科教产融合创新模式在无人机应用技术领域的实践与研究

科教产融合创新模式在无人机应用技术领域的实践与研究

王凯、杨霞、魏文静

 天津渤海职业技术学院 300402 天津

论文摘要：无人机技术具有非常广泛的应用前景，已经在农林植保、巡检测绘、物流配送等众多领域发展比较成熟的应用场景，与人工智能、5G通讯、云计算等信息技术的融合必然会推动无人机应用场景的深度化发展。职业院校在无人机这一新兴领域发展由来已久，但技术生态、产业生态的快速变化，也给职业院校发展高水平的无人机应用技术能力带来了更多的变量。产教融合是有效推动专业建设的途径，但也需要职业院校从专业发展理念到组织架构做出更多的调整，以适应产业链的发展变化。

作者简介：

王凯（1979-3），男，天津市人，硕士，天津渤海职业技术学院 网络技术专业 讲师，主要从事计算机网络技术、国产化信息技术应用方向的教学与研究工作。

杨霞（1980-12），女，天津市人，硕士，天津渤海职业技术学院 建筑智能化专业 讲师，主要从事建筑智能化、人工智能应用方向的教学与研究工作。

魏文静（1982-2），女，天津市人，硕士，天津渤海职业技术学院 科研管理办公室 副教授，主要从事化学工程技术方向的教学与研究工作。

一、无人机应用技术发展综述

新兴的无人机技术具有非常广泛的应用前景，其具备的发展潜力已经在多个行业领域取得了令人瞩目的成果。经过多年的发展，我国在无人机领域已经建立起了设计、研发、制造与应用的完整产业生态。随着近年来产业链整体的技术进步，无人机及其周边产品的技术水平迭代到了新的高度。在中国制造业优势的作用下，无人机生产成本的大幅降低，让大量的无人机产品得以进入到民用领域，并且市场从消费级无人机迅速扩展到了使用规模更大的工业级无人机领域。无人机的应用也从航空拍摄扩展到农林植保、巡检测绘、物流配送等多个方面，无人机借助在应用场景上的不断创新，已经从民用消费市场深入到了多个行业领域。在市场需求的带动下，无人机平台与新一代的信息技术结合，大大加快了无人机应用技术体系发展迭代的速度。无人机产业链向下游应用市场的延伸，为来自各个行业的协作者参与无人机应用技术的创新迭代，提供了广阔的发展空间。

二、无人机市场的变化对无人机应用技术发展的影响

无人机技术的出现来源于军事用途的需要，20世纪80年代开始走向民用市场，发展到2014年，无人机的产业链逐渐趋于成熟，硬件于软件技术的发展让无人机具备了小型化、智能化、低成本的产品特性，消费类无人机迅速打开了民用无人机市场，2022年我国民用无人机市场规模达到了1152亿元。要把握无人机应用技术的发展方向，我们还要进入民用无人机市场的两大细分领域进行更分析。

1.消费类无人机市场奠定了应用技术发展的基础

根据2022年中国民用无人机市场结构的数据，消费类无人机市场规模469亿元，占民用无人机市场的39%。尽管消费类无人机不是市场的主体，其高度竞争的市场格局引育了一批具备国际竞争力的企业，大大加快了中国无人机产业链的形成。消费类无人机在中国市场的普及，从根本上改变了整个社会对无人机这一新技术产品的认知，有更多无人机的爱好者开始学习无人机的知识与应用技术，从而为更多的行业领域应用无人机创造了非常有利的条件。

2.工业级无人机市场主导了应用技术体系的发展

工业级无人机在2022年的市场规模达到727亿元，在民用无人机市场占有了61%的份额，从量的角度工业级无人机在主导整个市场的发展。从技术角度来看，工业级无人机与消费级无人机在很多方面都存在巨大的差异，由于要面对大规模的商业和工业级应用需求，工业级无人机普遍采用了更高规格的技术标准，以便于在更为严苛的工作环境下完成特定的工作任务，致使其在材料、尺寸、重量、航程、载荷、控制、等方面都有着比较明显的优势。

通用性与多功能性是工业级无人机显著的特点，其机身机构的设计保留了更多的冗余部分，使得工业无人机可以搭载高分辨率摄像机、激光雷达等各类任务负载，因此工业无人机也被广泛应用于地理测绘、农林植保、安全巡检、消防救灾、快递物流等应用场景之中。在这些应用场景中无人机不仅仅是能够飞行的自动化平台，无人机所携带的各类任务负载大大扩展了其收集信息，完成各项工作任务的能力。工业级无人机的可扩展性与适应能力为各类应用场景的开发提供了必要的空间，但开发者也必然要考虑无人机平台的性能边界，分析平台的信息采集能力与所要实现的任务本身是否匹配等一系列问题。工业级无人机已经成为行业应用的主要对象，未来其技术水平的提升还会给无人机应用技术体系的发展带去更多的改变。

三、新技术要素的融合正在改变无人机的应用模式

无人机本身就是信息技术发展的成果之一，无人机与各类信息技术之间相互渗透融合是必然存在的产业发展趋势。无人机尽管在空间和数据两个维度上具备一定的优势，但要处理复杂的行业应用·环境，仍旧需要引入更多的技术要素来解决关键性能力的缺失，与持续增强系统效能的问题。我们在探讨无人的应用技术发展时，有必要关注新技术给现有的无人机应用场景会带来哪些积极的变化，从而把无人机的应用体系的发展方向。

1.无人机与人工智能技术的结合

人工智能技术为无人机带来了关键性的数据分析和智能化识别的能力，借助在后台部署的AI模型，无人机应用系统依靠充足的算力支撑，就可以将数量众多的无人机组成一个覆盖广袤地理空间的数据采集网络，无人机回传的视频数据、点云数据以及各种类型的检测数据，都可以使用AI模型进行实时分析，可迅速转化为更具价值的管理信息，为系统的管理决策提供可靠的依据。将AI模型部署在无人机前端的计算模块上，无人机就具备了对目标物体进行视觉识别的能力。未来无人机还将更多的融合人工智能技术的发展成果，无人机的应用系统自主化和智能化程度会大幅度的增加，无人机即使在没有人工干预的情况下也能自主完成各项工作任务，。

2.无人机机场与自主化运营管理模式

使用无人机的应用场景日渐增多，但无人的放飞、回收和维护环节仍需要解决人工携带无人机通勤的问题。无人机机场的出现解决了无人机在行业应用中的局限性，为无人机产业链增加了新的一个产品节点。无人机自动机库是一种用于存放无人机、协助无人机实现自主起降、自动充换电等功能的无人机基础设施。其具备无人机充能、机库高性能防护、内部温湿度调节、外部探测监测、无人机数据服务与载荷自动装卸等必要功能。无人机自动机场可以直接将无人机部署到作业现场，可以免除人工将无人机带入作业区域并等待无人返回的麻烦。无人机可24小时出于待命状态，机场为无人机提供了一个防护恶劣气候条件、防盗、防野外动物的保护场所，不工作时，无人机待机在无人机机场内，工作时，无人机机场舱门打开，无人机自动飞出根据提前规划好的路线进行作业。无人机返航后，通过高精度的定位导航与位置校正辅助，能自主降落在无人机机场的区域中央，并自动回归到机库内重新进入待机状态。

3.无人机与5G网络技术的结合

无人机与5G网络的结合成为无人机技术链的一个重要的发展方向，第五代移动通信网络以全新的网络架构，理论上可以为无人机提供10Gbps以上的带宽、毫秒级时延、超高密度连接，实现网络性能新的跃升。ITU定义了5G三大场景：增强移动带宽（Enhanced Mobile Broadband,以下简称eMBB）、超高可靠低时延通信（Ultr a-Reliable Low-latency Communications，以下简称uRLLC）、大规模机器类通信（Massive Machine-Type Communications，以下简称mMTC）。无人机与可靠的蜂窝移动通讯网络结合，5G网络的优势就可以解决目前无人机应用场景中面临的技术难题。5G通信技术比4G网络实现单位面积移动数据流量增长1000倍，单用户典型数据速率提升10到100倍，峰值传输速率可达10Gbps，尤其是端到端时延缩短了5倍，每比特能源消耗应降至千分之一，低功率电池续航时间增加10倍，这些特性都非常适合于无人机平台进一步发展的要求。

5G网络大带宽、低时延的特性，可以满足无人机上行30-120Mbps的传输速率，远程操控100ms以下时延的要求。无人机的视频流可经由更短路由回传至控制中心，处于后台的AI分析模型可以实时完成视频数据的分析，对关键性的目标进行识别和确认。无人机自身的计算与数据处理能力不足，5G网络的高带宽也可以为云计算平台与无人机的结合提供必要的条件。

4.无人机集群协同技术的应用

为了有效解决了单个无人机作业时载荷相对较小，信息感知处理能力不足的限制，针对性的提出了无人机集群的技术概念。无人机集群技术的研究与应用已成为无人机应用技术发展的一个重要方向。一个由若干架同类或异类无人机组成的集群，通过无人机单机间的密切协作，分别携带不同的任务负载，就可以有效提升集群的载荷能力和信息处理能力，运用合适的控制策略与信息交互信道，就可构成一个能共同完成特定任务的自主式空中智能系统。借助智能算法在集群内实现相互间行为协同，适应环境的动态变化，对突发的情况进行自主式响应，从而具备执行复杂多变、危险任务的能力。无人机集群能够最大限度发挥无人机的优势，利用集群整体的载荷能力、数据采集能力、信息感知处理能力，一次性完成一系列高度关联性的工作任务，大幅度提升无人机应用系统的整体效能。以无人机集群为管理单元的应用系统，其设计的难度与结构的复杂程度会大幅增加，还需要解决无人机集群的网络通讯信道、无人机集群的态势感知与信息共享，无人机集群编队与智能决策控制等关键技术问题。

四、跨领域的融合创新推动无人机产业链的深度发展

技术进步对于无人机产业链的发展至关重要，多年来无人机的制造体系能够持续的迭代，其最主要的推动力是不断拓展的无人机应用场景。建立一个应用场景就可以开拓出一个与之对应的产品销售市场和衍生出的技术服务市场，但应用场景的建立必然要解决来自产业一线的需求，同时还要化解场景中各种伴生的限制因素。也正是由于在各种限制条件下，通过技术创新和应用模式的创新，让无人机与越来越多的行业完成了融合，围绕应用场景的创新推动了无人机产业链的深度发展。

1. 无人机与传统行业的融合发展

无人机与传统行业的结合是传统行业数字化转型过程的一个组成部分，对于那些已经非常成熟和稳定的传统行业，无人机技术为其提供了进一步提升效能的机会。在传统的农业、林业、工业、运输、救援等领域，无人机迅速找到了适合其发挥作用的应用场景，无人机在劳动强度大、作业风险高、人工效率低的工作任务上，有效替代了人工作业，实现了将本增效。深度发掘业务场景的需求要素，无人机应用场景在实用化的过程中将进一步细分形成新的微观生态，工业级的无人机产品包括其相关的任务载荷、应用软件都在不断的迭代以适应应用场景的变化。

无人机与传统行业的结合还在更高的维度上推动了传统产业的变革，智能无人化装备对于人力的替代只是传统产业数字化的一个环节，传统行业要实现质的飞跃其根本途径是完成对传统业务场景的认知升级。在掌握更高质量、更多维度、更有效能的信息获取手段的基础上，在数字层面对业务场景进行再现，使用越来越精准的AI分析模型去发现各种隐秘的信息，利用全新的认知优势发展出更有效能的数字化农业管理体系。植保无人机在完成日常田间任务的同时，携带多光谱相机和红外热成像仪等传感仪器对农作物或树木进行扫描，即可采集到大量的数据用于对农作物生长情况、土壤湿度、植物健康状态、缺水程度、病虫害情况进行分析，无人机为农田的管理系统提供了全新的态势感知能力，从而能针对植物与周边环境的变化，制定更精确的农田管理方案，由智能算法为无人机集群分配任务，组织无人机自主完成各项植保工作。

2. 无人机与新一代信息技术产业的融合发展

新一代信息技术的发展给无人机带来了感知能力、控制能力、信息处理能力、自主化能力的飞跃，很大程度上让无人机可以脱离人工的干预，自主完成预设的各项任务，无人机完成了从遥控飞行器到空中机器人的进化，将无人机应用系统的工作效能成倍的释放出来。信息技术的发展让各种精密的传感器成为无人机的标准装备，无人机对任务区域的态势感知可以扩展到更多的维度。无人机作为空中传感器平台能够在大地测绘、国土资源调查、气象探测、交通监管、工林业生产、物流运输、个人消费等领域产生海量的数据。

大规模数字化基础设施也将成为无人机平台发展的重要支撑，无人机平台的物理空间有限，在大规模发展数字化应用时，其机上的计算、存储、分析识别能力都会存在瓶颈，完备的5G通讯网络、云计算或超大规模算力服务中心都将成为未来无人机能力扩展的重要支撑。

人工智能技术未来对无人机产业的发展有着核心的引领导向，人工智能技术是提升无人机应用能力的关键性技术，无人机在单机智能飞行、多机智能协同、任务自主智能三个方向，存在与人工智能融合创新的巨大空间。

单机飞行智能的开发涉及到无人机对环境感知，对目标物、障碍物的识别与规避，智能飞控软件的开发要适应各类新型传感器，完成多种信息的融合，解决通信信道的稳定与可靠性问题，借助开放性、自主性和自学习具备环境自适应能力。更多的应用人工智能技术来解决路径规划与智能飞行的动态过程控制。

多机协同是无人机大型应用场景发展的主要方向，其中需要关注的关键技术是协同指挥控制以及协同态势生成与评估。多机协同路径规划和单机路径规划的算法有很大的差异，多机协同更强调单机之间的信息共享，整合集群的信息并做出最优的决策，协同无人机之间位置与路径，这样才能避免发生行驶路径混乱。将来的无人机系统会与其它的无人系统协同工作，因此要实现无人系统间可以相互理解的机器语言。

任务自主智能要达到的智能化水平和终极的无人驾驶汽车的标注一致，就是可以实现无人机完全的自主驾驶。目前的无人机在执行任务时，还需要技术人员来通过屏幕监控，在遇到突发情况时要人工介入控制飞行器，无人机对地面目标的识别和确认也需要人工的干预。

五、专业链发展体系与无人机产业生态的深度融合

无人机产业链的迅猛发展，从基础材料到生产制造已经形成了完整的产业链条，无人机在民用市场也从消费娱乐发展到了空间规模更大的工业应用领域，无人机的产业生态已经呈现多元化发展的趋势。职业院校要加入到无人机应用技术的发展体系之中，围绕无人机应用相关的各个专业之间就要组成更有活力的专业链发展生态，以超常的主动性来适应产业链的不断变化，在人才培养和应用创新两个领域构建自己的价值体系。

1. 专业链组织架构与无人机产业技术生态的融合

无人机产业发展的早期，职业院校就敏锐的捕捉的这个新兴行业的发展热点，开始在无人机应用领域探索并逐步建立无人应用型人才的培养体系，从数据上看，到2022年全国有428所高职院校开设了无人机应用技术专业。在无人机市场兴起的过程中，为整个行业提供了大批熟悉无人机操作使用的技术人才，极大的提升了社会各个领域对无人机技术的认知水平，为后来不断涌现的无人应用场景奠定了坚实的基础。

然而在当前农业、工业、运输、电力等重要行业的应用场景中，技术标准更高、可靠性更高、扩展能力更强的工业级无人机被全面采用，包括无人值守的无人机机场、激光雷达、红外相机在内的各种周边产品的出现，更是颠覆性的影响了无人机的应用模式。在很多应用场景中工业级无人机的使用方式已经完全不同于消费类无人机的传统方式。从用户的角度来看，无人机的安全性、可靠性日益增强，无人机执行任务的过程可以做到高度的自主化，而且要将整个系统的工作效能提高到更到的水平，无人机工作过程的“无人化”是必然的发展趋势。建立一个无人机应用场景的复杂度和困难度在不断提升，而无人机在整个技术体系中的比重已经变得很小，开发工作的核心任务已经转换成为对数据资源的有效利用，发展AI模型解决大规模数据分析问题的方向上。

同近几年无人机应用技术发展的情况相比较，发展应用产品或是提供应用服务，其所需要的知识储备和技术资源已经超出了单纯使用无人机的范畴，无人机与信息技术和传统行业的融合是解决体量不足与资源不足的最佳策略，将无人机与人工智能等多个专业组成专业链，或许是发展高水平的无人机应用技术能力的有效载体。但是仅仅将不同的专业堆砌在一起，其所拥有的资源也未必能够发挥其应有的效能，不同的专业之间只有形成紧密的联系与充分的协作，专业链才能转化为专业发展的生态。

产业链自身就是一个生态系统，可持续的获得来自外部环境的滋养而不断发展演化，是各种复杂的联系将生态系统内的各种要素结合成为一个有机的整体，个体间的自然产生协作行为共同推动了生态系统的发展。专业链的发展同样需要生态化的思维方式，专业链的组织结构不能完全照搬行政管理的体系。应用场景的开发是各个细分领域技术创新成果的结合，开放和协作是产业链整体可以生存发展的必然要求。

专业链的组织架构要为不同的专业或细分领域提供充分的发展空间，在各个专业建立一系列活跃的微观技术生态。在与产业融合的过程中，逐步消除专业之间传统的组织边界所产生封闭效应，保持各个微观生态的开放性，形成紧密的协作网络，知识资源和技术资源才能在专业链中持续流动，在解决企业的需求时发挥积极作用。从全局的角度来看，专业链要优化自身的发展格局，获得对产业链的认知优势是首要的条件。专业链与产业链的融合最困难的不是获得来自企业的支持，而是要理解企业最主要的需求是什么。专业链的发展需要借助产业发展的机遇，能够发现并解决企业的问题，感知行业发展的问题构建自身的能力优势，是专业链获取与产业协作的根本。

2. 专业链组织架构与无人机应用创新生态的融合

现阶段推动无人机应用场景技术创新的动力，有无人机及其相关技术进步的成果，更多的是开发者对于应用场景的认知达到了更高的水平。在应用场景中既包含有大量可以发掘的需求，也必然会出现与需求相关的各种制约性的因素。能够成功的开发一个应用场景，所依靠的未必都是奇思妙想的创造，而是在严谨的工程化思维下，利用各种成熟的技术手段在需求要素与各种制约性的条件之间取得平衡，以达到最佳的系统效能。

专业链由多个专业构成，这些专业原本就处于不同发展路径之上，专业间的发展思路必然存在较大的差异。专业链的组建不仅要形成专业间的协作关系网络，更要对不同专业的建设方向、知识体系的更新、技术资源的使用进行整合，围绕专业链的发展目标构造一个新的组织架构。专业链需要明确未来技术能力实现价值转换的目标对象，才能将差异化的个体组成一个目标一致的共同体。组成技术链条的每个研究团队虽然都有自己的发展目标，但在总体上是为同一个应用场景服务的，每个研究团队的技术成果可以借助专业链的生态优势实现自身的价值转化。

专业链发展到一定的阶段后，其所在的行业生态已经不能再从存量的技术成果中，提供更多的有价值信息来帮助其进入更高的发展阶段，专业链只有在未来产业发展的增量中寻找适合自己的生存空间。为此，在设计专业链的组织架构时，就需要为专业链内置一个隐性的发展机制，在专业体系中始终要保持多元的微观生态，在所有的资源都在紧追行业热点的时候，能够保留一定的资源用于发现那些隐含在应用场景中的重要需求，对未来将会深刻影响关键性技术进行研究，积累重要的数据资源、知识资源和技术资源。

六、总结

职业院校在无人机应用技术领域的开拓，需要充分借助当前无人机产业快速发展的机遇。利用自身专业体系建设的优势，深入到无人机应用的技术生态之中，把握新一代信息技术对无人机产业生态的改变，顺应产业生态的发展趋势重新构建自己的知识网络和技术链条。推动专业链组织结构的进化，建立一个与无人机产业生态相融合的专业链发展体系。

参考文献

[1]数字技术对中国传统产业转型升级渗透效应研究[J].吴剑辉,段瑞.经济界.2020(04)

[2]国家信息中心信息化和产业发展部，京东数字科技研究院.中国产业数字化报告2020[R].北京.2020

[3]从校企合作到产教融合——我国职业教育办学模式改革的思维转向[J].石伟平,郝天聪.教育发展研究. 2019,39(01)

[4]职业教育产教融合协同创新模式及驱动路径分析[J].林波.产业创新研究. 2023(08)

[5]产教融合共赢模式构建路径[J].程顺华.西部素质教育.2023,9(08)

[6]中国信通院.企业数字化转型技术发展趋势研究报告2023年[R].北京.2023

[7]艾瑞咨询.中国制造业数字化转型研究报告2022年[R].北京.2022