李 丹, 黃龍楊, 林嘉美霖, 李誠龍,3, 蘭榮華

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院, 四川 廣漢 618307; 2.四川西南航空職業(yè)學(xué)院 空港管理學(xué)院, 成都 610401; 3.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100191)

“十四五”期間,低空空域改革進(jìn)程不斷深化,低空的高度由1 000 m進(jìn)一步拓展至3 000 m,這為無人機(jī)進(jìn)入低空空域運(yùn)行提供了有利條件。民航局也相繼在四川、湖南、江西等地建立無人駕駛航空試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行先期探索,以此適應(yīng)無人機(jī)進(jìn)入傳統(tǒng)有人機(jī)空域運(yùn)行這一新需求。目前,在傳統(tǒng)空域運(yùn)行無人機(jī)系統(tǒng),運(yùn)營商須證明其操作是在可接受的安全水平內(nèi)。隨著無人機(jī)在機(jī)場終端區(qū)或在航路上運(yùn)行的新場景出現(xiàn),國內(nèi)外學(xué)者的研究視角也逐漸由無人機(jī)的對地風(fēng)險轉(zhuǎn)至對空風(fēng)險的評估。

Martin等[1]指出利用特定運(yùn)行風(fēng)險評估(specific operations risk assessment,SORA)方法,通過對交通密度、避撞功能的連續(xù)性等進(jìn)行定性的規(guī)則集定義,將空中碰撞風(fēng)險分為a、b、c、d四個等級以此評估無人機(jī)的空中碰撞風(fēng)險。McFadyen和Martin[2]將有人機(jī)與無人機(jī)的實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)、高度保持誤差和成熟的碰撞建模方法相結(jié)合,研究了無人機(jī)在機(jī)場周圍運(yùn)行時的垂向碰撞率。Banerjee等[3]基于軌跡偏差概率、暴露面積和障礙物測量噪聲等建立了無人機(jī)與障礙物的空中碰撞風(fēng)險。歐洲航空安全局(European Aviation Safety Agency,EASA)的工作小組[4]也于2021年提出在評估早期,有必要縮小評估范圍,將重點(diǎn)放在大眾市場上的無人機(jī)上,現(xiàn)在是時候?qū)χ写笮蜔o人機(jī)與有人機(jī)之間的碰撞風(fēng)險建立風(fēng)險評估模型,并為此進(jìn)行了空中風(fēng)險的定性評估。在國內(nèi),陳亞青等[5]指出目前針對無人機(jī)的運(yùn)行規(guī)章仍存在內(nèi)容較籠統(tǒng),缺乏強(qiáng)制執(zhí)行效力和可操作性的問題,提出需逐步完善無人機(jī)的適航管理、安全管理等內(nèi)容。陳義友等[6]指出無人機(jī)運(yùn)行場景的策略制定和相關(guān)支撐技術(shù)均處于探討和論證階段,并基于多場景、多類型、多階段等要素設(shè)計了民用無人機(jī)交通管理體系架構(gòu),以支撐無人機(jī)安全、高效的融入國家空域系統(tǒng)。韓鵬等[7]通過分析有人機(jī)與無人機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn),計算了終端區(qū)場景下無人機(jī)與有人機(jī)的空中碰撞概率。勵瑾等[8]融合城市低空因素,通過改進(jìn)Reich模型建立基于位置誤差的碰撞風(fēng)險模型探究飛鳥與無人機(jī)之間的碰撞風(fēng)險。

綜上所述,現(xiàn)有成果對開展無人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的空中碰撞風(fēng)險研究具有重要意義。但是,目前的研究對象大多集中在物流無人機(jī),此場景的運(yùn)行還遠(yuǎn)未達(dá)到融合運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn),而針對新場景下無人機(jī)運(yùn)行的空中碰撞風(fēng)險評估還較為少見,同時也缺少定量化、通用化、體系化的評估方法和流程。鑒于此,本文擬對無人機(jī)運(yùn)行場景進(jìn)行分類,將場景與風(fēng)險模型相結(jié)合,提出未來對無人機(jī)空中碰撞風(fēng)險的研究思路與方法,希望為無人機(jī)空中碰撞風(fēng)險評估提供方法指導(dǎo)。

1 無人機(jī)空中碰撞風(fēng)險研究現(xiàn)狀

歐洲航空安全局(EASA)提出將無人機(jī)的運(yùn)行分開放類、特定類和審定類進(jìn)行風(fēng)險評估[9],尤其對特定類無人機(jī)提出一種SORA的方法。其中對于空中碰撞風(fēng)險的評估思路[10]可分定義運(yùn)行概念(concept of operations,ConOps)、定義空中相遇等級、確定初始空中碰撞風(fēng)險、使用緩解措施和確定最終空中碰撞風(fēng)險5個步驟。

如圖1所示,無人機(jī)運(yùn)行場景[10]被分為X、Y、Z三類,在X型空域,需要降低與其他飛機(jī)相遇的可能性,事故責(zé)任由超視距運(yùn)行(beyond visual line of sight,BVLOS)操作員承擔(dān),在Y型和Z型空域,必須進(jìn)行操作申報和位置報告。結(jié)合運(yùn)行要素和風(fēng)險要素劃分12類空中相遇場景,運(yùn)行要素包括飛行規(guī)則、運(yùn)行高度、機(jī)場環(huán)境、空域類型[管制空域/監(jiān)視應(yīng)答器強(qiáng)制區(qū)(transponder mandatory zone,TMZ)/農(nóng)村/城市的非管制空域]和潛在人口等要素,風(fēng)險要素包括有人機(jī)與無人機(jī)的接近率、幾何形狀及飛機(jī)動力學(xué)要素。與此同時,根據(jù)無人機(jī)與有人機(jī)間碰撞風(fēng)險的可接受程度定義4級空中風(fēng)險等級(air risk class,ARC),基于場景與空中相遇等級確定初始風(fēng)險等級[10](圖2),經(jīng)過戰(zhàn)略措施和戰(zhàn)術(shù)措施的緩解確定最終空中碰撞風(fēng)險。

圖1 空中碰撞風(fēng)險評估流程

1 ft≈0.304 8 m

我國正參考EASA提出的SORA方法推進(jìn)相關(guān)安全評估工作[11]。但目前,各國對無人機(jī)空中碰撞風(fēng)險的研究還停留在定性分析的階段,未能將空中碰撞風(fēng)險的定量分析融入SORA的大框架之下。

對于空中相遇等級的定性分類與通過緩解措施降低風(fēng)險的定性研究也減少了無人機(jī)進(jìn)入傳統(tǒng)有人機(jī)空域運(yùn)行的可能性,而這方面問題也正是SORA下一個3.0版本擬解決的重點(diǎn)。

2 空中碰撞風(fēng)險模型對比

定量化研究空中碰撞風(fēng)險涉及碰撞風(fēng)險模型的構(gòu)建,是載人航空的一個長期研究領(lǐng)域。航空器的安全間隔可通過定量分析確定,并以此保證運(yùn)行的安全性。對無人機(jī)空中碰撞概率的計算也可在合適的情況下參考有人機(jī)碰撞風(fēng)險模型建立。在實(shí)踐中,最成熟和最常用的模型分為3類:基于幾何碰撞盒的模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型、基于模擬仿真的模型。

2.1 基于幾何碰撞盒的模型

基于幾何碰撞盒的模型通常會將飛機(jī)近似于一個規(guī)則的立體形狀,如長方體、圓柱體、球體等幾何體。一般會把其中一架飛機(jī)看作一個質(zhì)點(diǎn),并將忽略的體積轉(zhuǎn)移到另一架飛機(jī)的體積膨脹中,以此定義碰撞區(qū)域和碰撞事件的發(fā)生。例如,經(jīng)典的Reich模型[12]、Event模型[13]和gas 模型[14]就是典型的通過建立碰撞盒計算碰撞概率的方法。

2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型

數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型根據(jù)雷達(dá)檢測到的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過高斯分布、拉普拉斯分布等誤差分布函數(shù)對風(fēng)險進(jìn)行建模,評估碰撞風(fēng)險,提供決策支持。Anderson模型[15]、卷積模型[16]和基于概率公式推導(dǎo)的模型[17]是其中的典型代表。

2.3 基于模擬仿真的模型

此類模型利用蒙特卡洛等多種仿真方法對飛機(jī)的軌跡或誤差進(jìn)行計算機(jī)模擬,產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),通過修改空域環(huán)境、設(shè)備性能等可自由模擬各類場景,應(yīng)用非常靈活。Maki等[18]利用仿真的無人機(jī)軌跡進(jìn)行高斯概率分布,有效地估計了近半空碰撞的概率。Wang等[19]基于無人機(jī)三維飛行動力學(xué)的蒙特卡羅仿真方法,在無人機(jī)飛行能力的約束下生成大量隨機(jī)樣本計算不同場景下各時間段的碰撞概率。

綜上所述,各類碰撞模型的優(yōu)劣及適用范圍如表1所示。

表1 各類碰撞風(fēng)險模型對比

3 無人機(jī)運(yùn)行場景描述

實(shí)施面向運(yùn)行場景的風(fēng)險評估方法是民航局對無人機(jī)風(fēng)險管理[20]的基本策略之一,無人機(jī)(unnamed aerial rehicles, UAV)的空中碰撞風(fēng)險因其自身裝備不一、性能各異、運(yùn)行環(huán)境不同而變化,理清無人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的各類運(yùn)行場景(表2)有助于開展無人機(jī)空中碰撞風(fēng)險的分類研究。

表2 無人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的運(yùn)行場景

4 未來研究的思考與建議

通過對碰撞模型的對比與無人機(jī)運(yùn)行場景的分類,發(fā)現(xiàn)起飛全重在25 kg(含)以下、運(yùn)行高度在300 m以下的無人機(jī)在非管制空域運(yùn)行時,與有人機(jī)相撞的可能性較低。因此,未來無人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的空中碰撞風(fēng)險的定量研究主要從以下幾方面展開。

4.1 輕小型無人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行

在終端區(qū)的輕小型無人機(jī)通常在隔離空域內(nèi)運(yùn)行,其軌跡隨任務(wù)類型多變,而有人機(jī)則按照規(guī)定程序執(zhí)行進(jìn)離場飛行或起落航線飛行。此時,兩者相對位置不能單純地總結(jié)為平行航路或交叉航路。因此,此類運(yùn)行適合采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型探討碰撞概率的大小。

在此應(yīng)用模型時,可先估計隔離空域上空有人機(jī)空間位置的概率分布;其次,對無人機(jī)行為適當(dāng)近似,使用統(tǒng)計分析來估計有人機(jī)與無人機(jī)在運(yùn)行空間的重疊概率;再將有人機(jī)的時間特征與空間重疊概率相結(jié)合;最后使用無人機(jī)任務(wù)持續(xù)時間及對最壞情況的假設(shè)來估計跨越隔離空域上空的碰撞風(fēng)險。此方法可充分利用現(xiàn)有可用交通數(shù)據(jù),對無人機(jī)的完整性、機(jī)密性和可用性進(jìn)行基于概率的評估,而且可考慮到環(huán)境的隨機(jī)性,從而更精確地計算碰撞概率。

4.2 中大型無人機(jī)與有人機(jī)在航路運(yùn)行

中大型無人機(jī)在航路上運(yùn)行需遵守與有人機(jī)同樣的飛行規(guī)則,配備符合要求的通信導(dǎo)航監(jiān)視等設(shè)備。此時,無人機(jī)與有人機(jī)的軌跡都比較固定,可將無人機(jī)視為有人機(jī)考慮,這類運(yùn)行可采用基于幾何碰撞盒的模型探討其碰撞概率。

此類模型應(yīng)用時間久且簡單方便,對此類場景可建立有人機(jī)與無人機(jī)的碰撞盒,分平行航路與交叉航路進(jìn)行探討,還可將人為因素、環(huán)境因素、緩解措施等納入模型中改進(jìn)模型,使預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

4.3 中大型無人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行

中大型無人機(jī)在近距跑道起飛、進(jìn)近、著陸過程中可能與有人機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生沖突,同時也存在有人機(jī)誤入無人機(jī)跑道的情況,嚴(yán)重影響飛行安全。對此類運(yùn)行可采用基于仿真模擬的模型評估風(fēng)險。

基于蒙特卡洛等仿真方法可建立無人機(jī)的3D運(yùn)動模型[21],分析無人機(jī)沿指定路徑運(yùn)動時的軌跡,通過設(shè)置無人機(jī)導(dǎo)航、監(jiān)視、通信設(shè)備性能,增加時間長度和交通密度,可自由模擬空域環(huán)境,以此評估中大型無人機(jī)在終端區(qū)造成的碰撞風(fēng)險。此方法還可根據(jù)模擬效果優(yōu)化空域的進(jìn)離場及起落航線程序設(shè)計,進(jìn)一步降低碰撞風(fēng)險概率。

5 結(jié)語

無人機(jī)融入有人機(jī)空域運(yùn)行已對傳統(tǒng)空域提出了一系列安全挑戰(zhàn),由此引發(fā)的諸如空域需精細(xì)化分類、風(fēng)險需分等級評估、管理需靈活適應(yīng)市場等問題亟待解決。目前各國對無人機(jī)融入有人機(jī)空域運(yùn)行的碰撞風(fēng)險研究還存在以下問題:①囿于無人機(jī)的增速與市場占有率,為解決主要矛盾,風(fēng)險研究呈現(xiàn)場景單一、對象單一且多集中在對地風(fēng)險這些現(xiàn)象,對空風(fēng)險的研究相對滯后;②各國普遍采納的SORA方法中,對空中相遇等級的劃分并不適用于我國現(xiàn)狀,部分場景無法通過其流程對初始風(fēng)險定級;③對空中碰撞風(fēng)險停留在定性分析的層面,欠缺定量研究,難以用數(shù)據(jù)支撐風(fēng)險評估的可靠性。

對此,在分析EASA對空中碰撞風(fēng)險的研究基礎(chǔ)上,對我國無人機(jī)運(yùn)行場景進(jìn)行全面歸類,該場景分類旨在梳理各類無人機(jī)的特點(diǎn),明確各場景下研究的主要對象和主要風(fēng)險來源,完善現(xiàn)有SORA框架體系,解決無人機(jī)多場景運(yùn)行的空中碰撞風(fēng)險評估未量化、不全面的問題。

傳統(tǒng)有人機(jī)的碰撞風(fēng)險模型研究已漸成體系,無人機(jī)的空中碰撞風(fēng)險還未分類、分級、分場景構(gòu)建定量評估體系,也未明晰研究方法的適用性。因此,結(jié)合場景分類與成熟碰撞模型,無人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的空中碰撞風(fēng)險研究可以從3個方面開展:①輕小型無人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行可采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型分析;②中大型無人機(jī)與有人機(jī)在航路運(yùn)行可采用基于幾何碰撞盒的模型分析;③中大型無人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行可采用基于仿真模擬的模型分析。后續(xù)的研究還需將人為因素、緩解措施和管理因素等納入模型,建立更適合無人機(jī)運(yùn)行的碰撞風(fēng)險模型,用以支撐無人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的實(shí)踐活動。