城市低空无人机航路航线划设研究

       本文聚焦城市低空无人机载人载货运输需求，剖析城市低空无人机航路航线划设的需求、现状及发展趋势，并结合我国实情，提出相应的划设原则、流程、方法，以及下一步的研究思考和对策，以期为统筹利用城市低空空域资源，逐步构建安全、经济、绿色、规范的城市空中交通体系提供一定参考和借鉴。

一、研究需求、现状及趋势

（一）需求分析

       随着城市化进程不断加快，地面交通拥堵加剧、地下空间开发有限，开发低空资源、发展城市空中交通(UAM)已成为世界航空界和交通界共同关注的前沿热点问题。UAM是以垂直起降、点对点运输为主的全新交通系统，适用于城市内、城际间空中快速运输。欧美、亚太等地区纷纷探索发展UAM，并取得初步成效。欧洲航空安全局部署实施多项UAM试点工作，预计3至5年内实现UAM商业化运营；美国联邦航空管理局发布《城市空中交通运行概念2.0》白皮书，设计了UAM管理体系架构；国务院、中央军委发布《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，是我国首部全面规范无人驾驶航空器飞行管理工作的专项行政法规。

       城市低空航路航线是UAM的重要组成部分，对于保障城市低空无人机运行安全、有序和高效至关重要。欧美、韩国、新加坡等已明确提出适应自身的低空航路航线布局规划方案。美国联邦航空管理局批准构建50英里无人机空中走廊；韩国城市空中交通规划方案中明确指出2025年设立“城市空中通道专用空域”，预计2035年建成100条航路；新加坡计划2023年推出首条空中出租车航线。我国发布的《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通规划纲要》业已明确提出要加强新型载运工具研发，构建城市群内部快速空中交通网络；民航局发布《促进民用无人驾驶航空发展的指导意见（征求意见稿）》《城市场景轻小型无人驾驶航空器物流航线划设规范》，明确开展低空航路航线规划与构建技术研究，随后发布《民用无人驾驶航空发展路线图V1.0（征求意见稿）》，提出在2030年前实现空域信息数字化，进一步拓展航线网络。湖南、四川、深圳等地先行先试，逐步建立区域低空飞行服务体系，试点划设低空航路航线，构建低空航图。迅蚁先后在杭州、广州、温州等地开通无人机医疗样本运输航线；上海金山华东无人机基地开展无人驾驶航空器超长距离海岛物流航线运输；南京航空航天大学国际创新港城市空中交通研究院与济南、青岛等多地企事业单位积极开展深入合作，建立了济南低空物流公共运营示范中心。

（二）研究现状

       随着无人机性能逐步提高，城市空中交通需求日益增长，城市低空航路航线划设研究已成为热点问题。加拿大滑铁卢大学对航路网络结构进行了初步定义与设计，提出了航路、交叉口、航路节点等概念，通过航路与交叉口的有序交替序列实现地面网络节点的连通。荷兰代尔夫特理工大学提出自由航路、扇形航路、管道航路和分层航路概念，并将其应用于城市空中交通运行场景中。新加坡南洋理工大学提出城市适应空域概念，论述了矩阵节点型航路、建筑节点型航路、道路沿线型航路三种类型的低空航路网络，并通过容量与吞吐量指标评估航路网络性能。美国国家航空航天局根据城市空中交通发展阶段，提出了以垂直起降机场为枢纽节点的辐轴式城市空中交通网络。中国科学院地理科学与资源研究所提出了低空无人机公共航路理论体系，利用地理和遥感信息构建城镇化区域低空公共航路网络。中国航空运输协会提出了“微小航路”概念，建立了低空航路审批和运行保障机制。南航国际创新港城市空中交通研究院针对城市无人机“最后一公里”物流配送问题，考虑复杂城市低空环境、无人机性能和需求分布，提出了城市无人机多级起降场点与航路航线网络协同分层规划模型，设计了空地协同运输航路航线网络，以促进低空空地时空资源动态灵活高效利用。

（三）发展趋势

       根据城市低空管理模式、无人机智能化程度、空中交通流量规模，城市空中交通发展划分为兴起、初级、高级、成熟四个阶段，其中航路航线划设研究也相应演变（如图1所示）。在兴起阶段，无人机以隔离运行为主，无既定航路航线引导，在隔离空域内通过手动控制低密度试运行；在初级阶段，无人机以固化运行为主，在固化航路航线通过手动辅助实现低密度、小流量独立运行；在高级阶段，无人机以灵活运行为主，在柔性航线网络通过巡航自动驾驶实现中密度、中流量按需运行；到成熟阶段，无人机以自主运行为主，基于数字精密航迹智能自主驾驶实现高密度、大流量有序运行。因此，城市低空航路航线整体呈现“手动无序—固化有序—柔性灵活—自主精密”的演变趋势。

图1 城市空中交通发展趋势

二、划设原则、流程与方法

（一）基本原则

       为科学划设城市低空航路航线，充分利用城市低空空域资源，促进城市空中交通安全、有序运行，航路航线划设应遵循以下基本原则。

1.安全第一。以保障无人机安全运行为首要原则，航路航线划设应规避人口密集区域，以及加油站、发电厂、重要交通枢纽等地面基础设施上方空域，并与高层建筑物保持适当安全间隔。

2.需求引领。根据物流运输、空中出行、安全巡检等具体需求进行航路航线规划，综合考虑各类需求的差异性与共通性，顺应城市总体发展趋势，设计平衡兼顾、灵活兼容的城市低空航路航线。

3.统筹规划。保证航路航线规划方案的整体性、系统性与可持续性，结合空域管理机制、城市空间布局与具体应用场景，强化衔接、联动发力，分阶段、分类型实施城市低空航路航线统一规划。

4.使用灵活。考虑应用场景需求、基础设施条件、无人机性能等因素，动态调整航路航线，灵活匹配城市空中交通需求变化，实现空地资源的高效配置，提高空域资源利用率。

5.绿色环保。遵循“三低”要求，即低污染、低能耗、低排放，执行城市区域环境噪声标准，规避学校、医院、机关单位等噪音敏感区域，严格管控航路航线跨越环境保护区上空。

6.合法合规。应符合国家、军队、民航、地方等颁布的法规、政策文件和标准规范，维护国家安全、航空安全、公共安全，涵盖空域管理、飞行程序、通信导航监视等方面。

（二）总体流程

       依据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，国家空中交通管理领导机构统筹建设无人驾驶航空器一体化综合监管服务平台，对全国无人驾驶航空器实施动态监管与服务。面向物流配送、空中出行、应急救援、城市治理等多元应用场景，基于空地数据信息支持与法律法规标准约束，在国家空中交通管理领导机构监督管理下，协同军民航空管部门，由地方政府部门设立城市低空管理服务机构，负责城市低空航路航线划设与管理（城市低空航路航线划设总体流程见图2）。城市低空管理服务机构根据需求类型、需求规模与时空分布等特征，实施数字空域离散化建模、基础设施配置、航路航线划设工作，形成空地协同立体航路航线网络划设方案。从碰撞风险、通行能力、能耗噪声和居民隐私等方面，综合评价航路航线划设方案，实施航路航线准入管理、动态管理、灵活使用等，并上报最终划设方案至地方政府部门、军民航空管机构及无人驾驶航空器一体化综合监管服务平台，共享航路航线情报信息。

图2 城市低空航路航线划设总体流程

（三）划设方法

       1.基于数字网格的城市低空航路航线划设方法。基于城市空域类型、建筑分布、特殊气象等要素，开展低空空域数字化、网格化研究，实现多层级三维网格化剖分。重点研究构建数字网格编码与检索体系，生成网格唯一标识编码，将空域四维属性信息离散映射至对应网格，形成集标识编码、时间戳、空域属性信息于一体的网格属性表达方式，实现空间智联环境的高效精细化管理。考虑空地环境、通导监水平、无人机性能等约束，以安全、高效、绿色为导向，构建城市低空航路航线多目标规划模型，实现无人机航路航线网络的精细规划（见图3）。

图3 基于数字网格的航路航线划设

       2.基于空地协同的城市低空航路航线划设方法。未来UAM趋向于空地协同的交通运输模式，航路航线划设需要地面基础设施的支撑保障。垂直起降机场作为无人机起飞与着陆的重要设施，其选址布局结果直接影响航路航线承载能力与服务水平。结合城市空间实体布局、地面交通条件、起降机场服务能力等因素，明确起降机场规划原则、运行概念、结构特征等，提出起降枢纽、起降场、起降点三级选址方案，建立城市多级起降场点与航路航线网络协同配置模型，优化调整起降场点布局、航路航线划设与空域资源配置，形成城市低空“起降机场-航路航线”空地立体网络体系，实现无人机航路航线网络的空地协同规划（见图4）。

图4 基于空地协同的航路航线划设

       3.基于动态分层的城市低空航路航线划设方法。面向城市低空实际运行场景与航路航线划设的动态关联关系，综合分析上层网络结构、中层飞行计划与下层运行管理的耦合影响，建立城市低空航路航线网络动态分层划设模型（见图5）。上层模型重点考虑网络结构效率最大、可拓展性最优；中层模型重点考虑用户路径选择最优、使用灵活性最高；下层模型重点考虑无人机运行冲突风险最小、环境影响最小。根据运输需求调配生成无冲突飞行计划，动态优化调整城市低空航路航线结构，实现无人机航路航线网络的动态精密规划。

图5 基于动态分层的航路航线划设

（四）综合评估

       为保障无人机运行安全，稳步提高无人机运输效率，推动低空绿色可持续发展，增强社会广泛认可度，可从安全、容量、绿色和满意度等方面综合评估无人机航路航线划设方案。

       1.安全评估。安全评估包括无人机安全使用与对外安全影响等多层次内涵，是实现航路航线划设反馈调节的关键。结合无人机性能特点，分析无人机运行能力与航路航线结构的适配程度，重点评估起降场点、交叉口等关键节点的安全性与可靠性；基于航路航线时空范围与运行模式，量化分析无人机运行对军民航空安全及社会公共安全的影响程度，实现航路航线内外部安全性能综合评估。

       2.容量评估。容量评估是评价航路航线划设是否满足无人机运输需求的重要指标。重点考虑无人机冲突探测解脱性能、航路航线网络拓扑结构等因素，采用特定性能指标的最小相变阈值、航路航线所能承载最大无人机数量等指标评估容量，量化表达航路航线运行服务能力。

       3.绿色评估。绿色评估用于分析无人机在执行飞行任务过程中所产生的噪声、能耗排放等。考虑噪声源的类型、数量、传播速度等因素，结合城市空域建筑物分布，建立无人机噪声分析模型，计算噪声对城市居民影响；针对无人机能耗、作业时间等因素，计算无人机碳排放量。

       4.满意度评估。满意度评估可采用问卷调查、模拟仿真和实地试飞等方式进行，重点收集噪声干扰、隐私安全等相关数据，分析公众对城市低空航路航线划设与运行管理的认可度和满意度。

       充分考虑各地区空地环境特征，选择净空条件良好的典型城市区域，启动低空航路航线划设工作，并联合地方优势企业开展无人机运输示范应用，评估验证航路航线安全性、可靠性与经济性。基于前期示范应用经验与成果，选择深圳、上海、南京、青岛、重庆等地开展针对性示范应用，持续迭代完善航路航线划设标准规范、关键技术及系统工具，形成可复制、可推广的航路航线划设成果，推动构建空地一体化立体交通系统，促进低空经济高质量发展。