關(guān)鍵詞：自主性，自動(dòng)化與人工智能，無人機(jī)自主控制技術(shù)，自主控制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化

0引言

低空經(jīng)濟(jì)作為新質(zhì)生產(chǎn)力的代表，已經(jīng)成為培育發(fā)展新動(dòng)能的重要方向。當(dāng)前無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為低空經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，無人機(jī)自主控制技術(shù)是提升服務(wù)低空經(jīng)濟(jì)的重要能力。傳統(tǒng)無人機(jī)的人機(jī)控制指令交互過程，受限于通信鏈路質(zhì)量、環(huán)境干擾和操作員技術(shù)水平等問題[1]，導(dǎo)致傳統(tǒng)無人機(jī)難以運(yùn)行在非結(jié)構(gòu)化的未知環(huán)境中。擁有自主控制能力的無人機(jī)通過自主決策規(guī)劃來減少控制指令的通信需求，降低操作員持續(xù)參與程度，減少操作風(fēng)險(xiǎn)和各類飛行事故，拓展無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革對(duì)未來無人機(jī)系統(tǒng)在自主控制技術(shù)方面，提出更高的發(fā)展需求，包括環(huán)境感知和態(tài)勢(shì)認(rèn)知能力，復(fù)雜條件下的自主導(dǎo)航、規(guī)劃與控制能力，人機(jī)智能融合與自主學(xué)習(xí)能力及多平臺(tái)分布式協(xié)同能力[1]。

國內(nèi)外有關(guān)無人機(jī)自主控制等級(jí)的分類方法和角度仍不統(tǒng)一，國內(nèi)正式無人機(jī)自主控制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)尚屬于空白。本文通過收集、總結(jié)、分析國內(nèi)外自主性等級(jí)劃分及評(píng)估方法，結(jié)合國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，面向種類繁多的無人機(jī)系統(tǒng)任務(wù)，歸納提煉無人機(jī)自主控制分級(jí)要素，并結(jié)合國內(nèi)外分級(jí)現(xiàn)狀提出自主控制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展建議。

1 自主控制標(biāo)準(zhǔn)化問題現(xiàn)狀

在無人機(jī)生態(tài)系統(tǒng)中，自主性成為許多工業(yè)航空應(yīng)用和未來空中立體交通的關(guān)鍵技術(shù)。市場(chǎng)和行業(yè)中的無人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)涌現(xiàn)出越來越多的自主控制能力，例如自主避障、自主跟隨攝像、快遞車上自主降落等。自主無人機(jī)具有的異構(gòu)的組成部件，多樣的氣動(dòng)布局，航電設(shè)備和載荷，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一和實(shí)施：

（1）自主性定義混亂。自主控制與自動(dòng)控制，人工智能之間的界限不清，概念混淆；

（2）自主性等級(jí)要素量化困難。目前自主控制等級(jí)的劃分方法以及每個(gè)等級(jí)的主要特征尚沒有形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，不同分級(jí)模型方法之間的區(qū)分度定義以及交互困難。

2 自主性與自主控制

自主無人機(jī)內(nèi)置自動(dòng)駕駛儀，利用機(jī)載傳感器感知周圍環(huán)境，依靠智能算法的計(jì)算決策來自主飛行，而遙控式無人機(jī)需要操作員通過數(shù)據(jù)鏈路持續(xù)指揮控制無人機(jī)[2]。自2007年以來，美國先后發(fā)布了多版“無人系統(tǒng)綜合發(fā)展路線圖”，其中強(qiáng)調(diào)推進(jìn)無人系統(tǒng)的自主化，國內(nèi)外相繼開展自主性關(guān)鍵技術(shù)研究，自主性的技術(shù)內(nèi)涵也不斷豐富和完善。ASTM已經(jīng)發(fā)布的3份技術(shù)報(bào)告[3-5]，旨在解決使用自主系統(tǒng)時(shí)的潛在安全問題。盡管對(duì)“自主性”的概念達(dá)成了一定的共識(shí)，但在實(shí)現(xiàn)方式上形成了2個(gè)主要觀點(diǎn)[6]：

觀點(diǎn)1：涌現(xiàn)性觀點(diǎn)，即自主性是由一系列日益自動(dòng)化的功能集合所產(chǎn)生的一種涌現(xiàn)效應(yīng)。隨著一組相互作用的功能的自動(dòng)化水平不斷提高，自主性可能隨之出現(xiàn)。

觀點(diǎn)2：非確定性觀點(diǎn)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能自動(dòng)化系統(tǒng)的“非確定性特征”。對(duì)于確定性系統(tǒng)，如果已知輸入，設(shè)計(jì)者可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為。然而，非確定性系統(tǒng)可能表現(xiàn)出無法僅根據(jù)輸入預(yù)期的行為，這類系統(tǒng)可能涉及人工智能等概念。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布的無人系統(tǒng)自主級(jí)別（ALFUS）中，認(rèn)為自主性是系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)設(shè)定任務(wù)過程中，進(jìn)行感知、理解、分析、交流、規(guī)劃及決策制定與自主執(zhí)行任務(wù)的能力，是一種衡量無人系統(tǒng)自我管理能力和管理質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)[7]。劉樹光等[8]進(jìn)一步將自主性拓展為人機(jī)聯(lián)合認(rèn)知的能力，以及應(yīng)對(duì)不同任務(wù)要求與未知環(huán)境的適應(yīng)能力。系統(tǒng)自主性的高低可以通過任務(wù)復(fù)雜性、環(huán)境復(fù)雜性和人機(jī)交互程度等因素得以衡量[7]。

系統(tǒng)的自主控制能力是自主性品質(zhì)的重要體現(xiàn)，自主控制能力，是無人工干預(yù)的條件下，在未知和動(dòng)態(tài)環(huán)境里，航空器系統(tǒng)通過在線環(huán)境感知和信息處理，自主生成優(yōu)化的控制策略，完成各種戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，從而形成快速有效的任務(wù)自適應(yīng)能力[1]，飛行管理系統(tǒng)具備更高級(jí)別的決定權(quán)和操作范圍，自主控制強(qiáng)調(diào)自我決策、自我控制[9]。

3 國內(nèi)外自主控制等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展

3.1有關(guān)無人系統(tǒng)的自主等級(jí)的劃分方法

無人系統(tǒng)的自主等級(jí)是指無人系統(tǒng)實(shí)體對(duì)象根據(jù)對(duì)外部環(huán)境的感知以及對(duì)環(huán)境與自身的理解，在外部任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立制定并選擇不同行動(dòng)方案的能力[10]。在無人系統(tǒng)的自主性分級(jí)方法上，主流劃分方法有公式計(jì)算法、三維坐標(biāo)軸法、表格法、層級(jí)分析法和蛛網(wǎng)模型法等。

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）發(fā)布的關(guān)于無人水下航行器自主和控制標(biāo)準(zhǔn)指南中[11]，形成態(tài)勢(shì)感知，決策、規(guī)劃與控制和外部交互3個(gè)維度的自主等級(jí)評(píng)價(jià)坐標(biāo)軸，根據(jù)系統(tǒng)的投影值進(jìn)行比較。而王菖等[12]采用感知與認(rèn)知、決策與規(guī)劃、行動(dòng)與控制基礎(chǔ)能力維度內(nèi)的協(xié)同性和學(xué)習(xí)性為主要評(píng)價(jià)因素，設(shè)計(jì)包含人操控、人委派、人監(jiān)督、混合主動(dòng)、全自主5級(jí)的無人系統(tǒng)自主性評(píng)估表。美國汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）發(fā)布的駕駛自動(dòng)化等級(jí)，從駕駛員操作要求、技術(shù)特征和人機(jī)任務(wù)分配角度出發(fā)，劃分為輔助駕駛和自動(dòng)駕駛2類，從無駕駛自動(dòng)化（0級(jí)）到全駕駛自動(dòng)化（5級(jí)）共6個(gè)等級(jí)。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)旨在加快提供初始監(jiān)管框架和最佳實(shí)踐，為制造商和其他企業(yè)在高度自動(dòng)化車輛（HAV）的安全設(shè)計(jì)、開發(fā)測(cè)試和部署提供指導(dǎo)。SAEJ3016標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被美國交通運(yùn)輸部（DoT）“聯(lián)邦自動(dòng)駕駛汽車政策”采用，其面向消費(fèi)者的直觀評(píng)價(jià)體系，受到自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)的其他利益相關(guān)者廣泛參考，全球范圍內(nèi)影響廣泛。

3.2人機(jī)協(xié)作關(guān)系視角

人機(jī)協(xié)作關(guān)系是依據(jù)自主性的定義，描述和區(qū)分自主性等級(jí)的重要依據(jù)，根據(jù)劃分的維度，現(xiàn)有自主性等級(jí)劃分方式大致可以分為2種，其劃分方式是形成面向無人機(jī)的人機(jī)角色劃分的重要依據(jù)。

（1）人-機(jī)權(quán)限分配

Sheridan自動(dòng)裝置分級(jí)（LoA）、高空長航時(shí)無人機(jī)自主性能力等級(jí)、人-機(jī)權(quán)限四級(jí)模型等方式均依據(jù)人機(jī)交互程度（又稱人-機(jī)權(quán)限分配）進(jìn)行自主性等級(jí)劃分，基本思路是自主等級(jí)和系統(tǒng)需要的人機(jī)交互程度之間成反比（見表1）。

（2）任務(wù)+環(huán)境+人機(jī)交互程度

ALFUS框架、自主系統(tǒng)參考框架、ASTM的UUV自主性等級(jí)，以及在ALFUS框架基礎(chǔ)上衍生出來的無人地面車輛（UGV）自主控制等級(jí)均從3個(gè)維度出發(fā)來劃分無人系統(tǒng)自主性等級(jí)，一般為任務(wù)、環(huán)境和人機(jī)交互程度，最終自主性等級(jí)的確定需要綜合考慮多個(gè)維度的影響（見表2）。這種方式能夠考慮多重因素，彌補(bǔ)了前2類方式考慮因素單一的不足，但由于維度增加，在綜合評(píng)判無人系統(tǒng)自主性等級(jí)時(shí)，無法直接得到結(jié)果，需要考慮各維度的權(quán)重，不同的評(píng)判目的，權(quán)重可能也不相同，導(dǎo)致過程變得繁瑣。

4 無人機(jī)自主控制等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展

無人機(jī)系統(tǒng)的自主性愈發(fā)受到研究人員重視，美國國防部發(fā)布的無人機(jī)路線圖，提出的面向無人機(jī)并逐漸擴(kuò)展為整個(gè)無人系統(tǒng)的一體化發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，著重強(qiáng)調(diào)了無人機(jī)與其他無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)能力和自主能力。目前，縱觀國內(nèi)外有關(guān)無人機(jī)自主控制分級(jí)方法主要有：自動(dòng)化等級(jí)（LOA）、自主控制水平等級(jí)（ACL）、自主性等級(jí)（ALFUS）、自主系統(tǒng)參考框架、人-機(jī)權(quán)限四級(jí)模型等。這一系列標(biāo)準(zhǔn)、研究報(bào)告為各類無人機(jī)自主性能力分級(jí)提供了一定的視角，然而模型方法尚未能形成大范圍的統(tǒng)一。

無人機(jī)自主性及等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)制定的相關(guān)工作概況如圖1所示[13-17]。

在當(dāng)前已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)研究中，ASTM和SAE的研究報(bào)告?zhèn)戎胤治龊娇障到y(tǒng)保證安全性的技術(shù)方法手段和流程，單一歐洲天空計(jì)劃組織（SESAR）對(duì)空中交通管理自動(dòng)化水平進(jìn)行分類，歐洲航空安全局（EASA）和SAE對(duì)人工智能等級(jí)劃分進(jìn)行研究，部分組織如JARUS，ECA，ICAO的報(bào)告涉及無人機(jī)自主等級(jí)劃分。美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）在其路線圖中強(qiáng)調(diào)了自主等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化的必要性，ASTM，SAE，EUROCAE等標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)啟動(dòng)了相關(guān)工作。此外，在無人機(jī)自主控制等級(jí)劃分上，歐洲駕駛艙協(xié)會(huì)（ECA）[18]將無人機(jī)自主控制架構(gòu)分為戰(zhàn)術(shù)功能和飛行管理，依據(jù)可執(zhí)行任務(wù)類別以及任務(wù)的復(fù)雜程度，飛行操作中的人機(jī)角色分配，形成了對(duì)自主控制級(jí)別的主要分類界限的維度。美國無人機(jī)科技公司Exyn[19]提出無自主到全自主的6級(jí)自主控制分類方法，根據(jù)飛行時(shí)對(duì)駕駛員的操作要求，對(duì)系統(tǒng)的任務(wù)分配，避障與響應(yīng)能力，感知與識(shí)別能力等4個(gè)方面劃分自主控制等級(jí)。

ICAO和JARUS的出版報(bào)告也支持6級(jí)LOA框架，強(qiáng)調(diào)責(zé)任和問責(zé)等方面。然而，在此框架內(nèi)還需對(duì)飛行控制等系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行詳細(xì)分析。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）于2007年提出的ALFUS分類方法，對(duì)自主性從任務(wù)復(fù)雜度、人機(jī)交互和環(huán)境復(fù)雜度3個(gè)維度進(jìn)行分類，抽象提出了無人機(jī)自主相應(yīng)的任務(wù)能力、評(píng)估矩陣以及打分方法，通過對(duì)無人機(jī)執(zhí)行的任務(wù)分解后根據(jù)3個(gè)因素的度量來為其分配權(quán)值。2023年1月，無人系統(tǒng)規(guī)則制定聯(lián)合體JARUS[20]，發(fā)表的無人機(jī)自主控制分類策略中規(guī)定了自主控制實(shí)現(xiàn)的主要功能，并對(duì)相應(yīng)功能下駕駛員和系統(tǒng)的主要任務(wù)進(jìn)行了劃分。根據(jù)人機(jī)分工、回退機(jī)制，持續(xù)的飛行機(jī)動(dòng)控制、對(duì)象檢測(cè)和事件響應(yīng)和外部系統(tǒng)的通信（包括地面站和空域系統(tǒng)），劃分為手動(dòng)操作、協(xié)助操作、任務(wù)分擔(dān)、有監(jiān)督自動(dòng)化、異常管理、完全自主權(quán)6個(gè)等級(jí)。相比之下，NIST的ALFUS方法考慮因素較為全面，但存在量化過于主觀的情況。

陳宗基等[21]認(rèn)為無人機(jī)自主控制等級(jí)是由無人機(jī)代替有人駕駛飛機(jī)所能完成的駕駛員的智能行為等級(jí)，并于2011年提出了符合我國無人機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的9級(jí)無人機(jī)自主控制等級(jí)，深入分析了影響自主等級(jí)的無人機(jī)指令通道的互連和互通能力。

國內(nèi)尚無正式關(guān)于無人機(jī)自主控制等級(jí)劃分的國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，工信部發(fā)布1項(xiàng)《民用無人機(jī)系統(tǒng)自主控制等級(jí)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。民航局于2022年8月發(fā)布MH/T2013-2022《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)分布式操作運(yùn)行等級(jí)劃分》[22]，將民用無人駕駛航空器系統(tǒng)自動(dòng)化等級(jí)從人機(jī)飛行任務(wù)執(zhí)行分配，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素探測(cè)與響應(yīng)，飛行任務(wù)接管和設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍的限制情況出發(fā)，分為從0級(jí)到5級(jí)，共6個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)不同的自動(dòng)化程度和安全能力要求。

5 結(jié)語

本文針對(duì)無人機(jī)自主控制分類角度、方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問題，在充分調(diào)研國內(nèi)外自主技術(shù)和自主控制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)界技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，歸納出國內(nèi)外相關(guān)研究形成的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化組織及相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)以上概念的研究進(jìn)行了總結(jié)和區(qū)分，重點(diǎn)綜述了自主控制等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展研究。