未来无人机交通管理系统的构成和交通领域研究

无人机（UAV）作为一种新型的交通运输方式，具有飞行器体积小、环境适应性强、调度灵活、需远程或自动控制、安全管控等级高等特点，其交通管理系统对监测、识别、控制、协调等能力要求较高。

从最早美国亚马逊（AMAZON）提出的无人机快递系统（AMAZON PRIME AIR）， 到美国NASA提出的无人机交通管理系统 （UTM）、欧洲无人机管理系统U-space、中国民航制定的民用无人机管理系统UOMS和日本UTM协会JUTM等，无人机交通运输已经成为了当前交通领域的研究热点。

本文旨在综合国内外研究与报道，介绍未来无人机交通管理系统的基本构成与交通领域研究方向。

图一：NASA Unmanned Aircraft System （UAS） Traffic Management （UTM）

无人机交通管理系统的基本架构

UTM基本架构与控制级别

现阶段无论是NASA UTM还是欧洲 U-space的基本架构均有两个部分：云端管理端和地面服务端。具体细分包含：国家空管数据管理、国家空管系统、飞行情报管理系统、支持数据服务商、无人机服务商、无人机实际运营方。

根据责任划分，主要分为国家管理与企业私人管理两方面。同时，根据逐步发展的条件，将UTM控制级别分为4级：

1.0多视距内运行：基于无人机通讯接口和管理系统的网络化运行，通过地面基站、卫星通讯实现无人机与管理中心的信息共享。

2.0多超视距运行（非城市地区）：在乡村地区实现超视距飞行意图分享，在较远的距离上实现无人机飞行协调，同时实现不同地区地理围栏约束无人机飞行。

3.0多超视距运行（城乡结合部、机场附近）：在城乡结合部或机场等较复杂区域，实现常态超视距运行，远距离无人机飞行协调，同时实现空中V2V防撞（机对机防撞），并保障规避静态障碍物。

4.0城市复杂超视距：在城市复杂环境实现超视距运行、精确引导，准确跟踪和定位，实现规避动态障碍，并具有处理大规模突发事件的能力。

2020年，NASA UTM已经经过测试将控制级别提升至2-3之间。现有的无人机管理系统已经完成了大范围导航、探测、规避、起降的测试，其中包括对大城市和复杂空域的测试。同时，完成了UTM控制系统的原型程序开发。

UTM配套建设与统一航空管理系统

无人机管理系统本身需要政府投资建设地面通讯、雷达、管理控制、数据中心等单元，保证整套系统的统一与安全;具体实施主要依托行业自主开发与部署。这一模式实际上同时保证了宏观调控与市场经济活力。图二为UTM系统架构图，主要包含国家航空管理、无人机市场运营和公共管理部门三个责任方。

图二：NASA UTM 系统结构

无人机交通管理系统现阶段主要建设方向包括两方面：

一是建设符合无人机特征的配套基础设施，为保证无人机监控、日常运行、信息共享、通讯、管理、协调、广播、限制等需求，需要建设地面监控设施、通讯设施、保障设施，如地面雷达、无人机起降点等;

二是与现有的航空管理系统进行对接，构建一个统一的航空器管理系统，用于保障无人机与传统航空器（飞机、直升机等）的安全协调，保证在不改变传统航空器驾驶习惯的前提下，使无人机与传统航空器能够安全运行。

在混和航空器管理系统中，主要包含两个方向：特定地点多种航空器飞行协调（如机场、城市中心）和空域划分（如不同高度飞行不同种类飞行器和管制区域划分）。

图三为空域划分，蓝色为混合空管空域（机场、城市附近），紫色为传统航空器飞行高度，浅蓝色为无人机飞行高度。

图三：飞行空域高度划分

无人机交通管理研究方向

无人机运输功能、特点及适用场景

无人机运输具有以下优点：

1.相比地面运输，无人机运输方便高效，节约基础设施投资，节省土地资源。

2.相比一般航空运输和直升机运输，无人机运输成本低，调度灵活。

3.与物联网、互联网结合紧密，更容易进行成本与运力优化。

4.节约人力资源，在特殊时期提供高效的物流保障。

现阶段无人机货物运输主要是应用于短途运输。现有的无人机货物运输设计实际上处于整个物流链条的末端，即代替快递员最终投递的过程，因此无人机无法使用固定翼，只能采用螺旋翼设计。

为保障最终投递目的地的安全，无人机货运交通管理首要目标为规避建筑物、人群等，主要的实现方式为划定禁飞区域和规划行进路线。

无人机载人运输（UAM）是一种未来城市交通解决方案，如空客集团（Airbus）提出的无人机载人运输概念CityAirbus、亿航公司的EHang 184、世界第一架纯电动直升机VOLOCOPTER、飞行汽车Lilium Jet以及Uber的航空器出租服务Elevate等。

UAM的主要参数均为满足城市内短途载人运输，如EHang 184双人版载重220千克/续航能力35千米，同时包含无人驾驶、远程驾驶、自主操作等功能，可以覆盖人口密集地区的客运航班，包括空中出租、私人出行等。

无人机交通管理系统的交通运输领域研究

无人机本身具备探测、航拍、广播等功能，但这些并没有上升到交通运输管理的层面，因此无人机交通管理系统主要针对大规模无人机的货运和载人飞行能力，或无人机与其他飞行器的交叉空域。

无人机关于起降、通讯、感知、避让等方面均为航空、机械、电子、计算机领域的研究。对于交通方面，无人机交通管理系统主要为如下几个方面：

（1） 交通规划

无论是货运物流或载人飞行，无人机交通管理系统均要有交通领域参与到规划设计当中，比如无人机投机物流中心（UAV DELIVERY HUB）的选址、飞行器范围高度空域设计、飞行器路网节点选择等，这些都需要交通规划方面研究开发对应的模型、规则，主要的设计思路是根据无人机运输的特点规划选址或分配飞行区域。

主要关键字：UAV DELIVERY HUB location、UAV facility location、UAV platform等。

（2） 空中走廊设计

虽然不同于传统二维路网，空域是三维，但无人机交通系统，也需要为无人机的交通管理，设计一套基于空中走廊的路网。

空中走廊为一定高度范围内的飞行通道，无人机飞行器需在特定的高度内飞行，形成与地面道路类似的通道。因此基于无人机小型灵活、无人驾驶等特点，需要为无人机的空中走廊及其延伸路网设计一套技术标准和相应规则，保证无人机交通运输中的安全性。

有一种研究意向是将无人机路网设计在公路上方，以高速公路、城市封闭快速路为主要框架。主要关键字：UAV path planning、UAV path following等。

图四：空中走廊路网概念图

（3） 航空器空管协调

针对无人机安全性考虑，需要针对无人机日常飞行进行管理，主要体现在飞行OD的路径选择协调、机场附近空管协调、城市中心无人机空管协调等，需要考虑无人机通讯、飞行参数等要素，合理分配无人机飞行时与其他航空器的关系，制定各种反应模型，如跟弛模型、变道模型、交互模型等。

主要关键字：UAV Coordination、UAV Navigation、UAV Operation等。

现阶段无人机货运和载人空运已经有了实质性的发展，AMAZON PRIME AIR在2017年进行了样机测试。

2018年，京东无人机快递在宿迁、西安、北京等多地进行了试运行，已获得四地的飞行许可，勘测测试了上万里飞行里程。同年，饿了么无人机送餐服务在上海金山区试运行，开始了无人机商用送餐服务。

虽然现有的运输服务只限于农村和郊区等环境简单、人员稀少地区，但是随着技术发展和实验的进行，无人机运输服务必将扩展到城市中心或其他环境复杂、人员密集地区，必将带来新的机遇和挑战。

无人机这一未来可能成倍增长的新型交通运输方式，其所必须的交通管理系统需要遵循安全性第一位、空域共享、无人机自动驾驶、机队交互自动管理、世界范围内协调等原则，同时也可以借鉴传统交通管理系统的研究成果，以求适应全新的交通管理领域。

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