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低空无人机交通的空中智能大脑 来源:科研管理办公室 作者: 科研管理办公室

本文导读:
 

l 研究背景
 

l 低空无人机交通管理介绍
 

l 低空无人机交通管理的关键技术
 

l 低空无人机交通管理的相关科学问题
 

l 总结与展望
 

研究背景

近年来,以多旋翼飞行器为典型代表的民用无人机发展迅猛。民用无人机应用面非常广泛(图1),相关的应用包括物流、医疗、执法行动、新闻收集、天气监测以及地面交通评估等。根据中国民航局2019年第一季度无人机云数据统计:运行高度在120米以下的无人机占96.5%1 000 m以下的无人机占据99.9%。然而,大量无序飞行的低空无人机运行会对地面设施、公共安全、空中载人飞行器等带来危害。为了保证安全,民用无人机与民航飞行器一样,飞行过程必须接受全程管理。无人机空中交通管理系统目的是保持无人机与空中其他飞行器(如:无人机、有人机、气球等)的安全间隔,并提供一个高效和有序的交通流量控制方法。
 

低空无人机交通管理介绍

 


 

传统民航空中交通管理不能适应未来数以百万架的无人机。这是因为低空空域环境(1所示)、无人机交通网络特性,以及低空通讯、导航和监视系统等,都与目前高空民航存在大量差异。传统的民航空中交通系统基础设施建设依赖政府力量,而管理方式依靠空中交通管制员和飞行员之间的语音通信以及雷达探测。即使依赖人的参与,传统的民航空中交通管理依旧十分复杂。与传统的民航相比,由于无人机的数量庞大,在很小区域内可以随时扩展到数千架,并共享有限的空域,所以无法使用像传统民航交通管理系统这样的集中通过管制员的方式来进行负载预测和分配。因为无人机的预期交通密度远远超出了当前民航空中交通管理系统的能力,所以我们必须考虑基于大规模并行计算的分布式解决方案,管理会更具挑战性。另外,民航空中交通系统还在进行平台化和信息化升级,下一代航空运输网还处于过渡期,自动化系统等级升级过程较长且困难重重。除此之外,针对低空无人机交通的基础设施都需要面向低空,而低空空域受到低空障碍物等影响。因此,通信组网复杂度、导航可靠性、监视手段也需要更新换代。与铁路和公路相比,铁路网可以认为是一维空间,公路网是受限二维空间,而无人机运行的空域是三维空间,所以无人机在避障方面更加灵活。与此同时,其坠毁对地面也带来了安全的隐患。因此,必须合理规划空域,并基于低空航路网设计无人机的空中交通管制算法,以确保实现安全的空中交通管制。
 

目前实施科学的低空无人机空中交通管理已经成为各航空发达国家的共同选择。尽管每个地区使用的术语和组织略有不同,但是无人机交通管理系统在世界各地发展的基本原理和方法非常相似,比如:美国提出的UTM(Unmanned Aircraft System Traffic Management),欧盟提出的U-Space,以及中国提出的UOM(UAS Operation Management,图2)。这些框架不依赖于集中控制,而是使用分布式授权的原则。该框架是一种网络化的服务集合,它们结合在一起并基于共同规则彼此相通。它是为了将来的应用而建立的,能够随着技术的进步和市场需求的成熟而保持相关性。

在无人机交通管理的实施路线上,目前无人机空管系统的研发在各国均正处于起步阶段。预计从2020年开始货物运输、到边远地区载人,到2030年左右开始进行城市区域试验。为此,波音、空客、霍尼韦尔和贝尔等传统航空巨头以及Uber等新兴世界级影响力的企业纷纷加入。
 

低空无人机交通管理的关键技术
 

相比民航飞行器的交通管理技术,低空无人机交通关键技术亟待突破。
 

1)低空空域管理的关键技术
 

空域一般被定义为地球表面以上的可供飞行器飞行的空气空间,即可航空间。我们建议以无人机类型、作业任务和场景来划分飞行高度层:1)超低空航路空域,90-120m高度层用于轻小型及以下无人机物流配送,设计最后一公里航路网,主要是多旋翼无人机作业,而60-90m高度层用于保护。当然特殊场景可依据作业任务、所需通信性能和定位能力,可以设计40-50m高度层用于地面巡检,如交通车辆巡检、警用治安巡检等,60-80m高度层用于房屋、基站、桥梁巡检等。2)近低空航路网空域,150-270m,设计末端航路网,供混合翼无人机等高速前飞的无人机使用。进一步可分为两层,用于物流配送和载人运输。3)低空航路网空域,300~1000m,暂不做建议。空域组织的目的是如何结构化空域以最大限度地提高通行能力。目前通用的构建空域环境研究采用网格法(Grid)建立低空无人机低空飞行空域环境。进一步,基于网格化的表示,可以对空域进一步进行航路规划,即在该连通图上寻找从起始网格到终点网格的规避障碍物的最优路径。这样一来,空域的结构类似于城市的道路网络。无人机只能进入以下三个区域:与道路起类似作用的航路、由至少两条直线航路形成的交叉口以及节点。进一步,基于设置的空域和航路网,进行容量设计和评估。这方面的难点主要在于空域运行的动态性、空域结构复杂、无人机在空域的分布不均及飞行规则各异。
 

2)低空飞行管理的关键技术
 

如图3,无人机飞行管理主要包括如下内容。1) 在基于空域管理和航路网规划时设定安全边界和间隔。可以认为在飞行区域和飞行航路上进行事先的限制。这里还包括动态设置禁飞区隔离空域中的无人机等。2)评估和审批飞行计划,调整起飞授权放飞时间和降落授权。在计划申报阶段,通过与飞行计划申报相结合,预估未来较长一段时间内的空域容量,对飞行计划进行审批和授权,即飞行计划容量控制。另外,在起飞阶段(考虑机场与航路),通过计算当前运行容量,对放飞申请进行授权,即起飞授权容量控制。飞行计划包括无人机的飞行航线,可以是人为设定的,也可以是起飞前航线进行自动规划。除此之外,还包括在降落阶段(考虑机场容量),对降落申请进行授权。3)流量管理:动态航线规划和飞行速度控制,使空中无人机之间保持一定的安全间隔。在运行阶段,结合多种异常情况,包括交通管制、异常天气、障碍物等产生的实时冲突,或者根据航路和机场的运行容量,进而触发流量管理。这个时候冲突预计发生的时间较长(比如分钟级别),通过动态航线规划和飞行速度控制修正来消除冲突。4)碰撞避让控制:调整飞行速度和飞行方向进行障碍(危险物)避让。这个时候冲突预计发生的时间较短(比如秒级别),碰撞即将发生。这时对于无人机可以采用边缘计算技术,地面管控系统对无人机进行实时避障控制,也可以通过机载V2V系统广播碰撞信息,无人机进行自主避障控制。由此以上的技术有些来源于传统民航,有些技术是新增,如:动态电子围栏等。现有民航技术的演进也已把时间因素作为重要研究课题,但是高空的交通管理远远没有低空复杂,并且低空管理面临环境变化更频繁,考虑因素更多。
 

3)低空风险管理的关键技术
 

无人机的运行安全性问题与有人机相比存在着诸多的差异。有人机考虑失效后果对自身机组人员和乘客的影响,但无人机是“人机分离”,本身没有机组人员和乘客,因此主要考虑其对空中其它载人飞行器和地面人员的影响。因此,同一架无人机在人口密集区和荒野失效,其后果是完全不同的,因此对应的无人机安全性指标应有区别。传统的风险评估方法在应用于大规模、高度自动化的无人操作时存在问题。针对以上特点和问题,在确定无人机安全性指标要求时,并不是像确定有人机的安全性指标要求那样,仅仅只针对飞行器本身事故损失率的可接受程度提出安全性指标;而是提出了“等效安全水平(Equivalent Level Of SafetyELOS) ”的原则,并基于此原则来导出无人机的安全性指标要求。针对无人机,无人系统联合规则制定机构 (Joint Authorities for Rulemaking on Unmanned Systems, JARUS)发布特许运行风险评估 (Specific Operations RiskAssessment, SORA)指导材料。201921日,民航局飞标司、适航司和空管办联合下发了咨询通告《特定类无人机试运行管理规程》(AC-92-1)SORA评估方法对运行中的可能出现地面风险和空中风险进行评估,依据质量、动能等的范围进行分级。因此,还需要进一步考虑定量评估。它可以在保持安全的同时,实现大批量飞行计划处理的自动化。针对低空无人机交通,风险评估的挑战在于尽可能准确且及时地反映当前的风险。这一点对目前无人机来说非常重要,它直接决定了空域的使用,进一步决定了无人机在相同空域下的密度等。
 


 

低空无人机交通管理的相关科学问题
 

交通本身就是一个很大的学科。与大部分交通不同的是,低空无人机交通具有无人(大部分上可以认为无人驾驶)、三维空间运行,以及集中式和分布式控制并行等特性,相关的问题数不胜数。总体来分,可以分为:风险等总体指标如何分解?相关分解指标如何设计?进一步,如何进行评估?以及如何进行标准化?下面从宏观角度阐述相关七个科学问题(不仅限于这七个)。1)等效安全水平风险与各个分系统性能及人为差错之间的关系是什么? 2)风险、空域容量、飞行经济性、噪声污染、天气情况与无人机航路网之间的关系是什么? 3)如何设计CNS系统能可靠地达到给定风险要求? 4)给定航路网和飞行任务,交通控制方式与给定碰撞风险之间有何种关系? 5)不确定(网络结构变化或者无人机速度发生改变)、航路网、交通控制方式三者需要满足何种规律能保证交通网络的稳定? 6)如何进行可行且准确的离线和在线的风险评估? 7)无人机空中交通系统遵循何种标准进行设计和开发?

 

总结与展望
 

民用无人机特别是以多旋翼飞行器为典型代表的无人机发展迅猛。为了保证安全,民用无人机与民航飞行器一样,飞行过程必须接受全程管理。无人机空中交通管理系统目的是保持无人机与空中其他飞行器(如:无人机、有人机、气球等)的安全间隔,并提供一个高效和有序的交通流量控制方法。无人机交通网与传统民航网、公路网、铁路网等之间存在一定差异,具有一定的特殊性。目前,没有现成的交通控制管理方式能够直接沿用,无人机空管系统的研发在各国均正处于起步阶段。无人机交通管理功能主要包括空域管理、飞行管理和风险管理。针对这些管理,低空无人机交通需要攻克多个关键技术。以上的关键技术是相互耦合的:(1)风险、空域容量、飞行经济性与无人机航路网之间存在紧密关系;(2)通信、导航和监视系统的性能指标与风险息息相关;(3)给定航路网和飞行任务,交通控制方式决定着碰撞风险;(4)在网络结构变化或者无人机速度发生改变等情况下,某种交通控制方式下的航路网可能不稳定。最终,为了走向真正应用,需要对设备和流程等进行标准化。
 

在技术开发的同时,低空无人机交通的发展还需要公众接受、法律法规制定和相关人才培养等等基础条件。可以预见,由于各方面的推进节奏不一致,前进的道路曲折。虽然这样,只有坚定发展低空无人机交通,控制风险,民用无人机产业才能够健康有序地向前发展。无人机交通管理技术的研发与落地,不仅能够满足不断增长的无人机行业应用需求,亦可作为有人飞行器自动化演进的重要技术途径,实现航空业的快速发展,成为我国进入航空强国的重要途径。