城市低空交通管理体系构建研究

李振华

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000）

1 城市低空交通管理现状

国内外对发展城市低空交通均给予高度重视，美国等国家争相出台相关政策，鼓励企业创新技术，发展低空交通产业，美国宇航局（NASA）2018年就与美国优步签署合作协议，探索发展城市空中交通技术；欧盟则由30个合作伙伴组成联盟“Flying Forward 2020”开发新的无人机城市交通生态系统；而国内早在2016年国务院办公厅就发布了《关于促进通用航空业发展的指导意见》，将低空空域范围扩展至真高3000m以下，为我国低空空域的发展带来巨大的发展机遇；2021年2月，国务院发布《国家综合立体交通网规划纲要》，首次提出发展低空经济，四川、湖南、海南、吉林等各省争相出台各种配套鼓励政策及措施，大力发展航空产业。因此加强航空服务产业建设，构建一个健康有序的立体低空通道系统，对低空交通进行有效管理已经成为当务之急。相关学者从不同研究角度给出了多种解决方案，冯登超学者提出了一种基于卫星导航、遥感和GIS技术的低空高警航图可视化匹配技术，并对如何构造低空安全通道、低空飞行管理可视化技术进行了总结。陆晓华学者提出动态使用城市低空空域，并保障空域可及时回收。在现有的空域管理体制下，采用动态使用空域的方式，充分利用当前军民航各方使用较少的空域，特别是城市低空空域，建立协同管理空域，为加速我国低空通道系统的建设，构建城市交通的低空交通管理体系提供了有益的设计思路。

1.1 国外城市低空交通的现状

在城市低空交通问题上，学者Balakri在2017年第一次将无人机系统（Unmanned Aircraft System，简称UAS）纳入空域和机场资源分配中，并给出了一种用于处理无人机集群的分布式整数规划方法。在2018年，Iowa State University的Brittain和Wei提出了一种新的层次深度增强学习算法，该算法将无人机作为智能空域的关键部件进行间隔排序，安全、自主、高效地解决了无人机的改航、调速等问题，并在结构化的空域内实现了自动间隔与排序。在2019年，爱荷华州立大学等根据UAM（Urban Air Mobility，中文全称为城市空中交通，以下简称UAM）的需要，提出了一种基于需求和计划服务的UAM混合经营理念，该模式能够适应UAM的业务约束和市场需要。普渡大学在此基础上，提出了一种基于流动队列模型的柔性无人机流量控制方法，并对其进行了仿真研究。斯蒂文斯理工大学为解决智能城市中的无人机调度问题，提出了3种降低复杂度的新算法。佐治亚理工学院提出了一种多物网络流构型，用以优化UAM机场的航空计程车业务的未来计划，这一架构已在亚特兰大区域的机场空中计程车系统中得到了很好的结果。另外，NASA还针对低空飞行、UTM(城市交通管理系统)、UAM等进行了系统的模拟和仿真研究。在这些系统中，为了实现城市航空运输网络的自动化管理，NASA将为传统民航发展的高度自动调整系统（Auto Resolver）进行了延伸，用于对城市无人机进行连续的飞行轨迹管理，确保无人机与无人机之间的安全距离，降低了在高密度空域下的空中交通延迟。UAM自动调整系统的使用结果显示，该系统可以有效防止无人机的危险靠近，而且在计划的排程时间比无人机的飞行时长更长的情况下，大多数的冲突都能在起飞之前被解决。

1.2 国内城市低空交通发展现状

我国政府对低空交通始终持鼓励态度，国务院先后出台多项“放管服”的政策措施，如中国民航局推出无人机边飞边审的政策，促进了以亿航、小鹏汇天等公司的蓬勃发展，尤其是低空观光、城市旅游等无人机低空交通项目发展顺利。2022年2月9日，中国民航局发布了《亿航EH216-S型无人机驾驶航空器系统专用条件》（SC-21-002），该专项条件自颁发之日起已正式生效，标志着城市低空交通项目在广州及珠海等地区正式开展试运行，为国内相关产业发展树立了良好的导向作用，在世界范围内处于领先水平。

2 城市低空交通管理体系关键技术

2.1 城市低空交通管理体系架构

该体系的核心技术是：完善低空基础飞行信息系统，编制和发布数字预警航图，将有关飞行动态和飞行环境的信息及时公布，提高对低空空域的情报、气象、监控和告警等信息。综合业务平台包括了飞行计划申请、飞行任务审批、飞行审批备案等信息通讯接口。该系统为低空交通系统的数据管理、查询选择、空间分析、需求预测、可视化显示等功能，为低空交通系统的自动管理、无缝运行奠定基础。如图1所示为低空交通信息系统。

图1 低空交通信息系统

系统具有以下特点：能够实现对飞行数据的全地域、全天候上报，并通过一个监控平台来实现对监控区域中低空飞行器的飞行状况的监控，从而有效地解决了对低空飞行器的定位范围的制约。即使是在无人机失事时，也能迅速确定最终的位置，减少搜索和救援时间，提升应急响应的工作效率。

2.2 低空无人机交通管理平台技术

低空无人机交通管理平台对低空无人机进行实名认证，利用导航、通信、定位技术，以有源、无源低空探测设备等为辅助，建立低空监控网络，利用空中通道的路径规划技术，为低空无人机提供实时监测和动态信息服务。在低空无人机交通管理平台建设过程中，要对无人机实施实名认证，并对其进行验证。该验证模块是一种可外部或一体化的微型轻型设备，它包括GPS、北斗定位芯片、5G通信模块、ARM可编程芯片、电池等。其功能是实现对低空无人机飞行前的验证和飞行全过程的监督。

具体实施原则：在飞行前，驾驶员可以用手机或者其他无线方式与飞行人员进行身份验证，并将飞行执照和飞行计划ID发给验证模块；一旦确认，就可以将无人机ID、飞行执照ID、飞行计划ID、目前的位置信息等以可视化的形式显示出来，并实时监控。

2.3 垂直起降场基础

垂直起降机场布局应根据UAM运输需要，建立垂直起降场、垂直起降站、垂直起降点的三级协同布局运输体系，科学配置公共运输航空器数量、起降站与起降点布局以及三级场址之间的协调关系，实现UAM高效运行。

2.4 通讯信息技术

在现有设备的基础上，可以扩充通讯和导航监测设备。充分发挥因特网技术规范IPv6（Internet Protocolsion 6）和5G通信技术的优点，使空对地、地对空、空对空之间无缝连接，建立高速、稳定、安全的信息连接通道，为用户提供终端到终端的通讯服务。

3 城市低空交通管理体系构建的内容

3.1 低空资源协调管控

空域规划是一种战略性规划，城市空中交通规划亦是如此，但其管理方式也会因其自身的运营需求而进行动态的实时调整，一般包括3个方面：

（1）空域划分：按照一定的划分准则，确定各种空域的飞行限制，由此确定空域的时间和空间。例如，按照能否飞行，可以分为禁飞区、限飞区、适飞区、自由空间、分层空域、扇形空域、管道空域等。空域类型是影响空域使用的主要因素，相同空域中飞行的飞行器的特征类似，不同空域中的类型也不同。

（2）航线网络：城市低空飞行的时空环境是非常复杂和变化的，因此，在UAM系统中，航线应该更有意义。航线按其空间结构可划分为：自由航线、分层航线、扇形航线、管道航线等。通过对一个空域的结构和进、出点的了解，可以确定在这个空域中的（广义）航线的连接特性。

（3）容量评价：UAM的容量评价主要是对航线网络的承载能力进行评价。主要内容有：UAM规划期和运营期的能力评价。一方面，机场的容量评价可以为机场的客流管理和运输提供保障；另一方面，也可以反映航线的规划和运行情况。在图2中显示了城市空中交通航路网络规划示意图。

图2 城市空中交通航路网络规划示意图

3.2 流量控制

城市空中交通流量控制应该是一种既有技术又有方法的管理模式。按照执行时间的不同，传统的空中流量管理可以划分为准备期流量管理、飞行前流量管理和实时流量管理，其中以前期和飞行前流量管理为主，实时流量管理为辅，地面等待策略、空中等待策略、改航策略。但在城市航空运输发展的后期，由于UAM是按照需求进行的，它具有很强的时效性和动态性，而且空域情况比较复杂，可预测性也比较差，单靠预先或起飞前的流量控制策略很难适应UAM的实时变化，因此很难处理UAM的流量不均衡问题。在此基础上，可以通过基于实时流量的控制方法，即通过对航线网络的各个节点进行流量控制，达到与地面交通相似的控制效果，并进而达到对无人机进行修改航向、空中等待、地面等待等目的。如图3所示，为城市空中交通流量控制。

图3 城市空中交通流量控制示意图

3.3 低空交通管理平台建设内容

低空交通管理平台应该由地区空管局协调、空管分局（站）与市交通局、公安局、消防救援等部门共同建设，并应基于空间交通网络的布局、规模与城市规模、空间结构、地形地貌、居民区与商业区、工业区的空间分布，以及航空运输网络中各个网络节点的连接可靠性、无人机出行时间可靠性、飞行信息服务品质可靠性等度量指标，进行空间交通需求的分析与优化，建立空间交通网络搜索引擎，并对其进行定量的分析与快速建立。

低空交通管理平台是面向 UAM 运营商与用户的终端服务管理平台，该平台应分步骤建设数据中心、实名认证中心、低空飞行器探测网以及执法中心，预留应急救援、气象、城市规划、环境监测等职能部门业务数据接口。按形式可分为固定式部署平台和车载式移动平台2种，其主要功能包括：向所在城市服务范围内各项飞行活动提供空域管理、流量控制、航行情报、安全间隔、防撞告警、应急处置等服务，向区域信息集成系统提供 UAM 飞行计划及运行数据等信息。该平台应该具有强大的数据支持共享服务能力，可支持用户通过城市空中交通运营商网络访问数据支持共享服务方以获取必要的或增强的数据服务，如地理信息、气象信息、监视信息、性能信息等。

终端平台还应具备空中走廊构建、多源数据可视化展示、飞行计划及飞行器路径规划、空域中碰撞规避、飞行器违规告警以及对违规或违法的飞行器进行飞控干预等功能，飞行动态监控技术是利用移动互联网、大数据分析等先进的信息技术，提高无人机在起飞、降落、飞行过程中的跟踪监控功能，建立无人机飞行过程中的短程预测、动态监控、冲突消除等措施，保证无人机在低空飞行的状态、跟踪飞行轨迹、监测飞行状态，并通过地图显示和数据库对多源信息进行动态监测，以保证无人机自主、高精度、高可靠地完成目标任务。

4 总结与展望

结合工作实际，认真梳理研究国内城市低空交通发展现状，我国应遵循试点先行、安全第一原则，积极稳妥发展相关产业，在此期间还应高度关注如无人机在低空飞行时，会产生噪音、污染物或坠机事故等问题，可能会影响到地面居民的日常生活。无人机低空飞行存在着个人隐私侵犯、失泄密、暴恐犯罪等问题，并对航空运输、公共安全乃至敏感地区的安全构成了潜在的威胁。在低空目视航图技术、低空安全法律法规、国家无人驾驶航空器综合监管服务平台等尚未成熟前，应高度重视如下5个问题，即：重视公共安全问题，禁止在国家规定的警卫对象住地，警卫对象经常活动的重要场所，党和国家首脑机关，省、自治区、直辖市领导机关、城市商业区、人口密集区、机场、油田、铁路、监所、危险物品库区等上空设置航线，避免引发安全事件；重视信息主动报送问题，每个无人驾驶航空器上应当强制安装ADS-B系统（广播式自动相关监视系统）或飞行控制电子芯片，或通过网络远程识别技术，随时识别该机的位置、高度、速度等各类信息，并实现设置禁飞区等功能；重视噪声问题，无人驾驶航空器产生的噪声应符合《中华人民共和国噪声污染防治法》等有关规定；重视隐私保护问题，防止无人驾驶航空器上的摄像头被非法人员利用，引发大量侵犯公众隐私案件；重视保险问题，应强制要求为无人驾驶航空器购买第三者责任险等保险，防止砸坏公共设施及人员伤亡等，引发公共安全事件。