無(wú)人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究

李 丹, 黃龍楊, 林嘉美霖, 李誠(chéng)龍,3, 蘭榮華

(1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院, 四川 廣漢 618307; 2.四川西南航空職業(yè)學(xué)院 空港管理學(xué)院, 成都 610401; 3.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100191)

“十四五”期間,低空空域改革進(jìn)程不斷深化,低空的高度由1 000 m進(jìn)一步拓展至3 000 m,這為無(wú)人機(jī)進(jìn)入低空空域運(yùn)行提供了有利條件。民航局也相繼在四川、湖南、江西等地建立無(wú)人駕駛航空試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行先期探索,以此適應(yīng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入傳統(tǒng)有人機(jī)空域運(yùn)行這一新需求。目前,在傳統(tǒng)空域運(yùn)行無(wú)人機(jī)系統(tǒng),運(yùn)營(yíng)商須證明其操作是在可接受的安全水平內(nèi)。隨著無(wú)人機(jī)在機(jī)場(chǎng)終端區(qū)或在航路上運(yùn)行的新場(chǎng)景出現(xiàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究視角也逐漸由無(wú)人機(jī)的對(duì)地風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)至對(duì)空風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

Martin等[1]指出利用特定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(specific operations risk assessment,SORA)方法,通過(guò)對(duì)交通密度、避撞功能的連續(xù)性等進(jìn)行定性的規(guī)則集定義,將空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)分為a、b、c、d四個(gè)等級(jí)以此評(píng)估無(wú)人機(jī)的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)。McFadyen和Martin[2]將有人機(jī)與無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、高度保持誤差和成熟的碰撞建模方法相結(jié)合,研究了無(wú)人機(jī)在機(jī)場(chǎng)周?chē)\(yùn)行時(shí)的垂向碰撞率。Banerjee等[3]基于軌跡偏差概率、暴露面積和障礙物測(cè)量噪聲等建立了無(wú)人機(jī)與障礙物的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)。歐洲航空安全局(European Aviation Safety Agency,EASA)的工作小組[4]也于2021年提出在評(píng)估早期,有必要縮小評(píng)估范圍,將重點(diǎn)放在大眾市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)上,現(xiàn)在是時(shí)候?qū)χ写笮蜔o(wú)人機(jī)與有人機(jī)之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,并為此進(jìn)行了空中風(fēng)險(xiǎn)的定性評(píng)估。在國(guó)內(nèi),陳亞青等[5]指出目前針對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行規(guī)章仍存在內(nèi)容較籠統(tǒng),缺乏強(qiáng)制執(zhí)行效力和可操作性的問(wèn)題,提出需逐步完善無(wú)人機(jī)的適航管理、安全管理等內(nèi)容。陳義友等[6]指出無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的策略制定和相關(guān)支撐技術(shù)均處于探討和論證階段,并基于多場(chǎng)景、多類(lèi)型、多階段等要素設(shè)計(jì)了民用無(wú)人機(jī)交通管理體系架構(gòu),以支撐無(wú)人機(jī)安全、高效的融入國(guó)家空域系統(tǒng)。韓鵬等[7]通過(guò)分析有人機(jī)與無(wú)人機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn),計(jì)算了終端區(qū)場(chǎng)景下無(wú)人機(jī)與有人機(jī)的空中碰撞概率。勵(lì)瑾等[8]融合城市低空因素,通過(guò)改進(jìn)Reich模型建立基于位置誤差的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型探究飛鳥(niǎo)與無(wú)人機(jī)之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述,現(xiàn)有成果對(duì)開(kāi)展無(wú)人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究具有重要意義。但是,目前的研究對(duì)象大多集中在物流無(wú)人機(jī),此場(chǎng)景的運(yùn)行還遠(yuǎn)未達(dá)到融合運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn),而針對(duì)新場(chǎng)景下無(wú)人機(jī)運(yùn)行的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還較為少見(jiàn),同時(shí)也缺少定量化、通用化、體系化的評(píng)估方法和流程。鑒于此,本文擬對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行分類(lèi),將場(chǎng)景與風(fēng)險(xiǎn)模型相結(jié)合,提出未來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)的研究思路與方法,希望為無(wú)人機(jī)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供方法指導(dǎo)。

1 無(wú)人機(jī)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究現(xiàn)狀

歐洲航空安全局(EASA)提出將無(wú)人機(jī)的運(yùn)行分開(kāi)放類(lèi)、特定類(lèi)和審定類(lèi)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[9],尤其對(duì)特定類(lèi)無(wú)人機(jī)提出一種SORA的方法。其中對(duì)于空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估思路[10]可分定義運(yùn)行概念(concept of operations,ConOps)、定義空中相遇等級(jí)、確定初始空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)、使用緩解措施和確定最終空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)5個(gè)步驟。

如圖1所示,無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景[10]被分為X、Y、Z三類(lèi),在X型空域,需要降低與其他飛機(jī)相遇的可能性,事故責(zé)任由超視距運(yùn)行(beyond visual line of sight,BVLOS)操作員承擔(dān),在Y型和Z型空域,必須進(jìn)行操作申報(bào)和位置報(bào)告。結(jié)合運(yùn)行要素和風(fēng)險(xiǎn)要素劃分12類(lèi)空中相遇場(chǎng)景,運(yùn)行要素包括飛行規(guī)則、運(yùn)行高度、機(jī)場(chǎng)環(huán)境、空域類(lèi)型[管制空域/監(jiān)視應(yīng)答器強(qiáng)制區(qū)(transponder mandatory zone,TMZ)/農(nóng)村/城市的非管制空域]和潛在人口等要素,風(fēng)險(xiǎn)要素包括有人機(jī)與無(wú)人機(jī)的接近率、幾何形狀及飛機(jī)動(dòng)力學(xué)要素。與此同時(shí),根據(jù)無(wú)人機(jī)與有人機(jī)間碰撞風(fēng)險(xiǎn)的可接受程度定義4級(jí)空中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(air risk class,ARC),基于場(chǎng)景與空中相遇等級(jí)確定初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[10](圖2),經(jīng)過(guò)戰(zhàn)略措施和戰(zhàn)術(shù)措施的緩解確定最終空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

1 ft≈0.304 8 m

我國(guó)正參考EASA提出的SORA方法推進(jìn)相關(guān)安全評(píng)估工作[11]。但目前,各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)的研究還停留在定性分析的階段,未能將空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)的定量分析融入SORA的大框架之下。

對(duì)于空中相遇等級(jí)的定性分類(lèi)與通過(guò)緩解措施降低風(fēng)險(xiǎn)的定性研究也減少了無(wú)人機(jī)進(jìn)入傳統(tǒng)有人機(jī)空域運(yùn)行的可能性,而這方面問(wèn)題也正是SORA下一個(gè)3.0版本擬解決的重點(diǎn)。

2 空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型對(duì)比

定量化研究空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)涉及碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的構(gòu)建,是載人航空的一個(gè)長(zhǎng)期研究領(lǐng)域。航空器的安全間隔可通過(guò)定量分析確定,并以此保證運(yùn)行的安全性。對(duì)無(wú)人機(jī)空中碰撞概率的計(jì)算也可在合適的情況下參考有人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型建立。在實(shí)踐中,最成熟和最常用的模型分為3類(lèi):基于幾何碰撞盒的模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型、基于模擬仿真的模型。

2.1 基于幾何碰撞盒的模型

基于幾何碰撞盒的模型通常會(huì)將飛機(jī)近似于一個(gè)規(guī)則的立體形狀,如長(zhǎng)方體、圓柱體、球體等幾何體。一般會(huì)把其中一架飛機(jī)看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn),并將忽略的體積轉(zhuǎn)移到另一架飛機(jī)的體積膨脹中,以此定義碰撞區(qū)域和碰撞事件的發(fā)生。例如,經(jīng)典的Reich模型[12]、Event模型[13]和gas 模型[14]就是典型的通過(guò)建立碰撞盒計(jì)算碰撞概率的方法。

2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)到的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過(guò)高斯分布、拉普拉斯分布等誤差分布函數(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行建模,評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn),提供決策支持。Anderson模型[15]、卷積模型[16]和基于概率公式推導(dǎo)的模型[17]是其中的典型代表。

2.3 基于模擬仿真的模型

此類(lèi)模型利用蒙特卡洛等多種仿真方法對(duì)飛機(jī)的軌跡或誤差進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),通過(guò)修改空域環(huán)境、設(shè)備性能等可自由模擬各類(lèi)場(chǎng)景,應(yīng)用非常靈活。Maki等[18]利用仿真的無(wú)人機(jī)軌跡進(jìn)行高斯概率分布,有效地估計(jì)了近半空碰撞的概率。Wang等[19]基于無(wú)人機(jī)三維飛行動(dòng)力學(xué)的蒙特卡羅仿真方法,在無(wú)人機(jī)飛行能力的約束下生成大量隨機(jī)樣本計(jì)算不同場(chǎng)景下各時(shí)間段的碰撞概率。

綜上所述,各類(lèi)碰撞模型的優(yōu)劣及適用范圍如表1所示。

表1 各類(lèi)碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型對(duì)比

3 無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景描述

實(shí)施面向運(yùn)行場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是民航局對(duì)無(wú)人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)管理[20]的基本策略之一,無(wú)人機(jī)(unnamed aerial rehicles, UAV)的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)因其自身裝備不一、性能各異、運(yùn)行環(huán)境不同而變化,理清無(wú)人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的各類(lèi)運(yùn)行場(chǎng)景(表2)有助于開(kāi)展無(wú)人機(jī)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)的分類(lèi)研究。

表2 無(wú)人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的運(yùn)行場(chǎng)景

4 未來(lái)研究的思考與建議

通過(guò)對(duì)碰撞模型的對(duì)比與無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的分類(lèi),發(fā)現(xiàn)起飛全重在25 kg(含)以下、運(yùn)行高度在300 m以下的無(wú)人機(jī)在非管制空域運(yùn)行時(shí),與有人機(jī)相撞的可能性較低。因此,未來(lái)無(wú)人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)的定量研究主要從以下幾方面展開(kāi)。

4.1 輕小型無(wú)人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行

在終端區(qū)的輕小型無(wú)人機(jī)通常在隔離空域內(nèi)運(yùn)行,其軌跡隨任務(wù)類(lèi)型多變,而有人機(jī)則按照規(guī)定程序執(zhí)行進(jìn)離場(chǎng)飛行或起落航線飛行。此時(shí),兩者相對(duì)位置不能單純地總結(jié)為平行航路或交叉航路。因此,此類(lèi)運(yùn)行適合采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型探討碰撞概率的大小。

在此應(yīng)用模型時(shí),可先估計(jì)隔離空域上空有人機(jī)空間位置的概率分布;其次,對(duì)無(wú)人機(jī)行為適當(dāng)近似,使用統(tǒng)計(jì)分析來(lái)估計(jì)有人機(jī)與無(wú)人機(jī)在運(yùn)行空間的重疊概率;再將有人機(jī)的時(shí)間特征與空間重疊概率相結(jié)合;最后使用無(wú)人機(jī)任務(wù)持續(xù)時(shí)間及對(duì)最壞情況的假設(shè)來(lái)估計(jì)跨越隔離空域上空的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。此方法可充分利用現(xiàn)有可用交通數(shù)據(jù),對(duì)無(wú)人機(jī)的完整性、機(jī)密性和可用性進(jìn)行基于概率的評(píng)估,而且可考慮到環(huán)境的隨機(jī)性,從而更精確地計(jì)算碰撞概率。

4.2 中大型無(wú)人機(jī)與有人機(jī)在航路運(yùn)行

中大型無(wú)人機(jī)在航路上運(yùn)行需遵守與有人機(jī)同樣的飛行規(guī)則,配備符合要求的通信導(dǎo)航監(jiān)視等設(shè)備。此時(shí),無(wú)人機(jī)與有人機(jī)的軌跡都比較固定,可將無(wú)人機(jī)視為有人機(jī)考慮,這類(lèi)運(yùn)行可采用基于幾何碰撞盒的模型探討其碰撞概率。

此類(lèi)模型應(yīng)用時(shí)間久且簡(jiǎn)單方便,對(duì)此類(lèi)場(chǎng)景可建立有人機(jī)與無(wú)人機(jī)的碰撞盒,分平行航路與交叉航路進(jìn)行探討,還可將人為因素、環(huán)境因素、緩解措施等納入模型中改進(jìn)模型,使預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

4.3 中大型無(wú)人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行

中大型無(wú)人機(jī)在近距跑道起飛、進(jìn)近、著陸過(guò)程中可能與有人機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生沖突,同時(shí)也存在有人機(jī)誤入無(wú)人機(jī)跑道的情況,嚴(yán)重影響飛行安全。對(duì)此類(lèi)運(yùn)行可采用基于仿真模擬的模型評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

基于蒙特卡洛等仿真方法可建立無(wú)人機(jī)的3D運(yùn)動(dòng)模型[21],分析無(wú)人機(jī)沿指定路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡,通過(guò)設(shè)置無(wú)人機(jī)導(dǎo)航、監(jiān)視、通信設(shè)備性能,增加時(shí)間長(zhǎng)度和交通密度,可自由模擬空域環(huán)境,以此評(píng)估中大型無(wú)人機(jī)在終端區(qū)造成的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。此方法還可根據(jù)模擬效果優(yōu)化空域的進(jìn)離場(chǎng)及起落航線程序設(shè)計(jì),進(jìn)一步降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)融入有人機(jī)空域運(yùn)行已對(duì)傳統(tǒng)空域提出了一系列安全挑戰(zhàn),由此引發(fā)的諸如空域需精細(xì)化分類(lèi)、風(fēng)險(xiǎn)需分等級(jí)評(píng)估、管理需靈活適應(yīng)市場(chǎng)等問(wèn)題亟待解決。目前各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)融入有人機(jī)空域運(yùn)行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究還存在以下問(wèn)題:①囿于無(wú)人機(jī)的增速與市場(chǎng)占有率,為解決主要矛盾,風(fēng)險(xiǎn)研究呈現(xiàn)場(chǎng)景單一、對(duì)象單一且多集中在對(duì)地風(fēng)險(xiǎn)這些現(xiàn)象,對(duì)空風(fēng)險(xiǎn)的研究相對(duì)滯后;②各國(guó)普遍采納的SORA方法中,對(duì)空中相遇等級(jí)的劃分并不適用于我國(guó)現(xiàn)狀,部分場(chǎng)景無(wú)法通過(guò)其流程對(duì)初始風(fēng)險(xiǎn)定級(jí);③對(duì)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)停留在定性分析的層面,欠缺定量研究,難以用數(shù)據(jù)支撐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可靠性。

對(duì)此,在分析EASA對(duì)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)的研究基礎(chǔ)上,對(duì)我國(guó)無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行全面歸類(lèi),該場(chǎng)景分類(lèi)旨在梳理各類(lèi)無(wú)人機(jī)的特點(diǎn),明確各場(chǎng)景下研究的主要對(duì)象和主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源,完善現(xiàn)有SORA框架體系,解決無(wú)人機(jī)多場(chǎng)景運(yùn)行的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估未量化、不全面的問(wèn)題。

傳統(tǒng)有人機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型研究已漸成體系,無(wú)人機(jī)的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)還未分類(lèi)、分級(jí)、分場(chǎng)景構(gòu)建定量評(píng)估體系,也未明晰研究方法的適用性。因此,結(jié)合場(chǎng)景分類(lèi)與成熟碰撞模型,無(wú)人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究可以從3個(gè)方面開(kāi)展:①輕小型無(wú)人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行可采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型分析;②中大型無(wú)人機(jī)與有人機(jī)在航路運(yùn)行可采用基于幾何碰撞盒的模型分析;③中大型無(wú)人機(jī)與有人機(jī)在終端區(qū)運(yùn)行可采用基于仿真模擬的模型分析。后續(xù)的研究還需將人為因素、緩解措施和管理因素等納入模型,建立更適合無(wú)人機(jī)運(yùn)行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型,用以支撐無(wú)人機(jī)融入傳統(tǒng)空域的實(shí)踐活動(dòng)。