空域地圖及無人機安全監(jiān)管平臺關鍵技術研究

柳宗偉，朱靖，欒學晨，2

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

0 引言

近年來，我國的無人機數(shù)量增長勢頭極為迅猛。但無人機在生產(chǎn)生活各領域的廣泛應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)條文原則性指導較多，缺乏精細化的指導性文件，導致“黑飛”問題陷入困境[1-4]。

為解決無人機監(jiān)管難的問題，地方政府和公安機關也加入監(jiān)管行列，并強調使用科技手段，實行更為細致和嚴格的管理措施[5]。目前廣東公安廳發(fā)布了為期三年的《關于加強無人機等“低慢小”航空器安全管理的通告》，深圳市人民政府也發(fā)布了更為細致的《深圳市民用輕小無人駕駛航空器管理辦法》來促進無人機的安全監(jiān)管。本文綜合各個省市公安廳相繼出臺的空域管理規(guī)定與無人機飛行特點，設計與實現(xiàn)無人機空域地圖、智能追蹤器與監(jiān)管平臺，實現(xiàn)通用航空器飛行的安全監(jiān)管。

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

1 空域地圖設計和動態(tài)發(fā)布平臺

1.1 空域專題地圖的設計

本文根據(jù)各級單位對航空器飛行行為限制區(qū)域范圍的要求，設計在電子地圖的基礎上設計空域管理專題數(shù)據(jù)庫，包括禁飛區(qū)、限制區(qū)、危險區(qū)、航模航拍空域開放區(qū)。各個區(qū)域的相關定義如下所示[6]。

（1）禁飛區(qū)：禁止無人機飛行，并限制通用航空器飛行。建議劃定禁飛區(qū)范圍包括機場障礙物面及機場凈空保護區(qū)、重點敏感單位（黨政機關單位、軍事管制區(qū)）、危險/重要物資倉儲場所（?；锲反鎯c、重要物資點）、重要道路沿線、重要交通樞紐（火車站、大型汽車客運站、碼頭）。

（2）限飛區(qū)：在規(guī)定的時限內，未經(jīng)有關部門許可，禁止無人機飛行，根據(jù)安全管理的需要劃定限制區(qū)，包括永久限飛區(qū)和臨時限飛區(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管制區(qū)域限制區(qū)。

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

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

為了提高空域地圖的精細度和可靠性，本文對一個區(qū)域進行了多層劃分，包括類別的區(qū)分、航空器的區(qū)分以及飛行任務的區(qū)分。例如將公園這一大類二級分類：同為公園，順德李小龍樂園適合無人機飛行，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)應劃分為危險區(qū)；此外一些公園雖然允許小型無人機的飛行，卻不允許大型無人機的飛行。本文會根據(jù)飛行申請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

發(fā)布可靠的空域地圖，除了空域專題地圖數(shù)據(jù)外，還需要疊加發(fā)布基礎電子地圖數(shù)據(jù)以及動態(tài)天氣、地形航拍數(shù)據(jù)、實時事件的數(shù)據(jù)，基本架構如圖1所示。

圖1 空域地圖發(fā)布平臺架構

其中，常見基礎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)、園林綠地數(shù)據(jù)和信息點數(shù)據(jù)；在基礎電子地圖的基礎上，同時增加高清的航拍影像數(shù)據(jù)以及通過無人機航拍數(shù)據(jù)提取的模擬真實地形的三維模型數(shù)據(jù)；補充地面架空的高壓電線和高壓電塔數(shù)據(jù)；而動態(tài)天氣與事件數(shù)據(jù)包括氣象局實時發(fā)布的動態(tài)天氣數(shù)據(jù)，民航航線數(shù)據(jù)，動態(tài)交通，人口密度實時熱力數(shù)據(jù)以及全國各地官方發(fā)布的當?shù)厥录?。這些動態(tài)數(shù)據(jù)可以讓本文更夠更快的對飛行申請進行判斷，實現(xiàn)有效的無人機安全監(jiān)管。

2 無人機安全監(jiān)管關鍵技術

2.1 無人機智能監(jiān)控管理模塊設計

智能跟蹤器是針對通用航空器的監(jiān)控設備，具備對無人飛行器實時定位并上傳位置信息的功能，實時監(jiān)控無人機飛行軌跡，當檢測到無人機違規(guī)進入禁飛區(qū)提前預警并向無人機飛行器發(fā)出相應指令。該設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。此外它還具有獨立工作、安裝方便，操作簡單等特點，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

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

2.2 無人機安全監(jiān)管平臺開發(fā)

為了實現(xiàn)無人機的監(jiān)管，空域安全監(jiān)管平臺需要實現(xiàn)三大功能：飛行前通過航空器信息以及申報信息等對飛行申報進行管理；飛行中的通用航空器飛行軌跡實際監(jiān)測以及飛行預警；飛行后的飛行應急和救援服務，平臺架構設計如圖3所示。

基于前述的功能設計，依托互聯(lián)網(wǎng)構建的服務平臺，將這些功能分為監(jiān)控后臺、監(jiān)管手持端、用戶App和對接其他監(jiān)管部門的SDK接口四大模塊進行開發(fā)。其中無人機安全監(jiān)管平臺部署在公安指揮中心?；谄脚_架構，本文設計了無人機飛行注冊申請、飛行監(jiān)控預警、事故應急查證三個關鍵功能。

（1）飛行注冊申請

無人機飛行前，首先需要登記注冊，以獲取賬號信息，并且駕駛員需要進行實名認證。然后等待公安部門的安排，線下對無人機進行安全綁定，將智能追蹤器綁在無人機上。在需要進行飛行任務的時候，飛行員登錄賬號對在線提交飛行申請，而監(jiān)控中心將飛行計劃種的靜態(tài)信息與空域地圖自動匹配，5分鐘內判斷是否允許該區(qū)域該時間段的飛行申請，如果可行，則給出申請允許的通知，如果不可行，則給出拒絕的命令。

（2）飛行監(jiān)控預警

安全監(jiān)管平臺后臺通過智能追蹤器實時監(jiān)控本地區(qū)起飛的綁定后的通用航空器，所有申報飛行計劃的飛行器均在系統(tǒng)內能夠監(jiān)視。當飛行器接近禁飛區(qū)、不同飛行器之間軌跡接近預警距離、航空器發(fā)生航高急劇降落、動力消耗等飛行異常情況，則自動啟發(fā)預警響應機制，觸發(fā)飛行應急、救援服務系統(tǒng)，提醒飛行員以及相關人員采取行動應對該問題。

（3）事故應急查證

當無人機將要飛入禁飛區(qū)或者限飛區(qū)，監(jiān)管平臺會通知飛行人員與區(qū)域產(chǎn)權人，對他們進行提示與預警。在必要的時候，例如無人機將要飛入大型活動場所，或者監(jiān)控中心收到“黑飛”報警，監(jiān)管平臺也會根據(jù)情況出警解決問題。

圖3 監(jiān)管平臺結構設計

3 空域地圖和無人機監(jiān)管平臺的實現(xiàn)

為了落實無人機的監(jiān)管，本文在廣東省佛山市和江蘇省常州市的試點區(qū)域制作了空域地圖，開發(fā)了無人機安全監(jiān)管平臺，并通過使用自主研發(fā)的RT420工業(yè)無人機進行安全監(jiān)管實驗。

3.1 空域地圖的生成和發(fā)布結果

根據(jù)空域地圖的設計以及發(fā)布方案，在佛山市順德區(qū)實驗區(qū)域基于導航電子地圖數(shù)據(jù)的屬性提取來驗證該區(qū)域的空域地圖的準確性，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。其中通過導航電子地圖可以準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)、學校、醫(yī)院等）、車輛擁堵區(qū)域（實時交通數(shù)據(jù)）。通過實地驗證，空域專題數(shù)據(jù)的完整度超過90%，證明本文的設計的空域地圖方法具有較好的準確性。但是，對于重點敏感單位（黨政機關單位、軍事管制區(qū)）、架空類公共設施（高壓電線、高壓電塔）等，由于數(shù)據(jù)涉及專業(yè)政務地圖，在導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，但對于空域安全的監(jiān)管至關重要。

圖4 佛山市空域地圖制作范例

為此，本文在常州市實驗區(qū)域與當?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)、政務地圖公共設施以及高清航拍數(shù)據(jù)，根據(jù)空域地圖設計規(guī)范，提取禁飛區(qū)、限飛區(qū)和危險區(qū)等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)平臺上發(fā)布了完整的常州市空域地圖，通過與最新的數(shù)據(jù)進行比對，常州市空域地圖的數(shù)據(jù)準確度達到98%，數(shù)據(jù)的全面性達到95%（圖5），滿足當?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)管平臺的實現(xiàn)

在前述對安全監(jiān)管平臺的功能設計的基礎上，本文開發(fā)了常州市無人機空域安全監(jiān)管平臺。在已經(jīng)開發(fā)完整的常州市無人機空域安全監(jiān)管平臺的基礎上，在常州市武進區(qū)進行了實地的無人機安全飛行的實驗驗證，共驗證了50個架次，具體實驗結果如下：

（1）空域申請實驗

實驗通過后臺本文進行飛行申請，實驗結果表明安全監(jiān)管平臺可以根據(jù)空域地圖提供用戶航線規(guī)劃參考，并自動判斷空域安全沖突。飛行申請沖突檢測結果如圖6所示。當申請的規(guī)劃區(qū)域與禁飛區(qū)沖突、或者與同一地區(qū)先前申請或者更高級別的航區(qū)沖突時，系統(tǒng)會自動發(fā)出提示，要求用戶調整飛行區(qū)域和飛行時間。

圖6 飛行申請空域

（2）空域監(jiān)管實驗

在常州市武進區(qū)通過RT420無人機進行軌跡監(jiān)管實驗，在無人機的飛行過程中對無人機的軌跡進行實時監(jiān)測。

同時，在實驗的過程中，模擬在空域地圖中模擬禁飛區(qū)，控制無人機接近模擬的禁飛區(qū)。當無人機接近禁飛區(qū)時，平臺準確地進行預警提醒，消息同時發(fā)送到用戶端App，要求飛行員進行處理。實驗結果如圖7所示，當無人機進入禁飛區(qū)后，平臺啟動自動返航指令，強制干預控制無人機返航，并發(fā)送信息到監(jiān)管端App進行出警安排。

（3）違規(guī)記錄

在無人機監(jiān)管端，進行了違規(guī)記錄的事后追查的實驗驗證。

通過實驗驗證后的無人機飛行成果和記錄，在后臺對無人機的歷史軌跡和違法記錄進行查詢和管理，實驗結果表明無人機監(jiān)管平臺已經(jīng)實現(xiàn)了實現(xiàn)無人機的監(jiān)管從實時和事后追責的全面監(jiān)管和保障。如果無人機軌跡飛行均在安全監(jiān)控范圍內，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用紅色進行顯示。這使得監(jiān)管人員能夠清晰地判斷出無人機飛行的違法范圍和類型，作為責任追查的重要證據(jù)。

圖7 實時軌跡監(jiān)測

圖8 歷史軌跡管理

4 結語

本文針對目前我國無人機面臨的安全隱患進行分析，結合我國的空域環(huán)境與無人機飛行特點，設計與實現(xiàn)了空域地圖與無人機安全監(jiān)管平臺，以有效且安全地為無人機用戶提供無人機監(jiān)管服務。該平臺目前可以滿足無人機監(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、航線的精細化申請、平臺多方面應用等方面的研究使得該監(jiān)管平臺更加地可靠與完善。