無人機運行風險評估及不確定性綜述

張宏宏 甘旭升 辛建霖 徐 暢 柯賢鑫

（空軍工程大學空管領航學院，陜西 西安710051）

無人機，是由控制站管理的航空器，也成為“遙控駕駛飛行器”（Remotely Piloted Aircraft,RPA） 或者“遙控駕駛平臺”（Remotely Piloted Vehicle,RPV）。大多數無人機系統由無人機或遙控飛行器、人的因素、任務載荷、指揮與控制單元、發射回收單元以及通信數據鏈等組成[1]。

隨著智能化水平快速提升，無人機在軍事、農業、資源勘探、漁業等多領域應用廣泛，一些遠程大型無人機不斷涌現，遠程無人機使用全空域運行已是必然趨勢。融合空域具有高度復雜性、線性、非線性之間相互耦合，具有高度不確定性。目前對無人機在隔離空域的研究較多，在融合空域內的無人機不確定性與安全風險評估研究較少。

1 無人機系統安全風險評估

無人機進入融合空域后，航空器在一定間隔下飛行時的安全目標水平（Target Level of Safety，TLS）可以來衡量無人機是否與有人機擁有相同的性能標準。無人機系統操作監管的主要目標是確保適當水平的安全性，大多數國家的航空機構將此目標量化為與“有人機”具有相同安全水平標準，稱為ELOS（Equivalent Level of Safety）原則。

在地面撞擊死亡事故中，目前，對于預期死亡頻率fF公式在不同文獻中，由于研究偏重與考慮細節不同，表達式也有細微差別[2]。

式中，Nexp表示暴露在事故中的人數，P（fatality|exposure）表示暴露在事故中的人受到傷害的概率，fGIA表示地面撞擊事故的概率。

進一步對上式進行實際化，在地面撞擊事故中，往往存在多個傷害場景，不同的傷害場景的模型參數差異過大，這時候就需要應用多組模型進行衡量事故死亡率。

式中，i 表示事故傷害的場景數，分組模型公式更好地對事故狀況進行模擬，但也需要提供更多得參數，效果也比單場景模型好。

人口密度ρ 在不同撞擊場景中往往取值差異較大。傷害面積Aexp與無人機的機械結構與撞擊角度有關，暴露在事故中的人受到傷害的概率P（fatality|exposure）表示為：

式中，Z 為正態分布參數，Eimp表示撞擊動能。

2 無人機運行不確定性因素

2.1 人為因素不確定性

人是無人機系統重要的組成部分。目前無人機的閉環任務執行過程，都需要人為參與，但目前影響無人機運行的人為因素類型多、主觀意愿強，具有不可預測性，具有高度不確定性。如何降低無人機運行過程中的人為因素，是無人機進入融合空域的關鍵因素。無人機智能化是當前無人機發展的趨勢，這也會造成無人機認為因素的干擾降低。

操作環境主要是由人- 機交互界面等因素組成，友好的操作環境能保證無人機操作員在面臨高度不確定性環境下，有效、高效地執行程序。人- 系統集成（Human-Systems Integration,HSI）是一項涉及多領域的系統工程，涉及對技術層面、人為因素、執行效率、人力、訓練、安全等領域的綜合化集成，積極的人為因素有助于人- 機集成系統執行高效。系統自動化旨在降低操作員的工作量，從系統的層面上提高無人機態勢感知的能力。同時機組規模、編成和訓練等因素對無人機效能發揮起到輔助作用。

2.2 機載設備不確定性

無人機具有體積小、高機動性等特點，程序化的控制策略已經不能滿足多任務的需求，無人機智能化、自動化執行任務已成為無人機進入國家空域的核心技術，但無人機由于自身機載電子設備的系統性誤差，會造成無人機系統在信息探測、信息傳輸、信息接收等領域的數據產生失真，無人機接收到具有不確定性的數據信息，執行的指令效果也大打折扣，從而影響無人機的安全運行。

無人機的系統不確定性主要由三個方面產生。

第一，指令遙測遙控，與有人機的駕駛員能夠實時進行態勢感知與精確判斷不同，無人機的操作指令都是通過地面站與機載設備的數據鏈進行傳輸，缺乏有人機駕駛員那種直接感受、判斷、決策的精準。

第二，預編程序控制，無人機通過內置程序進行導航、制導與控制，但這種控制方式隨著無人機在融合空域內運行，誤差逐步累積，造成無人機偏離航向、無法返航、定位誤差等結果。

第三，復合控制技術，無人機將指令遙測遙控與預編程序控制兩種控制方式結合在一塊，雖然綜合發揮了兩種制導方式的優勢，但也具有兩種控制方式的劣勢，系統誤差造成的不確定性無法避免，對無人機空中運行安全造成了威脅。

2.3 復雜空域環境不確定性

與無人機在“隔離空域”運行情況不同，融合空域內航空器類型多元，有人機與無人機混雜，入侵機速度、體積、航線等因素多元；融合空域內空域類型多樣，飛行禁區、軍事訓練區、臨時飛行禁區、終端區、航路航線等空域類型構成了復雜的融合空域，無人機如何在不確定的空域類型中保證其安全飛行以及巡航能力，是目前無人機進入國家空域急需解決的問題；空域環境具有高度不確定性，航空器處于空域內不同的高度層，從低空到高空都分布著不同類型的航空器，特別是在低空區域，隨著“低空開放”政策的逐步落實，低空將成為最復雜的空域。這些因素都給無人機運行帶來巨大風險與挑戰。如何克服無人機復雜融合空域內的不確定性因素，解決無人機在運行過程中的在感知與避撞能力、協同能力、執行任務能力是無人機進入國家空域的關鍵因素。

3 結論

融合空域內無人機的安全運行是一項系統工程，對無人機進入國家空域后風險評估進行闡述，再對無人機在運行過程遇到的人為因素、機載設備、復雜空域環境等不確定性因素進行綜述，為下一步無人機離開隔離空域進入融合空域提供了理論依據。