширить возможности поддержки операций крупных комплексных транспортных узлов, преодолеть трудности при планировании и строительстве аэропортов, продвигать разведывательную информацию об аэропортах, а также способствовать стратегической трансформации аэропорта в экологически чистую и низкоуглеродную деятельность, существует острая необходимость использования системной динамики, теории системного проектирования и экологической инженерии. Принимая науку предотвращения стихийных бедствий и оказания помощи в качестве теоретической основы, в полной мере используя передовые компьютерные и сетевые технологии и сочетая их с тенденциями развития современных аэропортов, будет построена «безопасная, эффективная, экологичная» новая технологическая система аэропортов, тем самым значительно укрепятся ядро системы аэропортов воздушного транспорта страны, конкурентоспособность и возможность устойчивого развития.

Комплексный и всесторонний контроль над всеми типами самолетов. С развитием отрасли воздушного движения количество различных типов самолетов продолжает увеличиваться, что создает огромные проблемы для эксплуатации и управления воздушным движением. Необходимость всестороннего и комплексного управления и контроля всех типов самолетов становится все более актуальной. Для системы управления воздушным движением гражданской авиации необходимо обеспечить безопасную и эффективную работу с учетом пожеланий пассажиров и ресурсной среды, добиться интеграции и интеллектуальной работы терминальной зоны аэропорта в будущем, а также повысить эффективность полетов воздушных судов за счет наведения и управления полетами на основе спутниковой навигации и четырехмерных траекторий. Что касается систем БПЛА, необходимо как можно скорее включить их в систему обеспечения авиационной безопасности, развернуть основные задачи исследований и разработок по ключевым технологиям, контролю безопасности и стандартам безопасной эксплуатации систем БПЛА, возглавить исследования и создание отрасли БПЛА, а также сформировать национальные стандарты, что сделает их конкурентоспособными на международном уровне.

1) Транспортное оборудование

В соответствии с тенденцией развития авиационной науки и техники и планами исследований, сформулированными крупными странами, ожидается, что примерно к 2035 году в авиационной науке и технологиях произойдут следующие прорывы и изменения. Во-первых, эффективность полета и экологические характеристики гражданских самолетов будут дополнительно усовершенствованы, а стоимость использования самолетов будет значительно снижена. Все больше и больше людей будет путешествовать на самолетах, а роль воздушного транспорта в логистике станет более важной. Во-вторых, ожидается поступление в эксплуатацию сверхзвукового пассажирского самолета второго поколения, который будет летать более чем в два раза быстрее, чем существующие дозвуковые пассажирские самолеты, что значительно сократит межконтинентальные перелеты, скорость бизнес-джетов также значительно увеличится. В-третьих, ожидается, что скорость вертолетов возрастет с нынешних 200-300 км/ч до 400-700 км/ч, дальность полета увеличится, а способность переносить грузы будет выше, так что все больше островов, горных районов и других регионов без аэропортов получит доступ к авиационным услугам. В-четвертых, будут использоваться сверхдальние самолеты на солнечных батареях, продолжительность полета которых будет достигать нескольких месяцев или даже нескольких лет, так что они смогут заменить некоторые низкоорбитальные спутники, а их разрешение и возможности непрерывного наблюдения будут превосходить спутниковые. Исходя из вышеуказанных целей, новые аэродинамические формы компоновки, технологии снижения аэродинамического сопротивления, эффективность двигателей и снижение выбросов, новые материалы, инновационный дизайн конструкций и передовые бортовые системы станут передовыми технологиями.

Учитывая характеристики использования и технические характеристики легких самолетов авиации общего назначения, включая легкие самолеты-амфибии, а также суровые условия, в которых используются легкие самолеты, разнообразие, сложность и опасность их оперативных задач выше, чем у больших самолетов. Ведутся исследования по общему проектированию высокоэффективных, экологичных, легких, многоцелевых и универсальных самолетов, продолжаются исследования новой технологии электрической силовой установки для электрических самолетов, облегчения самолетов общего назначения, эффективного интегрированного структурного проектирования и технологий производства, а также разработка электрических самолетов на новой энергии и современных легких самолетов авиации общего назначения. Кроме того, повышается уровень исследований и разработок эффективных многоцелевых моделей самолетов общего назначения, что помогает развивать стратегическую отрасль авиации общего назначения в Китае.

Принимая во внимание новые конфигурации, такие как компоновка крыла-фюзеляжа / компоновка опорного крыла, а также новые концепции энергетических беспилотных транспортных самолетов, такие как топливные элементы, водородное топливо, гибридная энергия и т. д., необходимо совершить прорыв в проектировании модульной и легкой конструкции и технологии производства беспилотных летательных аппаратов, компоновке беспилотных транспортных самолетов и исследований по интеграции продуктов, а также одновременно завершить разработки новой концепции и новой компоновки беспилотных транспортных самолетов на основе интеграции существующих технологий и разработок; провести технические исследования по беспилотному автономному взлету и посадке существующих моделей, модернизировать и превратить их в беспилотный транспортный самолет.

Что касается новой аэродинамической компоновки крупномасштабных гиперзвуковых самолетов, то гибридная компоновка корпуса с крылом, компоновка фюзеляжа с двойным каплевидным сечением и компоновка с несущим крылом отличаются высоким отношением подъемной силы к тяге, большой пассажировместимостью и низким уровнем шума в салоне, и этому уделяется пристальное внимание. Эти новинки могут иметь соотношение подъемной силы к тяге 22 и более, что примерно на 21% выше, чем у традиционной конфигурации, это снижает расход топлива на пассажиро/морскую милю на 27%. Помимо экономичности вышеупомянутая новая компоновка значительно превосходит текущую традиционную конфигурацию с точки зрения уровня шумоподавления и, как ожидается, снизит шум примерно на 35-42 дБ(А). Компоновка гибрида крыла и фюзеляжа показана на рисунке 2-1.

Рисунок 2-1. Гибридная компоновка крыла и фюзеляжа

Сверхзвуковые самолеты обладают уникальными преимуществами при межконтинентальных перелетах и деловых поездках на сверхдальние расстояния. Текущие технические «горячие точки» сосредоточены на передовых аэродинамических конструкциях, силовых и двигательных технологиях, прогнозировании звукового удара и технологиях снижения шума сверхзвуковых самолетов.

С точки зрения аэродинамики технология снижения сопротивления ламинарного потока имеет высокий уровень технической зрелости и может обеспечить высокие аэродинамические преимущества. Использование технологии «крыло с ламинарным потоком» может снизить общее сопротивление самолета на 15-20%. Различные интегрированные технологии аэродинамического проектирования также являются ключевыми технологиями при проектировании новых конфигураций гражданских самолетов в будущем. Высокопроизводительное численное моделирование, крупномасштабная параллельная оптимизация и передовые технологии испытаний в аэродинамической трубе являются направлениями развития аэродинамических технологий.

При дальнейшем совершенствовании технологии проектирования авиационных двигателей добиться желаемого прорыва будет сложнее. Поэтому в будущем больше внимания будет уделяться проектированию нетрадиционных двигателей. Двигатели с открытым ротором и высокой топливной экономичностью, двигатели со сложным аэродинамическим тепловым циклом, полностью электрические распределенные силовые установки и гибридные силовые установки с турбинами и электродвигателями – вот основные направления развития авиационных двигателей будущего.

Технология авиационных материалов все еще развивается в направлении разработки новых материалов и инновационного структурного проектирования. Основное внимание уделяется решению проблемы устойчивости к повреждениям и тенденции развития композитов, а ключевым моментом в проектировании композитных конструкций является решение проблемы высокой стоимости производства и разработки самих композитов. Использование интеллектуальных структурных технологий для управления структурной геометрией, движением, аэродинамическими процессами, структурным демпфированием и вибрацией может значительно повысить долговечность и надежность конструкции. Благодаря использованию многофункциональной конструкции конструкция и электронные компоненты напрямую интегрированы вместе для комплексного проектирования, что позволяет уменьшить структуру, используемую для поддержки и фиксации, улучшить использование внутреннего пространства самолета и снизить затраты. Гибкая несущая конструкция позволяет самолету изменять конструктивную форму корпуса во время полета, образуя адаптивную конструкцию с изменяемой геометрией.

В будущем воздушные системы будут продолжать развиваться в направлении сетевых и разведывательных технологий. Авионика будет следовать глобальной тенденции системной интеграции и совместного использования аппаратных и программных ресурсов. Мультиэлектрические технологии будут развиваться и широко применяться во многих областях, таких как производство электроэнергии, распределение электроэнергии, управление электроэнергией, электрическая защита от обледенения, электрическое торможение, электрические приводы и двигатели. Усовершенствованный комплект бортового радиоэлектронного оборудования (AS – Avionics Suite) должен иметь открытую отказобезопасную сетевую функционально ориентированную архитектуру, основанную на масштабируемой интегрированной модульной авионике (IMA – Integrated Modular Avionics) с использованием общей среды обработки (платформы). Следующим шагом в развитии технологии инерциальной навигационной системы (SNS – Inertial Navigation System) Jetlink будет создание инерциальной навигационной системы на основе твердотельного волнового гироскопа. Сбор и автоматизированная обработка данных требуют использования интеллектуальных датчиков, способных самостоятельно адаптироваться к условиям эксплуатации и постоянно контролировать свою чувствительность. Современные датчики и статические переключатели обладают диагностическими возможностями, могут подключаться к сетям и вскоре обеспечат простейшие функции контроллера. Усовершенствование общих систем самолета позволит снизить его вес, повысить надежность и облегчить обслуживание. Тенденция интеграции и разделения ресурсов приведет к увеличению количества авиационных систем, а функции систем будут реализовывать независимые системы, находящиеся на общей вычислительной платформе комплекса авионики.

2) Транспортная инфраструктура

Будущее развитие инфраструктуры аэропорта в основном будет отражать три основные тенденции развития: во-первых, комплексное зондирование, создание сенсорной сети вокруг всего процесса эксплуатации аэропорта, развертывание широкого спектра датчиков и использование таких технологий, как видео, интернет вещей, большие данные и мобильная связь, для достижения комплексного зондирования. Второе – глобальное сотрудничество. Благодаря сотрудничеству различных регионов и департаментов ресурсы аэропорта динамически оптимизируются и корректируются в реальном времени для поддержки быстрого принятия научных решений и достижения глобального сотрудничества. В-третьих, автономная работа, основанная на технологиях и методах автономного интеллектуального обучения и принятия оптимальных решений, позволяет системам аэропорта осуществлять групповое познание и сотрудничество, чтобы достичь автономной работы.

Перцепция – комплексное восприятие: создать сенсорную сеть вокруг всего процесса работы аэропорта, развернуть широкий спектр датчиков и использовать такие технологии, как видео, интернет вещей, большие данные и мобильная связь, для реализации автоматизированного сбора данных на узлах защиты полетов; использовать высокоточное позиционирование, интернет вещей и другие технологии для обнаружения и отслеживания транспортных средств, оборудования без электропитания и персонала для достижения точного позиционирования и мониторинга в реальном времени потока самолетов, пассажиропотоков, грузовых потоков, потоков багажа и исследований транспортных потоков. Создать точное позиционирование и мониторинг транспортного потока в режиме реального времени, использовать интеллектуальный поиск информационных систем безопасности гражданской авиации, видеомониторинг и разведданные полицейской системы для единой проверки безопасности информации о пассажирах, усовершенствовать интеллект информационных систем раннего предупреждения безопасности аэропорта и реализовать инициативу раннего предупреждения рисков безопасности гражданской авиации. Появилось множество способов регистрации, таких как регистрация в городе / на станции метро, полная система отслеживания багажа, основанная на интернете вещей, больших данных и облачных вычислениях, которые могут информировать пассажиров / владельцев груза о местонахождении их предметов в любое время. Кроме того, технология интеллектуальных роботов продолжает совершать прорывы. Уже завершены испытания в некоторых сценариях и началось применение замены ручного труда на механический с применением роботов при выполнении тяжелых погрузочно-разгрузочных работ в аэропорту. На станциях изначально внедрены системы автоматической сортировки и складирования. Технология анализа больших данных обеспечивает анализ данных в реальном времени, интеллектуальное распределение операционных ресурсов и упорядоченное связывание рейсов, улучшает использование ресурсов и эффективность работы аэропорта.

Синергизм – сотрудничество во всех областях: осуществление многостороннего сотрудничества на основе теории многоагентного сотрудничества для достижения связи между различными регионами и департаментами для прогнозирования состояния полетов и пассажирских операций и обеспечения занятости ресурсов на основе теории искусственного интеллекта, а также динамической оптимизации. Необходимо корректировать ресурсы аэропорта в режиме реального времени на основе крупномасштабных технологий обработки данных и сложных технологий обработки событий, которые могут динамически и интеллектуально оптимизировать планирование и руководство, обеспечивать глобальное деловое сотрудничество и поддерживать быстрое принятие научных решений на основе новейших технологий, таких как интернет вещей, мобильные сети пятого поколения (5G), повсеместно применять технологию полного отслеживания информации о багаже на станциях метро, в городских регистрационных офисах и других точках доставки и выдачи. Автономных роботов использовать для сопровождения пассажиров, обработки багажа, регистрации и проверки безопасности, кластерной сортировки, погрузки и разгрузки. Завершены пилотные испытания транспортировки и других аспектов системы, а также началось демонстрационное применение в недавно построенных малых и средних аэропортах.

Автономизация – автономная работа: использовать технологии искусственного интеллекта для автономного восприятия и определения состояния бизнеса, автономного выполнения сложной обработки событий и принятия решений, автономного прогнозирования общей эксплуатационной ситуации в аэропорту, а также полной оценки и анализа при особых обстоятельствах на основе технологии машинного обучения; применять технологии обучения и анализа больших данных, независимое изучение правил работы аэропорта и автоматическую оптимизацию бизнес-решений в аэропортах, исследования безопасности гражданской авиации, применять автономное интеллектуальное обучение и оптимизированные технологии и методы принятия решений для реализации автономного обучения различных систем безопасности гражданской авиации, поддерживать и реализовывать независимые технологии и возможности принятия решений; исследовать взаимосвязь между системами безопасности гражданской авиации и технологиями сотрудничества между отделами безопасности на всех уровнях; реализовывать совместную и интеллектуальную безопасность гражданской авиации на основе технологии беспилотного вождения, реализовывать беспилотную эксплуатацию транспортных средств на перроне аэропорта; изначально реализована беспилотная обработка багажа/грузов, а также услуга «от двери до двери». Сформированная система технологии отслеживания информации на основе новых технологий, таких как квантовая связь и блокчейн, охватила все звенья, а авиационная логистика была органично связана с другими формами логистики.

3) Сервис и управление

Будущая система управления воздушным движением (УВД) будет демонстрировать такие характеристики развития, как сотрудничество, усовершенствование, автономность и интеллект. Синергизм системы УВД означает, что она направлена на повышение безопасности воздушного движения и эффективности взаимодействия между многочисленными подразделениями большой комплексной системы. Благодаря координации «воздух – земля» между самолетами и наземными системами, координации «воздух – воздух» между самолетами и координации «земля – земля» между наземными системами можно добиться совместного принятия решений и управления связью в работе аэропортов, авиакомпаний, управления воздушным движением и других ведомств, а также реализовать совместную работу пилотируемых и беспилотных самолетов в гибридной системе. Суть сотрудничества – взаимосвязанный обмен информацией и совместное принятие решений с упором на общесистемный обмен информацией и реализацию сетевых инфраструктурных услуг. Режим передачи информации будет постепенно переходить от передачи «точка – точка» к передаче по сети, что значительно снизит затраты. В то же время данный режим передачи информации единообразно обрабатывает информацию управления воздушным движением различных типов, структур и протоколов для поддержки приложений верхнего уровня. Основные задействованные технологии включают широкополосную связь, авиационные телекоммуникационные сети, объединение данных из нескольких источников на основе больших данных и т. д.

Совершенствование системы управления воздушным движением направлено на повышение эффективности полетов и снижение выбросов углекислого газа, а также на улучшение управления четырехмерной траекторией (трехмерное пространство + одномерное время) на протяжении всего жизненного цикла полета. Суть усовершенствованной разработки заключается в многомерной точности, ориентированной на производительность; основное внимание уделяется операциям на основе четырехмерной траектории – процедуры, основанные на пространственно-временных траекториях (TBO – trajectory-based operation). Внедрение и применение TBO включает в себя все аспекты системы управления воздушным движением, включая основные технологические исследования, разработку бортового оборудования, разработку и лицензирование эксплуатации наземных систем, обновление эксплуатационных процедур управления полетом, эксплуатационные процедуры диспетчерской службы и совершенствование эксплуатационных процедур авиакомпаний и т. д. и представляет собой сложный системный проект. Основные технологии включают в себя бортовую систему наведения на полет, которая ориентирована на регулярное прибытие, управление полным жизненным циклом работы траектории полета, цифровое управление траекторией полета, мониторинг среды воздушного транспорта и обмен ситуациями на основе изомерных сетей, летные испытания и комплексную проверку четырехмерной траектории. Автономия относится к цели улучшения использования ресурсов воздушного пространства и аэропорта и операционной эффективности, расширения возможностей управления воздушным движением бортовых систем и реализации перехода самолетов от пассивного полета под наземным контролем к самолетам, самостоятельно выбирающим маршруты и поддерживающим безопасные расстояния. Интеллект характеризуется «интеграцией человека и машины и автономным принятием решений», поддерживает автономное принятие решений и свободный полет в сложных условиях, образуя интеллектуальный операционный мозг управления воздушным движением с интеллектуальным принятием решений и автономным принятием решений в качестве ядра. Суть разведки заключается в локальной автономии и управляемости системы. Основное внимание уделяется реализации смешанной работы дронов / пилотируемых самолетов и разведки средств доставки. Будущие операции в воздушном пространстве будут постепенно переходить от нынешних БПЛА, на которые распространяются строгие политические ограничения, к полной интеграции БПЛА в национальное воздушное пространство, включая воздушное пространство гражданской авиации на средних и больших высотах и воздушное пространство авиации общего назначения на малых высотах. Используемые технологии в основном включают связь и контроль, обнаружение и предупреждение опасного сближения самолетов, а также методы системной интеграции и тестирования. В то же время эпоха больших данных выдвинула новые требования к развитию интеллектуальных транспортных технологий. Необходимо решить важную проблему, как добывать информационные интеллектуальные ресурсы и знания для улучшения работы транспортной системы из массивной информации в реальном времени из множества разнородных источников, чтобы реализовать точное восприятие ситуации работы транспортной системы и интеллектуальное регулирование и управление. Интеллектуальность самолета достигается в основном за счет авионики, бортовых устройств связи, интеллектуальных интегрированных терминалов и координации действий человека и машины.

2.2.4. Водный транспорт

В условиях новой экономической формы связи между регионами становятся теснее, расширяются потоки людей и грузоперевозки, увеличивается спрос на перевозки. По сравнению с другими видами транспорта водный стал основной силой будущего транспорта благодаря своим выдающимся преимуществам в виде большой пропускной способности и высокой эффективности транспортировки. При этом на повестку дня также ставятся такие вопросы, как безопасность и защита окружающей среды на водном транспорте, постоянно внедряются международные и региональные законы и правила, которые выдвигают более высокие требования к водному транспорту с точки зрения режима эксплуатации, условий и методов эксплуатации. Комплексное улучшение качества водных перевозок стало неизбежным выбором для развития транспортной отрасли Китая. Кроме того, с ускоренной эволюцией нового витка глобальной научно-технической революции быстрое развитие информационных технологий, искусственного интеллекта, новых материалов, новой энергетики, интеллектуального производства и других научно-технических областей оказало огромное влияние на технологический процесс развития водного транспорта и изменило направление технологического развития во всей отрасли. В частности, отражено в следующих аспектах:

1) Транспортная инфраструктура

Чтобы лучше защитить водный транспорт и удовлетворить соответствующие политические и нормативные требования, развитие инфраструктуры водного транспорта представляет собой три основные тенденции. Первая – глубоководное и крупномасштабное развитие. Увеличение количества судов является ключевым способом снижения транспортных расходов, а крупные суда выдвигают более высокие требования к глубине воды, развороту вод и площади порта, а также к расположению оборудования. Порт должен полностью учитывать площадь крупногабаритных кораблей во время планирования и постройки, а также соответствующие требования к глубине воды и размерам. Вторая тенденция – функциональная диверсификация. С развитием логистической отрасли роль портов в ней становится все более значимой. Важные порты развиваются в направлении полноценных логистических цепочек, объединяющих обработку сырья и производство товаров с маркетингом ингредиентов и утилизацией отходов. Третья – экологически чистое производство и эксплуатация. Поскольку осведомленность людей об охране окружающей среды продолжает расти, влияние портов, терминалов и даже действующих водных путей на экологическую среду становится все более ключевым предметом политики и правил. Экологичность, несомненно, станет тенденцией развития портового строительства и строительства внутренних водных путей.