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設(shè)備與工具引用文章：
全權(quán)，李剛，柏藝琴，等．低空無人機交通管理概覽與建議[J]．航空學報2020, 41(1 ):323238.
本文導(dǎo)讀：l 研究背景l(fā) 低空無人機交通管理介紹l 低空無人機交通管理的關(guān)鍵技術(shù)l 低空無人機交通管理的相關(guān)科學問題l 總結(jié)與展望
研究背景
近年來，以多旋翼飛行器為典型代表的民用無人機發(fā)展迅猛。民用無人機應(yīng)用面非常廣泛（圖1），相關(guān)的應(yīng)用包括物流、醫(yī)療、執(zhí)法行動、新聞收集、天氣監(jiān)測以及地面交通評估等。根據(jù)中國民航局2019年第一季度無人機云數(shù)據(jù)統(tǒng)計：運行高度在120米以下的無人機占96.5%，1 000 m以下的無人機占據(jù)99.9%。然而，大量無序飛行的低空無人機運行會對地面設(shè)施、公共安全、空中載人飛行器等帶來危害。為了保證安全，民用無人機與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受全程管理。無人機空中交通管理系統(tǒng)目的是保持無人機與空中其他飛行器(如：無人機、有人機、氣球等)的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制方法。
低空無人機交通管理介紹
圖1低空空域
傳統(tǒng)民航空中交通管理不能適應(yīng)未來數(shù)以百萬架的無人機。這是因為低空空域環(huán)境(圖1所示)、無人機交通網(wǎng)絡(luò)特性，以及低空通訊、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)等，都與目前高空民航存在大量差異。傳統(tǒng)的民航空中交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)依賴政府力量，而管理方式依靠空中交通管制員和飛行員之間的語音通信以及雷達探測。即使依賴人的參與，傳統(tǒng)的民航空中交通管理依舊十分復(fù)雜。與傳統(tǒng)的民航相比，由于無人機的數(shù)量龐大，在很小區(qū)域內(nèi)可以隨時擴展到數(shù)千架，并共享有限的空域，所以無法使用像傳統(tǒng)民航交通管理系統(tǒng)這樣的集中通過管制員的方式來進行負載預(yù)測和分配。因為無人機的預(yù)期交通密度遠遠超出了當前民航空中交通管理系統(tǒng)的能力，所以我們必須考慮基于大規(guī)模并行計算的分布式解決方案，管理會更具挑戰(zhàn)性。另外，民航空中交通系統(tǒng)還在進行平臺化和信息化升級，下一代航空運輸網(wǎng)還處于過渡期，自動化系統(tǒng)等級升級過程較長且困難重重。除此之外，針對低空無人機交通的基礎(chǔ)設(shè)施都需要面向低空，而低空空域受到低空障礙物等影響。因此，通信組網(wǎng)復(fù)雜度、導(dǎo)航可靠性、監(jiān)視手段也需要更新?lián)Q代。與鐵路和公路相比，鐵路網(wǎng)可以認為是一維空間，公路網(wǎng)是受限二維空間，而無人機運行的空域是三維空間，所以無人機在避障方面更加靈活。與此同時，其墜毀對地面也帶來了安全的隱患。因此，必須合理規(guī)劃空域，并基于低空航路網(wǎng)設(shè)計無人機的空中交通管制算法，以確保實現(xiàn)安全的空中交通管制。
目前實施科學的低空無人機空中交通管理已經(jīng)成為各航空發(fā)達國家的共同選擇。盡管每個地區(qū)使用的術(shù)語和組織略有不同，但是無人機交通管理系統(tǒng)在世界各地發(fā)展的基本原理和方法非常相似，比如：美國提出的UTM(Unmanned Aircraft System Traffic Management)，歐盟提出的U-Space，以及中國提出的UOM(UAS Operation Management，圖2)。這些框架不依賴于集中控制，而是使用分布式授權(quán)的原則。該框架是一種網(wǎng)絡(luò)化的服務(wù)集合，它們結(jié)合在一起并基于共同規(guī)則彼此相通。它是為了將來的應(yīng)用而建立的，能夠隨著技術(shù)的進步和市場需求的成熟而保持相關(guān)性。
圖2. UOM框架
在無人機交通管理的實施路線上，目前無人機空管系統(tǒng)的研發(fā)在各國均正處于起步階段。預(yù)計從2020年開始貨物運輸、到邊遠地區(qū)載人，到2030年左右開始進行城市區(qū)域試驗。為此，波音、空客、霍尼韋爾和貝爾等傳統(tǒng)航空巨頭以及Uber等新興世界級影響力的企業(yè)紛紛加入。
低空無人機交通管理的關(guān)鍵技術(shù)
相比民航飛行器的交通管理技術(shù)，低空無人機交通關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。
（1）低空空域管理的關(guān)鍵技術(shù)
空域一般被定義為地球表面以上的可供飛行器飛行的空氣空間，即可航空間。我們建議以無人機類型、作業(yè)任務(wù)和場景來劃分飛行高度層：1)超低空航路空域，90-120m高度層用于輕小型及以下無人機物流配送，設(shè)計最后一公里航路網(wǎng)，主要是多旋翼無人機作業(yè)，而60-90m高度層用于保護。當然特殊場景可依據(jù)作業(yè)任務(wù)、所需通信性能和定位能力，可以設(shè)計40-50m高度層用于地面巡檢，如交通車輛巡檢、警用治安巡檢等，60-80m高度層用于房屋、基站、橋梁巡檢等。2)近低空航路網(wǎng)空域，150-270m，設(shè)計末端航路網(wǎng)，供混合翼無人機等高速前飛的無人機使用。進一步可分為兩層，用于物流配送和載人運輸。3)低空航路網(wǎng)空域，300~1000m，暫不做建議?？沼蚪M織的目的是如何結(jié)構(gòu)化空域以最大限度地提高通行能力。目前通用的構(gòu)建空域環(huán)境研究采用網(wǎng)格法(Grid)建立低空無人機低空飛行空域環(huán)境。進一步，基于網(wǎng)格化的表示，可以對空域進一步進行航路規(guī)劃，即在該連通圖上尋找從起始網(wǎng)格到終點網(wǎng)格的規(guī)避障礙物的最優(yōu)路徑。這樣一來，空域的結(jié)構(gòu)類似于城市的道路網(wǎng)絡(luò)。無人機只能進入以下三個區(qū)域：與道路起類似作用的航路、由至少兩條直線航路形成的交叉口以及節(jié)點。進一步，基于設(shè)置的空域和航路網(wǎng)，進行容量設(shè)計和評估。這方面的難點主要在于空域運行的動態(tài)性、空域結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無人機在空域的分布不均及飛行規(guī)則各異。
（2）低空飛行管理的關(guān)鍵技術(shù)
如圖3，無人機飛行管理主要包括如下內(nèi)容。1)在基于空域管理和航路網(wǎng)規(guī)劃時設(shè)定安全邊界和間隔?？梢哉J為在飛行區(qū)域和飛行航路上進行事先的限制。這里還包括動態(tài)設(shè)置禁飛區(qū)隔離空域中的無人機等。2)評估和審批飛行計劃，調(diào)整起飛授權(quán)放飛時間和降落授權(quán)。在計劃申報階段，通過與飛行計劃申報相結(jié)合，預(yù)估未來較長一段時間內(nèi)的空域容量，對飛行計劃進行審批和授權(quán)，即飛行計劃容量控制。另外，在起飛階段(考慮機場與航路)，通過計算當前運行容量，對放飛申請進行授權(quán)，即起飛授權(quán)容量控制。飛行計劃包括無人機的飛行航線，可以是人為設(shè)定的，也可以是起飛前航線進行自動規(guī)劃。除此之外，還包括在降落階段(考慮機場容量)，對降落申請進行授權(quán)。3)流量管理：動態(tài)航線規(guī)劃和飛行速度控制，使空中無人機之間保持一定的安全間隔。在運行階段，結(jié)合多種異常情況，包括交通管制、異常天氣、障礙物等產(chǎn)生的實時沖突，或者根據(jù)航路和機場的運行容量，進而觸發(fā)流量管理。這個時候沖突預(yù)計發(fā)生的時間較長(比如分鐘級別)，通過動態(tài)航線規(guī)劃和飛行速度控制修正來消除沖突。4)碰撞避讓控制：調(diào)整飛行速度和飛行方向進行障礙(危險物)避讓。這個時候沖突預(yù)計發(fā)生的時間較短(比如秒級別)，碰撞即將發(fā)生。這時對于無人機可以采用邊緣計算技術(shù)，地面管控系統(tǒng)對無人機進行實時避障控制，也可以通過機載V2V系統(tǒng)廣播碰撞信息，無人機進行自主避障控制。由此以上的技術(shù)有些來源于傳統(tǒng)民航，有些技術(shù)是新增，如：動態(tài)電子圍欄等?，F(xiàn)有民航技術(shù)的演進也已把時間因素作為重要研究課題，但是高空的交通管理遠遠沒有低空復(fù)雜，并且低空管理面臨環(huán)境變化更頻繁，考慮因素更多。
（3）低空風險管理的關(guān)鍵技術(shù)
無人機的運行安全性問題與有人機相比存在著諸多的差異。有人機考慮失效后果對自身機組人員和乘客的影響，但無人機是“人機分離”，本身沒有機組人員和乘客，因此主要考慮其對空中其它載人飛行器和地面人員的影響。因此，同一架無人機在人口密集區(qū)和荒野失效，其后果是完全不同的，因此對應(yīng)的無人機安全性指標應(yīng)有區(qū)別。傳統(tǒng)的風險評估方法在應(yīng)用于大規(guī)模、高度自動化的無人操作時存在問題。針對以上特點和問題，在確定無人機安全性指標要求時，并不是像確定有人機的安全性指標要求那樣，僅僅只針對飛行器本身事故損失率的可接受程度提出安全性指標；而是提出了“等效安全水平(Equivalent Level Of Safety，ELOS)”的原則，并基于此原則來導(dǎo)出無人機的安全性指標要求。針對無人機，無人系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)則制定機構(gòu)(Joint Authorities for Rulemaking on Unmanned Systems, JARUS)發(fā)布特許運行風險評估(Specific Operations RiskAssessment, SORA)指導(dǎo)材料。2019年2月1日，民航局飛標司、適航司和空管辦聯(lián)合下發(fā)了咨詢通告《特定類無人機試運行管理規(guī)程》(AC-92-1)。SORA評估方法對運行中的可能出現(xiàn)地面風險和空中風險進行評估，依據(jù)質(zhì)量、動能等的范圍進行分級。因此，還需要進一步考慮定量評估。它可以在保持安全的同時，實現(xiàn)大批量飛行計劃處理的自動化。針對低空無人機交通，風險評估的挑戰(zhàn)在于盡可能準確且及時地反映當前的風險。這一點對目前無人機來說非常重要，它直接決定了空域的使用，進一步?jīng)Q定了無人機在相同空域下的密度等。
圖3空中交通控制流程框圖
低空無人機交通管理的相關(guān)科學問題
交通本身就是一個很大的學科。與大部分交通不同的是，低空無人機交通具有無人(大部分上可以認為無人駕駛)、三維空間運行，以及集中式和分布式控制并行等特性，相關(guān)的問題數(shù)不勝數(shù)?？傮w來分，可以分為：風險等總體指標如何分解？相關(guān)分解指標如何設(shè)計？進一步，如何進行評估？以及如何進行標準化？下面從宏觀角度闡述相關(guān)七個科學問題（不僅限于這七個）。1)等效安全水平風險與各個分系統(tǒng)性能及人為差錯之間的關(guān)系是什么? 2)風險、空域容量、飛行經(jīng)濟性、噪聲污染、天氣情況與無人機航路網(wǎng)之間的關(guān)系是什么? 3)如何設(shè)計CNS系統(tǒng)能可靠地達到給定風險要求? 4)給定航路網(wǎng)和飛行任務(wù)，交通控制方式與給定碰撞風險之間有何種關(guān)系? 5)不確定(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化或者無人機速度發(fā)生改變)、航路網(wǎng)、交通控制方式三者需要滿足何種規(guī)律能保證交通網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定? 6)如何進行可行且準確的離線和在線的風險評估? 7)無人機空中交通系統(tǒng)遵循何種標準進行設(shè)計和開發(fā)?
總結(jié)與展望
民用無人機特別是以多旋翼飛行器為典型代表的無人機發(fā)展迅猛。為了保證安全，民用無人機與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受全程管理。無人機空中交通管理系統(tǒng)目的是保持無人機與空中其他飛行器(如：無人機、有人機、氣球等)的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制方法。無人機交通網(wǎng)與傳統(tǒng)民航網(wǎng)、公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)等之間存在一定差異，具有一定的特殊性。目前，沒有現(xiàn)成的交通控制管理方式能夠直接沿用，無人機空管系統(tǒng)的研發(fā)在各國均正處于起步階段。無人機交通管理功能主要包括空域管理、飛行管理和風險管理。針對這些管理，低空無人機交通需要攻克多個關(guān)鍵技術(shù)。以上的關(guān)鍵技術(shù)是相互耦合的：
(1)風險、空域容量、飛行經(jīng)濟性與無人機航路網(wǎng)之間存在緊密關(guān)系；
(2)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)的性能指標與風險息息相關(guān)；
(3)給定航路網(wǎng)和飛行任務(wù)，交通控制方式?jīng)Q定著碰撞風險；
(4)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化或者無人機速度發(fā)生改變等情況下，某種交通控制方式下的航路網(wǎng)可能不穩(wěn)定。
最終，為了走向真正應(yīng)用，需要對設(shè)備和流程等進行標準化。
在技術(shù)開發(fā)的同時，低空無人機交通的發(fā)展還需要公眾接受、法律法規(guī)制定和相關(guān)人才培養(yǎng)等等基礎(chǔ)條件?？梢灶A(yù)見，由于各方面的推進節(jié)奏不一致，前進的道路曲折。雖然這樣，只有堅定發(fā)展低空無人機交通，控制風險，民用無人機產(chǎn)業(yè)才能夠健康有序地向前發(fā)展。無人機交通管理技術(shù)的研發(fā)與落地，不僅能夠滿足不斷增長的無人機行業(yè)應(yīng)用需求，亦可作為有人飛行器自動化演進的重要技術(shù)途徑，實現(xiàn)航空業(yè)的快速發(fā)展，成為我國進入航空強國的重要途徑。
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