城市環境下無人機飛行路徑決策規則

格雷厄姆·沃里克

城市環境的復雜性制約了無人機的使用。為了使得無人機能夠在城市環境下的載人、貨物運輸等夢想成為現實，研究人員正積極探索控制城市大規模無人機交通流的方法，值得高度關注。

在正確的道路上行駛，在紅綠燈處停車，在轉彎前發信號，所有這些都是我們現在認為理所當然的道路規則，但經過幾十年的發展，其中一些規則的起源可能只能在歷史上追溯了。現在想象一下，嘗試如何科學地定義這些規則，并以安全的方式實施它們，在未來幾十年或幾百年內，不會對交通流量和增長施加意外的限制。

這正是世界各地的研究人員在努力開發空中交通管理系統構建時所做的工作，將使無人機系統能夠在城市地區進行常規和安全的大規模操作，從運送包裹的無人機到運送人的自主飛行出租車。2017年1月，美國航空航天研究所

（American Institute of Aeronautics and astronautics）在德克薩斯州葡萄藤市召開的科學技術會議，讓人對地面交通從未發生過的空中飛行過程有了一個發人深省的認識，對替代性基本空中“道路規則”進行科學探索和評估。

想象一下明天的城市峽谷里擠滿了飛機，飛機在不同的高度、以相反方向飛行，加入或離開交通流，隨意停飛，在任何程度上都像是《星球大戰》電影或《第五元素》中的場景。這能安全有效地實現嗎？

這種空域的復雜性遠在未來，但即使是在城市中的常規無人機交付也需要一些地面規則，例如“道路”的哪一邊飛行，相隔多遠，誰讓路給誰？此外，如今的小型無人機很容易受到街道上狂風的影響，而且GPS在城市峽谷中不可靠，常規和安全操作面臨的挑戰往往令人望而生畏。

空中通道

空中走廊

美國宇航局艾姆斯研究中心（Ames Research Center）正在探索城區無人機交通流控制的潛在替代操作概念。正如科學技術研究者江大松所闡述的，基本概念是空中通道（sky-lane）、空中管道（skytube）和空中走廊（sky-corridor）。在空中通道上，無人機必須沿著每條通道的中心線行駛；在空中管道上，無人機可以在每條管道內自由移動，但在這兩條通道上，車輛只能朝一個方向飛行。在空中走廊上，它們可以向任何方向飛行，但無人機必須保證安全分離。

一個概念是將建筑物之間的空域按高度分成多個層次，每一層都復制下面的道路系統，在交叉口處形成一條帶狀交匯通道，需要“交通信號”來控制流量。另一種方法是給每條帶狀通道一個獨立的層，然后將它們堆疊起來，這樣它們就不會在穿過交叉路口時交匯。空中只能容納一半的通道，這減少了空域利用率，但不間斷的通道增加了吞吐量。

有了空中通道，無人機可以通過橫向移動改變一條帶內的通道，通過層間移動改變高度，并在交通信號燈處左轉或右轉到交叉帶上。在一些設計中，出口匝道允許右轉。在最復雜的概念中，堆疊的通道有交替的方向和連接各層的坡道，這樣車輛不僅可以移動到交叉帶，還可以反向移動——一個多層的絕緣管連接點，可以保持無人機空中交通的流動。

空中管道的概念是類似的，但由于其在管道內移動的自由度增加，系統可以通過將無人機過渡航路點和時間窗分配給交叉口來控制交通流，而不是使用交通信號。在空中走廊的概念中，每架無人機本身決定如何在交叉走廊之間過渡，而流量控制系統只批準或拒絕該計劃。

江大松提出的無人機交通管理的一個關鍵問題是通道上無人機之間的距離。對于固定翼飛機來說，尾流旋渦可以設置安全間隔，但是在建筑物之間空域飛行的旋轉翼無人機能夠停止和盤旋。因此，安全系數是制動距離，與汽車一樣，縱向分離將由速度、機動性和傳感器能力決定。

無人機選擇那條通道取決于無人機類型和需求，并確保在空中不碰撞。關于未來無人機交通控制的決策可能是持久的，希望這些決策會更科學。■