城市無人機(jī)交通管理研究

項悅 徐慶彬 李震

摘 要 文章首先概述了城市無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，從指導(dǎo)方針、管理框架、解決方法3個方面充分闡述新加坡城市無人機(jī)空中交通管理模式，并對該模式進(jìn)行評價，為我國城市無人機(jī)管理模式提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞 空中交通管理；無人機(jī)；城市交通

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）220-0153-02

隨著無人機(jī)的快速發(fā)展，政府機(jī)構(gòu)、娛樂和商業(yè)用戶對無人機(jī)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求在不斷增長[ 1 ]，據(jù)Lucintel全球市場調(diào)查公司預(yù)測，2018 年全球無人機(jī)市場的產(chǎn)值將達(dá)到90億美元，美國將成為世界第一大無人機(jī)市場[2]。2017年11月19日，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）宣布其所在的航空研究任務(wù)委員會正致力于推進(jìn)一項和人民生活息息相關(guān)的研究工作——城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM），NASA對其定義是：“一個簡單、有效的、在城市運(yùn)行的客貨運(yùn)輸系統(tǒng)，包括小包裹遞送以及其他無人機(jī)系統(tǒng)服務(wù)。”[3]。新加坡南洋理工大學(xué)和新加坡民航局（Civil Aviation Authority of Singapore，CAAS）聯(lián)辦的航空交通管理研究院研究的“無人機(jī)空管系統(tǒng)”由南大機(jī)械與宇航工程學(xué)院牽頭研發(fā)，目前已完成初步設(shè)計以及軟件開發(fā)，并已在2018年開始進(jìn)行實際測試，該系統(tǒng)旨在確保多架無人機(jī)在人口密度極高的城市環(huán)境中能安全有效地運(yùn)作[4]。文章對新加坡“城市無人機(jī)空管系統(tǒng)”現(xiàn)階段研究進(jìn)行總結(jié)、梳理和提煉，對制定和完善我國城市無人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)具有十分重要的借鑒意義。

1 新加坡無人機(jī)管理指導(dǎo)方針

1.1 小范圍的城鎮(zhèn)區(qū)域劃分

將城鎮(zhèn)區(qū)域成塊劃分，劃分成相對獨(dú)立的小型區(qū)域，以便于對無人機(jī)進(jìn)行區(qū)域化管理，這樣管理相比于大區(qū)域管理更為簡單、高效。

1.2 零售區(qū)

典型城市會設(shè)置服務(wù)于居民區(qū)（需求點）的零售區(qū)域（供應(yīng)點），一般設(shè)在城市周邊。要充分考慮高密度的建筑群會限制可能的起飛和著陸區(qū)域，用戶能否方便及時到達(dá)相應(yīng)區(qū)域，城市建筑結(jié)構(gòu)是否適合無人機(jī)起降，以及是否有足夠空間進(jìn)行無人機(jī)起降。無人機(jī)供應(yīng)點的起飛和降落區(qū)域在建筑物之上保持水平間隔20m，這是因為考慮到各種無人機(jī)的翼展范圍在1.05m左右，以保證無人機(jī)之間留有一定的安全裕度，防止無人機(jī)之間互相干擾。

1.3 住宅區(qū)

作為用戶指定的需求/接收點（運(yùn)行終點），正因為新加坡獨(dú)特的城市功能，每個城區(qū)都有開闊地帶和多層頂樓停車場可以作為無人機(jī)可能起降的區(qū)域，但應(yīng)當(dāng)充分考慮最大化利用現(xiàn)有的城市基礎(chǔ)設(shè)施以降低成本。

1.4 服務(wù)半徑

起降區(qū)域（The takeoff and landing areas，TOLA）能夠服務(wù)于半徑覆蓋面之內(nèi)的居民。已經(jīng)進(jìn)行的研究確定了一個人前往不同運(yùn)輸模式的步行距離，根據(jù)調(diào)查的結(jié)果和現(xiàn)場評估，表明平均步行距離大約是500m。無人機(jī)的服務(wù)區(qū)域以小型區(qū)域中心為圓心，500m為半徑圍成的圓形區(qū)域，因為城市的高密度性，重疊的TOLA將服務(wù)多個居民區(qū)。

1.5 uTM-UAS框架實現(xiàn)

設(shè)計uTM-UAS框架，一些主要的需求需要首先被定義，因為預(yù)想中uTM的功能是基于這些需求來設(shè)計的，建立一個靈活的基于城市環(huán)境優(yōu)化的無人機(jī)運(yùn)行空域管理系統(tǒng)。建設(shè)城市無人機(jī)管理框架，為城市無人機(jī)管理搭建平臺，面臨最迫切的需求是：

1）建立靈活的動態(tài)的空域，使空域利用最優(yōu)化。

2）建立適應(yīng)城市環(huán)境需要的技術(shù)和風(fēng)險管理，進(jìn)行相應(yīng)的無人機(jī)風(fēng)險預(yù)警，風(fēng)險管控，風(fēng)險評估，防止無人機(jī)之間互相干擾，碰撞。

3）建立具有重要的功能的可靠的無人機(jī)管理系統(tǒng)，以確保無人機(jī)在城市高空有效、安全、高效的運(yùn)行。

2 模塊化城市無人機(jī)管理框架

uTM-UAS框架包含3個主要被交互相聯(lián)的模塊：uTM-UAS功能，用戶界面，數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)安全將會維持為每一個單獨(dú)的模塊，同時也是它們之間的數(shù)據(jù)鏈接。為所有用戶提供空域交通流量，空域限制和情景意識。

2.1 uTM-UAS功能

主要包括城市空域管理、C2管理、飛行管理及風(fēng)險管理四個主要功能模塊。

uTM-UAS提供了所有主要的uTM功能，使無人機(jī)系統(tǒng)在新加坡城市空域內(nèi)安全、高效地運(yùn)行。戰(zhàn)略層處理的是uTM服務(wù)的分析方面，這是便于uTM控制人員使用。所有四個模塊都依賴于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并且貢獻(xiàn)新的數(shù)據(jù)回到數(shù)據(jù)庫。此外，數(shù)據(jù)的流動和交換不只在四個模塊之間，也存在于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層的每個模塊之間。在深入研究四個核心模塊的細(xì)節(jié)之前，有必要建立一個通用的數(shù)據(jù)處理、分析、集成和可視化機(jī)制。

2.2 用戶界面

無人機(jī)操作員用戶界面（UA operator UI）只具有戰(zhàn)術(shù)功能，主要是從uTM控制人員或者具有相應(yīng)權(quán)限的“無人機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)”獲得授權(quán)，提高空域用戶之間的情景意識。

戰(zhàn)略功能構(gòu)成了支持戰(zhàn)術(shù)功能的基礎(chǔ)，而且它們只能由uTM操作員用戶界面（uTM operator UI）訪問。它為總體管理目的提供分析功能，如空域結(jié)構(gòu)設(shè)計、空域指數(shù)分析和自動航路規(guī)劃。除了提供uTM運(yùn)營服務(wù)，它還具備模擬和研究相關(guān)概念和算法的能力，以便進(jìn)一步細(xì)化和開發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是整個uTM框架的基礎(chǔ)。它獲取、存儲和管理各種類型的數(shù)據(jù)，以支持uTM系統(tǒng)的運(yùn)作，可以將其定義為兩類，即靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括相對地恒定的信息，例如無人機(jī)規(guī)格，操作員信息，永久禁飛區(qū)，地形數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)由可變信息組成，包括運(yùn)行UA狀態(tài)、動態(tài)地理圍欄空域、天氣、緊急情況等，數(shù)據(jù)庫有多個數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)將被用于不同的模塊。

3 空域解決方法

建立AirMatrix模型，如圖1所示。整個城市空域在高度上被切成多個層，每層都被進(jìn)一步劃分為立方體 airblocks（空氣塊）的緯度和經(jīng)度。其目的是利用airblocks的中心點作為城市空域的采樣點，進(jìn)行任何計算、模擬、測量和分析，并利用airblocks進(jìn)行顏色編碼可視化，使整個城市空域能夠在離散和系統(tǒng)的方式下得到管理。

盡管所有的 airblocks 都假定具有相同的大小，但單個 airblock 在緯度、經(jīng)度和高度上的尺寸不一定相同。它們可以根據(jù)不同的分析模型、需求、容量、約束等進(jìn)行變化。AirMatrix中所有的uTM功能現(xiàn)在都有一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析和渲染機(jī)制。

4 結(jié)論

我國城市消費(fèi)級無人機(jī)數(shù)量的不斷增加，勢必會面臨一系列的安全、技術(shù)和規(guī)章方面的挑戰(zhàn)。在我國城市無人機(jī)的管理過程中，無人機(jī)的無序、非法飛行，給社會、民航業(yè)和個人帶來了極大的負(fù)面影響及損失[5]。新加坡城市無人機(jī)管理的指導(dǎo)方針和管理框架可以為我國城市無人機(jī)管理帶來合理的借鑒和指導(dǎo)，然后結(jié)合我國無人機(jī)發(fā)展相關(guān)的實際情況，建立安全高效的城市無人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)，這將對我國城市無人機(jī)的健康發(fā)展帶來積極影響。

參考文獻(xiàn)

[1]姚思浩.無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].電子制作，2018（1）：96-98.

[2]Lucintel. Growth opportunity in global UAV market. Ac-cessed July 1，2012， at www.Lucintel.com/ lucintel-brief/UAVmarketOpportunity.pdf.

[3]NASA. NASA Embraces Urban Air Mobility， Calls for Market Study[EB/OL].[2017-11-09].https：//www.nasa. gov/aero/nasa-embraces-urban-air-mobility.

[4]佚名.新加坡研發(fā)無人機(jī)管理系統(tǒng)[J].航空模型，2017（2）：84.

[5]錢季平.民用微型無人機(jī)安全監(jiān)管的困境及對策[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2015（33）：136-138.