王鴻億 李廣濤 楊冰潔 王健呈 許致禎 劉詩(shī)瑒

（中國(guó)民航大學(xué)，天津300300）

1 研究背景

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)起降架次和飛行小時(shí)數(shù)增勢(shì)迅猛。與此同時(shí)，由無(wú)人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)引起的安全事故也逐漸增多，為消除大眾對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行的顧慮，需要開(kāi)展完善的無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，并以可視化界面進(jìn)行展示，合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)航路。目前對(duì)無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃的研究也比較豐富。廖小罕[1]、張學(xué)軍[2]等基于智能仿生和粒子群算法展開(kāi)無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃研究；劉淑芬等分別基于Voronoi 圖和Laguerre 圖等圖形算法研究航路規(guī)劃。通過(guò)分析現(xiàn)有文獻(xiàn)[3-5]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前研究多集中在對(duì)航路的距離成本代價(jià)及平滑度的優(yōu)化，考慮航路飛行安全代價(jià)的研究較少。但由于航路對(duì)飛行安全的重要作用，在航路規(guī)劃中應(yīng)考慮其安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 設(shè)計(jì)思路

本文研究一種基于飛行空域安全代價(jià)評(píng)估的無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃模型及其算法。首先，將無(wú)人機(jī)飛行空域柵格化，分析影響無(wú)人機(jī)運(yùn)行安全的飛行環(huán)境因素，考慮地面人口密度和遮蔽物保護(hù)能力，建立無(wú)人機(jī)飛行安全代價(jià)量化評(píng)估模型，以每飛行小時(shí)地面人員傷亡率為量化指標(biāo)定義柵格安全因子；其次，綜合考慮安全與距離成本雙重約束，對(duì)蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，基于柵格安全因子修正期望函數(shù)，研究無(wú)人機(jī)安全航路規(guī)劃算法，并通過(guò)校園無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與移動(dòng)通信的應(yīng)用

在通過(guò)北斗系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)定位的過(guò)程中，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)北斗定位通信模塊實(shí)時(shí)獲得無(wú)人機(jī)的速度、位置、時(shí)間等基本信息作為原始數(shù)據(jù)（例如北斗星通公司生產(chǎn)BDM910 模塊等可進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度定位、測(cè)速及通訊服務(wù)的成熟終端模塊），將原始數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)接口傳遞給數(shù)據(jù)運(yùn)行單元，定位模塊同時(shí)與處理模塊進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)運(yùn)行單元按照特定的協(xié)議轉(zhuǎn)化將申請(qǐng)指令發(fā)送給中心運(yùn)行單元。操作系統(tǒng)連續(xù)實(shí)時(shí)接收北斗衛(wèi)星所發(fā)送的信息，北斗衛(wèi)星自主地利用空間定位，允許小巧的電子接收器確定它所在的位置。

無(wú)人機(jī)上部署無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建天地體無(wú)人機(jī)載通信系統(tǒng)可以有效結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)具有定位和通信能力，提高通信效率。無(wú)人機(jī)上同時(shí)具有無(wú)限自組織通信單元和天通衛(wèi)星通信單元。天通衛(wèi)星通信單元通過(guò)自組織單元與地面節(jié)點(diǎn)（如設(shè)備設(shè)施或平臺(tái)）建立通信鏈，包括上傳鏈條與下傳鏈條。用戶(hù)通過(guò)上傳鏈條輸入無(wú)人機(jī)移動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制。無(wú)人機(jī)可以將位置信息通過(guò)下傳鏈路傳輸給地面平臺(tái)，方便用戶(hù)進(jìn)行定位。

3.2 航路安全代價(jià)評(píng)估模型

本文在建立無(wú)人機(jī)安全代價(jià)評(píng)估模型時(shí)，從無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和飛行空域地面環(huán)境兩個(gè)方面考慮，以每小時(shí)人員傷亡數(shù)量為指標(biāo)。飛行空域下方的地面環(huán)境與安全性相關(guān)的因素主要有二，其一為地面人口密度，其二為地面遮蔽物在安全事故發(fā)生時(shí)對(duì)人員提供的保護(hù)能力。

3.2.1 飛行空域柵格劃分

式中：s 為柵格j 的安全因子，即每飛行小時(shí)無(wú)人機(jī)安全事故傷亡人員數(shù)量；Pfgs為受事故影響人員的傷亡率；PUAV為每飛行小時(shí)由無(wú)人機(jī)系統(tǒng)失效引起的墜毀事故概率；Ag為事故影響區(qū)域面積；ρ （j）為柵格j 的人口密度。

3.3 航路總成本代價(jià)函數(shù)

航路規(guī)劃的距離代價(jià)函數(shù)取其飛行路徑的長(zhǎng)短作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即在避開(kāi)障礙物的前提下選擇從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑。同時(shí)保證航路的安全。因此，構(gòu)建安全代價(jià)和距離代價(jià)雙重約束條件下的航路總成本代價(jià)函數(shù)。如式（5）所示。

式中，djD為從點(diǎn)j 到終點(diǎn)的距離；sj為j 的柵格安全因子；λ為距離啟發(fā)因子，表征距離重要程度的系數(shù)；μ 為安全啟發(fā)因子，表征安全重要程度的系數(shù)。

3.4 航路規(guī)劃算法

本文選取改進(jìn)蟻群算法對(duì)無(wú)人機(jī)飛行航路進(jìn)行規(guī)劃，蟻群分別從起點(diǎn)柵格出發(fā)，搜索其無(wú)障礙鄰域柵格，并根據(jù)考慮航路安全代價(jià)與航路距離代價(jià)的期望函數(shù)計(jì)算各鄰域柵格的選擇概率，再通過(guò)輪盤(pán)賭法確定下一柵格，直至該螞蟻到達(dá)終點(diǎn)或陷入局部最優(yōu)解。可選鄰接?xùn)鸥窀怕视?jì)算及信息素更新，在每一代的所有螞蟻完成爬行后對(duì)信息素濃度進(jìn)行更新。在經(jīng)歷k 代蟻群的迭代后，最終得到航路安全與航路成本雙重優(yōu)化后的期望飛行路徑。

4 平臺(tái)設(shè)計(jì)詳情

4.1 飛行區(qū)域柵格化及地面環(huán)境建模

本文選取中國(guó)民航大學(xué)校園為無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域，并根據(jù)實(shí)際測(cè)繪數(shù)據(jù)繪制區(qū)域地表覆蓋物分布，如圖1 所示。

圖1 飛行區(qū)域地表覆蓋物分布圖

圖中黑色實(shí)心填充為地表建筑物，包括圖書(shū)館、宿舍、教學(xué)樓、食堂和體育館；空心區(qū)域?yàn)榈乇砜諘绲貛?，包括校園內(nèi)的道路和廣場(chǎng)；十字填充區(qū)域?yàn)闃?shù)木，填充密度代表樹(shù)木稀疏程度；長(zhǎng)短交替虛線填充為湖泊。在校園中選取三個(gè)配送終點(diǎn)，分別記為SP1、SP2 和SP3，配送起點(diǎn)記為EP。分別規(guī)劃有無(wú)航路安全代價(jià)約束的無(wú)人機(jī)飛行航路，并對(duì)比無(wú)人機(jī)飛行距離、飛行時(shí)間、航路途徑柵格安全因子平均值和航路傷亡人員數(shù)量。

4.2 柵格安全因子

根據(jù)柵格安全因子計(jì)算公式，將地面柵格遮蔽物保護(hù)系數(shù)和人口密度帶入，計(jì)算各柵格安全因子如圖2 所示，并作為航路規(guī)劃中安全代價(jià)的依據(jù)。

圖2 柵格安全因子灰度圖

5 結(jié)論

對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，用等效安全水平替代，建立相應(yīng)模型，然后對(duì)模型進(jìn)行分析，在場(chǎng)景下統(tǒng)計(jì)需要的數(shù)據(jù)，利用模型進(jìn)行運(yùn)算，而后利用得到的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)直觀地看出每個(gè)柵格安全水平的高低。其次，綜合考慮無(wú)人機(jī)飛行航路的安全與距離成本雙重約束，對(duì)蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，基于柵格安全因子修正期望函數(shù)，研究無(wú)人機(jī)安全航路規(guī)劃算法，并通過(guò)校園無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]安全因素的航路規(guī)劃模型在航路距離代價(jià)增加較小的前提下，使航路整體安全性得到了較大程度提升。