城市低空航路規(guī)劃研究綜述

張洪海，李 姍，夷 珈，鐘 罡

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 211106）

1 城市低空航路規(guī)劃概況

1.1 基本概念

2019 年5 月14 日，民航局在《促進(jìn)民用無人駕駛航空發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中明確提出加強(qiáng)對于“低空航路航線規(guī)劃與構(gòu)建技術(shù)”的研究，促進(jìn)中國低空空域資源的合理開發(fā)與高效利用［1］。低空空域是“低慢小”航空器實現(xiàn)空中交通的可航空間，是國家空域體系的重要組成部分。中國現(xiàn)行的低空空域管理體制是在國家空管委領(lǐng)導(dǎo)下，由空軍負(fù)責(zé)統(tǒng)一組織實施。《低空空域使用管理規(guī)定（試行）（征求意見稿）》明確提出中國低空空域原則上是指全國范圍內(nèi)真高1000m（含）以下區(qū)域［2］。隨著未來發(fā)展需要，《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出可將低空空域范圍擴(kuò)展至3000m［3］，這將大幅度提升低空飛行器的活動空間。航路是由國家統(tǒng)一劃定的具有一定寬度和高度的空中通道，屬于特殊的走廊式保護(hù)空域。目前，航路按“東單西雙”原則劃分航路高度層，即向東飛的航空器使用單數(shù)高度層，向西飛的航空器使用雙數(shù)高度層。航路配備全向信標(biāo)臺（VHF omni-directional range，VOR）、測 距 儀（Distance measure equipment，DME）等一系列助航設(shè)施，為沿途航空器提供通信、導(dǎo)航和監(jiān)視等空中交通服務(wù)，以保障航空器的安全有效運(yùn)行。

低空時空環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的航路規(guī)劃方法已無法匹配目前低空發(fā)展的實際情況，亟需研究適用于低空的航路規(guī)劃方法。近年來，加拿大滑鐵盧大學(xué)、美國航空航天局、新加坡南洋理工大學(xué)、荷蘭代爾夫理工大學(xué)、中國南京航空航天大學(xué)等國內(nèi)外相關(guān)組織與機(jī)構(gòu)逐步深入開展對于城市低空航路規(guī)劃的研究。城市低空航路規(guī)劃作為空中交通管理的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)復(fù)雜低空有人機(jī)與無人機(jī)混合密集飛行的關(guān)鍵手段，也是大力發(fā)展通用航空與無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的重要前提。城市低空航路規(guī)劃涉及空域規(guī)劃、航路構(gòu)建、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行評估等多領(lǐng)域，其中航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是低空航路規(guī)劃的核心內(nèi)容，也是近年來國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。滑鐵盧大學(xué)［4］面向無人機(jī)交通管理，設(shè)計出一種包含航路、節(jié)點(diǎn)、自由飛行區(qū)域、連接路徑、交叉口等新概念的分層無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)（The Internet of drones，IoD）。美國航空航天局［5］以沃斯堡機(jī)場都市區(qū)為研究對象，設(shè)計出一種以達(dá)拉斯垂直起降機(jī)場為中心，與周邊19個其他城市垂直起降機(jī)場為關(guān)鍵樞紐的放射形城際空中交通航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該航路網(wǎng)絡(luò)共包含190條不同的航路，可以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各城市之間的高效通勤。南洋理工大學(xué)［6］依托城市布局提出了3種低空航路結(jié)構(gòu)。代爾夫特理工大學(xué)［7］提出了固定路線結(jié)構(gòu)的管道航路，該航路是由節(jié)點(diǎn)與邊所組成的結(jié)構(gòu)，除節(jié)點(diǎn)外，在同一水平面內(nèi)的管道永不相交，且它們彼此之上的管層節(jié)點(diǎn)密度逐漸減小。南京航空航天大學(xué)以上海某區(qū)域為設(shè)計場景，提出了城市空中交通發(fā)展初級階段概念圖［8］，重點(diǎn)圍繞物流無人機(jī)的末端配送進(jìn)行了航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［9］。北京航空航天大學(xué)提出了“空中高速公路（Sky highway）”，設(shè)計了航路網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和提出基本控制方案，側(cè)重將分布式自主控制和集中式調(diào)度相結(jié)合，以提高未來無人機(jī)流量［10］。低空空域內(nèi)運(yùn)行的載運(yùn)工具主要包括垂直起降（Vertical take off and landing，VTOL）、航空器和短距起降（Short take off and landing，STOL）航空器等。部分學(xué)者認(rèn)為此類航空器飛行靈活、自由度高，僅需較小的起降場地便可輕松響應(yīng)用戶點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)輸需求，會成為未來城市空中交通的主要載運(yùn)工具，面向垂直起降航空器運(yùn)行的低空航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究也逐漸成為熱點(diǎn)。

城市低空的航路規(guī)劃方法研究逐漸走向成熟，各國研究機(jī)構(gòu)依據(jù)本國低空空域的管理情況與相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需求，圍繞不同的運(yùn)行場景開展研究。然而，多數(shù)研究并未應(yīng)用至實際運(yùn)行場景中，仍以仿真驗證為主。城市低空的航路規(guī)劃不僅僅需要理論的支撐，更要考慮到空域管理、通導(dǎo)監(jiān)技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多方面因素。尤其中國空域管理更為嚴(yán)格，低空空域尚未完全開放，國外的研究成果無法完全適應(yīng)中國低空空域的運(yùn)行需要。因此需結(jié)合中國未來空中交通的發(fā)展需求，構(gòu)建適用于中國的城市低空航路規(guī)劃方案，以實現(xiàn)城市復(fù)雜低空多類型航空器混合有序的運(yùn)行。在航路劃設(shè)過程中，主要包括空域分類劃設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、航路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和運(yùn)行安全評估4個層面。低空空域劃設(shè)是構(gòu)建航路的基石，航路的高效運(yùn)行離不開起降場、通信導(dǎo)航設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)布局，運(yùn)行安全評估又為規(guī)劃合理可靠的航路提供重要參考。

1.2 發(fā)展需求

近年來城市車輛數(shù)量急劇增長，交通擁堵日益嚴(yán)重，有限的陸用空間與不斷增長的交通需求之間矛盾顯著，亟需探索低空空域發(fā)展?jié)摿?，發(fā)掘新興交通模式，逐步建立城市低空航路規(guī)劃體系，以滿足低空航空器的運(yùn)行需求；另外，隨著通用航空與無人機(jī)產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展熱潮，隨之而來的低空航行器“黑飛”亂象日漸凸顯，對地區(qū)的治安管理、公眾隱私等方面構(gòu)成威脅。

在空中交通建設(shè)方面，韓國在城市空中交通規(guī)劃方案中提出“4階段”發(fā)展計劃，在建設(shè)初期（2025—2029年）計劃完成初期航路與相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在發(fā)展期（2030—2035年）計劃擴(kuò)大航線規(guī)模，增加商業(yè)元素，預(yù)計在2035年以后實現(xiàn)低空航空器在可擴(kuò)展的空域環(huán)境中自主飛行。在通用航空發(fā)展方面，中國航空運(yùn)輸協(xié)會在《2020—2021中國通用航空發(fā)展報告》中指出，截至2020年底，全國通用航空企業(yè)共計523家，通用航空器在冊總數(shù)4165架，全行業(yè)無人機(jī)運(yùn)營企業(yè)為11084家，注冊無人機(jī)達(dá)51.7萬［11］。在物流運(yùn)輸方面，亞馬遜公司針對用戶的包裹重量進(jìn)行分析，統(tǒng)計結(jié)果顯示大約83%的包裹在2.5kg以下［12］，86%的包裹能夠滿足無人機(jī)運(yùn)輸承載能力要求［13］。美國國家航空航天局在城市空中交通市場報告中提出，預(yù)計在2030年無人機(jī)物流將承擔(dān)5億單的包裹配送服務(wù)［14］。

低空交通市場規(guī)模不斷擴(kuò)大、用戶需求日益增長，但城市低空航路的規(guī)劃體系在空域分類劃設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、航路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和運(yùn)行安全評估等方面還需要進(jìn)一步完善，以促進(jìn)低空產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)健發(fā)展。

2 城市低空航路規(guī)劃發(fā)展歷程

2.1 發(fā)展進(jìn)程

低空航路的設(shè)計與構(gòu)建可以追溯至20世紀(jì)40年代，自1946年美國貝爾47直升機(jī)首次獲得航空適航證以來，人們便開始了對低空空域資源的探索［15］。近年來，伴隨著低空航空器性能逐步提高，低空交通需求日益旺盛，國內(nèi)外諸多學(xué)者紛紛開展了對低空航路規(guī)劃的研究。縱觀國內(nèi)外低空航路規(guī)劃發(fā)展進(jìn)程和現(xiàn)狀，在科研驅(qū)動、政策利好的良好環(huán)境下，中國逐漸形成優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外低空航路的發(fā)展大致可為科學(xué)研究和試點(diǎn)驗證兩部分。

（1）科學(xué)研究

國外南洋理工團(tuán)隊為主要代表，該團(tuán)隊從2014年起就將城市上空的低空航路規(guī)劃作為了重點(diǎn)研究內(nèi)容之一，并在2017年已形成了較為完整的低空航路構(gòu)建體系，整個框架體系涉及起降程序設(shè)計、運(yùn)行風(fēng)險評估、動態(tài)航路規(guī)劃等多項關(guān)鍵技術(shù)［16-17］。國內(nèi)，柳煌等［18］提出低空航路劃設(shè)的基本步驟。其中具體流程包括：①確定航路規(guī)劃的任務(wù)區(qū)域，明確地形障礙物威脅，無人機(jī)性能參數(shù)等限制條件；②采用合適的航路規(guī)劃算法，參考任務(wù)要求，在限制條件約束下生成無人機(jī)的參考航路；③對航路進(jìn)行優(yōu)化，滿足越障高度，最小轉(zhuǎn)彎半徑等限制，并劃設(shè)相應(yīng)的保護(hù)區(qū)。隨后，白龍等［19］歸納總結(jié)了城市區(qū)域（超）低空空域無人機(jī)活動高度-密度規(guī)則、覆蓋區(qū)規(guī)則和隔離區(qū)規(guī)則以及優(yōu)化方式。

（2）試點(diǎn)驗證

國外，美國于2017年首次提出無人機(jī)交通管理走廊，建造了一條80km長的無人機(jī)空中航路，并利用雷達(dá)和地面感應(yīng)器對無人機(jī)進(jìn)行追蹤，確保其安全間隔［20］。2017年2月，新加坡民航局啟動了“Skyways項目”，測試無人機(jī)在預(yù)定空中航路中運(yùn)輸物品的實際效果［21］。國內(nèi)，也逐步開展低空航路建設(shè)與運(yùn)行試點(diǎn)工作，湖南在3000m以下低空空域?qū)崿F(xiàn)了航空器通信導(dǎo)航全覆蓋、低空空域可監(jiān)管、航空器運(yùn)行能管理，為全國低空開放提供了模版，為通航航路的發(fā)展提供契機(jī)。

總體而言，中國多將航空器的運(yùn)行安全作為低空航路規(guī)劃的重要參考因素，國外多考慮商業(yè)運(yùn)行的實際需求。未來隨著低空交通生態(tài)體系在空域管理、適航條例、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及社會認(rèn)知接受度等方面進(jìn)一步的完善［22］，低空航路的研究范疇也將進(jìn)一步擴(kuò)展。未來城市低空航路的建設(shè)將與地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)相結(jié)合，利用地理信息系統(tǒng)和地理網(wǎng)格測繪技術(shù)構(gòu)建高精度、高分辨率的地理信息，并且通過遙感技術(shù)，動態(tài)地更新數(shù)據(jù)，以支持城市低空航路的建設(shè)。另外，完善人工和自然障礙物地理圍欄，明確地理圍欄保護(hù)區(qū)范圍，建立地理圍欄邊界定量更新系統(tǒng)，也是城市低空航路發(fā)展的重要支撐［23］。

2.2 研究現(xiàn)狀

航路概念方面，未來無人機(jī)將會成為低空空域內(nèi)運(yùn)行的主要航空器類型之一，中國科學(xué)院在2017年提出了針對無人機(jī)運(yùn)行的低空公共航路，并構(gòu)建了較為完整的理論體系［24］。無人機(jī)低空航路的概念最初由中國科學(xué)院率先提出并得到業(yè)界和中國民用航空局認(rèn)可。2018年，中國航空運(yùn)輸協(xié)會通用航空分會提出“小微航路”概念，建立有別于運(yùn)輸航空的低空航路審批和運(yùn)行保障機(jī)制，可以管理絕大部分通用航空飛行作業(yè)，保障通用航空作業(yè)合理合法地運(yùn)行［25］。同年，南洋理工大學(xué)［6］提出了適應(yīng)性城市空域的概念（Adaptive urban airspace，AdUrA），涉及不同類型的航路網(wǎng)絡(luò)以滿足不同的城市空中交通運(yùn)輸需求。2019年，鹿明等［26］定義了無人機(jī)低空多級公共航路的概念，研究了無人機(jī)低空多級航路規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，將其應(yīng)用到全國和京津冀航路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計中，介紹了基于地理信息技術(shù)手段生成的區(qū)域低空無人機(jī)航路網(wǎng)的構(gòu)建過程，展示了全國無人機(jī)低空骨干航路和區(qū)域多級航路示意圖。2020年，徐晨晨等［27］提出一種基于遙感和地理信息技術(shù)的城鎮(zhèn)化區(qū)域低空公共航路網(wǎng)的高效迭代構(gòu)建方法，基于地面路網(wǎng)生成具有多高度層的Ⅰ級航路網(wǎng)，利用航路正約束地理要素生成Ⅱ級航路網(wǎng)，規(guī)避負(fù)約束地理要素構(gòu)建Ⅲ級航路網(wǎng)，通過仿真飛行和實際飛行測試分別生成Ⅳ、Ⅴ級航路網(wǎng)，通過實際測量對比分析來檢驗無航空器飛行的環(huán)境地圖，保證飛行的安全性。隨著低空航路概念的進(jìn)一步普及和深化研究，杭州迅蟻網(wǎng)絡(luò)科技有限公司在杭州城區(qū)開展無人機(jī)快遞運(yùn)送試點(diǎn)工作，并在杭州重點(diǎn)示范區(qū)內(nèi)，進(jìn)行了無人機(jī)低空物流航路規(guī)劃。

航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與構(gòu)建方面，張啟瑞等［28］在2015年提出面向密集建筑物空間的局部回溯航路設(shè)計方法，建立了局部視界范圍內(nèi)的最優(yōu)回溯模型，通過添加相應(yīng)約束條件來描述密集建筑物空間航路設(shè)計問題，提出基于局部回溯和廣度優(yōu)先思想相結(jié)合的綜合路徑規(guī)劃方法，實現(xiàn)了對不規(guī)則障礙空間中“航路死區(qū)”的突破。2016年，加拿大滑鐵盧大學(xué)［4］針對航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的定義與設(shè)計。2017年，澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)［29］做出了世界上首次對航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模的嘗試，首先選擇適合嵌入無人機(jī)系統(tǒng)（Unmanned aerial system，UAS）航路網(wǎng)絡(luò)的城市低空可行區(qū)域，然后利用改進(jìn)KNN（K-nearest neighbour）分類算法確定無人駕駛交通網(wǎng)絡(luò)的航路結(jié)構(gòu)，其思想在于對每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n，找到與其最接近的K個節(jié)點(diǎn)，并假設(shè)該節(jié)點(diǎn)與其最接近的K個節(jié)點(diǎn)之間存在網(wǎng)絡(luò)連接。對于第i個節(jié)點(diǎn)，第k個最小的歐式距離dk i到由Nk定義的節(jié)點(diǎn)集合的歐氏距離為

式中x(?)、y(?)分別為對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度和緯度。

空 域 結(jié) 構(gòu) 與 容 量 方 面，Vidosavljevic等［30］在2015年針對無人機(jī)在城市空域運(yùn)行的概念提出了非結(jié)構(gòu)化空域和3種結(jié)構(gòu)化空域（Layers，zones，tubes）的設(shè)想，為未來50年內(nèi)的城市環(huán)境研究全新的空域設(shè)計概念，確定城市空域設(shè)計概念中涉及的結(jié)構(gòu)以及其影響交通狀況的復(fù)雜性。同年，Clothier等［31］設(shè)計了Barrier-bow-tie模型，說明如何將空中碰撞事故的風(fēng)險管理控制在可接受水平范圍內(nèi)，通過實時優(yōu)化空中航路實現(xiàn)碰撞事故的動態(tài)規(guī)避。2016年，Sunil等［32］將自由航路、分層航路、扇形航路和管道航路這4個空域概念置于多個交通需求場景中，從交通需求變化對安全、效率和穩(wěn)定性指標(biāo)的影響推斷出結(jié)構(gòu)-容量關(guān)系。安全表示航空器之間保持安全間隔的能力，表示為

式中：T和s分別表示推理和位移的矢量；以往研究中，多使用多米諾效應(yīng)參數(shù)（Domino effect parameter，DEP）。DEP通常與空域穩(wěn)定性成反比，因此可表示為

式中：S1為無法解決沖突的集合；S2為可解決的沖突 集 合；R1=S1S2；R2=S1∩S2；R3=S2S1?；诖?，討論了不同空域航路結(jié)構(gòu)與極限交通流密度的關(guān)系，分析得出了影響空域容量的重要因素。2017年，Sunil等［7］還從多種交通需求密度對空域指標(biāo)的影響入手，模擬比較了4個分散的航路空域概念，結(jié)果表明，在不同的飛行高度，利用空域的垂直分割來分離不同飛行方向的交通時，空域容量是最大的。2019年，Zhu等［33］提出了一種面向城市空中出行的無沖突航線預(yù)規(guī)劃方法，面對結(jié)構(gòu)化空域，將飛行軌跡離散為時間段并建立整數(shù)規(guī)劃模型，確定每個時間段動態(tài)地理圍欄的位置，避免與已提交的飛行計劃發(fā)生沖突，同時提出了一個速度剖面模型使飛行軌跡更加平滑。

3 城市低空航路規(guī)劃體系框架

3.1 框架體系

目前，中國對于城市低空航路的建設(shè)仍處于初期發(fā)展階段，尚未形成完備的低空航路規(guī)劃體系。因此，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合中國空中交通管理現(xiàn)狀，本文提出了城市低空航路規(guī)劃體系框架，該體系框架主要由空域范圍規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、航路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和運(yùn)行安全評估4部分組成，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示［4，34-39］。其中：空域規(guī)劃作為航路規(guī)劃的基礎(chǔ)環(huán)境，由空域劃分和空域結(jié)構(gòu)組成；通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、起降點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備建設(shè)，為航路的正常運(yùn)行提供保障；航路構(gòu)建作為航路規(guī)劃體系的核心內(nèi)容，要充分考慮“人-機(jī)-環(huán)-管”對航路建設(shè)的綜合影響，按照“航路構(gòu)型-航路布局-網(wǎng)絡(luò)設(shè)計-運(yùn)行規(guī)則”的4步走策略，構(gòu)建合理有效的運(yùn)行航路，并通過對地風(fēng)險、碰撞概率等運(yùn)行評估方法以及沖突解脫策略，實現(xiàn)對航路構(gòu)建的反饋與調(diào)整。

圖1 城市低空航路劃設(shè)框架體系[4,34-39]Fig.1 Framework system of low altitude route planning[4,34-39]

3.2 空域規(guī)劃

低空空域是國家空域體系的重要組成部分，但目前尚未明確低空空域的概念，未形成統(tǒng)一的低空空域劃設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。按照國際民航組織的空域分類標(biāo)準(zhǔn)，將空域分為A至G共7類，其中低空空域包括除了A類（絕對管制空域）、B類、C類（進(jìn)近管制空域）、D類（機(jī)場管制地帶）等公共運(yùn)輸航空主要使用的空域，以及特殊用途空域（如軍航訓(xùn)練空域、空中禁區(qū)、限制區(qū)和危險區(qū)）之外的所有空域，通常又可以按照限制等級和服務(wù)類型細(xì)分為E、F、G類空域。美國低空空域范圍為3000m以下的空間，美國聯(lián)邦航空管理局部分采納國際民航組織建議的空域分類標(biāo)準(zhǔn)，將空域劃分為A、B、C、D、E和G類空域［37］。其中：A類為絕對管制空域，B、C、D、E類為管制空域，G類為非管制空域。E類空域范圍最大，高度區(qū)間為地表或其他空域邊界至平均海平面高度5400m；G類空域為非管制空域，高度區(qū)間為地表至真高370m。除此之外，低空空域還包含一些特殊使用空域，如禁區(qū)、限制區(qū)、告警區(qū)等，主要劃設(shè)在政府敏感區(qū)、軍事活動區(qū)等區(qū)域上空。歐洲為實現(xiàn)單一天空計劃，將空域分為N和U兩類。

中國現(xiàn)行的低空空域管理體制是在國家空管委領(lǐng)導(dǎo)下，由空軍負(fù)責(zé)統(tǒng)一組織實施?！蛾P(guān)于深化中國低空空域管理改革的意見》指出按照服務(wù)類型，低空空域可分為管制空域、監(jiān)視空域和報告空域，不同模式實行分類管理。自2010年起，中國在“兩區(qū)一島”和“兩大區(qū)、七小區(qū)”組織了較大范圍的低空空域管理改革試點(diǎn)，涉及全國14個省（區(qū)、市），試點(diǎn)地區(qū)占全國空域的33%。據(jù)空軍統(tǒng)計，在試點(diǎn)地區(qū)共劃設(shè)空域254個。其中，管制空域122個、監(jiān)視空域63個、報告空域69個［37］。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)施

3.3.1 通信導(dǎo)航監(jiān)視

通信，導(dǎo)航與監(jiān)視在低空運(yùn)行與管理過程當(dāng)中至關(guān)重要，為航空器的平穩(wěn)、安全、有效運(yùn)行提供可靠保障。與高空環(huán)境相比，低空環(huán)境復(fù)雜多變，而有人機(jī)與無人機(jī)混合運(yùn)行也是未來低空交通發(fā)展的必然趨勢，通信導(dǎo)航監(jiān)視技術(shù)是約束航空器在規(guī)劃航路內(nèi)運(yùn)行的重要保證，直接關(guān)系著低空交通管理的水平，如圖2所示為無人機(jī)通信導(dǎo)航監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)示意圖［40］。

圖2 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[40]Fig.2 UAV network system[40]

（1）通信

通信的主要目的是實現(xiàn)目標(biāo)間的信息傳輸，主要模式有空對地、地對空、空對空、無人機(jī)與無（有）人機(jī)，無人機(jī)運(yùn)營商之間的通信［41］，常用的通信手段 有 公 網(wǎng)、專 網(wǎng)、V2X（Vehicle to everything，V2X）、4G/5G、衛(wèi)星，對于1000m以下的低空空域，結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施、建設(shè)成本、通信速率等綜合因素，主要采用基于地面移動電話蜂窩網(wǎng)絡(luò)的4G/5G通信手段。然而移動電話的5G通信基站需求不能覆蓋所有空域范圍，無法滿足無人機(jī)的正常飛行需要，因此合理科學(xué)的基站選址與天線覆蓋范圍的設(shè)定就顯得尤為重要。楊秀玉［42］分析了ACARS（Aircraft communications addressing and reporting system）甚高頻數(shù)據(jù)鏈與衛(wèi)星通訊的優(yōu)缺點(diǎn)，基于5G技術(shù)與無人機(jī)的通信需求分析了5G系統(tǒng)應(yīng)用于無人機(jī)通信的可能性。Ullah等［43］分析了V2V（Vehicle to vehicle，V2V）、V2P（Vehicle to pedestrian，V2P）、V2I（Vehicle to infrastructure，V2I）等通信技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，解決了目前通信技術(shù)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，提出了基于5G技術(shù)的解決方案，進(jìn)一步研究了關(guān)鍵任務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的無人機(jī)通信，并對4G和5G在控制延遲方面進(jìn)行了比較分析。

（2）導(dǎo)航

在飛行的過程中向航空器發(fā)送精確的方位信息，使航空器明確自己的位置與其他航空器之間的距離。傳統(tǒng)民航采用GNSS（Global navigation satellite system）為航空器進(jìn)行導(dǎo)航，隨著中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷突破與創(chuàng)新，現(xiàn)今可將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與低空航空器相結(jié)合，為其提供精準(zhǔn)的導(dǎo)航服務(wù)。Bijjahalli等［44］，提出了一種考慮城市結(jié)構(gòu)對GNSS性能影響的制導(dǎo)策略，并對城市環(huán)境中無人機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行了仿真研究。

（3）監(jiān)視

在低空飛行的過程，需要主動或被動的將自身的位置信息與狀態(tài)信息等信息發(fā)送給地面管制中心以便中心更好的執(zhí)行對航空器進(jìn)行管理以及沖突預(yù)測等操作。傳統(tǒng)的民航主要依靠廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B）進(jìn)行信息的接收與發(fā)送。但對于低空無人機(jī)，由于其數(shù)量多，通過ADS-B對其監(jiān)視勢必會增加民航系統(tǒng)的負(fù)荷。覃睿等［45］根據(jù)中國民航局空管局公布的ADS-B最低性能標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了ADS-B信號覆蓋模型，明確了ADS-B布局原理，提出了ADS-B空間規(guī)劃布局算法。王爾申等［46］針對通用航空航空器低空雷達(dá)監(jiān)視存在盲區(qū)和廣播自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）設(shè)備成本高等問題，提出以“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和移動公共網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的低空空域通用航空飛機(jī)導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)。

3.3.2 起降點(diǎn)選址布局

起降點(diǎn)作為航路網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其地理位置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響著起降點(diǎn)的承載能力和整個航路網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平。隨著低空航空器數(shù)量的攀升，飛行需求日益增加，國內(nèi)外學(xué)者紛紛展開起降點(diǎn)選址與布局的研究。佐治亞理工學(xué)院針對未來電動垂直起降飛行器（Electric vertical takeoff and landing，eVTOL）垂直起降飛行器［47］，考慮了飛行器的俯仰布局和起降點(diǎn)數(shù)量估計問題，以滿足eVTOL航空器每日通勤需求，通過求解整數(shù)程序放置垂直起降點(diǎn)，最大限度地節(jié)省了潛在累積時間，此技術(shù)可應(yīng)用于舊金山和洛杉磯的城市空中交通（Urban air mobility，UAM）通勤網(wǎng)絡(luò)。Darshan等考慮無人機(jī)能量消耗和射程限制［48］，以需求覆蓋最大化為目標(biāo)，建立物流無人機(jī)設(shè)施點(diǎn)定位選址模型，提出整數(shù)線性規(guī)劃公式，其目標(biāo)是最大化覆蓋率，同時考慮了無人機(jī)的能量消耗和航程限制。美國宇航局蘭利研究中心Guerreiro等采用先到先服務(wù)的城市空中交通起降點(diǎn)調(diào)度算法［49］，對各種起降點(diǎn)配置的容量和吞吐量進(jìn)行評估比較，根據(jù)垂直機(jī)場和停車位的數(shù)量對每個垂直機(jī)場進(jìn)行建模，定義了可用于估算起降點(diǎn)配置容量的理論模型。German等結(jié)合無人機(jī)性能特點(diǎn)與包裹吞吐量限制等選擇起降點(diǎn)［50］，構(gòu)建了無人機(jī)貨運(yùn)地點(diǎn)選址優(yōu)化模型，模型如下所示

式中：di表示所選區(qū)域i的需求；yi表示需求di是否被滿足；xi表示所選地區(qū)i是否有垂直起降場；v表示可以建造的垂直起降場最大數(shù)量。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了路線規(guī)劃，主要研究了配送過程中“最后一英里”的問題，

在起降點(diǎn)內(nèi)部規(guī)劃方面，徐博等人為減少飛行總距離和多余覆蓋面積［51］，節(jié)省無人機(jī)的能耗和藥液消耗，研究了一種基于作業(yè)方向的不規(guī)則區(qū)域作業(yè)航線規(guī)劃算法。該算法根據(jù)指定的作業(yè)方向，可快速規(guī)劃出較優(yōu)的作業(yè)航線，也可在未指定作業(yè)方向的情況下，給出推薦的作業(yè)方向與航線，使整個作業(yè)過程滿足能耗和藥耗最優(yōu)。Hong等提出物流無人機(jī)充電定位優(yōu)化模型［52］，綜合最小生成樹、貪婪減法等多種算法進(jìn)行求解，定位物流無人機(jī)起降點(diǎn)，規(guī)劃內(nèi)部飛行路線，以對亞利桑那州菲尼克斯市為研究對象，驗證了該方法的有效性和效率性。麻省理工學(xué)院的Vascik等運(yùn)用了一種整數(shù)規(guī)劃方法來解析垂直運(yùn)輸能力包絡(luò)線［53］，以離港和到港總效益最大為目標(biāo)，構(gòu)建如下模型

式中：cd(k)表示單位時間k型飛機(jī)離港效益；ca(k)表示單位時間k型飛機(jī)進(jìn)港效益；(t)為 決 策 變量。該方法可用于確定起降點(diǎn)容量對著陸、起飛坪、滑行道、大門、停車坪數(shù)量以及布局的敏感性。該研究還評估了垂直運(yùn)輸能力對運(yùn)行參數(shù)的敏感性，包括滑行時間、周轉(zhuǎn)時間、預(yù)分段飛機(jī)、進(jìn)近/離港程序獨(dú)立性等。結(jié)果表明，合理平衡著陸和起飛坪的數(shù)量，可以實現(xiàn)每個起降點(diǎn)的最大飛機(jī)吞吐量。此外，同時成對到達(dá)或出發(fā)可顯著提高吞吐量，無須完全獨(dú)立的進(jìn)近和出發(fā)程序。

3.4 航路構(gòu)建

航路作為航空器運(yùn)行的主要媒介，合理的航路構(gòu)型與網(wǎng)絡(luò)布局對保障航空器平穩(wěn)、高效運(yùn)行至關(guān)重要。城市低空航路主要由空中航段和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，其中節(jié)點(diǎn)一般是指起降機(jī)場，已在3.3 基礎(chǔ)設(shè)施部分討論。本小節(jié)重點(diǎn)討論航路網(wǎng)絡(luò)的空中航路結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有成果進(jìn)行梳理和總結(jié)。

目前關(guān)于城市低空航路構(gòu)型的研究尚不多見，南洋理工大學(xué)［6］論述了城市低空航路網(wǎng)絡(luò)的3種類型，并用容量和吞吐量兩個指標(biāo)衡量所構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的能力，分別表示為

式中：pc表示容量值；r表示生成的航線總數(shù)；ni(t)表示t時刻航線i上的航空器數(shù)量。

式中：pt表示ΔT時間內(nèi)的吞吐量；ki(t)表示當(dāng)前或已經(jīng)在航線i上處于著陸階段的航空器數(shù)量。如圖3所示。第1種是矩陣節(jié)點(diǎn)型航路（Air matrix），該類型在考慮了空域容量與交通流量的大量需求，將空域柵格化，如圖3（a）所示航路；第2種是建筑節(jié)點(diǎn)型航路（Over-buildings），將建筑物上方10m作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并將所有節(jié)點(diǎn)相連。由于建筑物高度的差異，該結(jié)構(gòu)的航路高度并不在同一水平面上，以此提高網(wǎng)絡(luò)的連通性，建立更多的可選航路，如圖3（b）所示；第3種是道路沿線型航路（Over-roads），以城市道路為基礎(chǔ)，在地面道路上方45m與60m處劃設(shè)航路，并根據(jù)建筑物的位置調(diào)整航路節(jié)點(diǎn)。上述航路結(jié)構(gòu)能夠減少空中飛行沖突次數(shù)以及與地面人員發(fā)生危險的概率，如圖3（c）所示。Gharibi等［4］提出空域的結(jié)構(gòu)類似于道路網(wǎng)絡(luò)，提出航路（Airways）、航路交叉口（Intersections）、航路節(jié)點(diǎn)（Nodes）、空域區(qū)域（Zones）、區(qū)域進(jìn)出口（Inbound and outbound gates）等概念。規(guī)定航空器在以下3種情況通過：與道路起相同作用的航路；至少由兩條直線航路所組成的交叉口；通過交替航路和交叉口可到達(dá)目點(diǎn)的通道，在運(yùn)行中和交叉口都要受到管制。

圖3 城市低空航路網(wǎng)絡(luò)的3種類型[6]Fig.3 Three types of urban low altitude air route networks[6]

由于目前尚未形成成規(guī)模的低空航路網(wǎng)絡(luò)，部分學(xué)者在考慮自由空域環(huán)境的前提下，以航程最短或運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，通過路徑搜索實現(xiàn)對單條低空航路的構(gòu)建，區(qū)域內(nèi)的多條航路形成了航路網(wǎng)絡(luò)。單條航路的布局規(guī)劃可參考自由空域下的航跡規(guī)劃方法，并根據(jù)航空器導(dǎo)航性能等因素加以延伸，從而成為具有一定寬度和高度的空中通道。徐晨晨等［54］基于改進(jìn)蟻群算法對天津無人機(jī)空港之間的航路進(jìn)行規(guī)劃，得到低空支線航路網(wǎng)。Fu等［55］提出一種將差分進(jìn)化與量子粒子群算法結(jié)合的混合算法，進(jìn)一步提高求解性能，對海上無人機(jī)進(jìn)行航跡規(guī)劃。Cekmez等［56］基于統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)（Compute unified device architecture，CUDA）平臺構(gòu)建并行結(jié)構(gòu)，采用蟻群算法解決無人機(jī)航跡規(guī)劃的問題。岳碧波［57］針對無人機(jī)低空避障問題，在傳統(tǒng)人工勢場算法中，通過改進(jìn)引力作用方式和限制斥力范圍的方式，構(gòu)建改進(jìn)的人工勢場法避障原理，實現(xiàn)低空域二維航跡動態(tài)規(guī)劃。Roberge等［58］考慮了無人機(jī)的動態(tài)約束，以最小化油耗和平均飛行高度為目標(biāo)，在圖形處理器上利用遺傳算法并行實現(xiàn)。唐立等［59］針對山區(qū)環(huán)境條件，考慮航跡安全度，對傳統(tǒng)蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)蟻群算法搜索最短航跡，并進(jìn)行平滑處理，使得算法收斂速度更快，且生成航跡更短，平滑后的無人機(jī)路徑參考值為

式中：θi、θj分別為頂點(diǎn)i、j處的轉(zhuǎn)彎角度；Rmin為無人機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑。若Lroute＞dij，此時轉(zhuǎn)彎半徑為

式 中dij為i、j兩 點(diǎn) 間 的 距 離。張 洪 海 等［60］綜 合 考慮城市低空復(fù)雜環(huán)境與無人機(jī)性能約束，提出了一種基于改進(jìn)A*算法的物流無人機(jī)路徑規(guī)劃方法。Xi等［61］基于無人機(jī)動力學(xué)特性，實現(xiàn)避撞的離散控制網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)中的最短路徑生成可行航跡，并采用三維Dubins曲線算法進(jìn)行平滑處理，使其能在短時間內(nèi)識別出合理的航跡。

3.5 運(yùn)行評估

容量評估是實施空中流量管理的重要基礎(chǔ)，在城市低空航路規(guī)劃研究中，容量也可被認(rèn)為是評價網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計是否合理的指標(biāo)之一。目前，對于低空空域容量并沒有統(tǒng)一的定義，根據(jù)現(xiàn)有研究主要有以下幾種描述。第1種定義是從廣義上來理解，低空空域容量是指給定的空域內(nèi)所能安全容納的最大航空器數(shù)量［62］。第2種定義是從閾值的角度考慮，將低空空域容量定義為特定性能指標(biāo)NTSC（Normalized time spent in conflict）的最小相變閾值［63］。NTSC表示為

然后通過定義反映低空空域運(yùn)行安全和效率的特定性能指標(biāo)，通過仿真實驗，觀察這些指標(biāo)隨著交通量或是交通密度的變化關(guān)系，找到指標(biāo)突變的閾值，把此時空域中所能容納的航空器數(shù)量作為該低空空域的容量。第3種定義是從低空航路網(wǎng)的角度，將低空空域容量定義為任意時刻，指定空域內(nèi)航路網(wǎng)絡(luò)所能承載的最大無人機(jī)數(shù)量［6］。由第3種定義，引申出第4種定義，即低空無人機(jī)航路網(wǎng)運(yùn)行容量是指在航路入口點(diǎn)所允許的最大無人機(jī)放行率。在對空域容量的定義基礎(chǔ)上，還引申出了吞吐量的定義，吞吐量被定義為在特定時間范圍內(nèi)降落到任一起降點(diǎn)的無人機(jī)的數(shù)量［6］。例如在5min的時間窗內(nèi)，某一起降點(diǎn)接納的無人機(jī)的數(shù)量。起降點(diǎn)的吞吐量一定程度上也能夠反映空域的承載能力。起降點(diǎn)的吞吐量類似高空中的機(jī)場容量，也可能成為限制整個低空空域容量的關(guān)鍵一環(huán)?？沼蛉萘渴怯脕砹炕沼蚣翱罩薪煌ǚ?wù)的效能，被認(rèn)為是表示空管可擴(kuò)展性約束的適當(dāng)指標(biāo)。由于無人機(jī)采用自動化運(yùn)行，因此和高空容量評估相比，可以將管制員的人為因素除去。另外，并非所有無人機(jī)的墜毀都會帶來災(zāi)難性的后果，大多數(shù)情況下僅會導(dǎo)致財產(chǎn)損失，而不是人員傷亡。因此，低空空域容量評估考慮的因素與高空存在著顯著不同。在低空空域背景下，容量的影響因素主要包括沖突解脫算法的復(fù)雜度、低空障礙物、飛行規(guī)則、無人機(jī)運(yùn)行的動態(tài)性和隨機(jī)性等。

安全評估包括航空器對地風(fēng)險、空中風(fēng)險、碰撞概率等多層次內(nèi)涵，通過對航空器的有效安全評估可實現(xiàn)對規(guī)劃航路的反饋調(diào)節(jié)。意大利都靈理工大學(xué)通過分析不同無人機(jī)失控墜地事件下的無人機(jī)墜地區(qū)域，使用概率的方法評估無人機(jī)在城市環(huán)境下運(yùn)行對城市地面的風(fēng)險［64］，計算公式為

式中：ρ為人口密度；Aexp為撞擊暴露面積；rp、hp分別為人的平均半徑和高度；ruav為無人機(jī)的半徑；θ為地面撞擊角度。隨著無人機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，美國聯(lián)邦航空管理局針對無人機(jī)碰撞風(fēng)險情況成立研究小組，于2017年發(fā)布了無人機(jī)空中碰撞嚴(yán)重性評估最終報告［65-68］，該報告選取典型民用無人機(jī)模擬撞擊運(yùn)輸類飛機(jī)的不同位置，得到相關(guān)損傷等級用于評估無人機(jī)所造成的撞擊后果。南洋理工大學(xué)空中交通管理研究所（Air Traffic Management Research Institute，ATMRI）通過分析無人機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，認(rèn)為無人機(jī)在機(jī)場周邊環(huán)境運(yùn)行風(fēng)險較大，因此開展了機(jī)場環(huán)境下的無人機(jī)碰撞概率研究和碰撞嚴(yán)重性研究。ATMRI利用計算機(jī)模擬無人機(jī)吸入商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)造成發(fā)動機(jī)推力損失的情景，基于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)不同工作狀態(tài)下的特點(diǎn)，建立了推力損失模型［69］，并開發(fā)了無人機(jī)入侵機(jī)場風(fēng)險分析軟件［70］。2019年，中國民用航空局發(fā)布咨詢通告《特定類無人機(jī)試運(yùn)行管理規(guī)程（暫行）》，要求使用特定運(yùn)行風(fēng)險評估方法（Specific operations risk assessment，SORA），對安全風(fēng)險較高的無人機(jī)運(yùn)行進(jìn)行安全管理?；谏鲜鲆?guī)章，各高校開展了城市物流無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險評估［71-72］，分析無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險因素，利用SORA評估城市物流無人機(jī)航路運(yùn)行階段的風(fēng)險，并提出相應(yīng)的風(fēng)險緩解措施。Zhang等［73］提出了一種基于自適應(yīng)遺傳算法和模糊C均值聚類算法的低空空域安全狀況評估方法，研究了航空器相互作用過程中低空空域的安全狀態(tài)和趨勢，結(jié)合低空運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)與飛行模擬數(shù)據(jù)，建立了低空空域安全狀況評估指標(biāo)體系。

4 結(jié) 論

近年來以5G、智聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)為主要媒介的第4次工業(yè)革命席卷各個領(lǐng)域，蓬勃發(fā)展的通用航空和無人機(jī)產(chǎn)業(yè)與之同向而行。隨著中國軍民融合戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，低空空域管理改革成為軍民融合的重點(diǎn)內(nèi)容，以億航智能、小鵬匯天、大疆創(chuàng)新為代表的新興科技企業(yè)把握機(jī)遇、勇于創(chuàng)新，已經(jīng)成為低空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先行者和探索者。然而低空不斷增長的飛行需求和運(yùn)行安全之間的矛盾日益凸顯，規(guī)劃科學(xué)有效的城市低空航路是保障航空器在低空空域平穩(wěn)有序運(yùn)行的重要前提。城市低空航路的構(gòu)建與應(yīng)用，不僅能夠滿足日益增長的低空航空器飛行需求，亦可作為各國發(fā)展低空產(chǎn)業(yè)的重要途徑。本文從城市低空航路規(guī)劃的實際需求出發(fā)，提出城市低空航路規(guī)劃框架體系，從空域范圍劃設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、航路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、安全運(yùn)行評估4個方面入手梳理相關(guān)研究進(jìn)展，為進(jìn)一步城市低空航路規(guī)劃研究提供支撐。綜上所述，結(jié)合中國現(xiàn)階段低空空域的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢，提出以下3點(diǎn)建議。

（1）推動低空航路規(guī)劃試點(diǎn)驗證。低空環(huán)境復(fù)雜多變，僅僅依靠理論研究無法滿足實際運(yùn)行需要，只有通過試點(diǎn)驗證才能深入剖析城市低空航路劃設(shè)的關(guān)鍵要素，從而進(jìn)一步驗證在低空環(huán)境下以航路為主要載體的空域結(jié)構(gòu)是否具備實際應(yīng)用價值。

（2）規(guī)范低空航空器的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段低空航空器百花齊放，其性能水平參差不齊，對低空航空器的有效監(jiān)管是促進(jìn)其融入國家空域系統(tǒng)的重要途徑。因此，必須嚴(yán)格規(guī)范低空航空器生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)核心器件規(guī)格化。

（3）全面促進(jìn)低空空域管理立法。近年來國家為促進(jìn)低空產(chǎn)業(yè)發(fā)展陸續(xù)出臺多項法規(guī)制度，但實際執(zhí)行水平有限，現(xiàn)階段低空相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展已逐漸從萌芽期走向迅速成長期，亟需健全相關(guān)法律法規(guī)，依法對產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行約束與管理。

低空空域資源廣闊，發(fā)展?jié)摿薮螅c地面協(xié)同運(yùn)行也是未來交通發(fā)展的主流趨勢之一，伴隨著航空器的智能化與新技術(shù)的更新迭代以及法律法規(guī)的日益完善，城市低空航路常態(tài)化運(yùn)行終將會成為現(xiàn)實。