項悅 徐慶彬 李震

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

關鍵詞 空中交通管理；無人機；城市交通

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

隨著無人機的快速發(fā)展，政府機構、娛樂和商業(yè)用戶對無人機系統(tǒng)的業(yè)務需求在不斷增長[ 1 ]，據(jù)Lucintel全球市場調查公司預測，2018 年全球無人機市場的產(chǎn)值將達到90億美元，美國將成為世界第一大無人機市場[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委員會正致力于推進一項和人民生活息息相關的研究工作——城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM），NASA對其定義是：“一個簡單、有效的、在城市運行的客貨運輸系統(tǒng)，包括小包裹遞送以及其他無人機系統(tǒng)服務。”[3]。新加坡南洋理工大學和新加坡民航局（Civil Aviation Authority of Singapore，CAAS）聯(lián)辦的航空交通管理研究院研究的“無人機空管系統(tǒng)”由南大機械與宇航工程學院牽頭研發(fā)，目前已完成初步設計以及軟件開發(fā)，并已在2018年開始進行實際測試，該系統(tǒng)旨在確保多架無人機在人口密度極高的城市環(huán)境中能安全有效地運作[4]。文章對新加坡“城市無人機空管系統(tǒng)”現(xiàn)階段研究進行總結、梳理和提煉，對制定和完善我國城市無人機空中交通管理系統(tǒng)具有十分重要的借鑒意義。

1 新加坡無人機管理指導方針

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，劃分成相對獨立的小型區(qū)域，以便于對無人機進行區(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)

典型城市會設置服務于居民區(qū)（需求點）的零售區(qū)域（供應點），一般設在城市周邊。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相應區(qū)域，城市建筑結構是否適合無人機起降，以及是否有足夠空間進行無人機起降。無人機供應點的起飛和降落區(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的翼展范圍在1.05m左右，以保證無人機之間留有一定的安全裕度，防止無人機之間互相干擾。

1.3 住宅區(qū)

作為用戶指定的需求/接收點（運行終點），正因為新加坡獨特的城市功能，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可能起降的區(qū)域，但應當充分考慮最大化利用現(xiàn)有的城市基礎設施以降低成本。

1.4 服務半徑

起降區(qū)域（The takeoff and landing areas，TOLA）能夠服務于半徑覆蓋面之內的居民。已經(jīng)進行的研究確定了一個人前往不同運輸模式的步行距離，根據(jù)調查的結果和現(xiàn)場評估，表明平均步行距離大約是500m。無人機的服務區(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將服務多個居民區(qū)。

1.5 uTM-UAS框架實現(xiàn)

設計uTM-UAS框架，一些主要的需求需要首先被定義，因為預想中uTM的功能是基于這些需求來設計的，建立一個靈活的基于城市環(huán)境優(yōu)化的無人機運行空域管理系統(tǒng)。建設城市無人機管理框架，為城市無人機管理搭建平臺，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）建立適應城市環(huán)境需要的技術和風險管理，進行相應的無人機風險預警，風險管控，風險評估，防止無人機之間互相干擾，碰撞。

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

2 模塊化城市無人機管理框架

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)絡安全將會維持為每一個單獨的模塊，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，使無人機系統(tǒng)在新加坡城市空域內安全、高效地運行。戰(zhàn)略層處理的是uTM服務的分析方面，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)術層的每個模塊之間。在深入研究四個核心模塊的細節(jié)之前，有必要建立一個通用的數(shù)據(jù)處理、分析、集成和可視化機制。

2.2 用戶界面

無人機操作員用戶界面（UA operator UI）只具有戰(zhàn)術功能，主要是從uTM控制人員或者具有相應權限的“無人機運行系統(tǒng)”獲得授權，提高空域用戶之間的情景意識。

戰(zhàn)略功能構成了支持戰(zhàn)術功能的基礎，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，如空域結構設計、空域指數(shù)分析和自動航路規(guī)劃。除了提供uTM運營服務，它還具備模擬和研究相關概念和算法的能力，以便進一步細化和開發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是整個uTM框架的基礎。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，例如無人機規(guī)格，操作員信息，永久禁飛區(qū)，地形數(shù)據(jù)，基礎設施數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)由可變信息組成，包括運行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，進行任何計算、模擬、測量和分析，并利用airblocks進行顏色編碼可視化，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、約束等進行變化。AirMatrix中所有的uTM功能現(xiàn)在都有一個標準的數(shù)據(jù)分析和渲染機制。

4 結論

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

參考文獻

[1]姚思浩.無人機的發(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)無人機管理系統(tǒng)[J].航空模型，2017（2）：84.

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