城市低空交通管理體系構建研究

李振華

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000）

1 城市低空交通管理現狀

國內外對發展城市低空交通均給予高度重視，美國等國家爭相出臺相關政策，鼓勵企業創新技術，發展低空交通產業，美國宇航局（NASA）2018年就與美國優步簽署合作協議，探索發展城市空中交通技術；歐盟則由30個合作伙伴組成聯盟“Flying Forward 2020”開發新的無人機城市交通生態系統；而國內早在2016年國務院辦公廳就發布了《關于促進通用航空業發展的指導意見》，將低空空域范圍擴展至真高3000m以下，為我國低空空域的發展帶來巨大的發展機遇；2021年2月，國務院發布《國家綜合立體交通網規劃綱要》，首次提出發展低空經濟，四川、湖南、海南、吉林等各省爭相出臺各種配套鼓勵政策及措施，大力發展航空產業。因此加強航空服務產業建設，構建一個健康有序的立體低空通道系統，對低空交通進行有效管理已經成為當務之急。相關學者從不同研究角度給出了多種解決方案，馮登超學者提出了一種基于衛星導航、遙感和GIS技術的低空高警航圖可視化匹配技術，并對如何構造低空安全通道、低空飛行管理可視化技術進行了總結。陸曉華學者提出動態使用城市低空空域，并保障空域可及時回收。在現有的空域管理體制下，采用動態使用空域的方式，充分利用當前軍民航各方使用較少的空域，特別是城市低空空域，建立協同管理空域，為加速我國低空通道系統的建設，構建城市交通的低空交通管理體系提供了有益的設計思路。

1.1 國外城市低空交通的現狀

在城市低空交通問題上，學者Balakri在2017年第一次將無人機系統（Unmanned Aircraft System，簡稱UAS）納入空域和機場資源分配中，并給出了一種用于處理無人機集群的分布式整數規劃方法。在2018年，Iowa State University的Brittain和Wei提出了一種新的層次深度增強學習算法，該算法將無人機作為智能空域的關鍵部件進行間隔排序，安全、自主、高效地解決了無人機的改航、調速等問題，并在結構化的空域內實現了自動間隔與排序。在2019年，愛荷華州立大學等根據UAM（Urban Air Mobility，中文全稱為城市空中交通，以下簡稱UAM）的需要，提出了一種基于需求和計劃服務的UAM混合經營理念，該模式能夠適應UAM的業務約束和市場需要。普渡大學在此基礎上，提出了一種基于流動隊列模型的柔性無人機流量控制方法，并對其進行了仿真研究。斯蒂文斯理工大學為解決智能城市中的無人機調度問題，提出了3種降低復雜度的新算法。佐治亞理工學院提出了一種多物網絡流構型，用以優化UAM機場的航空計程車業務的未來計劃，這一架構已在亞特蘭大區域的機場空中計程車系統中得到了很好的結果。另外，NASA還針對低空飛行、UTM(城市交通管理系統)、UAM等進行了系統的模擬和仿真研究。在這些系統中，為了實現城市航空運輸網絡的自動化管理，NASA將為傳統民航發展的高度自動調整系統（Auto Resolver）進行了延伸，用于對城市無人機進行連續的飛行軌跡管理，確保無人機與無人機之間的安全距離，降低了在高密度空域下的空中交通延遲。UAM自動調整系統的使用結果顯示，該系統可以有效防止無人機的危險靠近，而且在計劃的排程時間比無人機的飛行時長更長的情況下，大多數的沖突都能在起飛之前被解決。

1.2 國內城市低空交通發展現狀

我國政府對低空交通始終持鼓勵態度，國務院先后出臺多項“放管服”的政策措施，如中國民航局推出無人機邊飛邊審的政策，促進了以億航、小鵬匯天等公司的蓬勃發展，尤其是低空觀光、城市旅游等無人機低空交通項目發展順利。2022年2月9日，中國民航局發布了《億航EH216-S型無人機駕駛航空器系統專用條件》（SC-21-002），該專項條件自頒發之日起已正式生效，標志著城市低空交通項目在廣州及珠海等地區正式開展試運行，為國內相關產業發展樹立了良好的導向作用，在世界范圍內處于領先水平。

2 城市低空交通管理體系關鍵技術

2.1 城市低空交通管理體系架構

該體系的核心技術是：完善低空基礎飛行信息系統，編制和發布數字預警航圖，將有關飛行動態和飛行環境的信息及時公布，提高對低空空域的情報、氣象、監控和告警等信息。綜合業務平臺包括了飛行計劃申請、飛行任務審批、飛行審批備案等信息通訊接口。該系統為低空交通系統的數據管理、查詢選擇、空間分析、需求預測、可視化顯示等功能，為低空交通系統的自動管理、無縫運行奠定基礎。如圖1所示為低空交通信息系統。

圖1 低空交通信息系統

系統具有以下特點：能夠實現對飛行數據的全地域、全天候上報，并通過一個監控平臺來實現對監控區域中低空飛行器的飛行狀況的監控，從而有效地解決了對低空飛行器的定位范圍的制約。即使是在無人機失事時，也能迅速確定最終的位置，減少搜索和救援時間，提升應急響應的工作效率。

2.2 低空無人機交通管理平臺技術

低空無人機交通管理平臺對低空無人機進行實名認證，利用導航、通信、定位技術，以有源、無源低空探測設備等為輔助，建立低空監控網絡，利用空中通道的路徑規劃技術，為低空無人機提供實時監測和動態信息服務。在低空無人機交通管理平臺建設過程中，要對無人機實施實名認證，并對其進行驗證。該驗證模塊是一種可外部或一體化的微型輕型設備，它包括GPS、北斗定位芯片、5G通信模塊、ARM可編程芯片、電池等。其功能是實現對低空無人機飛行前的驗證和飛行全過程的監督。

具體實施原則：在飛行前，駕駛員可以用手機或者其他無線方式與飛行人員進行身份驗證，并將飛行執照和飛行計劃ID發給驗證模塊；一旦確認，就可以將無人機ID、飛行執照ID、飛行計劃ID、目前的位置信息等以可視化的形式顯示出來，并實時監控。

2.3 垂直起降場基礎

垂直起降機場布局應根據UAM運輸需要，建立垂直起降場、垂直起降站、垂直起降點的三級協同布局運輸體系，科學配置公共運輸航空器數量、起降站與起降點布局以及三級場址之間的協調關系，實現UAM高效運行。

2.4 通訊信息技術

在現有設備的基礎上，可以擴充通訊和導航監測設備。充分發揮因特網技術規范IPv6（Internet Protocolsion 6）和5G通信技術的優點，使空對地、地對空、空對空之間無縫連接，建立高速、穩定、安全的信息連接通道，為用戶提供終端到終端的通訊服務。

3 城市低空交通管理體系構建的內容

3.1 低空資源協調管控

空域規劃是一種戰略性規劃，城市空中交通規劃亦是如此，但其管理方式也會因其自身的運營需求而進行動態的實時調整，一般包括3個方面：

（1）空域劃分：按照一定的劃分準則，確定各種空域的飛行限制，由此確定空域的時間和空間。例如，按照能否飛行，可以分為禁飛區、限飛區、適飛區、自由空間、分層空域、扇形空域、管道空域等?？沼蝾愋褪怯绊懣沼蚴褂玫闹饕蛩?，相同空域中飛行的飛行器的特征類似，不同空域中的類型也不同。

（2）航線網絡：城市低空飛行的時空環境是非常復雜和變化的，因此，在UAM系統中，航線應該更有意義。航線按其空間結構可劃分為：自由航線、分層航線、扇形航線、管道航線等。通過對一個空域的結構和進、出點的了解，可以確定在這個空域中的（廣義）航線的連接特性。

（3）容量評價：UAM的容量評價主要是對航線網絡的承載能力進行評價。主要內容有：UAM規劃期和運營期的能力評價。一方面，機場的容量評價可以為機場的客流管理和運輸提供保障；另一方面，也可以反映航線的規劃和運行情況。在圖2中顯示了城市空中交通航路網絡規劃示意圖。

圖2 城市空中交通航路網絡規劃示意圖

3.2 流量控制

城市空中交通流量控制應該是一種既有技術又有方法的管理模式。按照執行時間的不同，傳統的空中流量管理可以劃分為準備期流量管理、飛行前流量管理和實時流量管理，其中以前期和飛行前流量管理為主，實時流量管理為輔，地面等待策略、空中等待策略、改航策略。但在城市航空運輸發展的后期，由于UAM是按照需求進行的，它具有很強的時效性和動態性，而且空域情況比較復雜，可預測性也比較差，單靠預先或起飛前的流量控制策略很難適應UAM的實時變化，因此很難處理UAM的流量不均衡問題。在此基礎上，可以通過基于實時流量的控制方法，即通過對航線網絡的各個節點進行流量控制，達到與地面交通相似的控制效果，并進而達到對無人機進行修改航向、空中等待、地面等待等目的。如圖3所示，為城市空中交通流量控制。

圖3 城市空中交通流量控制示意圖

3.3 低空交通管理平臺建設內容

低空交通管理平臺應該由地區空管局協調、空管分局（站）與市交通局、公安局、消防救援等部門共同建設，并應基于空間交通網絡的布局、規模與城市規模、空間結構、地形地貌、居民區與商業區、工業區的空間分布，以及航空運輸網絡中各個網絡節點的連接可靠性、無人機出行時間可靠性、飛行信息服務品質可靠性等度量指標，進行空間交通需求的分析與優化，建立空間交通網絡搜索引擎，并對其進行定量的分析與快速建立。

低空交通管理平臺是面向 UAM 運營商與用戶的終端服務管理平臺，該平臺應分步驟建設數據中心、實名認證中心、低空飛行器探測網以及執法中心，預留應急救援、氣象、城市規劃、環境監測等職能部門業務數據接口。按形式可分為固定式部署平臺和車載式移動平臺2種，其主要功能包括：向所在城市服務范圍內各項飛行活動提供空域管理、流量控制、航行情報、安全間隔、防撞告警、應急處置等服務，向區域信息集成系統提供 UAM 飛行計劃及運行數據等信息。該平臺應該具有強大的數據支持共享服務能力，可支持用戶通過城市空中交通運營商網絡訪問數據支持共享服務方以獲取必要的或增強的數據服務，如地理信息、氣象信息、監視信息、性能信息等。

終端平臺還應具備空中走廊構建、多源數據可視化展示、飛行計劃及飛行器路徑規劃、空域中碰撞規避、飛行器違規告警以及對違規或違法的飛行器進行飛控干預等功能，飛行動態監控技術是利用移動互聯網、大數據分析等先進的信息技術，提高無人機在起飛、降落、飛行過程中的跟蹤監控功能，建立無人機飛行過程中的短程預測、動態監控、沖突消除等措施，保證無人機在低空飛行的狀態、跟蹤飛行軌跡、監測飛行狀態，并通過地圖顯示和數據庫對多源信息進行動態監測，以保證無人機自主、高精度、高可靠地完成目標任務。

4 總結與展望

結合工作實際，認真梳理研究國內城市低空交通發展現狀，我國應遵循試點先行、安全第一原則，積極穩妥發展相關產業，在此期間還應高度關注如無人機在低空飛行時，會產生噪音、污染物或墜機事故等問題，可能會影響到地面居民的日常生活。無人機低空飛行存在著個人隱私侵犯、失泄密、暴恐犯罪等問題，并對航空運輸、公共安全乃至敏感地區的安全構成了潛在的威脅。在低空目視航圖技術、低空安全法律法規、國家無人駕駛航空器綜合監管服務平臺等尚未成熟前，應高度重視如下5個問題，即：重視公共安全問題，禁止在國家規定的警衛對象住地，警衛對象經?；顒拥闹匾獔鏊?，黨和國家首腦機關，省、自治區、直轄市領導機關、城市商業區、人口密集區、機場、油田、鐵路、監所、危險物品庫區等上空設置航線，避免引發安全事件；重視信息主動報送問題，每個無人駕駛航空器上應當強制安裝ADS-B系統（廣播式自動相關監視系統）或飛行控制電子芯片，或通過網絡遠程識別技術，隨時識別該機的位置、高度、速度等各類信息，并實現設置禁飛區等功能；重視噪聲問題，無人駕駛航空器產生的噪聲應符合《中華人民共和國噪聲污染防治法》等有關規定；重視隱私保護問題，防止無人駕駛航空器上的攝像頭被非法人員利用，引發大量侵犯公眾隱私案件；重視保險問題，應強制要求為無人駕駛航空器購買第三者責任險等保險，防止砸壞公共設施及人員傷亡等，引發公共安全事件。