李振華

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000）

1 城市低空交通管理現(xiàn)狀

國內(nèi)外對發(fā)展城市低空交通均給予高度重視，美國等國家爭相出臺相關(guān)政策，鼓勵企業(yè)創(chuàng)新技術(shù)，發(fā)展低空交通產(chǎn)業(yè)，美國宇航局（NASA）2018年就與美國優(yōu)步簽署合作協(xié)議，探索發(fā)展城市空中交通技術(shù)；歐盟則由30個合作伙伴組成聯(lián)盟“Flying Forward 2020”開發(fā)新的無人機(jī)城市交通生態(tài)系統(tǒng)；而國內(nèi)早在2016年國務(wù)院辦公廳就發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，將低空空域范圍擴(kuò)展至真高3000m以下，為我國低空空域的發(fā)展帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇；2021年2月，國務(wù)院發(fā)布《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，首次提出發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)，四川、湖南、海南、吉林等各省爭相出臺各種配套鼓勵政策及措施，大力發(fā)展航空產(chǎn)業(yè)。因此加強(qiáng)航空服務(wù)產(chǎn)業(yè)建設(shè)，構(gòu)建一個健康有序的立體低空通道系統(tǒng)，對低空交通進(jìn)行有效管理已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。相關(guān)學(xué)者從不同研究角度給出了多種解決方案，馮登超學(xué)者提出了一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感和GIS技術(shù)的低空高警航圖可視化匹配技術(shù)，并對如何構(gòu)造低空安全通道、低空飛行管理可視化技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。陸曉華學(xué)者提出動態(tài)使用城市低空空域，并保障空域可及時回收。在現(xiàn)有的空域管理體制下，采用動態(tài)使用空域的方式，充分利用當(dāng)前軍民航各方使用較少的空域，特別是城市低空空域，建立協(xié)同管理空域，為加速我國低空通道系統(tǒng)的建設(shè)，構(gòu)建城市交通的低空交通管理體系提供了有益的設(shè)計思路。

1.1 國外城市低空交通的現(xiàn)狀

在城市低空交通問題上，學(xué)者Balakri在2017年第一次將無人機(jī)系統(tǒng)（Unmanned Aircraft System，簡稱UAS）納入空域和機(jī)場資源分配中，并給出了一種用于處理無人機(jī)集群的分布式整數(shù)規(guī)劃方法。在2018年，Iowa State University的Brittain和Wei提出了一種新的層次深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法，該算法將無人機(jī)作為智能空域的關(guān)鍵部件進(jìn)行間隔排序，安全、自主、高效地解決了無人機(jī)的改航、調(diào)速等問題，并在結(jié)構(gòu)化的空域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了自動間隔與排序。在2019年，愛荷華州立大學(xué)等根據(jù)UAM（Urban Air Mobility，中文全稱為城市空中交通，以下簡稱UAM）的需要，提出了一種基于需求和計劃服務(wù)的UAM混合經(jīng)營理念，該模式能夠適應(yīng)UAM的業(yè)務(wù)約束和市場需要。普渡大學(xué)在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于流動隊(duì)列模型的柔性無人機(jī)流量控制方法，并對其進(jìn)行了仿真研究。斯蒂文斯理工大學(xué)為解決智能城市中的無人機(jī)調(diào)度問題，提出了3種降低復(fù)雜度的新算法。佐治亞理工學(xué)院提出了一種多物網(wǎng)絡(luò)流構(gòu)型，用以優(yōu)化UAM機(jī)場的航空計程車業(yè)務(wù)的未來計劃，這一架構(gòu)已在亞特蘭大區(qū)域的機(jī)場空中計程車系統(tǒng)中得到了很好的結(jié)果。另外，NASA還針對低空飛行、UTM(城市交通管理系統(tǒng))、UAM等進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬和仿真研究。在這些系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)城市航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的自動化管理，NASA將為傳統(tǒng)民航發(fā)展的高度自動調(diào)整系統(tǒng)（Auto Resolver）進(jìn)行了延伸，用于對城市無人機(jī)進(jìn)行連續(xù)的飛行軌跡管理，確保無人機(jī)與無人機(jī)之間的安全距離，降低了在高密度空域下的空中交通延遲。UAM自動調(diào)整系統(tǒng)的使用結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以有效防止無人機(jī)的危險靠近，而且在計劃的排程時間比無人機(jī)的飛行時長更長的情況下，大多數(shù)的沖突都能在起飛之前被解決。

1.2 國內(nèi)城市低空交通發(fā)展現(xiàn)狀

我國政府對低空交通始終持鼓勵態(tài)度，國務(wù)院先后出臺多項(xiàng)“放管服”的政策措施，如中國民航局推出無人機(jī)邊飛邊審的政策，促進(jìn)了以億航、小鵬匯天等公司的蓬勃發(fā)展，尤其是低空觀光、城市旅游等無人機(jī)低空交通項(xiàng)目發(fā)展順利。2022年2月9日，中國民航局發(fā)布了《億航EH216-S型無人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)專用條件》（SC-21-002），該專項(xiàng)條件自頒發(fā)之日起已正式生效，標(biāo)志著城市低空交通項(xiàng)目在廣州及珠海等地區(qū)正式開展試運(yùn)行，為國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展樹立了良好的導(dǎo)向作用，在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

2 城市低空交通管理體系關(guān)鍵技術(shù)

2.1 城市低空交通管理體系架構(gòu)

該體系的核心技術(shù)是：完善低空基礎(chǔ)飛行信息系統(tǒng)，編制和發(fā)布數(shù)字預(yù)警航圖，將有關(guān)飛行動態(tài)和飛行環(huán)境的信息及時公布，提高對低空空域的情報、氣象、監(jiān)控和告警等信息。綜合業(yè)務(wù)平臺包括了飛行計劃申請、飛行任務(wù)審批、飛行審批備案等信息通訊接口。該系統(tǒng)為低空交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、查詢選擇、空間分析、需求預(yù)測、可視化顯示等功能，為低空交通系統(tǒng)的自動管理、無縫運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。如圖1所示為低空交通信息系統(tǒng)。

圖1 低空交通信息系統(tǒng)

系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)對飛行數(shù)據(jù)的全地域、全天候上報，并通過一個監(jiān)控平臺來實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域中低空飛行器的飛行狀況的監(jiān)控，從而有效地解決了對低空飛行器的定位范圍的制約。即使是在無人機(jī)失事時，也能迅速確定最終的位置，減少搜索和救援時間，提升應(yīng)急響應(yīng)的工作效率。

2.2 低空無人機(jī)交通管理平臺技術(shù)

低空無人機(jī)交通管理平臺對低空無人機(jī)進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證，利用導(dǎo)航、通信、定位技術(shù)，以有源、無源低空探測設(shè)備等為輔助，建立低空監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，利用空中通道的路徑規(guī)劃技術(shù)，為低空無人機(jī)提供實(shí)時監(jiān)測和動態(tài)信息服務(wù)。在低空無人機(jī)交通管理平臺建設(shè)過程中，要對無人機(jī)實(shí)施實(shí)名認(rèn)證，并對其進(jìn)行驗(yàn)證。該驗(yàn)證模塊是一種可外部或一體化的微型輕型設(shè)備，它包括GPS、北斗定位芯片、5G通信模塊、ARM可編程芯片、電池等。其功能是實(shí)現(xiàn)對低空無人機(jī)飛行前的驗(yàn)證和飛行全過程的監(jiān)督。

具體實(shí)施原則：在飛行前，駕駛員可以用手機(jī)或者其他無線方式與飛行人員進(jìn)行身份驗(yàn)證，并將飛行執(zhí)照和飛行計劃ID發(fā)給驗(yàn)證模塊；一旦確認(rèn)，就可以將無人機(jī)ID、飛行執(zhí)照ID、飛行計劃ID、目前的位置信息等以可視化的形式顯示出來，并實(shí)時監(jiān)控。

2.3 垂直起降場基礎(chǔ)

垂直起降機(jī)場布局應(yīng)根據(jù)UAM運(yùn)輸需要，建立垂直起降場、垂直起降站、垂直起降點(diǎn)的三級協(xié)同布局運(yùn)輸體系，科學(xué)配置公共運(yùn)輸航空器數(shù)量、起降站與起降點(diǎn)布局以及三級場址之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)UAM高效運(yùn)行。

2.4 通訊信息技術(shù)

在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)充通訊和導(dǎo)航監(jiān)測設(shè)備。充分發(fā)揮因特網(wǎng)技術(shù)規(guī)范IPv6（Internet Protocolsion 6）和5G通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使空對地、地對空、空對空之間無縫連接，建立高速、穩(wěn)定、安全的信息連接通道，為用戶提供終端到終端的通訊服務(wù)。

3 城市低空交通管理體系構(gòu)建的內(nèi)容

3.1 低空資源協(xié)調(diào)管控

空域規(guī)劃是一種戰(zhàn)略性規(guī)劃，城市空中交通規(guī)劃亦是如此，但其管理方式也會因其自身的運(yùn)營需求而進(jìn)行動態(tài)的實(shí)時調(diào)整，一般包括3個方面：

（1）空域劃分：按照一定的劃分準(zhǔn)則，確定各種空域的飛行限制，由此確定空域的時間和空間。例如，按照能否飛行，可以分為禁飛區(qū)、限飛區(qū)、適飛區(qū)、自由空間、分層空域、扇形空域、管道空域等。空域類型是影響空域使用的主要因素，相同空域中飛行的飛行器的特征類似，不同空域中的類型也不同。

（2）航線網(wǎng)絡(luò)：城市低空飛行的時空環(huán)境是非常復(fù)雜和變化的，因此，在UAM系統(tǒng)中，航線應(yīng)該更有意義。航線按其空間結(jié)構(gòu)可劃分為：自由航線、分層航線、扇形航線、管道航線等。通過對一個空域的結(jié)構(gòu)和進(jìn)、出點(diǎn)的了解，可以確定在這個空域中的（廣義）航線的連接特性。

（3）容量評價：UAM的容量評價主要是對航線網(wǎng)絡(luò)的承載能力進(jìn)行評價。主要內(nèi)容有：UAM規(guī)劃期和運(yùn)營期的能力評價。一方面，機(jī)場的容量評價可以為機(jī)場的客流管理和運(yùn)輸提供保障；另一方面，也可以反映航線的規(guī)劃和運(yùn)行情況。在圖2中顯示了城市空中交通航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意圖。

圖2 城市空中交通航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意圖

3.2 流量控制

城市空中交通流量控制應(yīng)該是一種既有技術(shù)又有方法的管理模式。按照執(zhí)行時間的不同，傳統(tǒng)的空中流量管理可以劃分為準(zhǔn)備期流量管理、飛行前流量管理和實(shí)時流量管理，其中以前期和飛行前流量管理為主，實(shí)時流量管理為輔，地面等待策略、空中等待策略、改航策略。但在城市航空運(yùn)輸發(fā)展的后期，由于UAM是按照需求進(jìn)行的，它具有很強(qiáng)的時效性和動態(tài)性，而且空域情況比較復(fù)雜，可預(yù)測性也比較差，單靠預(yù)先或起飛前的流量控制策略很難適應(yīng)UAM的實(shí)時變化，因此很難處理UAM的流量不均衡問題。在此基礎(chǔ)上，可以通過基于實(shí)時流量的控制方法，即通過對航線網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量控制，達(dá)到與地面交通相似的控制效果，并進(jìn)而達(dá)到對無人機(jī)進(jìn)行修改航向、空中等待、地面等待等目的。如圖3所示，為城市空中交通流量控制。

圖3 城市空中交通流量控制示意圖

3.3 低空交通管理平臺建設(shè)內(nèi)容

低空交通管理平臺應(yīng)該由地區(qū)空管局協(xié)調(diào)、空管分局（站）與市交通局、公安局、消防救援等部門共同建設(shè)，并應(yīng)基于空間交通網(wǎng)絡(luò)的布局、規(guī)模與城市規(guī)模、空間結(jié)構(gòu)、地形地貌、居民區(qū)與商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)的空間分布，以及航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接可靠性、無人機(jī)出行時間可靠性、飛行信息服務(wù)品質(zhì)可靠性等度量指標(biāo)，進(jìn)行空間交通需求的分析與優(yōu)化，建立空間交通網(wǎng)絡(luò)搜索引擎，并對其進(jìn)行定量的分析與快速建立。

低空交通管理平臺是面向 UAM 運(yùn)營商與用戶的終端服務(wù)管理平臺，該平臺應(yīng)分步驟建設(shè)數(shù)據(jù)中心、實(shí)名認(rèn)證中心、低空飛行器探測網(wǎng)以及執(zhí)法中心，預(yù)留應(yīng)急救援、氣象、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測等職能部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口。按形式可分為固定式部署平臺和車載式移動平臺2種，其主要功能包括：向所在城市服務(wù)范圍內(nèi)各項(xiàng)飛行活動提供空域管理、流量控制、航行情報、安全間隔、防撞告警、應(yīng)急處置等服務(wù)，向區(qū)域信息集成系統(tǒng)提供 UAM 飛行計劃及運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息。該平臺應(yīng)該具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持共享服務(wù)能力，可支持用戶通過城市空中交通運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)支持共享服務(wù)方以獲取必要的或增強(qiáng)的數(shù)據(jù)服務(wù)，如地理信息、氣象信息、監(jiān)視信息、性能信息等。

終端平臺還應(yīng)具備空中走廊構(gòu)建、多源數(shù)據(jù)可視化展示、飛行計劃及飛行器路徑規(guī)劃、空域中碰撞規(guī)避、飛行器違規(guī)告警以及對違規(guī)或違法的飛行器進(jìn)行飛控干預(yù)等功能，飛行動態(tài)監(jiān)控技術(shù)是利用移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)的信息技術(shù)，提高無人機(jī)在起飛、降落、飛行過程中的跟蹤監(jiān)控功能，建立無人機(jī)飛行過程中的短程預(yù)測、動態(tài)監(jiān)控、沖突消除等措施，保證無人機(jī)在低空飛行的狀態(tài)、跟蹤飛行軌跡、監(jiān)測飛行狀態(tài)，并通過地圖顯示和數(shù)據(jù)庫對多源信息進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，以保證無人機(jī)自主、高精度、高可靠地完成目標(biāo)任務(wù)。

4 總結(jié)與展望

結(jié)合工作實(shí)際，認(rèn)真梳理研究國內(nèi)城市低空交通發(fā)展現(xiàn)狀，我國應(yīng)遵循試點(diǎn)先行、安全第一原則，積極穩(wěn)妥發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)，在此期間還應(yīng)高度關(guān)注如無人機(jī)在低空飛行時，會產(chǎn)生噪音、污染物或墜機(jī)事故等問題，可能會影響到地面居民的日常生活。無人機(jī)低空飛行存在著個人隱私侵犯、失泄密、暴恐犯罪等問題，并對航空運(yùn)輸、公共安全乃至敏感地區(qū)的安全構(gòu)成了潛在的威脅。在低空目視航圖技術(shù)、低空安全法律法規(guī)、國家無人駕駛航空器綜合監(jiān)管服務(wù)平臺等尚未成熟前，應(yīng)高度重視如下5個問題，即：重視公共安全問題，禁止在國家規(guī)定的警衛(wèi)對象住地，警衛(wèi)對象經(jīng)?；顒拥闹匾獔鏊?，黨和國家首腦機(jī)關(guān)，省、自治區(qū)、直轄市領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)、城市商業(yè)區(qū)、人口密集區(qū)、機(jī)場、油田、鐵路、監(jiān)所、危險物品庫區(qū)等上空設(shè)置航線，避免引發(fā)安全事件；重視信息主動報送問題，每個無人駕駛航空器上應(yīng)當(dāng)強(qiáng)制安裝ADS-B系統(tǒng)（廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)）或飛行控制電子芯片，或通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程識別技術(shù)，隨時識別該機(jī)的位置、高度、速度等各類信息，并實(shí)現(xiàn)設(shè)置禁飛區(qū)等功能；重視噪聲問題，無人駕駛航空器產(chǎn)生的噪聲應(yīng)符合《中華人民共和國噪聲污染防治法》等有關(guān)規(guī)定；重視隱私保護(hù)問題，防止無人駕駛航空器上的攝像頭被非法人員利用，引發(fā)大量侵犯公眾隱私案件；重視保險問題，應(yīng)強(qiáng)制要求為無人駕駛航空器購買第三者責(zé)任險等保險，防止砸壞公共設(shè)施及人員傷亡等，引發(fā)公共安全事件。