城市无人机交通管理研究

项悦 徐庆彬 李震

摘 要 文章首先概述了城市无人机的发展现状和存在的问题，从指导方针、管理框架、解决方法3个方面充分阐述新加坡城市无人机空中交通管理模式，并对该模式进行评价，为我国城市无人机管理模式提供借鉴参考。

关键词 空中交通管理；无人机；城市交通

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）220-0153-02

随着无人机的快速发展，政府机构、娱乐和商业用户对无人机系统的业务需求在不断增长[ 1 ]，据Lucintel全球市场调查公司预测，2018 年全球无人机市场的产值将达到90亿美元，美国将成为世界第一大无人机市场[2]。2017年11月19日，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）宣布其所在的航空研究任务委员会正致力于推进一项和人民生活息息相关的研究工作——城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM），NASA对其定义是：“一个简单、有效的、在城市运行的客货运输系统，包括小包裹递送以及其他无人机系统服务。”[3]。新加坡南洋理工大学和新加坡民航局（Civil Aviation Authority of Singapore，CAAS）联办的航空交通管理研究院研究的“无人机空管系统”由南大机械与宇航工程学院牵头研发，目前已完成初步设计以及软件开发，并已在2018年开始进行实际测试，该系统旨在确保多架无人机在人口密度极高的城市环境中能安全有效地运作[4]。文章对新加坡“城市无人机空管系统”现阶段研究进行总结、梳理和提炼，对制定和完善我国城市无人机空中交通管理系统具有十分重要的借鉴意义。

1 新加坡无人机管理指导方针

1.1 小范围的城镇区域划分

将城镇区域成块划分，划分成相对独立的小型区域，以便于对无人机进行区域化管理，这样管理相比于大区域管理更为简单、高效。

1.2 零售区

典型城市会设置服务于居民区（需求点）的零售区域（供应点），一般设在城市周边。要充分考虑高密度的建筑群会限制可能的起飞和着陆区域，用户能否方便及时到达相应区域，城市建筑结构是否适合无人机起降，以及是否有足够空间进行无人机起降。无人机供应点的起飞和降落区域在建筑物之上保持水平间隔20m，这是因为考虑到各种无人机的翼展范围在1.05m左右，以保证无人机之间留有一定的安全裕度，防止无人机之间互相干扰。

1.3 住宅区

作为用户指定的需求/接收点（运行终点），正因为新加坡独特的城市功能，每个城区都有开阔地带和多层顶楼停车场可以作为无人机可能起降的区域，但应当充分考虑最大化利用现有的城市基础设施以降低成本。

1.4 服务半径

起降区域（The takeoff and landing areas，TOLA）能够服务于半径覆盖面之内的居民。已经进行的研究确定了一个人前往不同运输模式的步行距离，根据调查的结果和现场评估，表明平均步行距离大约是500m。无人机的服务区域以小型区域中心为圆心，500m为半径围成的圆形区域，因为城市的高密度性，重叠的TOLA将服务多个居民区。

1.5 uTM-UAS框架实现

设计uTM-UAS框架，一些主要的需求需要首先被定义，因为预想中uTM的功能是基于这些需求来设计的，建立一个灵活的基于城市环境优化的无人机运行空域管理系统。建设城市无人机管理框架，为城市无人机管理搭建平台，面临最迫切的需求是：

1）建立灵活的动态的空域，使空域利用最优化。

2）建立适应城市环境需要的技术和风险管理，进行相应的无人机风险预警，风险管控，风险评估，防止无人机之间互相干扰，碰撞。

3）建立具有重要的功能的可靠的无人机管理系统，以确保无人机在城市高空有效、安全、高效的运行。

2 模块化城市无人机管理框架

uTM-UAS框架包含3个主要被交互相联的模块：uTM-UAS功能，用户界面，数据库。网络安全将会维持为每一个单独的模块，同时也是它们之间的数据链接。为所有用户提供空域交通流量，空域限制和情景意识。

2.1 uTM-UAS功能

主要包括城市空域管理、C2管理、飞行管理及风险管理四个主要功能模块。

uTM-UAS提供了所有主要的uTM功能，使无人机系统在新加坡城市空域内安全、高效地运行。战略层处理的是uTM服务的分析方面，这是便于uTM控制人员使用。所有四个模块都依赖于数据库中的数据，并且贡献新的数据回到数据库。此外，数据的流动和交换不只在四個模块之间，也存在于战略和战术层的每个模块之间。在深入研究四个核心模块的细节之前，有必要建立一个通用的数据处理、分析、集成和可视化机制。

2.2 用户界面

无人机操作员用户界面（UA operator UI）只具有战术功能，主要是从uTM控制人员或者具有相应权限的“无人机运行系统”获得授权，提高空域用户之间的情景意识。

战略功能构成了支持战术功能的基础，而且它们只能由uTM操作员用户界面（uTM operator UI）访问。它为总体管理目的提供分析功能，如空域结构设计、空域指数分析和自动航路规划。除了提供uTM运营服务，它还具备模拟和研究相关概念和算法的能力，以便进一步细化和开发。

2.3 数据库

数据库是整个uTM框架的基础。它获取、存储和管理各种类型的数据，以支持uTM系统的运作，可以将其定义为两类，即静态数据和动态数据。静态数据包括相对地恒定的信息，例如无人机规格，操作员信息，永久禁飞区，地形数据，基础设施数据。动态数据由可变信息组成，包括运行UA状态、动态地理围栏空域、天气、紧急情况等，数据库有多个数据源，数据将被用于不同的模块。

3 空域解决方法

建立AirMatrix模型，如图1所示。整个城市空域在高度上被切成多个层，每层都被进一步划分为立方体 airblocks（空气块）的纬度和经度。其目的是利用airblocks的中心点作为城市空域的采样点，进行任何计算、模拟、测量和分析，并利用airblocks进行颜色编码可视化，使整个城市空域能够在离散和系统的方式下得到管理。

尽管所有的 airblocks 都假定具有相同的大小，但单个 airblock 在纬度、经度和高度上的尺寸不一定相同。它们可以根据不同的分析模型、需求、容量、约束等进行变化。AirMatrix中所有的uTM功能现在都有一个标准的数据分析和渲染机制。

4 结论

我国城市消费级无人机数量的不断增加，势必会面临一系列的安全、技术和规章方面的挑战。在我国城市无人机的管理过程中，无人机的无序、非法飞行，给社会、民航业和个人带来了极大的负面影响及损失[5]。新加坡城市无人机管理的指导方针和管理框架可以为我国城市无人机管理带来合理的借鉴和指导，然后结合我国无人机发展相关的实际情况，建立安全高效的城市无人机空中交通管理系统，这将对我国城市无人机的健康发展带来积极影响。

参考文献

[1]姚思浩.无人机的发展现状与趋势[J].电子制作，2018（1）：96-98.

[2]Lucintel. Growth opportunity in global UAV market. Ac-cessed July 1，2012， at www.Lucintel.com/ lucintel-brief/UAVmarketOpportunity.pdf.

[3]NASA. NASA Embraces Urban Air Mobility， Calls for Market Study[EB/OL].[2017-11-09].https：//www.nasa. gov/aero/nasa-embraces-urban-air-mobility.

[4]佚名.新加坡研發无人机管理系统[J].航空模型，2017（2）：84.

[5]钱季平.民用微型无人机安全监管的困境及对策[J].科学技术创新，2015（33）：136-138.