無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及不確定性綜述

張宏宏 甘旭升 辛建霖 徐 暢 柯賢鑫

（空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，陜西 西安710051）

無(wú)人機(jī)，是由控制站管理的航空器，也成為“遙控駕駛飛行器”（Remotely Piloted Aircraft,RPA） 或者“遙控駕駛平臺(tái)”（Remotely Piloted Vehicle,RPV）。大多數(shù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)或遙控飛行器、人的因素、任務(wù)載荷、指揮與控制單元、發(fā)射回收單元以及通信數(shù)據(jù)鏈等組成[1]。

隨著智能化水平快速提升，無(wú)人機(jī)在軍事、農(nóng)業(yè)、資源勘探、漁業(yè)等多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，一些遠(yuǎn)程大型無(wú)人機(jī)不斷涌現(xiàn)，遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)使用全空域運(yùn)行已是必然趨勢(shì)。融合空域具有高度復(fù)雜性、線(xiàn)性、非線(xiàn)性之間相互耦合，具有高度不確定性。目前對(duì)無(wú)人機(jī)在隔離空域的研究較多，在融合空域內(nèi)的無(wú)人機(jī)不確定性與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較少。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

無(wú)人機(jī)進(jìn)入融合空域后，航空器在一定間隔下飛行時(shí)的安全目標(biāo)水平（Target Level of Safety，TLS）可以來(lái)衡量無(wú)人機(jī)是否與有人機(jī)擁有相同的性能標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)操作監(jiān)管的主要目標(biāo)是確保適當(dāng)水平的安全性，大多數(shù)國(guó)家的航空機(jī)構(gòu)將此目標(biāo)量化為與“有人機(jī)”具有相同安全水平標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為ELOS（Equivalent Level of Safety）原則。

在地面撞擊死亡事故中，目前，對(duì)于預(yù)期死亡頻率fF公式在不同文獻(xiàn)中，由于研究偏重與考慮細(xì)節(jié)不同，表達(dá)式也有細(xì)微差別[2]。

式中，Nexp表示暴露在事故中的人數(shù)，P（fatality|exposure）表示暴露在事故中的人受到傷害的概率，fGIA表示地面撞擊事故的概率。

進(jìn)一步對(duì)上式進(jìn)行實(shí)際化，在地面撞擊事故中，往往存在多個(gè)傷害場(chǎng)景，不同的傷害場(chǎng)景的模型參數(shù)差異過(guò)大，這時(shí)候就需要應(yīng)用多組模型進(jìn)行衡量事故死亡率。

式中，i 表示事故傷害的場(chǎng)景數(shù)，分組模型公式更好地對(duì)事故狀況進(jìn)行模擬，但也需要提供更多得參數(shù)，效果也比單場(chǎng)景模型好。

人口密度ρ 在不同撞擊場(chǎng)景中往往取值差異較大。傷害面積Aexp與無(wú)人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與撞擊角度有關(guān)，暴露在事故中的人受到傷害的概率P（fatality|exposure）表示為：

式中，Z 為正態(tài)分布參數(shù)，Eimp表示撞擊動(dòng)能。

2 無(wú)人機(jī)運(yùn)行不確定性因素

2.1 人為因素不確定性

人是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)重要的組成部分。目前無(wú)人機(jī)的閉環(huán)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程，都需要人為參與，但目前影響無(wú)人機(jī)運(yùn)行的人為因素類(lèi)型多、主觀(guān)意愿強(qiáng)，具有不可預(yù)測(cè)性，具有高度不確定性。如何降低無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的人為因素，是無(wú)人機(jī)進(jìn)入融合空域的關(guān)鍵因素。無(wú)人機(jī)智能化是當(dāng)前無(wú)人機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，這也會(huì)造成無(wú)人機(jī)認(rèn)為因素的干擾降低。

操作環(huán)境主要是由人- 機(jī)交互界面等因素組成，友好的操作環(huán)境能保證無(wú)人機(jī)操作員在面臨高度不確定性環(huán)境下，有效、高效地執(zhí)行程序。人- 系統(tǒng)集成（Human-Systems Integration,HSI）是一項(xiàng)涉及多領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，涉及對(duì)技術(shù)層面、人為因素、執(zhí)行效率、人力、訓(xùn)練、安全等領(lǐng)域的綜合化集成，積極的人為因素有助于人- 機(jī)集成系統(tǒng)執(zhí)行高效。系統(tǒng)自動(dòng)化旨在降低操作員的工作量，從系統(tǒng)的層面上提高無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知的能力。同時(shí)機(jī)組規(guī)模、編成和訓(xùn)練等因素對(duì)無(wú)人機(jī)效能發(fā)揮起到輔助作用。

2.2 機(jī)載設(shè)備不確定性

無(wú)人機(jī)具有體積小、高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，程序化的控制策略已經(jīng)不能滿(mǎn)足多任務(wù)的需求，無(wú)人機(jī)智能化、自動(dòng)化執(zhí)行任務(wù)已成為無(wú)人機(jī)進(jìn)入國(guó)家空域的核心技術(shù)，但無(wú)人機(jī)由于自身機(jī)載電子設(shè)備的系統(tǒng)性誤差，會(huì)造成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在信息探測(cè)、信息傳輸、信息接收等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)產(chǎn)生失真，無(wú)人機(jī)接收到具有不確定性的數(shù)據(jù)信息，執(zhí)行的指令效果也大打折扣，從而影響無(wú)人機(jī)的安全運(yùn)行。

無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)不確定性主要由三個(gè)方面產(chǎn)生。

第一，指令遙測(cè)遙控，與有人機(jī)的駕駛員能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知與精確判斷不同，無(wú)人機(jī)的操作指令都是通過(guò)地面站與機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸，缺乏有人機(jī)駕駛員那種直接感受、判斷、決策的精準(zhǔn)。

第二，預(yù)編程序控制，無(wú)人機(jī)通過(guò)內(nèi)置程序進(jìn)行導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，但這種控制方式隨著無(wú)人機(jī)在融合空域內(nèi)運(yùn)行，誤差逐步累積，造成無(wú)人機(jī)偏離航向、無(wú)法返航、定位誤差等結(jié)果。

第三，復(fù)合控制技術(shù)，無(wú)人機(jī)將指令遙測(cè)遙控與預(yù)編程序控制兩種控制方式結(jié)合在一塊，雖然綜合發(fā)揮了兩種制導(dǎo)方式的優(yōu)勢(shì)，但也具有兩種控制方式的劣勢(shì)，系統(tǒng)誤差造成的不確定性無(wú)法避免，對(duì)無(wú)人機(jī)空中運(yùn)行安全造成了威脅。

2.3 復(fù)雜空域環(huán)境不確定性

與無(wú)人機(jī)在“隔離空域”運(yùn)行情況不同，融合空域內(nèi)航空器類(lèi)型多元，有人機(jī)與無(wú)人機(jī)混雜，入侵機(jī)速度、體積、航線(xiàn)等因素多元；融合空域內(nèi)空域類(lèi)型多樣，飛行禁區(qū)、軍事訓(xùn)練區(qū)、臨時(shí)飛行禁區(qū)、終端區(qū)、航路航線(xiàn)等空域類(lèi)型構(gòu)成了復(fù)雜的融合空域，無(wú)人機(jī)如何在不確定的空域類(lèi)型中保證其安全飛行以及巡航能力，是目前無(wú)人機(jī)進(jìn)入國(guó)家空域急需解決的問(wèn)題；空域環(huán)境具有高度不確定性，航空器處于空域內(nèi)不同的高度層，從低空到高空都分布著不同類(lèi)型的航空器，特別是在低空區(qū)域，隨著“低空開(kāi)放”政策的逐步落實(shí)，低空將成為最復(fù)雜的空域。這些因素都給無(wú)人機(jī)運(yùn)行帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。如何克服無(wú)人機(jī)復(fù)雜融合空域內(nèi)的不確定性因素，解決無(wú)人機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的在感知與避撞能力、協(xié)同能力、執(zhí)行任務(wù)能力是無(wú)人機(jī)進(jìn)入國(guó)家空域的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

融合空域內(nèi)無(wú)人機(jī)的安全運(yùn)行是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)入國(guó)家空域后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行闡述，再對(duì)無(wú)人機(jī)在運(yùn)行過(guò)程遇到的人為因素、機(jī)載設(shè)備、復(fù)雜空域環(huán)境等不確定性因素進(jìn)行綜述，為下一步無(wú)人機(jī)離開(kāi)隔離空域進(jìn)入融合空域提供了理論依據(jù)。