城市低空航路規劃研究綜述

張洪海，李 姍，夷 珈，鐘 罡

（南京航空航天大學民航學院，南京 211106）

1 城市低空航路規劃概況

1.1 基本概念

2019 年5 月14 日，民航局在《促進民用無人駕駛航空發展的指導意見（征求意見稿）》中明確提出加強對于“低空航路航線規劃與構建技術”的研究，促進中國低空空域資源的合理開發與高效利用［1］。低空空域是“低慢小”航空器實現空中交通的可航空間，是國家空域體系的重要組成部分。中國現行的低空空域管理體制是在國家空管委領導下，由空軍負責統一組織實施。《低空空域使用管理規定（試行）（征求意見稿）》明確提出中國低空空域原則上是指全國范圍內真高1000m（含）以下區域［2］。隨著未來發展需要，《關于促進通用航空業發展的指導意見》提出可將低空空域范圍擴展至3000m［3］，這將大幅度提升低空飛行器的活動空間。航路是由國家統一劃定的具有一定寬度和高度的空中通道，屬于特殊的走廊式保護空域。目前，航路按“東單西雙”原則劃分航路高度層，即向東飛的航空器使用單數高度層，向西飛的航空器使用雙數高度層。航路配備全向信標臺（VHF omni-directional range，VOR）、測 距 儀（Distance measure equipment，DME）等一系列助航設施，為沿途航空器提供通信、導航和監視等空中交通服務，以保障航空器的安全有效運行。

低空時空環境復雜多變，傳統的航路規劃方法已無法匹配目前低空發展的實際情況，亟需研究適用于低空的航路規劃方法。近年來，加拿大滑鐵盧大學、美國航空航天局、新加坡南洋理工大學、荷蘭代爾夫理工大學、中國南京航空航天大學等國內外相關組織與機構逐步深入開展對于城市低空航路規劃的研究。城市低空航路規劃作為空中交通管理的基礎，是實現復雜低空有人機與無人機混合密集飛行的關鍵手段，也是大力發展通用航空與無人機產業的重要前提。城市低空航路規劃涉及空域規劃、航路構建、基礎設施建設和運行評估等多領域，其中航路網絡設計是低空航路規劃的核心內容，也是近年來國內外相關機構的重點研究內容之一。滑鐵盧大學［4］面向無人機交通管理，設計出一種包含航路、節點、自由飛行區域、連接路徑、交叉口等新概念的分層無人機網絡控制架構（The Internet of drones，IoD）。美國航空航天局［5］以沃斯堡機場都市區為研究對象，設計出一種以達拉斯垂直起降機場為中心，與周邊19個其他城市垂直起降機場為關鍵樞紐的放射形城際空中交通航路網絡結構。該航路網絡共包含190條不同的航路，可以實現區域內各城市之間的高效通勤。南洋理工大學［6］依托城市布局提出了3種低空航路結構。代爾夫特理工大學［7］提出了固定路線結構的管道航路，該航路是由節點與邊所組成的結構，除節點外，在同一水平面內的管道永不相交，且它們彼此之上的管層節點密度逐漸減小。南京航空航天大學以上海某區域為設計場景，提出了城市空中交通發展初級階段概念圖［8］，重點圍繞物流無人機的末端配送進行了航路網絡設計［9］。北京航空航天大學提出了“空中高速公路（Sky highway）”，設計了航路網結構參數和提出基本控制方案，側重將分布式自主控制和集中式調度相結合，以提高未來無人機流量［10］。低空空域內運行的載運工具主要包括垂直起降（Vertical take off and landing，VTOL）、航空器和短距起降（Short take off and landing，STOL）航空器等。部分學者認為此類航空器飛行靈活、自由度高，僅需較小的起降場地便可輕松響應用戶點對點的運輸需求，會成為未來城市空中交通的主要載運工具，面向垂直起降航空器運行的低空航路網絡設計研究也逐漸成為熱點。

城市低空的航路規劃方法研究逐漸走向成熟，各國研究機構依據本國低空空域的管理情況與相關產業發展的實際需求，圍繞不同的運行場景開展研究。然而，多數研究并未應用至實際運行場景中，仍以仿真驗證為主。城市低空的航路規劃不僅僅需要理論的支撐，更要考慮到空域管理、通導監技術、基礎設施建設等多方面因素。尤其中國空域管理更為嚴格，低空空域尚未完全開放，國外的研究成果無法完全適應中國低空空域的運行需要。因此需結合中國未來空中交通的發展需求，構建適用于中國的城市低空航路規劃方案，以實現城市復雜低空多類型航空器混合有序的運行。在航路劃設過程中，主要包括空域分類劃設、基礎設施建設、航路網絡構建和運行安全評估4個層面。低空空域劃設是構建航路的基石，航路的高效運行離不開起降場、通信導航設備等基礎設施的科學布局，運行安全評估又為規劃合理可靠的航路提供重要參考。

1.2 發展需求

近年來城市車輛數量急劇增長，交通擁堵日益嚴重，有限的陸用空間與不斷增長的交通需求之間矛盾顯著，亟需探索低空空域發展潛力，發掘新興交通模式，逐步建立城市低空航路規劃體系，以滿足低空航空器的運行需求；另外，隨著通用航空與無人機產業迎來發展熱潮，隨之而來的低空航行器“黑飛”亂象日漸凸顯，對地區的治安管理、公眾隱私等方面構成威脅。

在空中交通建設方面，韓國在城市空中交通規劃方案中提出“4階段”發展計劃，在建設初期（2025—2029年）計劃完成初期航路與相關基礎設施的建設，在發展期（2030—2035年）計劃擴大航線規模，增加商業元素，預計在2035年以后實現低空航空器在可擴展的空域環境中自主飛行。在通用航空發展方面，中國航空運輸協會在《2020—2021中國通用航空發展報告》中指出，截至2020年底，全國通用航空企業共計523家，通用航空器在冊總數4165架，全行業無人機運營企業為11084家，注冊無人機達51.7萬［11］。在物流運輸方面，亞馬遜公司針對用戶的包裹重量進行分析，統計結果顯示大約83%的包裹在2.5kg以下［12］，86%的包裹能夠滿足無人機運輸承載能力要求［13］。美國國家航空航天局在城市空中交通市場報告中提出，預計在2030年無人機物流將承擔5億單的包裹配送服務［14］。

低空交通市場規模不斷擴大、用戶需求日益增長，但城市低空航路的規劃體系在空域分類劃設、基礎設施建設、航路網絡構建和運行安全評估等方面還需要進一步完善，以促進低空產業鏈的穩健發展。

2 城市低空航路規劃發展歷程

2.1 發展進程

低空航路的設計與構建可以追溯至20世紀40年代，自1946年美國貝爾47直升機首次獲得航空適航證以來，人們便開始了對低空空域資源的探索［15］。近年來，伴隨著低空航空器性能逐步提高，低空交通需求日益旺盛，國內外諸多學者紛紛開展了對低空航路規劃的研究。縱觀國內外低空航路規劃發展進程和現狀，在科研驅動、政策利好的良好環境下，中國逐漸形成優勢。目前，國內外低空航路的發展大致可為科學研究和試點驗證兩部分。

（1）科學研究

國外南洋理工團隊為主要代表，該團隊從2014年起就將城市上空的低空航路規劃作為了重點研究內容之一，并在2017年已形成了較為完整的低空航路構建體系，整個框架體系涉及起降程序設計、運行風險評估、動態航路規劃等多項關鍵技術［16-17］。國內，柳煌等［18］提出低空航路劃設的基本步驟。其中具體流程包括：①確定航路規劃的任務區域，明確地形障礙物威脅，無人機性能參數等限制條件；②采用合適的航路規劃算法，參考任務要求，在限制條件約束下生成無人機的參考航路；③對航路進行優化，滿足越障高度，最小轉彎半徑等限制，并劃設相應的保護區。隨后，白龍等［19］歸納總結了城市區域（超）低空空域無人機活動高度-密度規則、覆蓋區規則和隔離區規則以及優化方式。

（2）試點驗證

國外，美國于2017年首次提出無人機交通管理走廊，建造了一條80km長的無人機空中航路，并利用雷達和地面感應器對無人機進行追蹤，確保其安全間隔［20］。2017年2月，新加坡民航局啟動了“Skyways項目”，測試無人機在預定空中航路中運輸物品的實際效果［21］。國內，也逐步開展低空航路建設與運行試點工作，湖南在3000m以下低空空域實現了航空器通信導航全覆蓋、低空空域可監管、航空器運行能管理，為全國低空開放提供了模版，為通航航路的發展提供契機。

總體而言，中國多將航空器的運行安全作為低空航路規劃的重要參考因素，國外多考慮商業運行的實際需求。未來隨著低空交通生態體系在空域管理、適航條例、基礎設施建設以及社會認知接受度等方面進一步的完善［22］，低空航路的研究范疇也將進一步擴展。未來城市低空航路的建設將與地理信息系統、遙感技術相結合，利用地理信息系統和地理網格測繪技術構建高精度、高分辨率的地理信息，并且通過遙感技術，動態地更新數據，以支持城市低空航路的建設。另外，完善人工和自然障礙物地理圍欄，明確地理圍欄保護區范圍，建立地理圍欄邊界定量更新系統，也是城市低空航路發展的重要支撐［23］。

2.2 研究現狀

航路概念方面，未來無人機將會成為低空空域內運行的主要航空器類型之一，中國科學院在2017年提出了針對無人機運行的低空公共航路，并構建了較為完整的理論體系［24］。無人機低空航路的概念最初由中國科學院率先提出并得到業界和中國民用航空局認可。2018年，中國航空運輸協會通用航空分會提出“小微航路”概念，建立有別于運輸航空的低空航路審批和運行保障機制，可以管理絕大部分通用航空飛行作業，保障通用航空作業合理合法地運行［25］。同年，南洋理工大學［6］提出了適應性城市空域的概念（Adaptive urban airspace，AdUrA），涉及不同類型的航路網絡以滿足不同的城市空中交通運輸需求。2019年，鹿明等［26］定義了無人機低空多級公共航路的概念，研究了無人機低空多級航路規劃的關鍵技術，將其應用到全國和京津冀航路網規劃設計中，介紹了基于地理信息技術手段生成的區域低空無人機航路網的構建過程，展示了全國無人機低空骨干航路和區域多級航路示意圖。2020年，徐晨晨等［27］提出一種基于遙感和地理信息技術的城鎮化區域低空公共航路網的高效迭代構建方法，基于地面路網生成具有多高度層的Ⅰ級航路網，利用航路正約束地理要素生成Ⅱ級航路網，規避負約束地理要素構建Ⅲ級航路網，通過仿真飛行和實際飛行測試分別生成Ⅳ、Ⅴ級航路網，通過實際測量對比分析來檢驗無航空器飛行的環境地圖，保證飛行的安全性。隨著低空航路概念的進一步普及和深化研究，杭州迅蟻網絡科技有限公司在杭州城區開展無人機快遞運送試點工作，并在杭州重點示范區內，進行了無人機低空物流航路規劃。

航路網絡設計與構建方面，張啟瑞等［28］在2015年提出面向密集建筑物空間的局部回溯航路設計方法，建立了局部視界范圍內的最優回溯模型，通過添加相應約束條件來描述密集建筑物空間航路設計問題，提出基于局部回溯和廣度優先思想相結合的綜合路徑規劃方法，實現了對不規則障礙空間中“航路死區”的突破。2016年，加拿大滑鐵盧大學［4］針對航路網絡結構進行了初步的定義與設計。2017年，澳大利亞昆士蘭科技大學［29］做出了世界上首次對航路網絡結構建模的嘗試，首先選擇適合嵌入無人機系統（Unmanned aerial system，UAS）航路網絡的城市低空可行區域，然后利用改進KNN（K-nearest neighbour）分類算法確定無人駕駛交通網絡的航路結構，其思想在于對每個網絡節點n，找到與其最接近的K個節點，并假設該節點與其最接近的K個節點之間存在網絡連接。對于第i個節點，第k個最小的歐式距離dk i到由Nk定義的節點集合的歐氏距離為

式中x(?)、y(?)分別為對應節點的經度和緯度。

空 域 結 構 與 容 量 方 面，Vidosavljevic等［30］在2015年針對無人機在城市空域運行的概念提出了非結構化空域和3種結構化空域（Layers，zones，tubes）的設想，為未來50年內的城市環境研究全新的空域設計概念，確定城市空域設計概念中涉及的結構以及其影響交通狀況的復雜性。同年，Clothier等［31］設計了Barrier-bow-tie模型，說明如何將空中碰撞事故的風險管理控制在可接受水平范圍內，通過實時優化空中航路實現碰撞事故的動態規避。2016年，Sunil等［32］將自由航路、分層航路、扇形航路和管道航路這4個空域概念置于多個交通需求場景中，從交通需求變化對安全、效率和穩定性指標的影響推斷出結構-容量關系。安全表示航空器之間保持安全間隔的能力，表示為

式中：T和s分別表示推理和位移的矢量；以往研究中，多使用多米諾效應參數（Domino effect parameter，DEP）。DEP通常與空域穩定性成反比，因此可表示為

式中：S1為無法解決沖突的集合；S2為可解決的沖突 集 合；R1=S1S2；R2=S1∩S2；R3=S2S1。基于此，討論了不同空域航路結構與極限交通流密度的關系，分析得出了影響空域容量的重要因素。2017年，Sunil等［7］還從多種交通需求密度對空域指標的影響入手，模擬比較了4個分散的航路空域概念，結果表明，在不同的飛行高度，利用空域的垂直分割來分離不同飛行方向的交通時，空域容量是最大的。2019年，Zhu等［33］提出了一種面向城市空中出行的無沖突航線預規劃方法，面對結構化空域，將飛行軌跡離散為時間段并建立整數規劃模型，確定每個時間段動態地理圍欄的位置，避免與已提交的飛行計劃發生沖突，同時提出了一個速度剖面模型使飛行軌跡更加平滑。

3 城市低空航路規劃體系框架

3.1 框架體系

目前，中國對于城市低空航路的建設仍處于初期發展階段，尚未形成完備的低空航路規劃體系。因此，在現有研究基礎上，結合中國空中交通管理現狀，本文提出了城市低空航路規劃體系框架，該體系框架主要由空域范圍規劃、基礎設施建設、航路網絡構建和運行安全評估4部分組成，框架結構如圖1所示［4，34-39］。其中：空域規劃作為航路規劃的基礎環境，由空域劃分和空域結構組成；通信、導航、監視、起降點等基礎設施設備建設，為航路的正常運行提供保障；航路構建作為航路規劃體系的核心內容，要充分考慮“人-機-環-管”對航路建設的綜合影響，按照“航路構型-航路布局-網絡設計-運行規則”的4步走策略，構建合理有效的運行航路，并通過對地風險、碰撞概率等運行評估方法以及沖突解脫策略，實現對航路構建的反饋與調整。

圖1 城市低空航路劃設框架體系[4,34-39]Fig.1 Framework system of low altitude route planning[4,34-39]

3.2 空域規劃

低空空域是國家空域體系的重要組成部分，但目前尚未明確低空空域的概念，未形成統一的低空空域劃設標準。按照國際民航組織的空域分類標準，將空域分為A至G共7類，其中低空空域包括除了A類（絕對管制空域）、B類、C類（進近管制空域）、D類（機場管制地帶）等公共運輸航空主要使用的空域，以及特殊用途空域（如軍航訓練空域、空中禁區、限制區和危險區）之外的所有空域，通常又可以按照限制等級和服務類型細分為E、F、G類空域。美國低空空域范圍為3000m以下的空間，美國聯邦航空管理局部分采納國際民航組織建議的空域分類標準，將空域劃分為A、B、C、D、E和G類空域［37］。其中：A類為絕對管制空域，B、C、D、E類為管制空域，G類為非管制空域。E類空域范圍最大，高度區間為地表或其他空域邊界至平均海平面高度5400m；G類空域為非管制空域，高度區間為地表至真高370m。除此之外，低空空域還包含一些特殊使用空域，如禁區、限制區、告警區等，主要劃設在政府敏感區、軍事活動區等區域上空。歐洲為實現單一天空計劃，將空域分為N和U兩類。

中國現行的低空空域管理體制是在國家空管委領導下，由空軍負責統一組織實施。《關于深化中國低空空域管理改革的意見》指出按照服務類型，低空空域可分為管制空域、監視空域和報告空域，不同模式實行分類管理。自2010年起，中國在“兩區一島”和“兩大區、七小區”組織了較大范圍的低空空域管理改革試點，涉及全國14個省（區、市），試點地區占全國空域的33%。據空軍統計，在試點地區共劃設空域254個。其中，管制空域122個、監視空域63個、報告空域69個［37］。

3.3 基礎設施

3.3.1 通信導航監視

通信，導航與監視在低空運行與管理過程當中至關重要，為航空器的平穩、安全、有效運行提供可靠保障。與高空環境相比，低空環境復雜多變，而有人機與無人機混合運行也是未來低空交通發展的必然趨勢，通信導航監視技術是約束航空器在規劃航路內運行的重要保證，直接關系著低空交通管理的水平，如圖2所示為無人機通信導航監視網絡示意圖［40］。

圖2 無人機網絡系統[40]Fig.2 UAV network system[40]

（1）通信

通信的主要目的是實現目標間的信息傳輸，主要模式有空對地、地對空、空對空、無人機與無（有）人機，無人機運營商之間的通信［41］，常用的通信手段 有 公 網、專 網、V2X（Vehicle to everything，V2X）、4G/5G、衛星，對于1000m以下的低空空域，結合基礎設施、建設成本、通信速率等綜合因素，主要采用基于地面移動電話蜂窩網絡的4G/5G通信手段。然而移動電話的5G通信基站需求不能覆蓋所有空域范圍，無法滿足無人機的正常飛行需要，因此合理科學的基站選址與天線覆蓋范圍的設定就顯得尤為重要。楊秀玉［42］分析了ACARS（Aircraft communications addressing and reporting system）甚高頻數據鏈與衛星通訊的優缺點，基于5G技術與無人機的通信需求分析了5G系統應用于無人機通信的可能性。Ullah等［43］分析了V2V（Vehicle to vehicle，V2V）、V2P（Vehicle to pedestrian，V2P）、V2I（Vehicle to infrastructure，V2I）等通信技術及其應用領域，解決了目前通信技術的挑戰與機遇，提出了基于5G技術的解決方案，進一步研究了關鍵任務基礎設施的無人機通信，并對4G和5G在控制延遲方面進行了比較分析。

（2）導航

在飛行的過程中向航空器發送精確的方位信息，使航空器明確自己的位置與其他航空器之間的距離。傳統民航采用GNSS（Global navigation satellite system）為航空器進行導航，隨著中國自主研發的北斗衛星導航系統的不斷突破與創新，現今可將北斗導航系統與低空航空器相結合，為其提供精準的導航服務。Bijjahalli等［44］，提出了一種考慮城市結構對GNSS性能影響的制導策略，并對城市環境中無人機的運行進行了仿真研究。

（3）監視

在低空飛行的過程，需要主動或被動的將自身的位置信息與狀態信息等信息發送給地面管制中心以便中心更好的執行對航空器進行管理以及沖突預測等操作。傳統的民航主要依靠廣播式自動相關監視（Automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B）進行信息的接收與發送。但對于低空無人機，由于其數量多，通過ADS-B對其監視勢必會增加民航系統的負荷。覃睿等［45］根據中國民航局空管局公布的ADS-B最低性能標準，構建了ADS-B信號覆蓋模型，明確了ADS-B布局原理，提出了ADS-B空間規劃布局算法。王爾申等［46］針對通用航空航空器低空雷達監視存在盲區和廣播自動相關監視（ADS-B）設備成本高等問題，提出以“北斗”衛星導航系統和移動公共網絡通信相結合的低空空域通用航空飛機導航監視系統。

3.3.2 起降點選址布局

起降點作為航路網絡中的關鍵節點，其地理位置和內部結構直接影響著起降點的承載能力和整個航路網絡的服務水平。隨著低空航空器數量的攀升，飛行需求日益增加，國內外學者紛紛展開起降點選址與布局的研究。佐治亞理工學院針對未來電動垂直起降飛行器（Electric vertical takeoff and landing，eVTOL）垂直起降飛行器［47］，考慮了飛行器的俯仰布局和起降點數量估計問題，以滿足eVTOL航空器每日通勤需求，通過求解整數程序放置垂直起降點，最大限度地節省了潛在累積時間，此技術可應用于舊金山和洛杉磯的城市空中交通（Urban air mobility，UAM）通勤網絡。Darshan等考慮無人機能量消耗和射程限制［48］，以需求覆蓋最大化為目標，建立物流無人機設施點定位選址模型，提出整數線性規劃公式，其目標是最大化覆蓋率，同時考慮了無人機的能量消耗和航程限制。美國宇航局蘭利研究中心Guerreiro等采用先到先服務的城市空中交通起降點調度算法［49］，對各種起降點配置的容量和吞吐量進行評估比較，根據垂直機場和停車位的數量對每個垂直機場進行建模，定義了可用于估算起降點配置容量的理論模型。German等結合無人機性能特點與包裹吞吐量限制等選擇起降點［50］，構建了無人機貨運地點選址優化模型，模型如下所示

式中：di表示所選區域i的需求；yi表示需求di是否被滿足；xi表示所選地區i是否有垂直起降場；v表示可以建造的垂直起降場最大數量。在此基礎上進行了路線規劃，主要研究了配送過程中“最后一英里”的問題，

在起降點內部規劃方面，徐博等人為減少飛行總距離和多余覆蓋面積［51］，節省無人機的能耗和藥液消耗，研究了一種基于作業方向的不規則區域作業航線規劃算法。該算法根據指定的作業方向，可快速規劃出較優的作業航線，也可在未指定作業方向的情況下，給出推薦的作業方向與航線，使整個作業過程滿足能耗和藥耗最優。Hong等提出物流無人機充電定位優化模型［52］，綜合最小生成樹、貪婪減法等多種算法進行求解，定位物流無人機起降點，規劃內部飛行路線，以對亞利桑那州菲尼克斯市為研究對象，驗證了該方法的有效性和效率性。麻省理工學院的Vascik等運用了一種整數規劃方法來解析垂直運輸能力包絡線［53］，以離港和到港總效益最大為目標，構建如下模型

式中：cd(k)表示單位時間k型飛機離港效益；ca(k)表示單位時間k型飛機進港效益；(t)為 決 策 變量。該方法可用于確定起降點容量對著陸、起飛坪、滑行道、大門、停車坪數量以及布局的敏感性。該研究還評估了垂直運輸能力對運行參數的敏感性，包括滑行時間、周轉時間、預分段飛機、進近/離港程序獨立性等。結果表明，合理平衡著陸和起飛坪的數量，可以實現每個起降點的最大飛機吞吐量。此外，同時成對到達或出發可顯著提高吞吐量，無須完全獨立的進近和出發程序。

3.4 航路構建

航路作為航空器運行的主要媒介，合理的航路構型與網絡布局對保障航空器平穩、高效運行至關重要。城市低空航路主要由空中航段和網絡節點組成，其中節點一般是指起降機場，已在3.3 基礎設施部分討論。本小節重點討論航路網絡的空中航路結構，對現有成果進行梳理和總結。

目前關于城市低空航路構型的研究尚不多見，南洋理工大學［6］論述了城市低空航路網絡的3種類型，并用容量和吞吐量兩個指標衡量所構建網絡的能力，分別表示為

式中：pc表示容量值；r表示生成的航線總數；ni(t)表示t時刻航線i上的航空器數量。

式中：pt表示ΔT時間內的吞吐量；ki(t)表示當前或已經在航線i上處于著陸階段的航空器數量。如圖3所示。第1種是矩陣節點型航路（Air matrix），該類型在考慮了空域容量與交通流量的大量需求，將空域柵格化，如圖3（a）所示航路；第2種是建筑節點型航路（Over-buildings），將建筑物上方10m作為網絡節點，并將所有節點相連。由于建筑物高度的差異，該結構的航路高度并不在同一水平面上，以此提高網絡的連通性，建立更多的可選航路，如圖3（b）所示；第3種是道路沿線型航路（Over-roads），以城市道路為基礎，在地面道路上方45m與60m處劃設航路，并根據建筑物的位置調整航路節點。上述航路結構能夠減少空中飛行沖突次數以及與地面人員發生危險的概率，如圖3（c）所示。Gharibi等［4］提出空域的結構類似于道路網絡，提出航路（Airways）、航路交叉口（Intersections）、航路節點（Nodes）、空域區域（Zones）、區域進出口（Inbound and outbound gates）等概念。規定航空器在以下3種情況通過：與道路起相同作用的航路；至少由兩條直線航路所組成的交叉口；通過交替航路和交叉口可到達目點的通道，在運行中和交叉口都要受到管制。

圖3 城市低空航路網絡的3種類型[6]Fig.3 Three types of urban low altitude air route networks[6]

由于目前尚未形成成規模的低空航路網絡，部分學者在考慮自由空域環境的前提下，以航程最短或運行成本最低為目標，通過路徑搜索實現對單條低空航路的構建，區域內的多條航路形成了航路網絡。單條航路的布局規劃可參考自由空域下的航跡規劃方法，并根據航空器導航性能等因素加以延伸，從而成為具有一定寬度和高度的空中通道。徐晨晨等［54］基于改進蟻群算法對天津無人機空港之間的航路進行規劃，得到低空支線航路網。Fu等［55］提出一種將差分進化與量子粒子群算法結合的混合算法，進一步提高求解性能，對海上無人機進行航跡規劃。Cekmez等［56］基于統一計算設備架構（Compute unified device architecture，CUDA）平臺構建并行結構，采用蟻群算法解決無人機航跡規劃的問題。岳碧波［57］針對無人機低空避障問題，在傳統人工勢場算法中，通過改進引力作用方式和限制斥力范圍的方式，構建改進的人工勢場法避障原理，實現低空域二維航跡動態規劃。Roberge等［58］考慮了無人機的動態約束，以最小化油耗和平均飛行高度為目標，在圖形處理器上利用遺傳算法并行實現。唐立等［59］針對山區環境條件，考慮航跡安全度，對傳統蟻群算法進行改進，提出了一種改進蟻群算法搜索最短航跡，并進行平滑處理，使得算法收斂速度更快，且生成航跡更短，平滑后的無人機路徑參考值為

式中：θi、θj分別為頂點i、j處的轉彎角度；Rmin為無人機的最小轉彎半徑。若Lroute＞dij，此時轉彎半徑為

式 中dij為i、j兩 點 間 的 距 離。張 洪 海 等［60］綜 合 考慮城市低空復雜環境與無人機性能約束，提出了一種基于改進A*算法的物流無人機路徑規劃方法。Xi等［61］基于無人機動力學特性，實現避撞的離散控制網絡，根據控制網絡中的最短路徑生成可行航跡，并采用三維Dubins曲線算法進行平滑處理，使其能在短時間內識別出合理的航跡。

3.5 運行評估

容量評估是實施空中流量管理的重要基礎，在城市低空航路規劃研究中，容量也可被認為是評價網絡規劃設計是否合理的指標之一。目前，對于低空空域容量并沒有統一的定義，根據現有研究主要有以下幾種描述。第1種定義是從廣義上來理解，低空空域容量是指給定的空域內所能安全容納的最大航空器數量［62］。第2種定義是從閾值的角度考慮，將低空空域容量定義為特定性能指標NTSC（Normalized time spent in conflict）的最小相變閾值［63］。NTSC表示為

然后通過定義反映低空空域運行安全和效率的特定性能指標，通過仿真實驗，觀察這些指標隨著交通量或是交通密度的變化關系，找到指標突變的閾值，把此時空域中所能容納的航空器數量作為該低空空域的容量。第3種定義是從低空航路網的角度，將低空空域容量定義為任意時刻，指定空域內航路網絡所能承載的最大無人機數量［6］。由第3種定義，引申出第4種定義，即低空無人機航路網運行容量是指在航路入口點所允許的最大無人機放行率。在對空域容量的定義基礎上，還引申出了吞吐量的定義，吞吐量被定義為在特定時間范圍內降落到任一起降點的無人機的數量［6］。例如在5min的時間窗內，某一起降點接納的無人機的數量。起降點的吞吐量一定程度上也能夠反映空域的承載能力。起降點的吞吐量類似高空中的機場容量，也可能成為限制整個低空空域容量的關鍵一環。空域容量是用來量化空域及空中交通服務的效能，被認為是表示空管可擴展性約束的適當指標。由于無人機采用自動化運行，因此和高空容量評估相比，可以將管制員的人為因素除去。另外，并非所有無人機的墜毀都會帶來災難性的后果，大多數情況下僅會導致財產損失，而不是人員傷亡。因此，低空空域容量評估考慮的因素與高空存在著顯著不同。在低空空域背景下，容量的影響因素主要包括沖突解脫算法的復雜度、低空障礙物、飛行規則、無人機運行的動態性和隨機性等。

安全評估包括航空器對地風險、空中風險、碰撞概率等多層次內涵，通過對航空器的有效安全評估可實現對規劃航路的反饋調節。意大利都靈理工大學通過分析不同無人機失控墜地事件下的無人機墜地區域，使用概率的方法評估無人機在城市環境下運行對城市地面的風險［64］，計算公式為

式中：ρ為人口密度；Aexp為撞擊暴露面積；rp、hp分別為人的平均半徑和高度；ruav為無人機的半徑；θ為地面撞擊角度。隨著無人機應用范圍的擴大，美國聯邦航空管理局針對無人機碰撞風險情況成立研究小組，于2017年發布了無人機空中碰撞嚴重性評估最終報告［65-68］，該報告選取典型民用無人機模擬撞擊運輸類飛機的不同位置，得到相關損傷等級用于評估無人機所造成的撞擊后果。南洋理工大學空中交通管理研究所（Air Traffic Management Research Institute，ATMRI）通過分析無人機運行數據，認為無人機在機場周邊環境運行風險較大，因此開展了機場環境下的無人機碰撞概率研究和碰撞嚴重性研究。ATMRI利用計算機模擬無人機吸入商用飛機發動機造成發動機推力損失的情景，基于發動機結構和發動機不同工作狀態下的特點，建立了推力損失模型［69］，并開發了無人機入侵機場風險分析軟件［70］。2019年，中國民用航空局發布咨詢通告《特定類無人機試運行管理規程（暫行）》，要求使用特定運行風險評估方法（Specific operations risk assessment，SORA），對安全風險較高的無人機運行進行安全管理。基于上述規章，各高校開展了城市物流無人機運行風險評估［71-72］，分析無人機運行風險因素，利用SORA評估城市物流無人機航路運行階段的風險，并提出相應的風險緩解措施。Zhang等［73］提出了一種基于自適應遺傳算法和模糊C均值聚類算法的低空空域安全狀況評估方法，研究了航空器相互作用過程中低空空域的安全狀態和趨勢，結合低空運行環境特點與飛行模擬數據，建立了低空空域安全狀況評估指標體系。

4 結 論

近年來以5G、智聯網、人工智能等新興技術為主要媒介的第4次工業革命席卷各個領域，蓬勃發展的通用航空和無人機產業與之同向而行。隨著中國軍民融合戰略的不斷推進，低空空域管理改革成為軍民融合的重點內容，以億航智能、小鵬匯天、大疆創新為代表的新興科技企業把握機遇、勇于創新，已經成為低空產業發展的先行者和探索者。然而低空不斷增長的飛行需求和運行安全之間的矛盾日益凸顯，規劃科學有效的城市低空航路是保障航空器在低空空域平穩有序運行的重要前提。城市低空航路的構建與應用，不僅能夠滿足日益增長的低空航空器飛行需求，亦可作為各國發展低空產業的重要途徑。本文從城市低空航路規劃的實際需求出發，提出城市低空航路規劃框架體系，從空域范圍劃設、基礎設施建設、航路網絡構建、安全運行評估4個方面入手梳理相關研究進展，為進一步城市低空航路規劃研究提供支撐。綜上所述，結合中國現階段低空空域的發展現狀及未來趨勢，提出以下3點建議。

（1）推動低空航路規劃試點驗證。低空環境復雜多變，僅僅依靠理論研究無法滿足實際運行需要，只有通過試點驗證才能深入剖析城市低空航路劃設的關鍵要素，從而進一步驗證在低空環境下以航路為主要載體的空域結構是否具備實際應用價值。

（2）規范低空航空器的生產標準。現階段低空航空器百花齊放，其性能水平參差不齊，對低空航空器的有效監管是促進其融入國家空域系統的重要途徑。因此，必須嚴格規范低空航空器生產制造標準，實現核心器件規格化。

（3）全面促進低空空域管理立法。近年來國家為促進低空產業發展陸續出臺多項法規制度，但實際執行水平有限，現階段低空相關產業發展已逐漸從萌芽期走向迅速成長期，亟需健全相關法律法規，依法對產業發展進行約束與管理。

低空空域資源廣闊，發展潛力巨大，與地面協同運行也是未來交通發展的主流趨勢之一，伴隨著航空器的智能化與新技術的更新迭代以及法律法規的日益完善，城市低空航路常態化運行終將會成為現實。