柳宗偉，朱靖，欒學(xué)晨，2

（1.廣東瑞圖萬方科技股份有限公司，佛山 528305；2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣州 510275）

0 引言

近年來，我國的無人機(jī)數(shù)量增長勢頭極為迅猛。但無人機(jī)在生產(chǎn)生活各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也伴隨了一系列的安全問題，如隱私偷窺、墜落傷人、干擾民航等。雖然民航局頒布了多部相關(guān)的法律法規(guī)，解決了部分監(jiān)管問題。但總體而言，由于現(xiàn)有法律法規(guī)條文原則性指導(dǎo)較多，缺乏精細(xì)化的指導(dǎo)性文件，導(dǎo)致“黑飛”問題陷入困境[1-4]。

為解決無人機(jī)監(jiān)管難的問題，地方政府和公安機(jī)關(guān)也加入監(jiān)管行列，并強(qiáng)調(diào)使用科技手段，實(shí)行更為細(xì)致和嚴(yán)格的管理措施[5]。目前廣東公安廳發(fā)布了為期三年的《關(guān)于加強(qiáng)無人機(jī)等“低慢小”航空器安全管理的通告》，深圳市人民政府也發(fā)布了更為細(xì)致的《深圳市民用輕小無人駕駛航空器管理辦法》來促進(jìn)無人機(jī)的安全監(jiān)管。本文綜合各個(gè)省市公安廳相繼出臺(tái)的空域管理規(guī)定與無人機(jī)飛行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)無人機(jī)空域地圖、智能追蹤器與監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通用航空器飛行的安全監(jiān)管。

無人機(jī)空域地圖和安全監(jiān)管平臺(tái)是基于空管技術(shù)、云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)的完美結(jié)合，集空域地圖、無人機(jī)智能追蹤器硬件和安全監(jiān)管平臺(tái)的綜合管理系統(tǒng)于一體。支持線上線下運(yùn)行模式，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入和高度開放的特點(diǎn)。其中數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，監(jiān)控是解決問題的手段，而建立一個(gè)集成型監(jiān)管平臺(tái)是本文最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

1 空域地圖設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)發(fā)布平臺(tái)

1.1 空域?qū)ｎ}地圖的設(shè)計(jì)

本文根據(jù)各級(jí)單位對(duì)航空器飛行行為限制區(qū)域范圍的要求，設(shè)計(jì)在電子地圖的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)空域管理專題數(shù)據(jù)庫，包括禁飛區(qū)、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、航模航拍空域開放區(qū)。各個(gè)區(qū)域的相關(guān)定義如下所示[6]。

（1）禁飛區(qū)：禁止無人機(jī)飛行，并限制通用航空器飛行。建議劃定禁飛區(qū)范圍包括機(jī)場障礙物面及機(jī)場凈空保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)敏感單位（黨政機(jī)關(guān)單位、軍事管制區(qū)）、危險(xiǎn)/重要物資倉儲(chǔ)場所（?；锲反鎯?chǔ)點(diǎn)、重要物資點(diǎn)）、重要道路沿線、重要交通樞紐（火車站、大型汽車客運(yùn)站、碼頭）。

（2）限飛區(qū)：在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)，未經(jīng)有關(guān)部門許可，禁止無人機(jī)飛行，根據(jù)安全管理的需要?jiǎng)澏ㄏ拗茀^(qū)，包括永久限飛區(qū)和臨時(shí)限飛區(qū)。限制區(qū)區(qū)域范圍包括民航及軍事部門規(guī)定限制區(qū)及地方政府公布的臨時(shí)管制區(qū)域限制區(qū)。

（3）危險(xiǎn)區(qū)：對(duì)無人機(jī)的飛行安全具有一定的影響，減少其可能受到的影響，劃定針對(duì)無人機(jī)的飛行危險(xiǎn)區(qū)，包括人口密集區(qū)域、車輛擁堵區(qū)域、架空類公共設(shè)施（高壓電線、高壓電塔）。

（4）開放區(qū)：按規(guī)定獲得批準(zhǔn)后可開展作業(yè)，區(qū)域范圍根據(jù)航模協(xié)會(huì)已申請(qǐng)批示的空域范圍進(jìn)行封裝接入建庫的區(qū)域。

為了提高空域地圖的精細(xì)度和可靠性，本文對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行了多層劃分，包括類別的區(qū)分、航空器的區(qū)分以及飛行任務(wù)的區(qū)分。例如將公園這一大類二級(jí)分類：同為公園，順德李小龍樂園適合無人機(jī)飛行，而順德鐘樓公園是文化古跡且游玩人數(shù)多屬于人員密集區(qū)應(yīng)劃分為危險(xiǎn)區(qū)；此外一些公園雖然允許小型無人機(jī)的飛行，卻不允許大型無人機(jī)的飛行。本文會(huì)根據(jù)飛行申請(qǐng)中的航空器類型正確的劃分區(qū)域類型。

1.2 空域地圖發(fā)布平臺(tái)

發(fā)布可靠的空域地圖，除了空域?qū)ｎ}地圖數(shù)據(jù)外，還需要疊加發(fā)布基礎(chǔ)電子地圖數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)天氣、地形航拍數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)事件的數(shù)據(jù)，基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 空域地圖發(fā)布平臺(tái)架構(gòu)

其中，常見基礎(chǔ)電子地圖主要包括道路數(shù)據(jù)、水體數(shù)據(jù)、鐵路數(shù)據(jù)、建筑物數(shù)據(jù)、園林綠地?cái)?shù)據(jù)和信息點(diǎn)數(shù)據(jù)；在基礎(chǔ)電子地圖的基礎(chǔ)上，同時(shí)增加高清的航拍影像數(shù)據(jù)以及通過無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)提取的模擬真實(shí)地形的三維模型數(shù)據(jù)；補(bǔ)充地面架空的高壓電線和高壓電塔數(shù)據(jù)；而動(dòng)態(tài)天氣與事件數(shù)據(jù)包括氣象局實(shí)時(shí)發(fā)布的動(dòng)態(tài)天氣數(shù)據(jù)，民航航線數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)交通，人口密度實(shí)時(shí)熱力數(shù)據(jù)以及全國各地官方發(fā)布的當(dāng)?shù)厥录?。這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可以讓本文更夠更快的對(duì)飛行申請(qǐng)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)有效的無人機(jī)安全監(jiān)管。

2 無人機(jī)安全監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無人機(jī)智能監(jiān)控管理模塊設(shè)計(jì)

智能跟蹤器是針對(duì)通用航空器的監(jiān)控設(shè)備，具備對(duì)無人飛行器實(shí)時(shí)定位并上傳位置信息的功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行軌跡，當(dāng)檢測到無人機(jī)違規(guī)進(jìn)入禁飛區(qū)提前預(yù)警并向無人機(jī)飛行器發(fā)出相應(yīng)指令。該設(shè)備可以適用于所有通用航空器的安全監(jiān)管，做到即插即用；也可以提供開放的SDK，有利于公安部門將數(shù)據(jù)用于不同的場景。此外它還具有獨(dú)立工作、安裝方便，操作簡單等特點(diǎn)，其硬件框架如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)控管理模塊硬件框架

其中關(guān)鍵模塊的功能有：MCU：智能跟蹤器處理器，實(shí)現(xiàn)整體業(yè)務(wù)流程控制；GPS+SIM模塊：獲取當(dāng)前位置信息和數(shù)據(jù)發(fā)送功能；電源管理模塊：為設(shè)備供電、供電切換與充電功能；Flash模塊：采用非易失行存儲(chǔ)芯片，記錄飛行軌跡；LED模塊：開機(jī)指示燈、GSM網(wǎng)絡(luò)指示燈、定位指示燈。

2.2 無人機(jī)安全監(jiān)管平臺(tái)開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的監(jiān)管，空域安全監(jiān)管平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)三大功能：飛行前通過航空器信息以及申報(bào)信息等對(duì)飛行申報(bào)進(jìn)行管理；飛行中的通用航空器飛行軌跡實(shí)際監(jiān)測以及飛行預(yù)警；飛行后的飛行應(yīng)急和救援服務(wù)，平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

基于前述的功能設(shè)計(jì)，依托互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的服務(wù)平臺(tái)，將這些功能分為監(jiān)控后臺(tái)、監(jiān)管手持端、用戶App和對(duì)接其他監(jiān)管部門的SDK接口四大模塊進(jìn)行開發(fā)。其中無人機(jī)安全監(jiān)管平臺(tái)部署在公安指揮中心?；谄脚_(tái)架構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了無人機(jī)飛行注冊(cè)申請(qǐng)、飛行監(jiān)控預(yù)警、事故應(yīng)急查證三個(gè)關(guān)鍵功能。

（1）飛行注冊(cè)申請(qǐng)

無人機(jī)飛行前，首先需要登記注冊(cè)，以獲取賬號(hào)信息，并且駕駛員需要進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證。然后等待公安部門的安排，線下對(duì)無人機(jī)進(jìn)行安全綁定，將智能追蹤器綁在無人機(jī)上。在需要進(jìn)行飛行任務(wù)的時(shí)候，飛行員登錄賬號(hào)對(duì)在線提交飛行申請(qǐng)，而監(jiān)控中心將飛行計(jì)劃種的靜態(tài)信息與空域地圖自動(dòng)匹配，5分鐘內(nèi)判斷是否允許該區(qū)域該時(shí)間段的飛行申請(qǐng)，如果可行，則給出申請(qǐng)?jiān)试S的通知，如果不可行，則給出拒絕的命令。

（2）飛行監(jiān)控預(yù)警

安全監(jiān)管平臺(tái)后臺(tái)通過智能追蹤器實(shí)時(shí)監(jiān)控本地區(qū)起飛的綁定后的通用航空器，所有申報(bào)飛行計(jì)劃的飛行器均在系統(tǒng)內(nèi)能夠監(jiān)視。當(dāng)飛行器接近禁飛區(qū)、不同飛行器之間軌跡接近預(yù)警距離、航空器發(fā)生航高急劇降落、動(dòng)力消耗等飛行異常情況，則自動(dòng)啟發(fā)預(yù)警響應(yīng)機(jī)制，觸發(fā)飛行應(yīng)急、救援服務(wù)系統(tǒng)，提醒飛行員以及相關(guān)人員采取行動(dòng)應(yīng)對(duì)該問題。

（3）事故應(yīng)急查證

當(dāng)無人機(jī)將要飛入禁飛區(qū)或者限飛區(qū)，監(jiān)管平臺(tái)會(huì)通知飛行人員與區(qū)域產(chǎn)權(quán)人，對(duì)他們進(jìn)行提示與預(yù)警。在必要的時(shí)候，例如無人機(jī)將要飛入大型活動(dòng)場所，或者監(jiān)控中心收到“黑飛”報(bào)警，監(jiān)管平臺(tái)也會(huì)根據(jù)情況出警解決問題。

圖3 監(jiān)管平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 空域地圖和無人機(jī)監(jiān)管平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

為了落實(shí)無人機(jī)的監(jiān)管，本文在廣東省佛山市和江蘇省常州市的試點(diǎn)區(qū)域制作了空域地圖，開發(fā)了無人機(jī)安全監(jiān)管平臺(tái)，并通過使用自主研發(fā)的RT420工業(yè)無人機(jī)進(jìn)行安全監(jiān)管實(shí)驗(yàn)。

3.1 空域地圖的生成和發(fā)布結(jié)果

根據(jù)空域地圖的設(shè)計(jì)以及發(fā)布方案，在佛山市順德區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)域基于導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)的屬性提取來驗(yàn)證該區(qū)域的空域地圖的準(zhǔn)確性，根據(jù)區(qū)域特性將其歸為禁飛區(qū)或者限飛區(qū)，制作范例如圖4所示。其中通過導(dǎo)航電子地圖可以準(zhǔn)確提取出重要道路沿線、重要交通樞紐（火車站、大型汽車客運(yùn)站、碼頭），并通過屬性推斷劃分出人口密集區(qū)域（樓盤小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等）、車輛擁堵區(qū)域（實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)）。通過實(shí)地驗(yàn)證，空域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)的完整度超過90%，證明本文的設(shè)計(jì)的空域地圖方法具有較好的準(zhǔn)確性。但是，對(duì)于重點(diǎn)敏感單位（黨政機(jī)關(guān)單位、軍事管制區(qū)）、架空類公共設(shè)施（高壓電線、高壓電塔）等，由于數(shù)據(jù)涉及專業(yè)政務(wù)地圖，在導(dǎo)航電子地圖中無法獲取。這類數(shù)據(jù)量雖然占比只有10%左右，但對(duì)于空域安全的監(jiān)管至關(guān)重要。

圖4 佛山市空域地圖制作范例

為此，本文在常州市實(shí)驗(yàn)區(qū)域與當(dāng)?shù)匾?guī)劃局和政府監(jiān)管部門聯(lián)合，綜合了電子地圖數(shù)據(jù)、政務(wù)地圖公共設(shè)施以及高清航拍數(shù)據(jù)，根據(jù)空域地圖設(shè)計(jì)規(guī)范，提取禁飛區(qū)、限飛區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)平臺(tái)上發(fā)布了完整的常州市空域地圖，通過與最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，常州市空域地圖的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度達(dá)到98%，數(shù)據(jù)的全面性達(dá)到95%（圖5），滿足當(dāng)?shù)乜沼虬踩O(jiān)管的需要。

圖5 常州市空域地圖制作范例

3.2 空域安全監(jiān)管平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

在前述對(duì)安全監(jiān)管平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了常州市無人機(jī)空域安全監(jiān)管平臺(tái)。在已經(jīng)開發(fā)完整的常州市無人機(jī)空域安全監(jiān)管平臺(tái)的基礎(chǔ)上，在常州市武進(jìn)區(qū)進(jìn)行了實(shí)地的無人機(jī)安全飛行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，共驗(yàn)證了50個(gè)架次，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）空域申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過后臺(tái)本文進(jìn)行飛行申請(qǐng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明安全監(jiān)管平臺(tái)可以根據(jù)空域地圖提供用戶航線規(guī)劃參考，并自動(dòng)判斷空域安全沖突。飛行申請(qǐng)沖突檢測結(jié)果如圖6所示。當(dāng)申請(qǐng)的規(guī)劃區(qū)域與禁飛區(qū)沖突、或者與同一地區(qū)先前申請(qǐng)或者更高級(jí)別的航區(qū)沖突時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出提示，要求用戶調(diào)整飛行區(qū)域和飛行時(shí)間。

圖6 飛行申請(qǐng)空域

（2）空域監(jiān)管實(shí)驗(yàn)

在常州市武進(jìn)區(qū)通過RT420無人機(jī)進(jìn)行軌跡監(jiān)管實(shí)驗(yàn)，在無人機(jī)的飛行過程中對(duì)無人機(jī)的軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的過程中，模擬在空域地圖中模擬禁飛區(qū)，控制無人機(jī)接近模擬的禁飛區(qū)。當(dāng)無人機(jī)接近禁飛區(qū)時(shí)，平臺(tái)準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)警提醒，消息同時(shí)發(fā)送到用戶端App，要求飛行員進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入禁飛區(qū)后，平臺(tái)啟動(dòng)自動(dòng)返航指令，強(qiáng)制干預(yù)控制無人機(jī)返航，并發(fā)送信息到監(jiān)管端App進(jìn)行出警安排。

（3）違規(guī)記錄

在無人機(jī)監(jiān)管端，進(jìn)行了違規(guī)記錄的事后追查的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后的無人機(jī)飛行成果和記錄，在后臺(tái)對(duì)無人機(jī)的歷史軌跡和違法記錄進(jìn)行查詢和管理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無人機(jī)監(jiān)管平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的監(jiān)管從實(shí)時(shí)和事后追責(zé)的全面監(jiān)管和保障。如果無人機(jī)軌跡飛行均在安全監(jiān)控范圍內(nèi)，則軌跡顯示為綠色（圖8），如果存在飛行違法記錄，則違法部分的軌跡會(huì)用紅色進(jìn)行顯示。這使得監(jiān)管人員能夠清晰地判斷出無人機(jī)飛行的違法范圍和類型，作為責(zé)任追查的重要證據(jù)。

圖7 實(shí)時(shí)軌跡監(jiān)測

圖8 歷史軌跡管理

4 結(jié)語

本文針對(duì)目前我國無人機(jī)面臨的安全隱患進(jìn)行分析，結(jié)合我國的空域環(huán)境與無人機(jī)飛行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了空域地圖與無人機(jī)安全監(jiān)管平臺(tái)，以有效且安全地為無人機(jī)用戶提供無人機(jī)監(jiān)管服務(wù)。該平臺(tái)目前可以滿足無人機(jī)監(jiān)管的基本需求，未來將繼續(xù)致力于航空器飛行盒子的飛行控制、航線的精細(xì)化申請(qǐng)、平臺(tái)多方面應(yīng)用等方面的研究使得該監(jiān)管平臺(tái)更加地可靠與完善。