未來無人機交通管理系統(tǒng)的構(gòu)成和交通領(lǐng)域研究

無人機（UAV）作為一種新型的交通運輸方式，具有飛行器體積小、環(huán)境適應(yīng)性強、調(diào)度靈活、需遠(yuǎn)程或自動控制、安全管控等級高等特點，其交通管理系統(tǒng)對監(jiān)測、識別、控制、協(xié)調(diào)等能力要求較高。

從最早美國亞馬遜（AMAZON）提出的無人機快遞系統(tǒng)（AMAZON PRIME AIR）， 到美國NASA提出的無人機交通管理系統(tǒng) （UTM）、歐洲無人機管理系統(tǒng)U-space、中國民航制定的民用無人機管理系統(tǒng)UOMS和日本UTM協(xié)會JUTM等，無人機交通運輸已經(jīng)成為了當(dāng)前交通領(lǐng)域的研究熱點。

本文旨在綜合國內(nèi)外研究與報道，介紹未來無人機交通管理系統(tǒng)的基本構(gòu)成與交通領(lǐng)域研究方向。

圖一：NASA Unmanned Aircraft System （UAS） Traffic Management （UTM）

無人機交通管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)

UTM基本架構(gòu)與控制級別

現(xiàn)階段無論是NASA UTM還是歐洲 U-space的基本架構(gòu)均有兩個部分：云端管理端和地面服務(wù)端。具體細(xì)分包含：國家空管數(shù)據(jù)管理、國家空管系統(tǒng)、飛行情報管理系統(tǒng)、支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)商、無人機服務(wù)商、無人機實際運營方。

根據(jù)責(zé)任劃分，主要分為國家管理與企業(yè)私人管理兩方面。同時，根據(jù)逐步發(fā)展的條件，將UTM控制級別分為4級：

1.0多視距內(nèi)運行：基于無人機通訊接口和管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化運行，通過地面基站、衛(wèi)星通訊實現(xiàn)無人機與管理中心的信息共享。

2.0多超視距運行（非城市地區(qū)）：在鄉(xiāng)村地區(qū)實現(xiàn)超視距飛行意圖分享，在較遠(yuǎn)的距離上實現(xiàn)無人機飛行協(xié)調(diào)，同時實現(xiàn)不同地區(qū)地理圍欄約束無人機飛行。

3.0多超視距運行（城鄉(xiāng)結(jié)合部、機場附近）：在城鄉(xiāng)結(jié)合部或機場等較復(fù)雜區(qū)域，實現(xiàn)常態(tài)超視距運行，遠(yuǎn)距離無人機飛行協(xié)調(diào)，同時實現(xiàn)空中V2V防撞（機對機防撞），并保障規(guī)避靜態(tài)障礙物。

4.0城市復(fù)雜超視距：在城市復(fù)雜環(huán)境實現(xiàn)超視距運行、精確引導(dǎo)，準(zhǔn)確跟蹤和定位，實現(xiàn)規(guī)避動態(tài)障礙，并具有處理大規(guī)模突發(fā)事件的能力。

2020年，NASA UTM已經(jīng)經(jīng)過測試將控制級別提升至2-3之間。現(xiàn)有的無人機管理系統(tǒng)已經(jīng)完成了大范圍導(dǎo)航、探測、規(guī)避、起降的測試，其中包括對大城市和復(fù)雜空域的測試。同時，完成了UTM控制系統(tǒng)的原型程序開發(fā)。

UTM配套建設(shè)與統(tǒng)一航空管理系統(tǒng)

無人機管理系統(tǒng)本身需要政府投資建設(shè)地面通訊、雷達(dá)、管理控制、數(shù)據(jù)中心等單元，保證整套系統(tǒng)的統(tǒng)一與安全;具體實施主要依托行業(yè)自主開發(fā)與部署。這一模式實際上同時保證了宏觀調(diào)控與市場經(jīng)濟活力。圖二為UTM系統(tǒng)架構(gòu)圖，主要包含國家航空管理、無人機市場運營和公共管理部門三個責(zé)任方。

圖二：NASA UTM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人機交通管理系統(tǒng)現(xiàn)階段主要建設(shè)方向包括兩方面：

一是建設(shè)符合無人機特征的配套基礎(chǔ)設(shè)施，為保證無人機監(jiān)控、日常運行、信息共享、通訊、管理、協(xié)調(diào)、廣播、限制等需求，需要建設(shè)地面監(jiān)控設(shè)施、通訊設(shè)施、保障設(shè)施，如地面雷達(dá)、無人機起降點等;

二是與現(xiàn)有的航空管理系統(tǒng)進(jìn)行對接，構(gòu)建一個統(tǒng)一的航空器管理系統(tǒng)，用于保障無人機與傳統(tǒng)航空器（飛機、直升機等）的安全協(xié)調(diào)，保證在不改變傳統(tǒng)航空器駕駛習(xí)慣的前提下，使無人機與傳統(tǒng)航空器能夠安全運行。

在混和航空器管理系統(tǒng)中，主要包含兩個方向：特定地點多種航空器飛行協(xié)調(diào)（如機場、城市中心）和空域劃分（如不同高度飛行不同種類飛行器和管制區(qū)域劃分）。

圖三為空域劃分，藍(lán)色為混合空管空域（機場、城市附近），紫色為傳統(tǒng)航空器飛行高度，淺藍(lán)色為無人機飛行高度。

圖三：飛行空域高度劃分

無人機交通管理研究方向

無人機運輸功能、特點及適用場景

無人機運輸具有以下優(yōu)點：

1.相比地面運輸，無人機運輸方便高效，節(jié)約基礎(chǔ)設(shè)施投資，節(jié)省土地資源。

2.相比一般航空運輸和直升機運輸，無人機運輸成本低，調(diào)度靈活。

3.與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合緊密，更容易進(jìn)行成本與運力優(yōu)化。

4.節(jié)約人力資源，在特殊時期提供高效的物流保障。

現(xiàn)階段無人機貨物運輸主要是應(yīng)用于短途運輸?，F(xiàn)有的無人機貨物運輸設(shè)計實際上處于整個物流鏈條的末端，即代替快遞員最終投遞的過程，因此無人機無法使用固定翼，只能采用螺旋翼設(shè)計。

為保障最終投遞目的地的安全，無人機貨運交通管理首要目標(biāo)為規(guī)避建筑物、人群等，主要的實現(xiàn)方式為劃定禁飛區(qū)域和規(guī)劃行進(jìn)路線。

無人機載人運輸（UAM）是一種未來城市交通解決方案，如空客集團(tuán)（Airbus）提出的無人機載人運輸概念CityAirbus、億航公司的EHang 184、世界第一架純電動直升機VOLOCOPTER、飛行汽車Lilium Jet以及Uber的航空器出租服務(wù)Elevate等。

UAM的主要參數(shù)均為滿足城市內(nèi)短途載人運輸，如EHang 184雙人版載重220千克/續(xù)航能力35千米，同時包含無人駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、自主操作等功能，可以覆蓋人口密集地區(qū)的客運航班，包括空中出租、私人出行等。

無人機交通管理系統(tǒng)的交通運輸領(lǐng)域研究

無人機本身具備探測、航拍、廣播等功能，但這些并沒有上升到交通運輸管理的層面，因此無人機交通管理系統(tǒng)主要針對大規(guī)模無人機的貨運和載人飛行能力，或無人機與其他飛行器的交叉空域。

無人機關(guān)于起降、通訊、感知、避讓等方面均為航空、機械、電子、計算機領(lǐng)域的研究。對于交通方面，無人機交通管理系統(tǒng)主要為如下幾個方面：

（1） 交通規(guī)劃

無論是貨運物流或載人飛行，無人機交通管理系統(tǒng)均要有交通領(lǐng)域參與到規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中，比如無人機投機物流中心（UAV DELIVERY HUB）的選址、飛行器范圍高度空域設(shè)計、飛行器路網(wǎng)節(jié)點選擇等，這些都需要交通規(guī)劃方面研究開發(fā)對應(yīng)的模型、規(guī)則，主要的設(shè)計思路是根據(jù)無人機運輸?shù)奶攸c規(guī)劃選址或分配飛行區(qū)域。

主要關(guān)鍵字：UAV DELIVERY HUB location、UAV facility location、UAV platform等。

（2） 空中走廊設(shè)計

雖然不同于傳統(tǒng)二維路網(wǎng)，空域是三維，但無人機交通系統(tǒng)，也需要為無人機的交通管理，設(shè)計一套基于空中走廊的路網(wǎng)。

空中走廊為一定高度范圍內(nèi)的飛行通道，無人機飛行器需在特定的高度內(nèi)飛行，形成與地面道路類似的通道。因此基于無人機小型靈活、無人駕駛等特點，需要為無人機的空中走廊及其延伸路網(wǎng)設(shè)計一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)則，保證無人機交通運輸中的安全性。

有一種研究意向是將無人機路網(wǎng)設(shè)計在公路上方，以高速公路、城市封閉快速路為主要框架。主要關(guān)鍵字：UAV path planning、UAV path following等。

圖四：空中走廊路網(wǎng)概念圖

（3） 航空器空管協(xié)調(diào)

針對無人機安全性考慮，需要針對無人機日常飛行進(jìn)行管理，主要體現(xiàn)在飛行OD的路徑選擇協(xié)調(diào)、機場附近空管協(xié)調(diào)、城市中心無人機空管協(xié)調(diào)等，需要考慮無人機通訊、飛行參數(shù)等要素，合理分配無人機飛行時與其他航空器的關(guān)系，制定各種反應(yīng)模型，如跟弛模型、變道模型、交互模型等。

主要關(guān)鍵字：UAV Coordination、UAV Navigation、UAV Operation等。

現(xiàn)階段無人機貨運和載人空運已經(jīng)有了實質(zhì)性的發(fā)展，AMAZON PRIME AIR在2017年進(jìn)行了樣機測試。

2018年，京東無人機快遞在宿遷、西安、北京等多地進(jìn)行了試運行，已獲得四地的飛行許可，勘測測試了上萬里飛行里程。同年，餓了么無人機送餐服務(wù)在上海金山區(qū)試運行，開始了無人機商用送餐服務(wù)。

雖然現(xiàn)有的運輸服務(wù)只限于農(nóng)村和郊區(qū)等環(huán)境簡單、人員稀少地區(qū)，但是隨著技術(shù)發(fā)展和實驗的進(jìn)行，無人機運輸服務(wù)必將擴展到城市中心或其他環(huán)境復(fù)雜、人員密集地區(qū)，必將帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。

無人機這一未來可能成倍增長的新型交通運輸方式，其所必須的交通管理系統(tǒng)需要遵循安全性第一位、空域共享、無人機自動駕駛、機隊交互自動管理、世界范圍內(nèi)協(xié)調(diào)等原則，同時也可以借鑒傳統(tǒng)交通管理系統(tǒng)的研究成果，以求適應(yīng)全新的交通管理領(lǐng)域。

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