低空無人機交通管理概覽與建議

全權，李剛，柏藝琴，付饒，李夢芯，柯晨旭，蔡開元

1. 北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100083 2. 上海華為技術有限公司，上海 201206 3. 中國民航科學技術研究院，北京 100028

1 低空無人機交通管理基本概念和現狀

1.1 基本概念和定義

低空空域原則上是指真高(離地高度)1 000 m(含)以下空域，超低空空域一般是指真高120 m(含)以下空域，主要用于視距飛行高度限制。根據中國民航局2019年第一季度無人機云數據統計：運行高度在120 m以下的無人機占96.5%，1 000 m以下的無人機占據99.9%。

這些年民用無人系統技術發展迅猛，這歸功于電池技術和電力推進等技術的進步，無人機自主飛行技術等自動化技術的日趨成熟，以及圖像處理器和人工智能處理器的發展。由于無人機的性能得到了極大改進，無人機由視距內人工遙控器操作，發展為超視距內遠程網絡操作。隨著4G移動通信技術的成熟和面向行業應用的5G技術的逐步商用，民用無人機大規模應用離生活也將越來越近。

為了保證安全，民用無人機應該與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受管理。對于民用飛行器，空中交通管理(Air Traffic Management, ATM)的任務是[1]：“考慮空中及地面系統的運行能力以及經濟上的需要，為用戶提供空域利用上的最大效能；考慮飛機裝備的等級和運行目的的不同，靈活地組織不同用戶之間分享空域；保證空中交通管理系統的總效率；向用戶提供從起飛到著陸的連續協調、有效服務和管制，確保安全；與國際上協調一致，保證飛越國境順利進行”。空中交通管理的內容主要包括空中交通服務、空中交通流量管理和空域管理3大部分[1-2]。

現有的適用于民航飛行器運行的空中交通管理方式不能適用于未來數以百萬架的無人機。

1) 低空無人機數目多，體積小，執行任務復雜多樣。

2) 現行民航空中交通管理的通信、導航和監視技術手段都很難應用于低空目標。民航航空是傳統的窄帶通信技術，無法滿足大量的無人駕駛航空器更大的帶寬通信需求；低空無人機的導航技術需要結合基站定位、視覺導航等新興技術；現有民航的監視技術也難以滿足低空輕小無人機的監視需求。

3) 無人機缺乏有效的信息獲取手段，難以全面、及時感知規避障礙物，導致空中碰撞的風險增加。除此之外，現有的空中交通管理仍然是20世紀30年代發展起來的管理方式，走的是輔助飛行員駕駛的技術途徑；而無人機的駕駛員在地面，所以針對低空無人機交通管理[3]，需結合現有物聯網以及信息化技術等，實現更加智能和自動化的交通管理。因此，考慮到支撐技術以及運行安全，根據中國民航局2016年發布的《民用無人駕駛航空器空中交通管理辦法》(MD-TM-2016-004)規定，無人機目前被要求在隔離空域飛行。參考國務院、國務院中央軍委空中交通管制委員會《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》對輕小微型無人機的適飛空域高度定義以及民航最低安全高度要求，本文主要著重進行低空空域無人機交通管理(Unmanned Aircraft System(UAS) Traffic Management，UTM)的概述，特別是真高300 m(含)以下的空域。

低空無人機交通管理的最終目標是基于不同的地理條件(從農村到城市)和不同的應用目的(從空中監視、設施巡檢到物流等)，推動具有不同能力的無人機在低空空域有序飛行，并進一步拓展到載人飛行器等。更具體地說，保持無人機與空中其他飛行器(如：無人機、有人機、自由氣球、飛艇等)和障礙物的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制與容量管理。低空無人機交通管理系統是一個復雜的系統，需要根據無人機性能、無人機作業場景等確保無人機操作所需的安全級別。與此同時，低空無人機交通管理也需要與無人機運營服務等協同，內容包含無人機從生產制造信息到飛行使用和產品維修等整個全生命周期過程，涉及無人機、駕駛員、運營人、制造企業等相關體系。低空無人機交通管制，不再是管制員對駕駛員的管制，更多的交通管制功能由后臺系統進行自動化的處理。低空無人機空域管理和流量管理，將與實時低空交通流量控制、碰撞檢測等進行深度融合。管制員將逐漸轉變為運維監視員和系統維護員角色，因此低空無人機交通管理框架可以如圖1所示。

無人機空中交通服務包括：空域管理、容量管理、流量管理、空中交通管制、飛行監視(針對消費級無人機)、無人機圍欄、飛行情報服務、告警與通知等。與傳統民用航空空中交通管制不同，低空無人機的空中交通管制功能將進行簡化，部分功能融入到容量管理和流量管理當中，由后臺計算機負責。

圖1 無人機交通管理組成框架Fig.1 Component framework of UAV traffic management

飛行運營服務包括：運營人管理、駕駛員管理、設備(無人機與遙控器)管理等，更多的無人機運營服務還包括無人機維修服務、充電服務和保險服務等。低空無人機交通管理不包括運營服務，僅包括交通服務，充當著整個空中交通管理的大腦的角色，負責決策。

通信、導航和監控(Communication, Navigation, Surveillance, CNS)功能等基礎設施充當著整個無人機交通管理系統的眼睛、耳朵和神經系統，負責態勢感知和信息傳輸。

1) 通信(Communication)。這里通信的目的是為了傳輸交通管理的信息，包括空對空通信、空對地通信、地對地通信、無人機與無(有)人機之間的通信，無人機與無人機交通服務提供商的通信，無人機交通服務提供商之間的通信等[4]，具體包括4G/5G公網、AeroMACS、專網、衛星、V2X等。針對低空300 m以下空域，考慮到基礎設施建設成本，可以采用移動運營商提供的4G/5G公共網絡。

2) 導航(Navigation)。無人機在低空飛行需要知道自己的位置等信息，進而知道其他無人機的位置。由于雷達導航部署存在較大困難，容易受到障礙物遮擋等，因此傳統民用航空所需的雷達導航并不適用于低空300 m以下空域。針對低空無人機，涉及的技術包括基站定位技術、衛星導航技術、雷達導航、視覺導航和慣導等。特別在衛星導航技術容易受干擾和初期基礎設施建設緩慢情況下，建議發展視覺導航技術。

3) 監視(Surveillance)。在低空飛行過程中，無人機的飛行位置和狀態信息等需要主動或被動地傳送給地面管制單位。主動監視又包含遠程網絡監視和本地廣播監視。目前，民航飛行器進一步將依靠廣播式自動相關監視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B)進行發送和接收周圍信息。然而，對于民用輕小型及以下的無人機來說，因為其尺寸小、飛得低、數目多，很難用雷達來監控它們；而通過ADS-B等又會對現有民航形成干擾，并且進一步加重ADS-B通信帶寬的負荷。由于低空通信組網的最佳方式是采用移動蜂窩網，因此對于低空輕小無人機等，建議采用基于移動蜂窩網發展的、滿足更大帶寬和速率的C-V2X技術，滿足無人機到無人機、無人機到地面監視人員之間的通信。本地廣播監視的可靠性較差，接收器很容易被攻擊，如果缺乏被動監視進行過濾，很難發現異常，導致接收器/服務器拒絕服務甚至癱瘓。因此，對于輕小型及以下無人機來說，本地廣播監視的部署是需要慎重考慮的問題。

1.2 世界各國技術現狀

目前實施科學的低空無人機空中交通管理已經成為各航空發達國家的共同選擇。盡管每個地區使用的術語和組織略有不同，但是無人機交通管理系統在世界各地發展的基本原理和方法非常相似。

1)美國。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)牽頭，與美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)、工業界、學術界合作共同研制了一套無人機系統交通管理框架UTM[5-6]。UTM是一個非管制的、面向服務的空中交通管理框架，通過授權給民營機構，也就是無人機服務提供商(Unmanned aircraft system Service Supplier, USS)來提供服務。這些機構具有無人機所需服務(包括運營服務和交通服務)的提供能力，能給使用無人機作業的企業提供FAA所不具備的服務。UTM開發將最終確定服務內容、角色/責任、信息架構、數據交換協議、軟件功能、基礎設施和性能要求，以實現對低空非管制的無人機運行管理，解決低空空域(解決地面以上400英尺(1英尺=0.304 8 m)，約120 m以下的空域)小型無人機的非管制運行。UTM的技術發展分為4個階段[7]：① 第1技術階段的測試目的在于測試基于接口的網絡化運行和信息共享能力；② 第2技術階段[8]的測試目的在于測試超視距、飛行意圖分享和地理圍欄等能力；③ 第3技術階段的測試[9]目的在于測試常態超視距運行、空中機對機防撞和規避靜態障礙物等能力；④ 第4技術階段的測試[10]目的在于超視距運行、跟蹤和定位、規避動態障礙物，以及處理大規模突發事件等能力。

2) 歐洲各國。歐盟委員會和歐洲航空安全局(EASA)提出建立公共無人機飛行系統U-Space[11-12]。U-Space是為了確保大量無人機安全、高效的進入空域，所設計的一套新的數字和自動化服務程序。其理念與無人機交通管理系統UTM相同，U-Space服務提供商提供關鍵功能，它們都與U-Space系統管理器進行通信。U-Space規定無人機在低空使用，飛行高度不超過150 m，并把無人機分為3類：開放(Open)、特許(Specific)與審定(Certificate)。U-Space系統將自動使用電子身份識別以及地理圍欄等工具以確保自主無人機可訪問相關信息。其發展分為4步走:① 第1步計劃于2019年開始提供基礎服務，包括電子注冊、電子識別和電子圍欄；② 第2步計劃于2022年開始提供初始服務，包括飛行規劃、追蹤、與傳統空管的交互；③ 第3步計劃于2027年提供擴展服務，包括沖突檢測、自動監測、避障功能；④ 第4步計劃于2035年開始提供高度自動化、連接性、數字化的全功能服務。

3) 日本。日本UTM協會(Japan UTM，JUTM)和新能源工業技術開發組織(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)共同建立了國家UTM項目[13]。它包括一個飛行情報管理系統(Flight Information Management System, FIMS)、一些無人機服務提供商、一層數據源提供商(Source Data Service Provider, SDSP)和運營商。FIMS管理所有飛行計劃，處理緊急警報并提供避免指令。無人機服務提供商位于FIMS與每個運營商之間。JUTM在2017開始了演示。NEDO下開發的個人用戶系統在2018年進行了演示，2019年將首次進行全系統演示，2020年將開始實施。

4) 新加坡。新加坡民航局(Civil Aviation Authority of Singapore, CAAS)與新加坡南洋理工大學聯辦了航空交通管理研究院，并著手研發無人機空管系統TM-UAS[14-15]。目前，TM-UAS已經實現了地理圍欄、沖突避免等技術。根據新加坡的城市特點，CAAS研究正著眼于對多架無人機在人口密度極高的城市環境中安全有效的運作。

5) 中國。目前主要有中國民航局飛標司批準的各家無人機云系統以及民航局空管辦主導開發的無人機交通管理信息系統。針對民用無人機，現階段重點解決無人機的主動飛行監視與管控、信息收集和信息分享等，由無人機云系統提供上述功能。無人機云系統通過無人機云交換系統進行信息交互，并集成無人機云交互系統到無人機運行管理(UAS Operation Management, UOM)系統中。無人機云系統提供無人機禁飛區查詢、身份識別、數據統計、電子圍欄、動態監視、軌跡回放、告警與通知等功能。無人機云交換系統提供飛行信息服務、飛行計劃申請、審批、放飛授權等信息交換功能。在2019年初，中國民航局飛標司、適航司和空管辦聯合發布了《特定類無人機試運行管理規程》(AC-92-01)，針對特定類行業級無人機應用啟動無人機空中交通空域管理、流量管理、飛行管制與風險評估等的研究與試點。無人機云系統如何提供空域管理、容量管理、流量控制和避撞等空中交通服務，如何與國家無人機綜合監管平臺進行協作，還需要進一步研究。

無人機空中交通管理的研發在各國均正處于起步階段，美國UTM投入早，走在世界各國的前列。在空域劃分上，美國擁有非管制的G類空域。航空器在G類空域中飛行時，管制中心不提供空中交通管制服務，飛行安全由飛行員自己負責。該類空域允許航空器包括無人機進行自由飛行。然而，目前中國所有空域都為管制空域，并且中國的低空通信網絡主要由政府主導，由移動通信服務提供商提供良好的4G/5G網絡。基于這些差別，雖然中國基本服務與美國UTM 中的無人機服務提供商提供的服務一致，但在實現上結合中國空域現狀和通信基礎設施等采取的技術路徑不同。中國更適合開展基于集中管理、有序飛行的低空無人機交通管理技術，歐美各國會重點和優先發展碰撞檢測與避免技術。無人機交通管理技術的研發與落地，不僅能夠滿足不斷增長的無人機行業應用需求，亦可作為有人機自動化演進的重要技術途徑，實現中國航空業的快速發展，成為世界各國進入航空強國的重要途徑。

2 低空無人機交通管理

首先，本節分析低空無人機交通管理的特殊性。針對無人機交通網特點，介紹無人機交通管理設計要求和設計思路。之后，在空間維度上分別分析和總結目前美國和中國的無人機空中管理框架。最后，在時間維度上介紹無人機飛行過程。

2.1 低空無人機交通管理的特殊性

如表1所示，低空無人機交通與傳統民航交通、公路交通、鐵路交通等之間存在一定差異，具有一定的特殊性。

傳統的民航空中交通系統基礎設施建設依賴政府力量，而管理方式依靠空中交通管制員和飛行員之間的語音通信以及雷達探測。即使依賴人的參與，傳統的民航空中交通管理依舊十分復雜[16]。與傳統的民航相比，由于無人機的數量龐大，在很小區域內(如10 km2)可以隨時擴展到數千架，并共享有限的空域，所以無法使用像傳統民航交通管理系統這樣的集中通過管制員的方式來進行負載預測和分配。因為無人機的預期交通密度遠遠超出了當前民航空中交通管理系統的能力，所以必須考慮基于大規模并行計算的分布式解決方案，管理會更具挑戰性。另外，民航空中交通系統還在進行平臺化和信息化升級，下一代航空運輸網(Air Transport Network, ATN)還處于過渡期，自動化系統等級升級過程較長且困難重重[17]。因此，目前傳統民航平臺不適應低空無人機。除此之外，低空無人機交通呈現很多新特征。針對低空無人機交通的CNS設施都需要面向低空，而低空空域受到低空障礙物等影響。因此，通信組網復雜度、導航可靠性、監視手段也需要更新換代。針對低空無人機，可以考慮采用4G/5G公共移動通信網絡、基站定位導航、視覺和無線電監視等新興技術等。無人機交通服務的飛行器和機場種類也將更加豐富，比如：在城市空中交通中的無人機要求其在城市中完成起降，因此無人機應具備垂直起飛和著陸功能。無人機垂直起降功能可以避免如固定翼飛機所需的長距跑道。這樣機場可以分布在區域各個角落，如屋頂或塔臺型無人機場，形式簡單多樣。

與鐵路和公路相比，鐵路網可以認為是一維空間，公路網是受限二維空間，而無人機運行的空域是三維空間，所以無人機在避障方面更加靈活。與此同時，其墜毀對地面也帶來了安全的隱患。因此，必須合理規劃空域，并基于低空航路網設計無人機的空中交通管制算法，以確保實現安全的空中交通管制。

除以上提到的特性不同外，低空無人機的突發任務頻次遠遠高于傳統民用航空，低空無人機交通網需要保證隨時劃分航線進而接入無人機，并隨時釋放臨時航線。因此，整個網絡的動態變化較高，這與傳統民航網、公路網和鐵路網都不相同。此外，在單位區域數量、入網申請、任務重復性、是否可停留避撞和路徑規劃等方面，與傳統民航網、公路網和鐵路網有些部分相似又不盡相同。綜上所述，目前低空無人機交通網并沒有合適的現成的交通管理方式。

表1 低空無人機交通與公路、鐵路、傳統民航3種交通的區別Table 1 Difference between low-altitude UAV traffic and highway, railway and civil aviation traffic

注：① 公路的任務重復度從總體上每天近似重復，但是相比其他網絡比較低。

② 目前無人機以垂直起降為主，可以懸停；而民航飛行器多以固定翼為主，不能懸停，但能盤旋，但盡量減少這種方式進行避障。

2.2 低空無人機交通管理設計要求和設計思路

基于低空無人機交通的特殊性，低空無人機空中管理系統勢必有著獨特的要求和框架。

2.2.1 設計要求

1) 系統的操作原則

從系統的操作原則上看[11]，無人機空中交通管理系統需要滿足： ① 只有經過認證的無人機和操作員才能在空域內操作； ② 無人機間應保持距離； ③ 無人機和載人飛行器應保持距離； ④ 無人機、其操作員或支持系統了解空域內的所有限制條件，包括地面上的人、動物和建筑，無人機將保持遠離這些限制； ⑤ 公共安全無人機應優先于其他無人機和載人航空。

2) 系統的性能要求

從系統的性能要求上看，需要滿足：① 可擴展、靈活和適應性強，在管理與民用航空的接口的同時，能夠響應需求、數量、技術、商業模式和應用程序的變化；② 在無人機運營商的監督下，多個自動無人機可實現高密度飛行；③ 保證所有用戶公平和公正地進入空域；④ 隨時提供具有競爭力和成本效益的服務，支持無人機運營商的商業模式；⑤ 盡可能利用現有的航空服務和基礎設施以及移動通信服務等其他部門的服務，使部署和運營成本降到最低；⑥ 遵循基于風險和性能的方法，同時盡量減少對環境的影響，尊重公民的隱私，包括數據保護。

3) 系統的服務要求

從飛行功能服務來看[18]，整個系統應該提供：① 安全服務，系統健康監測、無人機注冊、用戶身份驗證以及飛行監控；② 飛行服務，飛行計劃、計劃和需求管理(進一步可參考文獻[19])、間隔保證(Separation Assurance)及應急管理；③ 情報服務，空域定義、天氣信息、地形和障礙物及交通運行信息。

低空空域按可提供服務分為：管制空域、監視空域和報告空域分類。

1) 管制空域是指為飛行活動提供空中交通管制服務、飛行情報服務、航空氣象服務、航空情報服務和告警服務的空域。

2) 監視空域是指為飛行活動提供飛行情報服務、航空氣象服務、航空情報服務和告警服務的空域。

3) 報告空域是指為飛行活動提供航空氣象服務和告警服務，并根據用戶需求提供航空情報服務的空域。

針對低空無人機的飛行服務仍然可以按照上述進行分類，由具有不同能力等級的無人機服務提供商提供不同空域的服務。

2.2.2 設計思路

從設計方式來說，分為：戰略管理、戰術管理、邊緣管理和個體管理，它們呈現遞進關系，如圖2所示。

圖2 無人機交通管理設計方式
Fig.2 Traffic management design of UAV

1) 戰略管理(Strategic Management)。基于地理信息、通信導航監視能力等，設計和規劃航路網，解決空域管理問題，并由此得到系統容量(最大容量)。

2) 戰術管理(Tactical Management)。結合飛行計劃申報，評估對未來一段時間內的可能運行容量，完成飛行計劃的審批，解決作業前容量管理。在巡航過程中解決流量控制問題，實現無人機的有序飛行，實現即時運行容量的最大化，防止沖突的發生。在巡航過程中，結合動態電子圍欄、臨時交通管制等，解決可能發生的碰撞問題。此時，如發生異常，由地面管制員(維護員)代替駕駛員操作無人機將是較好的選擇。

3) 邊緣管理(Edge Management)。解決區域性(視距范圍、無人機與遙控器間點到點通信距離)問題，如機場涉及的起飛與降落(進近)管理，重點解決機場區域的起飛授權、容量控制和起飛降落等問題。由于無人機的駕駛員在地面，在整個飛行過程中，尤其是超視距飛行時保持高可靠的指揮與控制鏈路是不現實的。因此，無人機駕駛員部署在機場區域。如發生異常情況，通過地面駕駛員本地操作無人機起飛和降落，此時指揮與控制鏈路的時延大大縮短，可靠性大大提高。

4) 個體管理(Individual Management)。通過機載處理器解決障礙物碰撞問題，包括無人機與無人機之間、無人機與有人機之間、無人機與障礙物之間，采取有效的機載路徑規劃技術，繞開障礙物，并廣播相關信息。

1.2節中提到，由于中國不存在非管制空域，因此從頂層架構上中國應優先發展基于4G/5G聯網的戰略管理設計、戰術管理設計，并結合4G/5G 移動邊緣計算技術開展邊緣管理設計，在5G V2X技術成熟以后再開展個體管理設計(本地廣播)。相比下來，由于歐美目前主要焦點在解決無人機的碰撞檢測與避免，以及本地監視，采用了與4G/5G不太兼容的低功耗藍牙(BLE)、專用短程通信技術(DSRC)等技術，在后續會可能限制其低空無人機交通管理的發展。

從飛行時間來說，分為：飛行前、飛行中和飛行后，如圖3所示。

圖3 無人機交通管理階段Fig.3 UAV traffic management phase

1) 飛行前(Pre-flight phase)。解決飛行計劃申報、航線規劃和起飛授權問題。

2) 飛行中(In-flight phase)。解決飛行中的流量管理、碰撞檢測與避免、降落等各種問題。

3) 飛行后(Post-flight phase)。分析記錄方面以及其他相關的飛行后業務和義務，保險與充電、維修等。

2.2.3 設計內容

根據2.2.1節與2.2.2節所述，對無人機的空中交通服務內容包括以下4個方面。

1) 容量管理服務。涉及如下階段：① 計劃申報階段，通過與飛行計劃申報相結合，預估整體航路網未來較長一段時間內的半靜態容量，對飛行計劃進行審批和授權；② 起飛階段(考慮機場)，通過計算當前運行容量，對放飛申請進行授權；③ 巡航階段，結合異常情況，交通管制、異常天氣、障礙物等實時計算當前機場或者航路運行容量，并觸發流量控制；④ 降落階段，通過計算區域運行容量，對機場區域無人機進行可靠導航并有序降落。

2) 流量管理服務。涉及巡航階段：① 沖突檢測，計算機場或者航路上的飛行器沖突風險；② 流量控制，結合沖突風險、運行容量、航空管制等調整飛行器的運行速度、航線等；③ 保持飛行器之間的最優飛行間隔，完成飛行計劃。

3) 碰撞檢測與避撞服務。涉及起飛、巡航和降落階段：① 碰撞檢測，通過機載或者地面檢測到的異常信息發起交通管制(結合動態電子圍欄)；② 通過機載路徑規劃防碰撞系統繞過障礙物；③ 通過機載V2V(Vehicle to Vehicle)系統廣播碰撞告警信息。

4) 空中交通管制服務。通過人工介入，解決突發交通問題和飛行管制等，不再提供傳統民航的程序管制服務等功能。

低空無人機空中交通服務受限于所采用的移動通信技術。低空移動通信網絡的服務質量(Quantity of Service, QoS)將大大影響低空交通服務的能力。因此，低空無人機交通服務提供商需要向移動網絡運營商定制所需的通信能力(如低空網絡覆蓋等)，并結合通信網絡實時質量，采取相應的容量管理和流量管理等手段。

2.3 低空無人機交通管理系統框架

為了解決民航空中交通系統的弊端和發揮工業界的力量，世界各國都提出了自己的無人機交通管理系統框架。這里主要介紹美國NASA主導提出的UTM框架[5-6]，世界各地的無人機空中管理框架與美國的UTM框架類似，因此UTM可以認為是無人機空中管理的通用框架。除了美國的UTM框架，本文還總結和介紹了中國的無人機空中管理框架UOM。

2.3.1 美國UTM框架

UTM不依賴于集中控制，而是使用分布式授權的原則。它是一個框架，是一種網絡化的服務集合，它們結合在一起并基于共同規則彼此相通。它是為了將來的應用而建立的，能夠隨著技術的進步和市場需求的成熟而保持相關性。其結構如圖4[5-6]所示。

UTM系統是由飛行情報管理系統(FIMS)和以USS為中心的網絡組成。UTM具有多層分離保證，從戰略管理到更實時的分離規則和應急管理，再到實時避障能力，以確保各項操作安全進行。USS由FAA認證，每個服務供應商的責任是交換數據和協調其他服務供應商。FAA管理通過信息交換與ATM系統協調所需的數據，并存儲諸如飛行計劃等信息，這一過程稱為全系統信息管理(System Wide Information Management， SWIM)。同時，FAA通過運行飛行情報管理系統，在USS、ATM和國家空間系統(National Airspace System, NAS)之間進行協調。通過這種方式，FAA可維持空域和交通運行的監管、運營權限, 具有給空域用戶的提供按需訪問的權限，并可以通過UTM來維持空中態勢感知。空中交通管制員不需要管制空域中的每個無人機，而只需使用UTM來發布指令，約束和配置空域。

圖4 UTM框架[5-6]Fig.4 UTM framework[5-6]

2.3.2 中國無人機運行管理框架

在2019年，中國也提出了自己的無人機交通管理系統框架UOM[20]，如圖5所示。

參考《低空飛行服務保障體系建設總體方案》[21]，B類飛行服務站應當具備飛行計劃處理、航空情報服務、航空氣象服務、告警和協助救援服務等功能，向服務范圍內的通用航空飛行活動提供服務，定期向區域信息處理系統提供飛行計劃及實施情況相關信息。A類飛行服務站還應當具備監視和飛行中服務等功能。目前審批通過的無人機云系統僅提供B類飛行服務站部分功能，但未具備飛行服務站的區域屬性。進一步，無人機云系統將升級為無人機交通服務系統，提供空中交通服務等功能，即A類飛行服務站，并具有區域屬性。中國無人機交通管理系統包括如圖6[20]所示的功能單元組成[20]，下面介紹下它們各自的功能。

圖5 中國無人機運行管理(UOM)示意圖Fig.5 Sketch map of UOM in China

圖6 無人機交通管理系統框架[20]Fig.6 Framework of UAV traffic management system[20]

1) 無人機系統。主要包括無人機、遙控器，還包括企業服務器和PC機(地面站)，可通過實時連接蜂窩網絡用于自動化物流、巡檢等。

2) 通信網絡。包括移動4G/5G通信、衛星通信、民航專網通信等(根據圖1介紹)，用于完成無人機系統與無人機交通服務系統之間的數據通信。

3) 無人機交通服務系統(無人機云系統升級)。充當整個空中交通管理系統的大腦的角色，主要負責決策及風險評估。

4) 無人機云交換系統。負責無人機信息管理，其中包括信息的收集、儲存、轉發與同步等。

5) 無人機實名登記系統。負責對無人機系統、運營人、駕駛員等進行信息登記。

6) 國家無人機綜合監管平臺。重點負責無人機的飛行監視、交通管制、信息服務、飛行計劃等。

無人機云交換系統、無人機實名登記系統均屬于UOM平臺的子系統，這些功能和模塊均統一由政府部門提供。UOM將具有以下特點：

1) 與針對消費級無人機的監管系統完成融合，并與行業應用所需空中交通管理完成系統融合，消費級無人機可直接由國家無人機綜合監管平臺提供服務。由于一般消費級無人機屬于開放類輕小型及以下的無人機，所以只需在報告空域(適飛空域)飛行即可。

2) 行業應用無人機空域通過無人機云系統提供服務，并由無人機云系統上報無人機狀態信息，完成信息收集。無人機云系統之間通過無人機云交換系統進行協同，這一方案解決了現階段無人機云系統之間的信息分享與同步問題。

3) 未來將無人機云系統升級為無人機交通服務系統，無人機交通服務系統之間可通過區域間信息共享以及無人機云交換系統的輔助協同，并與有人機空中交通管理系統進行協同，最終達到實現低空無人機空中交通管理的目的[20]。

2.4 低空無人機交通管理過程

在整個交通管理過程涉及到無人機空中交通管理系統中不同的角色。因為目前歐洲和美國僅僅公開了網絡架構，而具體處理流程沒有公開。因此，這里采用中國民航局UOM框架，參考中國民航局《無人機云系統數據接口規范》(MH/T 2009-2017)和《無人機云系統數據規范》進行說明。無人機飛行過程一般按照如圖7所示的流程[20]。

圖7 無人機交通服務流程示意圖[20]Fig.7 Flowchart of UAV traffic service[20]

從時間上來看，無人機飛行流程正常情況下可以按飛行流程逐一發生，如圖7所示。

1) 無人機運營人在無人機交通服務系統中完成注冊并申請相關服務。

2) 無人機飛行前需要向無人機交通服務系統遞交飛行計劃(包含飛行任務)，如作業目的，具體機型、臨時航線及基于航路網的固定任務等。無人機飛行服務系統在接收到飛行計劃(任務)后，會根據相關標準對飛行計劃進行初步審核，并評估將對空中交通容量產生的影響。無人機運營人將飛行計劃申報給無人機交通服務系統后，系統可以通過自動判斷計劃沖突情況的方式進行自動審核。如果自動審核失敗，計劃將進入人工審核環節。飛行計劃預審核通過以后，還需要通過上報給無人機云交換系統，交由國家管理部門再次審核。

3) 基于航路網的飛行計劃生成。在無人機起飛之前，需要向無人機交通服務系統發送放飛申請，并提交飛行目標點，如從A點飛到B點。無人機交通服務系統將根據當前航路網容量運行情況，為無人機自動規劃一條航線，航線可以由首尾相接的直線路線組成(其中也包括飛每條直線路線的速度等飛行參數)。該條航線會作為飛行計劃，上報給無人機空中管理系統，無人機空中管理系統根據目前空中交通狀況以及已經安排的飛行計劃，推演并計算該無人機最終的飛行計劃(其中包括起飛時間、航線以及飛行速度安排等)，并將授權結果發送給無人機。

4) 無人機得到最終放飛申請授權結果后，需在指定時間內進行無人機預位，并按規定起飛時間起飛。其中起飛授權預留人工介入窗口，無人機在起飛前還需要經過人工起飛授權確認，否則不能起飛。

5) 在正常情況下，無人機在飛行過程中周期上報飛行數據，并會按飛行計劃進行飛行，直到最后飛行任務結束。由于在實際飛行過程中，有很多不確定因素，如：某些有人機要穿過無人機交通網導致某些航路不可用、某些無人機因逆風導致飛行速度變慢、某些無人機未能按時起飛等。這就需要無人機空中管理系統完成流量控制、碰撞避免等操作，并接收告警與通知消息。

3 低空無人機交通管理的關鍵技術

相比民航飛行器的交通管理技術，低空無人機交通關鍵技術亟待突破。本節將介紹關鍵技術及研究現狀。

3.1 低空空域管理的關鍵技術

3.1.1 空域定義

1) 空域空間。空域一般被定義為地球表面以上的可供飛行器飛行的空氣空間，即可航空間。空間層次關系如圖8所示。現在已經使用的空域只是可航空間的一部分。因此，目前人們所提到的空域，更具體地說應該是為飛行器提供飛行服務的空間。由此空域具有：自然屬性、社會屬性和技術屬性。空域的技術屬性是由CNS等技術形成的信息場，并由此構建空中交通管理能力。

圖8 空間關系Fig.8 Space relationship

美國FAA的CFR PART 107規范定義了輕小無人機系統的飛行規則，即UTM使用的空域是地面以上400英尺(約合122 m)以下的超低空空域的非管制空域(G類空域,如圖9[6]所示)。進一步，美國亞馬遜公司[22]提議將距離地面400～500英尺(約合122～152 m)的區域列為隔離區，以便在無人機和有人機之間設立一個緩沖區，如圖10[22]所示。

圖9 無人機空域劃分圖[6]Fig.9 UAV airspaces division[6]

圖10 無人機緩沖區[22]Fig.10 UAV no fly zone[22]

民航飛行器的飛行高度必須保持在500英尺以上，而低于400英尺的區域則劃分為兩部分。配有避障技術，而且能夠與交通管理系統建立可靠連接的無人機，可以在200～400英尺的“高速區”飛行，其他無人機(包括一些消費級無人機，以及用于調查或航拍的無人機)只能在200英尺以下的“低速區”飛行。

如圖11所示，本文建議以無人機類型、作業任務和場景來劃分飛行高度層：① 超低空航路空域，90～120 m高度層用于輕小型及以下無人機物流配送，設計最后一公里航路網，主要是多旋翼無人機作業，而60～90 m高度層用于保護。當然特殊場景可依據作業任務、所需通信性能和定位能力，可以設計40～50 m高度層用于地面巡檢，如交通車輛巡檢、警用治安巡檢等，60～80 m高度層用于房屋、基站、橋梁巡檢等。② 近低空航路網空域，150～270 m，設計末端航路網，供混合翼無人機等高速前飛的無人機使用。進一步可分為兩層，用于物流配送和載人運輸。③ 低空航路網空域，300～1 000 m，暫不做建議。

以上分層建議的+0 m基準高度是一個區域參考點的修正海拔高度，所有的高度測量均為相對于基準高度。如果是山地丘陵區域或者密集城區高樓建筑較多，應該按照地形修正基準高度，如圖9中美國G類空域，采用相對高度測量。相對基準高度+300 m以上區域，建議采用絕對高度測量。

圖11 低空航路網分層示意圖Fig.11 Sketch of low-altitude route network layers

2) 無人機圍欄。無人機通常在低空空域飛行，需要與低空的復雜環境、地面的人財物直接接觸。目前裝有自動駕駛儀的無人機仍需要在人的指揮控制下進行作業。無人機圍欄是一種監管無人機飛行的有效工具，其原理是在相應電子地理范圍中劃出特定區域，阻止該區域的無人機飛入或飛出，并配合CNS系統保障區域內安全，其示意圖如圖12所示。無人機圍欄許可類型可以分為禁止飛入與禁止飛出[23-26]。

如果無人機沒有獲得飛入地理圍欄的許可，無人機就將該地理圍欄標記為禁止飛入地理圍欄。如果無人機獲得了某個地理圍欄的許可，無人機就將該地理圍欄標記為禁止飛出地理圍欄。禁止飛出可以分為單機禁止飛出和多機禁止飛出。單機禁止飛出地理圍欄僅僅對一架無人機開放，該機始終保持在該地理圍欄內飛行。除了該機，其他無人機均將該地理圍欄視為禁止飛入地理圍欄。

如圖12所示，無人機圍欄模型采用4維空間結構，經度、緯度、高度和有效時間。由此可以通過設定臨時無人機圍欄的方式，禁止無人機飛入或者飛出某個空域。無人機圍欄是空間的虛擬表示，又稱為無人機電子圍欄。

圖12 無人機圍欄示意圖Fig.12 Sketch of UAV fence

3.1.2 空域表示和組織

空域組織的目的是如何結構化空域以最大限度地提高通行能力。空域組織的基礎是空域的表示模型。

1) 空域表示：網格化

目前通用的構建空域環境研究采用網格法(Grid)建立低空無人機低空飛行空域環境。低空空域在地理空間上被分為多個三維網格，其目的是利用網格塊的中心點作為空域的采樣點，進行計算、模擬、測量和分析，并利用網格塊進行顏色編碼可視化，使整個城市空域能夠在離散方式下進行系統地管理。盡管所有的網格塊都假定具有相同的大小，但單個網格塊在緯度、經度和高度上的尺寸不一定相同。它們可以根據不同的分析模型、需求、容量、約束等進行變化。典型的網格化空域表示例子就是目前中國的北斗衛星導航網格碼，其在航空領域的重要性不言而喻。空域通過網格化表示，即空域把三維地理信息映射到網格中，可以為不同的行業應用提供不同的精度范圍，由此避免國家資源的信息泄露[27-28]。

2) 空域組織：航路網

基于網格化的表示，可以對空域進一步進行結構化。首先將空域環境劃分為網格塊，然后根據網格內包含的：航點(通信點、機場、臨時降落區、降落等待區等)、限制區、惡劣氣候多發區、機場凈空保護區和通信、導航和監視能力，將網格分為障礙網格和自由網格。自此，空域環境由自由網格和障礙網格構成，并形成一個連通圖。這樣，航路規劃問題就轉化成對自由網格的規劃問題，即在該連通圖上尋找從起始網格到終點網格的規避障礙物的最優路徑。

這樣一來，空域的結構類似于城市的道路網絡。無人機只能進入以下3個區域：與道路起類似作用的航路、由至少兩條直線航路形成的交叉口以及節點[29]，其中空中航路是指根據地面導航設施建立的供無人機作航線飛行之用的具有一定寬度的空域。該空域以連接各導航設施的直線為中心線，規定有上限和下限高度和寬度。這里的節點可以是機場或者一片自由飛行空域。借鑒民航空域設置，無人機航空空域也可被劃分為若干扇區[29]，因此每個扇區都包含其航路、交叉口和節點。相鄰扇區可以通過進近入口(Gate)相互連接，進近入口是扇區邊界的交叉口，但它們是屬于兩個扇區的特殊區域。不允許任何航路穿過兩個扇區之間的邊界，除非它被分成兩個航路，并且在邊界處有一個進近入口連接航路[29]。

文獻[30]按照無人機低空航路的定位和服務，建議劃分為4級：低空骨干航路、低空主干航路、低空支線航路和低空末端航路。其中，低空骨干航路是指連接首都與各省、自治區、直轄市首府的航路，連接各大經濟中心、港站樞紐、商品生產基地和戰略要地的航路。

航線連接與優化初步設計的無人機航路網局限于僅考慮兩兩無人機機場組合情形，但這未考慮交叉節點對航路的影響，存在飛行安全隱患，無法滿足實際飛行要求。因此，應采用合適的優化算法對其進行優化和調整。如合并臨近無人機機場，調整共線航路、交叉航線和低利用率航路，以及調整航路網絡非直線性等。因此，需要航路規劃，其重要步驟包括[1-2]：航路搜索和航路簡化和優化。針對無人機，低空航路網設計還有許多潛力可挖。文獻[31]介紹了無人交通網絡設計的新概念。第一，采用數據驅動的空中交通建模與分析方法，確定適合嵌入網絡的可行的低層城市空域區域。第二，利用改進的K中心方法，通過考慮城市地區預期的典型無人機操作的地理覆蓋范圍，確定候選網絡節點位置。第三，K-最近鄰和圖論概念被用來定義一個無人交通網絡結構，該結構試圖在不影響現有有人空中交通運行的情況下，最大限度地擴大覆蓋范圍。

3.1.3 空域容量

1) 基本概念

空域容量是用來量化空域及空中交通服務的效能，被認為是表示空管可擴展性約束的適當指標[32]。低空無人機航路網運行容量是指在航路入口點所允許的最大無人機放行率。很多因素可能影響航路網運行容量：① 航路的可用高度層、高度層的垂直間隔；② 航路上飛行器的縱向間隔；③ CNS設備的覆蓋情況；④ 航路交叉點的數量和位置。考慮到近地飛行，空中容量還需要考慮無人機發出的噪聲對人的影響。

由于無人機采用自動化運行，因此相比目前的民航飛行，可以將空管管制人員的壓力因素去除。另外，并非所有無人機墜毀的都是災難性的，大多數情況下僅會導致財產損失，而不是人員傷亡。因此，低空空域容量評估提出了新的改進機會[33]。在新的特點下，評估的難點主要在于需要考慮空域運行的動態性、空域結構復雜性以及無人機在空域的分布不均及飛行規則各異等特點。

2) 容量設計

在研究空域容量時，基本上有兩個重要方面：交通密度和交通復雜度[34-35]。關鍵問題是，或多或少的結構優化是否有利于空域的容量。4種空域結構概念如圖13[36]所示。通過在極端流量密度下，通過批量模擬進行測試，同時對4種空域結構進行沖突率、多米諾骨牌效應、入侵和效率的測量[37]。結果表明，所謂的“層概念”在防止全球沖突率高、對飛行效率影響最小方面最為成功[38]。文獻[36]通過仿真表明了某些速度一致性對降低相對速度以及沖突率的產生有很大影響。地理矢量是為給定區域指定的三維速度矢量范圍。可以區分2種類型的地理矢量：靜態地理矢量可作為航路網數據庫的一部分，而動態地理矢量將通過網絡或廣播系統作為實時情報服務提供給無人機管理系統以及無人機系統。

除了設計空域結構，還可以通過設計分離間隔機制來增加空域容量。① 先進的CNS技術可使無人機以最小的分離間隔運行，依據所需CNS性能和飛行計劃，也可以提供整網最優和安全的分離間隔。② 側重于使用新的CNS技術，通過精確定義的4D飛行軌跡減少分離要求。

3) 容量評估

參考民航交通管理中的容量估計方法[39-41]，人們針對無人機的空域容量估計提出了多種方案，其中以基于數學計算模型的方法居多。文獻[42]首先提出采用基于閾值的數學定義來估計未來的通行能力。之后，文獻[33]提出了一種更先進的基于吞吐量的低空空域容量估計方法，以適應未來低空空域的空中交通需求。針對存在城市建筑物的更普遍情況，文獻[43]提出禁止飛入和禁止飛出兩類地理圍欄方案用于分析空域容量。針對無人機空域容量確定的理論方法，文獻[44]中提出一種確定無人機的空域容量的解析方法。

圖13 4種空域結構概念[36]Fig.13 Four airspace concepts of increasing structures[36]

3.1.4 存在的挑戰

針對低空空域如何進行具體劃分，本文給出了一些建議，但這目前依然是個開放性問題。低空航路網的劃分也十分有挑戰性。針對城市空域，文獻[45]提出用地形圖和骨架圖來解釋城市空域潛在的幾何和拓撲特征。為了無人機安全飛行，CNS的性能以及低空復雜環境會限制低空空域使用[46-47]，比如：空間三維網格可能只被通信、導航和監控設備之一覆蓋或者部分覆蓋。為此，文獻[46]開發CNS的仿真工具來分析空間和操作越來越密集的空域情況。文獻[47]分析了可控和非可控空域對CNS的要求。另一方面，無人機墜毀的并非都是災難性的，這種風險跟空域對應的地面人流密度和覆蓋物等相關(具體請見3.3節)，其中地面人流密度又與時間相關[48]。因此，低空無人機航路網設計應該考慮以上因素，這也是因低空無人機交通帶來的新問題也是新機會。進一步，基于設置的空域和航路網，容量設計和評估的難點主要在于空域運行的動態性、空域結構的復雜性、無人機在空域的分布不均及飛行規則各異[37]。

3.2 低空飛行管理的關鍵技術

3.2.1 飛行管理概述

參考2.2.3節的設計描述，無人機飛行管理主要包括如下內容，如圖14所示。

1) 在基于空域管理和航路網規劃時設定安全邊界和間隔

可以認為在飛行區域和飛行航路上進行事先的限制。這個手段在3.1節簡單介紹過。這里還包括動態設置禁飛區隔離空域中的無人機等。

2) 評估和審批飛行計劃，調整起飛授權放飛時間和降落授權

在計劃申報階段，通過與飛行計劃申報相結合，預估未來較長一段時間內的空域容量，對飛行計劃進行審批和授權，即飛行計劃容量控制。另外，在起飛階段(考慮機場與航路)，通過計算當前運行容量，對放飛申請進行授權，即起飛授權容量控制。飛行計劃包括無人機的飛行航線，可以是人為設定的，也可以是起飛前航線進行自動規劃。除此之外，還包括在降落階段(考慮機場容量)，對降落申請進行授權。

3) 流量管理

動態航線規劃和飛行速度控制，使空中無人機之間保持一定的安全間隔

在運行階段，結合多種異常情況，包括交通管制、異常天氣、障礙物等產生的實時沖突，或者根據航路和機場的運行容量，進而觸發流量管理。這個時候沖突預計發生的時間較長(比如分鐘級別)，通過動態航線規劃和飛行速度控制修正來消除沖突。

4) 碰撞避讓控制

調整飛行速度和飛行方向進行障礙(危險物)避讓

這個時候沖突預計發生的時間較短(比如秒級別)，碰撞即將發生。這時對于無人機可以采用邊緣計算技術，地面管控系統對無人機進行實時避障控制，也可以通過機載V2V系統廣播碰撞信息，無人機進行自主避障控制。

圖14 空中交通控制流程框圖Fig.14 Flowchart of air traffic control

3.2.2 關鍵技術介紹

飛行管理中的細節和技術很多，這里我們僅對其中的關鍵問題和技術進行概述。

1) 容量管理

首先關注民航飛行器的容量管理。一個抽象的空域容量管理問題如圖15所示[49]，空中交通管制員試圖管理一個空域內的民航飛行器操作量，使該空域內的交通量小于航空交通管制(Air Traffic Control, ATC)所能支持的最大實際容量。

圖15 ATC目前管理空域容量的方法[49]Fig.15 ATC’s current method of managing airspace capacity[49]

目前，管制員通過增加空域的容量(例如通過調整飛行程序或分配給空域的管制員數量)，或者通過交通管理和臨時禁飛區來限制進入空域的交通量等舉措，來達到容量平衡。這種容量控制的方法直接，但過于簡單。這是因為，實際空中飛行器在整個航路網上并不是均勻分布的。也就是說，可能有些區域飛行很擁擠[50]，而其他地方卻很稀疏。

在容量控制方面，可以采用地面等待策略，將放飛時間作為控制量來調節容量。該方法的目的是將成本相對較高的空中等待轉化為地面等待，從而使延誤成本最小、安全性最高。這種等待策略在民航飛行器已經被廣泛使用[51]。文獻[52]采用最小成本流算法和動態規劃算法，解決了多個飛機隨機抵達單一擁擠機場的問題。針對靜態多機場地面等待問題，文獻[53]研究了其通用整數規劃模型，以便所有航班延誤成本總和最小化。進一步針對動態多機場地面等待問題，可參考文獻[54]。

針對無人機空中交通，可以將操作員的工作負荷這個因素去掉，僅考慮空域結構上的約束。借鑒民航的地面等待策略，需要計算無人機的放飛時間，包括地面起飛的無人機以及空中飛行的在進近入口(Gate)等待跨區域的無人機。

2) 航線規劃管理

自1987年Odoni首次對空中交通流量管理問題做出系統性描述[55]后，流量管理理論研究受到了廣泛關注。

改航策略，是指受到諸如天氣、禁飛區等實際因素影響而重新分配航線的方法。該方法的優勢是以少量的空中飛行時間來換取大量的地面等待時間，從而產生可觀的經濟效益。針對改航策略，文獻[56]為空中交通流量管理問題提出了一個整數規劃模型，其完整表述了每個飛行階段(起飛、巡航和著陸階段)。文獻[57]以最小化延遲成本為目標，解決了在面對動態變化的天氣時如何重新規劃飛機路線的問題。

民航飛行器的空域比較開闊，飛機之間的間距比較大，因此航班時刻優化比較重要。而無人機的空域相對比較狹窄，而無人機飛行又比較密集，航路網上的路線選擇比較靈活。因此，相比于民航飛行器，無人機的航線規劃比較重要。另外，民航飛行器的機場容量或剩余燃料的余量都較為充足，而無人機機場有的建設在城市樓頂，可能只能容納有限的無人機，還應考慮到達時間的規劃問題。

無人機航線規劃是指依據任務要求和周圍環境信息等因素，規劃出一條從起點到終點的最優無碰撞路線。這里分為起飛前航線規劃和起飛后動態航線規劃(例如某無人機在起飛后被通知事先規劃的航線經過了臨時禁飛區，這時需要調整之前的規劃的航線，即動態航線規劃)。與起飛前航線規劃不同的是，動態航線規劃顯得更加緊迫而且必須有解，因為無人機已經處于空中。目前，主要應用的算法有動態規劃法、A*搜索算法、遺傳算法、蟻群算法和基于粒子群優化的航跡規劃算法等。這些方法大致可分為兩類：基于圖的搜索方法和基于最優控制的方法。圖的搜索方法往往面臨維數災問題，而基于最優控制的方法通常依賴數值解法，面臨極小點問題[58-59]。

文獻[58]提出了一種局部路徑規劃算法，使無人機能夠在滿足實時流量和地理圍欄約束的情況下執行特定的飛行任務。該規劃算法將快速探索隨機樹法與形式化驗證的算法相結合，以保證交通清晰明了，以及能檢測地理圍欄沖突。文獻[59]基于假設無人機之間通過機間通信協議進行通信，并相互共享位置和速度信息，描述了一種基于樹的航跡規劃算法。該算法考慮了UTM體積邊界和其他在共享空域內飛行的無人機。飛行計劃階段的能量消耗估算是保證安全的關鍵，文獻[60]提出了一種基于能量的無人機交通規劃方式。文獻[61]對系統進行時間和狀態離散化，并利用最優控制的思想提出了一種在合理時間內規劃高維空間最優軌跡的方法。文獻[62]針對微小型無人機提出了一種基于搜索的運動規劃方法，來解決具有模型不確定性和視場約束的規劃問題。該方法將運動不確定性建模為軟約束，并通過人工勢場法來規劃盡可能安全的軌跡。文獻[63]基于上文的離散化方法和人工勢函數進一步提出了一種基于搜索的運動規劃方法。該方法是通過基于最大熵的逆向強化學習方法，從真實數據中學習空中交通控制規則作為規劃的代價函數。

針對民航飛行器和無人機混合空域控制和資源分布管理規劃很少有研究關注。為此，文獻[64]提出了一種整數規劃方法的分布式實現，用于解決無人機存在下的大規模空中交通流量管理問題。關于算法、數學證明和實驗的全面討論可見文獻[65]。

3) 碰撞避讓

碰撞避讓技術[66-68]，涉及無人機與無人機相撞和無人機與有人機相撞，其中，無人機與有人機之間相撞會造成更為嚴重的后果。空中避讓技術，如交通警報和避碰系統(Traffic Collision Avoidance System, TCAS)已被民用航空業成功采用。基于民用航空的機載沖突避免系統也一樣適用于低空無人機機載沖突避免系統。然而，為了避免對民用飛行器造成干擾，無人機的沖突避免系統所依賴的通信手段建議重新設計或直接采用主動探測技術等。

在避讓技術上，近距離的空中避讓算法大體可分為4類[68-69]：基于軌跡投影(Trajectory-Projection Based)方法、基于在線查表(Online Table Based)方法、基于力場(Force Field Based)方法和最優軌跡方法。

① 基于軌跡投影方法

基于軌跡投影的方法需要估計入侵者的當前狀態(如位置和速度)及預測入侵者的軌跡。如果無人機的位置進入了這個危險區域，則立即會產生一個新的航向角指令使無人機離開危險區域，離開危險區域后再使無人機沿著原來的航向飛行回到原來的軌跡。該方法簡單直接，易于實現。文獻[70]采用幾何約束和運動學方程相結合的方法，解決了多旋翼無人機的避撞問題。基于軌跡投影方法比較適合基于機載視覺傳感器的控制避讓策略。因為視覺傳感器往往只能得到需要避讓物的方位而不能測量相對位置，所以通過改變飛行航向角是比較直接的控制方式[67]。

② 基于查表方法

基于查表的方法是使用預先定義的表，這些表通常是由經驗生成的，并且放棄了軌跡預測功能。一旦收到入侵者的狀態(位置和速度)，這種方法將搜索其在線表格，并確定最佳機動方式。文獻[71]提出了一種魯棒高效的解決算法，基于分解一個大型多智能體馬爾可夫決策過程，并融合其解，為每架無人機生成建議。

③ 基于力場方法

基于力場的方法通常使用吸引力(保持在原始路徑上或跟隨原始目的地)和排斥力(避免潛在沖突)來生成控制命令，以便進行下一步操作。不同作用力的權重在線調整，以平衡不同作用力之間的權衡。典型的方法有勢場法和速度障礙法。文獻[72]提出了一種使用自主無人機的通用且分布式的空中交通控制方案用于密集交通情況，并采用30架自主無人機在室外協同飛行中進行驗證。在傳感器噪聲、通信延遲、通信范圍有限、傳感器更新率有限和動力受限的現實環境中，文獻[73]研究了二維和三維開闊空間(Open Space)中密集多旋翼無人機交通仿真場景。

④ 最優軌跡方法

基于路徑規劃的方法與前面的航線規劃類似。在確保無人機不與障礙物發生碰撞的同時，還能使無人機盡可能地沿著預先擬定的航跡飛向目標航點。文獻[74]依靠預測控制算法來計算最優航路點，能在到達目標的同時避開途中檢測到的靜態障礙物。文獻[75]設計并分析了一種具有避障能力的制導方法，來幫助無人機快速到達目的地，同時避免與其他飛行器發生碰撞。該方法將碰撞避免問題表示為一個馬爾科夫決策過程，并使用蒙特卡羅樹搜索法求解。基于空域為一個個網格單元組成，文獻[76]利用圖論計算軌道和估計碰撞，并使用優先級來解決沖突。文獻[77-78]描述了僅使用線性約束的近似動力學，應用混合整數線性規劃方法來創建沒有碰撞的飛行路徑。文獻[79]提出了一種無人機實時路徑規劃算法，以避免與其他飛行器發生碰撞。可達集用于表示障礙飛行器可能的軌跡集合，并用于無人機路徑規劃中的碰撞預測。文獻[80]研究了幾種假設在共享空域內飛行的飛行器之間發生沖突的解決問題。為了避免不同飛行器之間可能發生的沖突，飛行器不能在給定的安全距離之內彼此靠近。對于這種多機系統，考慮了給定航路點之間的路徑規劃問題，避免了所有可能的沖突。文獻[81]提出一種半定規劃的方法來進行沖突解除問題。每架飛行器提出其預期航向，進而通過半定規劃方法集中解算，解決飛行器之間產生的任何沖突，同時最小化每架飛行器的預期航向和無沖突航向之間的偏差。為解決局部沖突而修改飛行軌跡可能會導致多米諾骨牌效應，即解決沖突可能會導致新的沖突，而新的沖突的解決又會導致更多的沖突等[82]。在文獻[83]中，開發了滿足(全局)可證明安全條件的交叉航路沖突解決程序。其主要思想是：在路徑交叉之前將路徑分割為多條路徑；使用相同長度的路徑；在路徑交叉之后將路徑合并為原始路徑。將每個(交叉)路徑分割成多個路徑會增加每個分割路徑上飛行器之間的間距。增加的間距允許路徑之間無沖突的交叉。在交叉點之后，路徑被合并回原始路線，這意味著不會在沖突解決過程所需的區域之外生成新的沖突。

3.2.3 存在的挑戰

低空無人機的空域規劃和飛行管理與高空類似，大大受到地面因素的影響，如：地面人口的流動性、地面建筑物的建設與規劃、地面活動等。如果完全參考傳統民航技術，勢必對地面交通以及建設規劃產生影響，這反過來又會導致公眾對低空無人機的接受程度大大降低，抵制情緒增加，從而約束了無人機技術的發展。由此以上的技術有些來源于傳統民航，有些技術是新增的，如：動態電子圍欄[84]等。現有民航技術的演進也已把時間因素作為重要研究課題[85]，但是高空的交通管理遠遠沒有低空復雜，并且低空管理面臨環境變化更頻繁，考慮因素更多。文獻[86]通過有效的空域分割和無人機性能建模對裝備低劣和裝備精良的無人機平等開放空域。高密度無人機交通要求高吞吐量而不造成擁堵。為此，文獻[87]提出了一種名叫“電梯”空域結構最小化上升/下降所需的空間。這些勢必造成管理的難度。低空空域管理和規劃的周期可能會減少到天，甚至到小時等；低空空域管理與流量管理更難區分，融合度大大增加。臨時設置禁飛區會導致網絡動態變化頻率比較大，是否可以通過動態航路網設計來考慮中央商務區(CBD)區域的空域管理。同時在保證安全前提下，如何進行控制且使效益最大化是目前低空無人機交通面臨的新挑戰。這需要對網絡變化進行預估，在此基礎上針對動態網絡進行航線規劃。目前大多數低空無人機的續航時間有限，這增加了在對網絡變化進行預估的機場上針對動態網絡進行的航線規劃難度[88-89]。

為了應對緊急狀況，臨時航線規劃如何進行，比如：是否規劃新的直線航線直通無人機機場。針對碰撞避讓，需要考慮在航路上而非開闊空間進行，也就是狹小空間(由3.1.1節可知，低空航路空間十分有限)約束下的避障問題。如何利用低空無人機的特性(如垂直起降特性)和一些保護帶等，設計更好的碰撞避讓策略甚至極端情況下的迫降策略是需要考慮的新問題[90]。實際上，以上這些問題處理不當，很可能產生多米諾骨牌效應，整個交通網絡會出現癱瘓。

3.3 低空風險管理的關鍵技術

3.3.1 運行風險評估的特殊性

無人機的運行安全性問題與有人機相比存在著諸多的差異[91]。如表2所示。

表2 無人機與有人機的區別Table 2 Difference between UAV and manned aircraft

有人機考慮失效后果對自身機組人員和乘客的影響，但無人機是“人機分離”，本身沒有機組人員和乘客，主要考慮其對空中其他載人飛行器和地面人員的影響。因此，同一架無人機在人口密集區和荒野失效，其后果是完全不同的，對應的無人機安全性指標應有區別。

除此之外，針對無人機尤其是輕小型及以下的無人機的安全性分析，還有如下的挑戰。

1) 輕小無人機載重有限，不可能準備很多套冗余系統。

2) 輕小型多旋翼經常在低空飛行，而低空環境更加復雜，且具有挑戰性。

3) 對于有人機而言，飛行員和管制員希望并且能夠盡量減少或消除與其他飛行器及地面上的人員或財產發生危險，但是對于輕小無人機來講，需要通過自動控制來實現。

4) 多旋翼無人機的噪音嚴重，對于地面人員的感受舒適度會有極大的影響，同時對航路網的規劃、高度層的劃分存在影響。

3.3.2 等效安全性指標

傳統的風險評估方法在應用于大規模、高度自動化的無人操作時存在問題。針對以上特點和問題，在確定無人機安全性指標要求時，并不是像確定有人機的安全性指標要求那樣，僅僅只針對飛行器本身事故損失率的可接受程度提出安全性指標；而是提出了“等效安全水平(Equivalent Level Of Safety，ELOS) ”的原則，并基于此原則來導出無人機的安全性指標要求[92]。ELOS是指無人機安全性目標應不低于有人機的安全性水平，或與有人機的安全性水平相當，以實現未來無人機能夠進入更為廣闊的有人機空域運行，而不會增大空域內其它飛行器或地面人員及財產的安全風險。由此可見，無人機安全性指標要求是基于公眾對其發生事故時對地面人員和他機及機上人員造成的損失的可接受程度提出的。ELOS是確定無人機安全性要求的一個基本原則。該指標最終與無人機的適航性緊密結合起來[93-95]。在這個指標的指導下，可以進行定性的風險評估和定量的風險評估。

3.3.3 定性風險評估

針對無人機，無人系統聯合規則制定機構 (Joint Authorities for Rulemaking on Unmanned Systems, JARUS)發布特許運行風險評估 (Specific Operations Risk Assessment, SORA)指導材料[96]。2019年2月1日，中國民航局飛標司、適航司和空管辦聯合下發了咨詢通告《特定類無人機試運行管理規程》(AC-92-1)[97]。在該文件中，SORA給出了較為明確的輸入參數，可得到無人機在特定條件(空域、對應的地面狀況等)下飛行的地面風險等級、空中風險等級，然后得到特定保證等級和完整級別 (Special Assurance and Integerity Level, SAIL)。對于不同的SAIL等級，民航局給出了對應的無人機運行安全目標，若能提供安全目標證明，則可允許運行。

3.3.4 定量風險評估

SORA評估方法對運行中的可能出現地面風險和空中風險進行評估，依據質量、動能等的范圍進行分級。因此，還需要進一步考慮定量評估。它可以在保持安全的同時，實現大批量飛行計劃處理的自動化。針對這個問題，Altiscope正利用統計建模和相關數據來構建一個具有多種輸出的定量模型[98]。下面將介紹一種定量化風險評估的基本思路，可以分為對地撞擊安全性水平要求及指標以及空中相撞安全性水平要求及指標兩部分[99-100]。

1) 對地撞擊安全性水平要求及指標的確定

地面撞擊失效后果的嚴重程度與系統可靠性指標有關。可以通過對地撞擊安全性模型來計算計算ELOS。

Pelos,ground=fGIAAexpρP(fatality|exposure)Ppen

(1)

式中：fGIA為摔落的事故率，次/h；Aexp為無人機地面撞擊導致致命性傷害的平均面積,m2；ρ為地面撞擊處平均人口密度,人/m2；Ppen為假設地面撞擊處有防護措施和遮擋物，碎片穿過遮擋物的擊穿概率；P(fatality|exposure)為暴露時受到嚴重傷害的概率[100]。這里的事故率可以進一步表示為

fGIA=fSFR+fcollision+fother

(2)

式中：fSFR為由設計原因導致無人機不能連續飛行的每飛行小時事故率；fcollision為空中兩機相撞致墜地的每飛行小時事故率；fother為由其他原因(如天氣、鳥撞以及人為差錯等) 導致的無人機撞地每飛行小時事故率。上述模型將無人機撞地事故的類別進行了劃分。

若不考慮空中碰撞因素，即fcollision+fother=0。令tmtbf表示平均事故間隔時間，h，那么

(3)

進一步

(4)

為簡化分析，模型基于完全確定假設，沒有考慮參數的變化和不確定性，對于式(1)：① 不考慮人口密度ρ的變化；② 不考慮地面遮擋物變化導致的Ppen變化。因此，將tmtbf作為確保目標安全水平的可控因素，確保地面撞擊ELOS為Pelos=10-7。如表3所示，舉個例子(2010年，北京市西城區每平方千米有24 517人，而北京市延慶區每平方千米有159人)。

為了達到地面撞擊ELOS為Pelos=10-7。該例子要求西城區上空飛行的無人機平均事故間隔時間為588 h，而延慶區上空飛行的無人機要求是平均事故間隔時間為3.816 h。由此可見，對西城區上空飛行的無人機要求十分苛刻。實際中ρ和Ppen還要進一步根據在該地區的飛行航線與時段來計算。可以選擇河道或房頂來減少ρ和Ppen，從而達到較低的平均事故間隔時間。另外，P(fatality|exposure)可以根據飛行的高度、速度、重量以及材質進行確認。最終得到一個比較可靠而又不保守的平均事故間隔時間。否則，這將給無人機設計廠商帶來極大的設計難度，以及成本。

表3 不同地區的平均事故間隔時間Table 3 Average accident interval time in different areas

2) 空中相撞安全性水平要求及指標的確定

根據ELOS原則，如果類似于對地撞擊事故，空中相撞的目標安全水平也采用死亡率來衡量，可分為兩類情況。第1種情況為無人機與有人機空中相撞導致有人機機上人員死亡率或相撞后墜地導致地面人員死亡率，第2種情況為無人機與無人機相撞后墜地導致地面人員死亡率。這兩種情況下會牽涉到與之相撞的有人機或無人機的不同類型問題，如被撞有人機的大小或載人的多少、被撞無人機的大小等，將會使問題變得更為復雜，因此無人機與有人機或無人機與無人機空中相撞的目標安全水平用空中相撞事故率來表示更為可取。

在文獻[101]中，基于氣體模型(Gas Model)，建立了無人機與其他飛行器發生空中碰撞的可能性模型。除了該模型，還有Reich Marks模型、交叉模型和幾何沖突模型[102]。更精細的模型當屬于概率模型，可以用于離線或在線碰撞概率評估，但需要無人機的隨機運行模型等[103-104]。最直接采用蒙特卡羅方法迭代解微分方程，但是蒙特卡羅方法往往需要消耗大量時間才能得到較為準確的值，不利于多旋翼的實時安全性能評估。因此，需要一種快速準確的解析碰撞概率評估算法。文獻[105]提出一種基于條件概率的碰撞概率評估方法。將整條路徑分割成若干離散路徑點，利用截斷正態分布求解之前路徑點均未碰撞的條件下當前路徑點不發生碰撞的概率，將一系列條件概率相乘以評估整條路徑的碰撞概率。然而，這種方法主要適用于二維平面上的碰撞，而不太適合三維空間內的碰撞。文獻[106]中將障礙物建模為凸多邊形，計算多旋翼到凸多邊形的邊界距離這一隨機變量，并以距離的分布來估計碰撞概率。這種方法對障礙物形狀要求太苛刻，而且在障礙物為多個的情況下，其近似方法會帶來很大的誤差。文獻[107-109]中引入多項式混沌以估計碰撞概率。其思想是用多項式混沌展開近似表示隨機微分方程的解，然后進行蒙特卡羅仿真計算碰撞概率。然而，這種方法似乎更適用于建模為隨機變量的噪聲而非建模為隨機過程的噪聲。文獻[110]中提出了一種估計碰撞概率的簡單方法，假設待評估物體和障礙物的相對運動情況不發生變化，可以通過一個簡單的二重積分計算碰撞概率，而且可以化成一重積分。但是這種方法一般適合短期評估，而不適合長期預估。

因為實際過程中發生沖突后，無人機的空中避讓設計會使無人機進行避障，因此，還要計算P(collision|CT)，其中CT表示沖突航線的次數。無人機每飛行小時空中碰撞頻率可表示為

fcollision=fCT×P(collision|CT)

(5)

式中：fCT為沖突的頻率，次/時。僅由碰撞導致的災害性事故的空中相撞安全性模型為

Pelos,air=E(fatality|collision)fcollision

(6)

式中：E(fatality|collision)為由碰撞(沒有落地)帶來的嚴重受傷人數期望，主要是無人機與有人機相撞。

為滿足較小的Pelos,air，需要從空域使用(空中交通控制)和無人機設計兩方面來考慮，其中空中交通控制可以減少fCT，無人機防相撞設計可以減少P(collision|CT)，航路的設計可以減少E(fatality|collision)。通過限制無人機飛行空域，保證無人機與有人機碰撞的風險。考慮減輕碰撞的危害量級，那么防止空中相撞的“感知-規避”能力設計是其主要考慮因素。最后，對于計算fcollision的方法可以細化，而非采取粗略的公式。

3) 航路網風險評估

給定一架無人機，它墜落到地面對人的傷害以及空中碰撞對人的傷害綜合可以得到

Pelos=Pelos,ground+Pelos,air=

fGIAAexpρP(fatality|exposure)Ppen+

E(fatality|collision)fcollision=

(fSFR+fcollision+fother)Aexpρ·

P(fatality|exposure)Ppen+

E(fatality|collision)fcollision

(7)

考慮隔離空域的低空交通網，它遠離機場及其航線，那么該區域的無人機跟空中有人機相撞而導致嚴重受傷的概率基本可以忽略。該空域網容量為N架類型相同的無人機，那么

Pelos=N[(fSFR+fcollision+fother)Aexpρ·

P(fatality|exposure)Ppen]

(8)

設計的航路網實際是整個空域的一小部分空域。這一部分空域一般遠離人群或網絡對應的地面有較多的覆蓋物。這樣一來，對于設計的航路網，式(8)的Ppenρ會變得很小，進而有利于降低運行風險。另外一方面，飛行限制在航路網上勢必增加了碰撞概率。然而，這一部分可以通過空中交通管理來盡可能降低碰撞。總體而言，通過設計航路網和空中交通管理可以大大降低運行風險。以上方法偏離線評估，但也可以根據當前狀態向后估計，擴展為在線評估。除以上的方法外，文獻[111]提出了利用貝葉斯信賴網絡(Bayesian Belief Networks)對整個無人機交通進行在線風險評估。

3.3.5 存在的挑戰

針對低空無人機交通，風險評估的挑戰在于盡可能準確且及時地反映當前的風險。這一點對目前無人機來說非常重要，它直接決定了空域的使用，進一步決定了無人機在相同空域下的密度等。在解算等效安全性指標時，我們用了飛行器事故率fSFR。實際中，飛行器事故率不是恒定的值，而是隨著個體情況而改變的，可以由健康評估等手段進行評估[112-114]，但準確估計具有挑戰。另外一方面，碰撞頻率fcollision與空中交通控制和航路網設計相關[37]。因低空無人機交通具有其特殊性(見2.1節)，這給準確估計帶來新問題和新挑戰。

4 低空無人機交通管理的相關科學問題

交通本身就是一個很大的學科。與大部分交通不同的是，低空無人機交通具有無人(大部分上可以認為無人駕駛)、三維空間運行，以及集中式和分布式控制并行等特性，相關的問題數不勝數。總體來分，可以分為：風險等總體指標如何分解？相關分解指標如何設計？進一步，如何進行評估？以及如何進行標準化？下面從宏觀角度闡述相關7個科學問題(不僅限于這7個)。

1) 等效安全水平風險與各個分系統性能及人為差錯之間的關系是什么?

給定等效安全水平(比如為10-7/飛行小時)，如何將該指標合理分配到空域和航路網設計、導航系統要求、通信系統要求、監視系統要求、交通規則和控制設計、機場設計、無人機設計以及管理人員要求等等。雖然無人機交通管理盡可能自動化，但一些重要的頂層決策仍然需要人來最終決策。這需要低空空域無人機空中交通管制員、維護人員和地面駕駛員等具備基本的能力要求，從而降低風險[115]。這些因素是閉環動態耦合在一起的，需要建立模型描述他們之間的關系。一般很難用故障樹簡單建立這些模塊和系統的關系(無人機的風險分解可以參考文獻[91])。如何合理且準確地將要求的等效風險分配到無人機空中交通的各個方面?需要考慮到每個部分目前的技術水平和改進的經濟性，因此還需要將安全性指標轉換為合理可行的性能指標，指導分析系統設計。

2) 風險、空域容量、飛行經濟性、噪聲污染、天氣情況與無人機航路網之間的關系是什么?

首先，航路網遵循何種原則進行設計?文獻[36]按運行容量最優給出了“層設計”的原則。除了容量，無人機航路網設計還需要考慮到航路網下方地面端的風險，交叉路口的數目與分布，以及機場到機場之間的航路距離，以及效率和噪聲污染等。建立風險、空域容量、飛行經濟性、噪聲污染與無人機航路網之間的關系模型，有利于根據風險和所需空域容量，優化無人機航路網。具體到一條航路，同一段航路是否可以有更加靈活的設計，盡可能充分利用三維空間。如雙機道、平鋪的四機道以及上下四機道等(如圖16所示)，或者增加應急機道。有文獻借鑒地面交通環島的思路設計航路[116]，也有將航路的多條航道取消的設計思路[117]。除了航路，還需要重點考慮機場節點的設計，如何設計機場進出入口滿足多機多方向起和降落，以及進一步考慮機場的降落盤旋區和緩沖區等。

3) 如何設計CNS系統能可靠地達到給定風險要求?

先以導航為例，無人機可以依靠GPS(或差分GPS)、移動蜂窩基站、無線信標或者基于視覺的低空高精度數字地形圖等進行低空導航[118]。當某一導航系統出現故障，通過其他導航方式進行融合，提高導航系統的可靠性。監視系統和通信系統也可以作為輔助的導航系統，為無人機提供必要的導航信息。另外，監視系統和通信系統還可以通過上傳信息，使得無人機能夠知道周圍無人機的信息。同樣，導航系統和通信系統配合，也可以方便監視。因此，導航系統和監視系統可以通過通信系統互補。具體到通信系統，首先需要考慮如何解決全空域通信組網問題。針對全空域通信覆蓋，目前還缺乏一種有效的解決全空域通信組網方案，無論是基于地基的移動通信系統還是基于星基的衛星通信系統。目前，在低空300 m以下空域可以基于移動運營商地面通信網絡進行拓展，但是未來如何拓展到1 000～3 000 m空域，是值得探討的問題。另外，需要對數據通信鏈路的可靠性、時延和速率等要求根據不同作業場景進行規定。最后，CNS系統的性能指標與無人機的控制性能息息相關[119-121]。有時候整個空域分別被CNS系統全部覆蓋，會使得成本極高。因此，如何搭配分配各系統的覆蓋范圍以及性能，又能達到給定的風險要求是件十分有意義的工作。

圖16 航道設計Fig.16 Design of airways

4) 給定航路網和飛行任務，交通控制方式與給定碰撞風險之間有何種關系?

文獻[38]分析了沖突與交通密度之間的關系。進一步，交通密度又與航路網、飛行任務以及交通控制方式相關。對于給定航路網和飛行任務，交通控制方式包括安全間隔、放飛時間、航線規劃方式和速度調節方式等等。安全間隔與無人機機動特性以及通信、導航和監視系統的性能息息相關。放飛時間與航線規劃又相關。進一步，航線規劃是直接按每段航線的距離進行規劃，還是考慮擁堵按每段航線估計通行時間規劃?這也是需要解決的問題。更進一步，每條航路上采取何種通行模式：航路中的無人機以平均速度飛行，不允許超越模型，還是允許超越模型[1]? 近距離的避讓方式也各種各樣，更存在碰撞風險。整個無人機飛行分離策略分成不同階段，因此碰撞風險由不同階段按條件概率相加而成。因為交通控制方式會導致整個空中交通動態變化，因此需要建立交通控制方式與碰撞風險關系具有挑戰性。

5) 不確定性因素(網絡結構變化或者無人機速度發生改變)、航路網結構、交通控制方式三者需要滿足何種規律能保證交通網絡的運行穩定?

在實際過程中，因為天氣[122]或者有人機穿過航路網而設置臨時的禁飛區。因為禁飛區的設立，航路網絡結構因此會發生改變。在這種情況下，即將經過禁飛區的無人機需要改變航路[98]。另外，因為局部區域風的影響會導致該區域的無人機速度發生改變，進而引起較大規模的沖突的可能。在這種情況下，無人機需要改變速度或者改變航線。因此，需要找到不確定(網絡結構變化或者無人機速度發生改變)、航路網、交通控制方式三者之間能夠穩定管理運行的規律。進一步，若能夠像控制系統的穩定裕度或者魯棒性[123]一樣刻畫航路網和采取交通控制方式能夠容忍的不確定，那么就能界定不確定，并進一步設計和優化航路網，以及改進交通控制。

6) 如何進行可行且準確的離線和在線的風險評估?

風險評估的精度越高，那么越利于指導實踐。然而，從以上的問題可以看出，模型之間相互呈現動態耦合的關系。這就需要采用更加合理的方法對此類模型進行分析和評估。另外，白天和夜間人流密度會發生變化，交通也會因需求而發生變化，因此風險模型還呈現時變的特性。離線風險評估是指利用歷史數據，來估算給定航路網及交通需求的靜態風險，具有一定保守性，但是便于決策者(如法律法規制定者)決策或者保險公司進行保險條款的制定[124]。而在線風險評估更加即時，可以利用無人機當前健康數據，以及即時的人流密度和交通情況，進行風險預測，比較準確。這方便與即時的交通控制決策。

7) 無人機空中交通系統遵循何種標準進行設計和開發?

針對無人機系統，特別是目前的低空輕小型及以下無人機，沒有太多現成的設計和開發標準可以遵循。目前世界各個無人機相關協會正積極推進相關標準的制定[125]。相比無人機系統，無人機空中交通管理系統是一個更大的系統，標準如何制定?以UTM的核心模塊USS為例，目前沒有相應軟件開發標準。是否以航空領域的DO-178C作為標準，那么是否會阻礙USS在初期階段的發展[126]。進一步，誰來對其進行審核，第三方機構還是政府機構?這一系列問題意味著巨大的挑戰和機會。

5 結 論

民用無人機特別是以多旋翼飛行器為典型代表的無人機發展迅猛。為了保證安全，民用無人機與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受全程管理。無人機空中交通管理系統目的是保持無人機與空中其他飛行器(如：無人機、有人機、氣球等)的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制方法。目前，無人機空管系統的研發在各國均正處于起步階段。無人機交通管理技術的研發與落地，不僅能夠滿足不斷增長的無人機行業應用需求，亦可作為有人飛行器自動化演進的重要技術途徑，實現航空業的快速發展，成為世界各國進入航空強國的重要途徑。

無人機交通網與傳統民航網、公路網、鐵路網等之間存在一定差異，具有一定的特殊性。因此，沒有現成的交通控制管理方式能夠直接沿用。目前美國NASA主導提出UTM，不依賴于國家政府部門集中控制，而是采用分布式授權給私人無人機服務供應商的原則。這樣既保證空域安全，又能利用私人無人機服務供應商技術迭代靈活的優點降低了政府運營成本，同時為無人機服務提供商釋放了市場。該框架被目前被廣泛接受。

無人機交通管理功能主要包括空域管理、飛行管理和風險管理。針對這些管理，低空無人機交通需要攻克多個關鍵技術。① 需要結構化空域以最大限度地提高通行能力，結構化包括空域網格化，以及航路網生成；進一步，還需要進行容量的準確評估。② 需要設計針對無人機特點的交通管理方法，包括容量控制、航線規劃以及空中避讓技術等，避免因為不確定而導致的航路網交通不穩定的現象。③ 需要針對無人機交通，利用大數據和各種合理的模型，設計準確可行的風險評估方法。除此之外，需要開發可靠的CNS系統，并確定匹配安全飛行的性能指標。另外，還需要考慮無人機的研發[127-128]和通信安全問題[129]等。

以上的關鍵技術是相互耦合的。① 風險、空域容量、飛行經濟性與無人機航路網之間存在緊密關系。② 通信、導航和監視系統的性能指標與風險息息相關。③ 給定航路網和飛行任務，交通控制方式決定著碰撞風險。④ 在網絡結構變化或者無人機速度發生改變等情況下，某種交通控制方式下的航路網可能不穩定。最終，為了走向真正應用，需要對設備和流程等進行標準化。

在技術開發的同時，低空無人機交通的發展還需要公眾接受、法律法規制定和相關人才培養等基礎條件。可以預見，由于各方面的推進節奏不一致，前進的道路是曲折的。雖然這樣，但只有堅定發展低空無人機交通，控制風險，民用無人機產業才能夠健康有序地向前發展。