無人機自主控制等級劃分標準研究綜述

關鍵詞：自主性，自動化與人工智能，無人機自主控制技術，自主控制分級標準化

0引言

低空經濟作為新質生產力的代表，已經成為培育發展新動能的重要方向。當前無人機產業發展成為低空經濟的支柱產業，無人機自主控制技術是提升服務低空經濟的重要能力。傳統無人機的人機控制指令交互過程，受限于通信鏈路質量、環境干擾和操作員技術水平等問題[1]，導致傳統無人機難以運行在非結構化的未知環境中。擁有自主控制能力的無人機通過自主決策規劃來減少控制指令的通信需求，降低操作員持續參與程度，減少操作風險和各類飛行事故，拓展無人機系統的應用范圍。新一輪科技革命和產業變革對未來無人機系統在自主控制技術方面，提出更高的發展需求，包括環境感知和態勢認知能力，復雜條件下的自主導航、規劃與控制能力，人機智能融合與自主學習能力及多平臺分布式協同能力[1]。

國內外有關無人機自主控制等級的分類方法和角度仍不統一，國內正式無人機自主控制分級標準尚屬于空白。本文通過收集、總結、分析國內外自主性等級劃分及評估方法，結合國內外工程經驗，面向種類繁多的無人機系統任務，歸納提煉無人機自主控制分級要素，并結合國內外分級現狀提出自主控制分級標準的發展建議。

1 自主控制標準化問題現狀

在無人機生態系統中，自主性成為許多工業航空應用和未來空中立體交通的關鍵技術。市場和行業中的無人機系統已經涌現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。自主無人機具有的異構的組成部件，多樣的氣動布局，航電設備和載荷，相關標準難以統一和實施：

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

（2）自主性等級要素量化困難。目前自主控制等級的劃分方法以及每個等級的主要特征尚沒有形成統一認識，不同分級模型方法之間的區分度定義以及交互困難。

2 自主性與自主控制

自主無人機內置自動駕駛儀，利用機載傳感器感知周圍環境，依靠智能算法的計算決策來自主飛行，而遙控式無人機需要操作員通過數據鏈路持續指揮控制無人機[2]。自2007年以來，美國先后發布了多版“無人系統綜合發展路線圖”，其中強調推進無人系統的自主化，國內外相繼開展自主性關鍵技術研究，自主性的技術內涵也不斷豐富和完善。ASTM已經發布的3份技術報告[3-5]，旨在解決使用自主系統時的潛在安全問題。盡管對“自主性”的概念達成了一定的共識，但在實現方式上形成了2個主要觀點[6]：

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

觀點2：非確定性觀點，基于數據驅動的人工智能自動化系統的“非確定性特征”。對于確定性系統，如果已知輸入，設計者可以預測系統的行為。然而，非確定性系統可能表現出無法僅根據輸入預期的行為，這類系統可能涉及人工智能等概念。

美國國家標準與技術研究院（NIST）發布的無人系統自主級別（ALFUS）中，認為自主性是系統在實現設定任務過程中，進行感知、理解、分析、交流、規劃及決策制定與自主執行任務的能力，是一種衡量無人系統自我管理能力和管理質量的標準[7]。劉樹光等[8]進一步將自主性拓展為人機聯合認知的能力，以及應對不同任務要求與未知環境的適應能力。系統自主性的高低可以通過任務復雜性、環境復雜性和人機交互程度等因素得以衡量[7]。

系統的自主控制能力是自主性品質的重要體現，自主控制能力，是無人工干預的條件下，在未知和動態環境里，航空器系統通過在線環境感知和信息處理，自主生成優化的控制策略，完成各種戰略戰術任務，從而形成快速有效的任務自適應能力[1]，飛行管理系統具備更高級別的決定權和操作范圍，自主控制強調自我決策、自我控制[9]。

3 國內外自主控制等級標準化研究進展

3.1有關無人系統的自主等級的劃分方法

無人系統的自主等級是指無人系統實體對象根據對外部環境的感知以及對環境與自身的理解，在外部任務驅動下，實現獨立制定并選擇不同行動方案的能力[10]。在無人系統的自主性分級方法上，主流劃分方法有公式計算法、三維坐標軸法、表格法、層級分析法和蛛網模型法等。

美國材料與試驗協會（ASTM）發布的關于無人水下航行器自主和控制標準指南中[11]，形成態勢感知，決策、規劃與控制和外部交互3個維度的自主等級評價坐標軸，根據系統的投影值進行比較。而王菖等[12]采用感知與認知、決策與規劃、行動與控制基礎能力維度內的協同性和學習性為主要評價因素，設計包含人操控、人委派、人監督、混合主動、全自主5級的無人系統自主性評估表。美國汽車工程師學會（SAE）發布的駕駛自動化等級，從駕駛員操作要求、技術特征和人機任務分配角度出發，劃分為輔助駕駛和自動駕駛2類，從無駕駛自動化（0級）到全駕駛自動化（5級）共6個等級。該標準同時旨在加快提供初始監管框架和最佳實踐，為制造商和其他企業在高度自動化車輛（HAV）的安全設計、開發測試和部署提供指導。SAEJ3016標準已經被美國交通運輸部（DoT）“聯邦自動駕駛汽車政策”采用，其面向消費者的直觀評價體系，受到自動駕駛汽車技術的其他利益相關者廣泛參考，全球范圍內影響廣泛。

3.2人機協作關系視角

人機協作關系是依據自主性的定義，描述和區分自主性等級的重要依據，根據劃分的維度，現有自主性等級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的人機角色劃分的重要依據。

（1）人-機權限分配

Sheridan自動裝置分級（LoA）、高空長航時無人機自主性能力等級、人-機權限四級模型等方式均依據人機交互程度（又稱人-機權限分配）進行自主性等級劃分，基本思路是自主等級和系統需要的人機交互程度之間成反比（見表1）。

（2）任務+環境+人機交互程度

ALFUS框架、自主系統參考框架、ASTM的UUV自主性等級，以及在ALFUS框架基礎上衍生出來的無人地面車輛（UGV）自主控制等級均從3個維度出發來劃分無人系統自主性等級，一般為任務、環境和人機交互程度，最終自主性等級的確定需要綜合考慮多個維度的影響（見表2）。這種方式能夠考慮多重因素，彌補了前2類方式考慮因素單一的不足，但由于維度增加，在綜合評判無人系統自主性等級時，無法直接得到結果，需要考慮各維度的權重，不同的評判目的，權重可能也不相同，導致過程變得繁瑣。

4 無人機自主控制等級劃分標準化研究進展

無人機系統的自主性愈發受到研究人員重視，美國國防部發布的無人機路線圖，提出的面向無人機并逐漸擴展為整個無人系統的一體化發展戰略規劃，著重強調了無人機與其他無人裝備協同作戰能力和自主能力。目前，縱觀國內外有關無人機自主控制分級方法主要有：自動化等級（LOA）、自主控制水平等級（ACL）、自主性等級（ALFUS）、自主系統參考框架、人-機權限四級模型等。這一系列標準、研究報告為各類無人機自主性能力分級提供了一定的視角，然而模型方法尚未能形成大范圍的統一。

無人機自主性及等級劃分標準制定的相關工作概況如圖1所示[13-17]。

在當前已發布的標準研究中，ASTM和SAE的研究報告側重分析航空系統保證安全性的技術方法手段和流程，單一歐洲天空計劃組織（SESAR）對空中交通管理自動化水平進行分類，歐洲航空安全局（EASA）和SAE對人工智能等級劃分進行研究，部分組織如JARUS，ECA，ICAO的報告涉及無人機自主等級劃分。美國國家標準學會（ANSI）在其路線圖中強調了自主等級標準化的必要性，ASTM，SAE，EUROCAE等標準化組織已經啟動了相關工作。此外，在無人機自主控制等級劃分上，歐洲駕駛艙協會（ECA）[18]將無人機自主控制架構分為戰術功能和飛行管理，依據可執行任務類別以及任務的復雜程度，飛行操作中的人機角色分配，形成了對自主控制級別的主要分類界限的維度。美國無人機科技公司Exyn[19]提出無自主到全自主的6級自主控制分類方法，根據飛行時對駕駛員的操作要求，對系統的任務分配，避障與響應能力，感知與識別能力等4個方面劃分自主控制等級。

ICAO和JARUS的出版報告也支持6級LOA框架，強調責任和問責等方面。然而，在此框架內還需對飛行控制等系統的具體要求進行詳細分析。美國國家標準與技術研究院（NIST）于2007年提出的ALFUS分類方法，對自主性從任務復雜度、人機交互和環境復雜度3個維度進行分類，抽象提出了無人機自主相應的任務能力、評估矩陣以及打分方法，通過對無人機執行的任務分解后根據3個因素的度量來為其分配權值。2023年1月，無人系統規則制定聯合體JARUS[20]，發表的無人機自主控制分類策略中規定了自主控制實現的主要功能，并對相應功能下駕駛員和系統的主要任務進行了劃分。根據人機分工、回退機制，持續的飛行機動控制、對象檢測和事件響應和外部系統的通信（包括地面站和空域系統），劃分為手動操作、協助操作、任務分擔、有監督自動化、異常管理、完全自主權6個等級。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]認為無人機自主控制等級是由無人機代替有人駕駛飛機所能完成的駕駛員的智能行為等級，并于2011年提出了符合我國無人機技術發展現狀的9級無人機自主控制等級，深入分析了影響自主等級的無人機指令通道的互連和互通能力。

國內尚無正式關于無人機自主控制等級劃分的國家標準發布，工信部發布1項《民用無人機系統自主控制等級要求》行業標準。民航局于2022年8月發布MH/T2013-2022《民用無人駕駛航空器系統分布式操作運行等級劃分》[22]，將民用無人駕駛航空器系統自動化等級從人機飛行任務執行分配，運行風險因素探測與響應，飛行任務接管和設計運行范圍的限制情況出發，分為從0級到5級，共6個級別，對應不同的自動化程度和安全能力要求。

5 結語

本文針對無人機自主控制分類角度、方法和分級標準不統一問題，在充分調研國內外自主技術和自主控制分級標準化基礎上，結合工業界技術發展現狀，歸納出國內外相關研究形成的標準，標準化組織及相關機構對以上概念的研究進行了總結和區分，重點綜述了自主控制等級劃分標準的發展研究。