无人机运行风险评估及不确定性综述

2020-05-12张宏宏甘旭升辛建霖柯贤鑫

科学技术创新 2020年10期

张宏宏甘旭升辛建霖徐畅柯贤鑫

（空军工程大学空管领航学院，陕西西安710051）

无人机，是由控制站管理的航空器，也成为“遥控驾驶飞行器”（Remotely Piloted Aircraft,RPA）或者“遥控驾驶平台”（Remotely Piloted Vehicle,RPV）。大多数无人机系统由无人机或遥控飞行器、人的因素、任务载荷、指挥与控制单元、发射回收单元以及通信数据链等组成[1]。

随着智能化水平快速提升，无人机在军事、农业、资源勘探、渔业等多领域应用广泛，一些远程大型无人机不断涌现，远程无人机使用全空域运行已是必然趋势。融合空域具有高度复杂性、线性、非线性之间相互耦合，具有高度不确定性。目前对无人机在隔离空域的研究较多，在融合空域内的无人机不确定性与安全风险评估研究较少。

1 无人机系统安全风险评估

无人机进入融合空域后，航空器在一定间隔下飞行时的安全目标水平（Target Level of Safety，TLS）可以来衡量无人机是否与有人机拥有相同的性能标准。无人机系统操作监管的主要目标是确保适当水平的安全性，大多数国家的航空机构将此目标量化为与“有人机”具有相同安全水平标准，称为ELOS（Equivalent Level of Safety）原则。

在地面撞击死亡事故中，目前，对于预期死亡频率fF公式在不同文献中，由于研究偏重与考虑细节不同，表达式也有细微差别[2]。

式中，Nexp表示暴露在事故中的人数，P（fatality|exposure）表示暴露在事故中的人受到伤害的概率，fGIA表示地面撞击事故的概率。

进一步对上式进行实际化，在地面撞击事故中，往往存在多个伤害场景，不同的伤害场景的模型参数差异过大，这时候就需要应用多组模型进行衡量事故死亡率。

式中，i 表示事故伤害的场景数，分组模型公式更好地对事故状况进行模拟，但也需要提供更多得参数，效果也比单场景模型好。

人口密度ρ 在不同撞击场景中往往取值差异较大。伤害面积Aexp与无人机的机械结构与撞击角度有关，暴露在事故中的人受到伤害的概率P（fatality|exposure）表示为：

式中，Z 为正态分布参数，Eimp表示撞击动能。

2 无人机运行不确定性因素

2.1 人为因素不确定性

人是无人机系统重要的组成部分。目前无人机的闭环任务执行过程，都需要人为参与，但目前影响无人机运行的人为因素类型多、主观意愿强，具有不可预测性，具有高度不确定性。如何降低无人机运行过程中的人为因素，是无人机进入融合空域的关键因素。无人机智能化是当前无人机发展的趋势，这也会造成无人机认为因素的干扰降低。

操作环境主要是由人- 机交互界面等因素组成，友好的操作环境能保证无人机操作员在面临高度不确定性环境下，有效、高效地执行程序。人- 系统集成（Human-Systems Integration,HSI）是一项涉及多领域的系统工程，涉及对技术层面、人为因素、执行效率、人力、训练、安全等领域的综合化集成，积极的人为因素有助于人- 机集成系统执行高效。系统自动化旨在降低操作员的工作量，从系统的层面上提高无人机态势感知的能力。同时机组规模、编成和训练等因素对无人机效能发挥起到辅助作用。

2.2 机载设备不确定性

无人机具有体积小、高机动性等特点，程序化的控制策略已经不能满足多任务的需求，无人机智能化、自动化执行任务已成为无人机进入国家空域的核心技术，但无人机由于自身机载电子设备的系统性误差，会造成无人机系统在信息探测、信息传输、信息接收等领域的数据产生失真，无人机接收到具有不确定性的数据信息，执行的指令效果也大打折扣，从而影响无人机的安全运行。

无人机的系统不确定性主要由三个方面产生。

第一，指令遥测遥控，与有人机的驾驶员能够实时进行态势感知与精确判断不同，无人机的操作指令都是通过地面站与机载设备的数据链进行传输，缺乏有人机驾驶员那种直接感受、判断、决策的精准。

第二，预编程序控制，无人机通过内置程序进行导航、制导与控制，但这种控制方式随着无人机在融合空域内运行，误差逐步累积，造成无人机偏离航向、无法返航、定位误差等结果。

第三，复合控制技术，无人机将指令遥测遥控与预编程序控制两种控制方式结合在一块，虽然综合发挥了两种制导方式的优势，但也具有两种控制方式的劣势，系统误差造成的不确定性无法避免，对无人机空中运行安全造成了威胁。

2.3 复杂空域环境不确定性

与无人机在“隔离空域”运行情况不同，融合空域内航空器类型多元，有人机与无人机混杂，入侵机速度、体积、航线等因素多元；融合空域内空域类型多样，飞行禁区、军事训练区、临时飞行禁区、终端区、航路航线等空域类型构成了复杂的融合空域，无人机如何在不确定的空域类型中保证其安全飞行以及巡航能力，是目前无人机进入国家空域急需解决的问题；空域环境具有高度不确定性，航空器处于空域内不同的高度层，从低空到高空都分布着不同类型的航空器，特别是在低空区域，随着“低空开放”政策的逐步落实，低空将成为最复杂的空域。这些因素都给无人机运行带来巨大风险与挑战。如何克服无人机复杂融合空域内的不确定性因素，解决无人机在运行过程中的在感知与避撞能力、协同能力、执行任务能力是无人机进入国家空域的关键因素。