低空空域動(dòng)態(tài)管理與無(wú)人機(jī)航線優(yōu)化策略研究

DOI：10.12433/zgkjtz.20250611

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，從航拍、農(nóng)業(yè)植保到物流配送、應(yīng)急救援等，無(wú)人機(jī)已成為不可或缺的一部分。然而，無(wú)人機(jī)的大量使用也給低空空域管理帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)。低空空域一般是指高度在1000米以下的空域，具有開(kāi)放性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，管理難度較大。如何實(shí)現(xiàn)低空空域的有效管理，以促進(jìn)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的健康有序發(fā)展，成為當(dāng)下亟待解決的重要問(wèn)題。目前，我國(guó)在低空空域管理方面已采取一系列措施，包括完善相關(guān)法律法規(guī)、創(chuàng)新監(jiān)管手段、建立專(zhuān)門(mén)的管理機(jī)構(gòu)和服務(wù)平臺(tái)等，但仍存在法規(guī)政策落實(shí)不到位、管理技術(shù)和手段滯后、不同部門(mén)協(xié)調(diào)合作不順暢等問(wèn)題。隨著城市化進(jìn)程加快，地面交通擁堵加劇，開(kāi)發(fā)低空資源、發(fā)展城市空中交通已成為前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。優(yōu)化無(wú)人機(jī)航線，保障無(wú)人機(jī)運(yùn)行安全、有序和高效，對(duì)于構(gòu)建安全、經(jīng)濟(jì)、綠色、規(guī)范的城市空中交通體系具有重要意義。

一、低空空域動(dòng)態(tài)管理現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

（一）當(dāng)前低空空域動(dòng)態(tài)管理現(xiàn)狀

在過(guò)去三年里，對(duì)低空空域的使用需求顯著上升，促使對(duì)空管要求的提升。為應(yīng)對(duì)這一變化，民航總局已將低空空域細(xì)分為“控制”“監(jiān)控”與“報(bào)告”三大類(lèi)別，并相應(yīng)地制定規(guī)章和保障措施以確保其運(yùn)作[。盡管如此，我國(guó)空域的劃分尚存在不合理之處，調(diào)整進(jìn)程緩慢，管理范圍有限，且體制尚不完善，這些因素均會(huì)制約航空運(yùn)輸企業(yè)的發(fā)展。此外，法律體系的不完善、基礎(chǔ)設(shè)施的缺陷、責(zé)任界定的模糊以及服務(wù)提供的不及時(shí)，均增加行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，飛機(jī)種類(lèi)的多樣性以及飛行任務(wù)的日益復(fù)雜化，也給我國(guó)的航空管制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要對(duì)我國(guó)低空空域?qū)嵤┯行У墓芾砗涂刂啤?/p>

（二）面臨的管理難題

截至2023年末，中國(guó)的低空無(wú)人機(jī)總飛行時(shí)間已經(jīng)超過(guò)2311萬(wàn)小時(shí)，2023年的飛行時(shí)間是144.25萬(wàn)小時(shí)，與去年相比，增加 11.8% 。在過(guò)去五年中呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平[。如圖1所示，低空空域中的輕型和小型無(wú)人機(jī)已成為主力軍。

然而，我國(guó)目前正面臨空中交通量激增、空中空間資源緊張以及管理方法不足等挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題限制我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。在航空運(yùn)輸領(lǐng)域，目前存在幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1.空域資源緊缺。截至2022年底，全國(guó)注冊(cè)的低空航空器數(shù)量已達(dá)到126.7萬(wàn)余架，然而，可供通航的低空航道數(shù)量卻不足1000條。相應(yīng)的起降平臺(tái)和導(dǎo)航設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施同樣稀缺，導(dǎo)致航空需求與空間資源之間的矛盾日益加劇。大量航班無(wú)法在規(guī)定時(shí)限內(nèi)準(zhǔn)時(shí)執(zhí)行，其準(zhǔn)點(diǎn)率低于 60% ，并且往往需要長(zhǎng)時(shí)間等待才能獲得飛行批準(zhǔn)。

2.缺乏必要的科技支持。航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展依賴于監(jiān)測(cè)、通信、評(píng)估等先進(jìn)科技。《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例》明確指出，需要建立一個(gè)綜合性的監(jiān)管和業(yè)務(wù)平臺(tái)，并在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用[。但目前，空管技術(shù)人員在掌握和應(yīng)用這些前沿技術(shù)方面存在不足，難以滿足管理需求，新系統(tǒng)的建設(shè)仍在探索階段。

二、低空空域動(dòng)態(tài)管理政府機(jī)構(gòu)職能分析

（一）優(yōu)化完善低空空域管理體系

我國(guó)目前實(shí)行的是一種將空中交通管制（以下簡(jiǎn)稱“空管”）與空中防御（簡(jiǎn)稱“空防”）相結(jié)合的空域管理體系。中國(guó)人民解放軍空軍作為空域管理的核心主體，統(tǒng)籌全國(guó)空域資源的戰(zhàn)略分配與動(dòng)態(tài)調(diào)配，同時(shí)依托軍民融合機(jī)制協(xié)調(diào)軍事航空與民用航空的協(xié)同運(yùn)行。在低空空域管理實(shí)踐中，軍事空域優(yōu)先保障國(guó)防需求，而民航部門(mén)則通過(guò)劃設(shè)低空目視飛行航線、臨時(shí)飛行空域等方式釋放資源。然而，現(xiàn)行體系仍面臨軍民空域劃設(shè)界限模糊、跨部門(mén)協(xié)調(diào)效率不足等問(wèn)題。對(duì)此，需進(jìn)一步推進(jìn)空域分類(lèi)改革，建立基于動(dòng)態(tài)需求的空域共享模型，并開(kāi)發(fā)智能化空域管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空域資源實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)分配。

（二）持續(xù)加強(qiáng)低空飛行活動(dòng)管理

截至2023年底，全國(guó)已構(gòu)建起覆蓋15個(gè)省級(jí)行政區(qū)的低空飛行服務(wù)保障網(wǎng)絡(luò)，形成 分級(jí)管理模式。以四川、湖南等試點(diǎn)省份為例，其通過(guò)搭建低空空域協(xié)同管理數(shù)字平臺(tái)，整合軍航管制系統(tǒng)、民航ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)及地方氣象信息，實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃審批周期從72小時(shí)壓縮至4小時(shí)以內(nèi)。在技術(shù)層面，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建飛行活動(dòng)存證系統(tǒng)，確保申報(bào)數(shù)據(jù)的不可篡改性。在服務(wù)層面，開(kāi)發(fā)移動(dòng)端“一鍵通”應(yīng)用程序，集成空域狀態(tài)查詢、三維電子圍欄預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)通道等12項(xiàng)功能。未來(lái)需重點(diǎn)突破多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合難題，構(gòu)建低空飛行態(tài)勢(shì)認(rèn)知智能體，提升復(fù)雜場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判能力。

（三）合理分配低空航空器管理職責(zé)

當(dāng)前我國(guó)對(duì)低空無(wú)人機(jī)的監(jiān)管采用全生命周期穿透式管理模式，形成“設(shè)計(jì)一生產(chǎn)一運(yùn)行一退役”閉環(huán)監(jiān)管鏈條。以適航管理為例，民航局通過(guò)推行基于風(fēng)險(xiǎn)的差異化審定策略，對(duì) 25kg 以上無(wú)人機(jī)實(shí)施型號(hào)合格審定（TC），對(duì) 7～25kg 無(wú)人機(jī)采用設(shè)計(jì)生產(chǎn)聯(lián)合審定（PC），而 7kg 以下機(jī)型則通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)認(rèn)證簡(jiǎn)化流程。在運(yùn)行階段，建立無(wú)人機(jī)云系統(tǒng)（U-Cloud）實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，并探索運(yùn)用 ^α5G+ 北斗”高精度定位技術(shù)劃定電子圍欄。針對(duì)日益增多的物流無(wú)人機(jī)、載人eVTOL等新興業(yè)態(tài)，亟需制定《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例》實(shí)施細(xì)則，明確地方政府在空域協(xié)調(diào)、起降點(diǎn)建設(shè)及事故應(yīng)急處置中的權(quán)責(zé)邊界，構(gòu)建分級(jí)分類(lèi)的協(xié)同監(jiān)管框架。

三、無(wú)人機(jī)航線優(yōu)化策略

（一）航線設(shè)計(jì)

為了確保無(wú)人機(jī)能夠安全、高效地完成飛行任務(wù)，本文深入研究了基于MO-RRT（Multi-OptimizationRRT）算法的無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，旨在為無(wú)人機(jī)在復(fù)雜多變的環(huán)境中提供一條既安全又高效的飛行路徑。

MO-RRT算法作為一種先進(jìn)的路徑規(guī)劃算法，結(jié)合了快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)（RRT）的隨機(jī)探索能力和多目標(biāo)優(yōu)化策略，能夠在復(fù)雜環(huán)境中快速找到一條從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的可行路徑，同時(shí)兼顧路徑的最優(yōu)性和飛行安全性。該算法通過(guò)引入多目標(biāo)優(yōu)化機(jī)制，對(duì)傳統(tǒng)的RRT算法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，使其在路徑規(guī)劃過(guò)程中能夠綜合考慮多種因素，如飛行距離、避開(kāi)威脅區(qū)域、飛行穩(wěn)定性等，從而生成一條綜合性能最優(yōu)的飛行航線。

（二）航線優(yōu)化

1.模擬測(cè)試環(huán)境

通過(guò)一系列仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證MO-RRT在飛機(jī)航跡優(yōu)化中的應(yīng)用效果。表1為試驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)定。

由于RRT算法的隨機(jī)特性，即便是在相同條件下，每次規(guī)劃的結(jié)果也可能有所不同。為排除這種隨機(jī)性的干擾，每種算法都進(jìn)行1000次測(cè)試，并計(jì)算規(guī)劃結(jié)果的平均值。

2.實(shí)驗(yàn)成果及分析

（1）優(yōu)化策略的驗(yàn)證。將計(jì)劃面積設(shè)為60kmx60km，以（10、10）作為目標(biāo)點(diǎn)，以（59、59）作為結(jié)束。該雷達(dá)設(shè)置在（30、30）處。

通過(guò)1000個(gè)模擬試驗(yàn)，這兩種方法的性能指標(biāo)顯示在表2中。

樹(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目多（2034.2），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生的路徑不是最優(yōu)的。與傳統(tǒng)的遺傳算法相比，MO-RRT算法只需要118.4個(gè)結(jié)點(diǎn)，在一定程度上減少搜索樹(shù)的規(guī)模，加快算法的收斂速度。另外，經(jīng)過(guò)平均飛行距離的比較可知，用標(biāo)準(zhǔn)的RRT方法產(chǎn)生的航路，都是遠(yuǎn)離雷達(dá)威脅區(qū)（圖中的灰色區(qū)域），從而延長(zhǎng)航路長(zhǎng)度。而MO-RRT算法可以在不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的前提下，以較小的飛行路徑通過(guò)雷達(dá)的最大搜索距離。

（2）航路實(shí)時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證MO-RRT算法在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)條件下的航跡規(guī)劃能力，本文利用該算法對(duì)實(shí)時(shí)航路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖2展示了基于MO-RRT算法的航線設(shè)計(jì)即時(shí)流程，包括根據(jù)已知危險(xiǎn)進(jìn)行的預(yù)先路線計(jì)劃、無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中檢測(cè)到突發(fā)危險(xiǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)再規(guī)劃，以及最終生成的優(yōu)化航線。

圖2（a）是根據(jù)已知的危險(xiǎn)（表示事先計(jì)劃好的路線）進(jìn)行的路線計(jì)劃。當(dāng)無(wú)人機(jī)在某個(gè)航路上檢測(cè)到前面有突然的危險(xiǎn)時(shí)，它的藍(lán)色線條表示已經(jīng)飛行的路線，見(jiàn)圖2（b）。利用MO-RRT方法對(duì)航跡進(jìn)行重新規(guī)劃，其中紅線表示的是實(shí)時(shí)再計(jì)劃航路，見(jiàn)圖2（c）。圖2（d）是一條根據(jù)重新計(jì)劃路線進(jìn)行的無(wú)人機(jī)的路線?；诖耍狙芯刻岢鲆环N基于再規(guī)劃時(shí)間、航線節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及航線長(zhǎng)度的優(yōu)化方法。

在實(shí)際飛行過(guò)程中，當(dāng)無(wú)人機(jī)沿著預(yù)先規(guī)劃的航線飛行時(shí)，如果檢測(cè)到前方存在突發(fā)危險(xiǎn)，如敵方雷達(dá)、防空武器等，就需要迅速重新規(guī)劃航線以避開(kāi)危險(xiǎn)并繼續(xù)向目標(biāo)點(diǎn)飛行。MO-RRT算法能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成這一過(guò)程，經(jīng)過(guò)1000次仿真實(shí)驗(yàn)，其平均重新規(guī)劃時(shí)間為180毫秒，這對(duì)于處理突發(fā)事件來(lái)說(shuō)是足夠迅速的。此外，基于該算法重新設(shè)計(jì)了83條新的航路，總航路長(zhǎng)度為247.02公里，這些航路不僅能夠有效避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，還保持了較好的飛行性能和穩(wěn)定性，充分證明了MO-RRT算法在航路實(shí)時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有效性和實(shí)用性。

綜上所述，MO-RRT算法在無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)與優(yōu)化中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠快速生成安全、高效的飛行路徑，還能在復(fù)雜多變的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的航路優(yōu)化，為無(wú)人機(jī)在低空空域中的安全飛行提供有力保障。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)低空空域動(dòng)態(tài)管理現(xiàn)狀與問(wèn)題的深入分析，明確政府機(jī)構(gòu)在其中的關(guān)鍵職能，并提出針對(duì)性的優(yōu)化建議。同時(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)航線優(yōu)化策略的研究，為提升無(wú)人機(jī)飛行效率和安全性提供有力支持。未來(lái)，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)低空空域管理與無(wú)人機(jī)航線優(yōu)化的研究與實(shí)踐，以適應(yīng)航空航天事業(yè)的快速發(fā)展。通過(guò)不斷完善管理體系和優(yōu)化航線策略，將有力推動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)的高效、安全、有序發(fā)展。

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（作者單位：四川九洲空管科技有限責(zé)任公司）