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有人无人融合运行下空域宏观交通风险建模与评估方法

尚然然 胡明华 杨磊 任禹蒙 李洋洁

尚然然, 胡明华, 杨磊, 任禹蒙, 李洋洁. 有人无人融合运行下空域宏观交通风险建模与评估方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(4): 24-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.003
引用本文: 尚然然, 胡明华, 杨磊, 任禹蒙, 李洋洁. 有人无人融合运行下空域宏观交通风险建模与评估方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(4): 24-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.003
SHANG Ranran, HU Minghua, YANG Lei, REN Yumeng, LI Yangjie. A Methodology for Macroscopic Airspace Traffic Risk Modeling and Assessment under Manned-unmanned Integrated Operations[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(4): 24-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.003
Citation: SHANG Ranran, HU Minghua, YANG Lei, REN Yumeng, LI Yangjie. A Methodology for Macroscopic Airspace Traffic Risk Modeling and Assessment under Manned-unmanned Integrated Operations[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(4): 24-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.003

有人无人融合运行下空域宏观交通风险建模与评估方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.003
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2022YFB4300905

国家自然科学基金面上项目 52472346

详细信息
    作者简介:

    尚然然(1995—),博士研究生. 研究方向:融合空域规划与运行调控. E-mail:srr1995@nuaa.edu.cn

    通讯作者:

    杨磊(1987—),博士,副研究员. 研究方向:国家空域系统规划与协同运行. E-mail:laneyoung@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: U8

A Methodology for Macroscopic Airspace Traffic Risk Modeling and Assessment under Manned-unmanned Integrated Operations

  • 摘要: 有人与无人驾驶航空器融合运行为空域安全评估带来了全新挑战。现有风险评估研究主要聚焦于基于轨迹推演的战术级碰撞风险评估,缺乏面向空域规划设计的战略级系统层面风险评估。为全面评估空域安全水平,确保大型无人机规模化安全融入管制空域,研究了有人无人融合运行下空域宏观交通风险建模与评估方法。从航路与交叉点结构特征入手,构建了基于几何形态与冲突临界断面的空域静态风险指标;基于交通流运行特性,从水平和垂直这2个维度提出了空域动态风险指标;通过将静态复杂度与动态冲突风险进行耦合,建立了综合反映空域结构静态特征与航空器运行动态特征的融合空域交通风险评估模型。在此基础上,以上海4个区域扇区为例,进行有人机运行场景下风险评估分析,以此验证模型的可行性和有效性并获取空域目标安全水平;进而设计仿真实验,探究融合运行下异质交通流速度差、间隔、混合比3个参数对风险的影响机理;并以不超过空域目标安全水平为准则,进行等效风险下有人无人融合运行判定,评估各有人机航路允许引入的无人机架次。结果表明:①速度差和间隔是风险的核心驱动因素,混合比对空域交通风险的影响与间隔值设定有关,当有人无人间的最小安全间隔远大于有人机间的最小安全间隔、无人机间的最小安全间隔时,无人机占比为50%左右时风险最高;②速度差、间隔和混合比3个参数间存在复杂协同作用,无额外高阶耦合效应;③高初始风险时段不利于引入无人机融合运行。

     

  • 图  1  航路i上存在潜在冲突的临界断面示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of critical sections with potential conflicts on route i

    图  2  存在潜在冲突的单位临界断面示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of unit critical section with potential conflicts

    图  3  交叉点n处存在潜在冲突的临界断面示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of critical sections with potential conflicts at intersection n

    图  4  航路中仅有2种类型航空器时运行示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of operations with only two aircraft types in the route

    图  5  4个扇区的空域结构示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of airspace structure of four sectors

    图  6  4个扇区2019年11月1日—7日的空域交通风险结果

    Figure  6.  Airspace traffic risk results of four sectors from November 1 to 7, 2019

    图  7  空域交通风险指标与流量指标相关性分析

    Figure  7.  Correlation analysis between airspace traffic risk indicators and traffic flow indicators

    图  8  10 km间隔、10%混合比下速度差与空域交通风险关系图

    Figure  8.  Relationship diagram of speed difference and airspace traffic risk under 10 km separation and 10% mix ratio conditions

    图  9  10%混合比、600 km/h速度差下间隔与空域交通风险关系图

    Figure  9.  Relationship diagram of separation and airspace traffic risk under 10% mix ratio and 600 km/h speed difference conditions

    图  10  10 km间隔、600 km/h速度差下混合比与空域交通风险关系图

    Figure  10.  Relationship diagram of mix ratio and airspace traffic risk under 10 km separation and 600 km/h speed difference conditions

    图  11  速度差-间隔-混合比与空域交通风险关系图

    Figure  11.  Relationship diagram of speed difference-separation-mix ratio and airspace traffic risk

    图  12  等效风险下的有人无人融合运行判定结果

    Figure  12.  Determination results of manned aircraft and UAV integrated operations under equivalent risk

    表  1  扇区航路数据示例

    Table  1.   Example of sector route data

    扇区名称 航路名称 航路点名称 经度/(°) 纬度/(°) x y 顺序号 备注
    ZSSSAR07 A326 DOPNO 123.405 28 35 13 737 412.68 4 163 881.145 0 原始点
    ZSSSAR07 A326 IVPIP 123.420 56 34.820 28 13 739 113.4 4 139 484.355 1 原始点
    ZSSSAR07 A326 IKADI 123.483 33 34.091 67 13 746 101.79 4 041 117.272 2 原始点
    ZSSSAR07 A326 7TO33 13 746 721.72 3 835 606.778 3 与边界交点
    ZSSSAR10 X149 P509 116.325 56 24.892 50 12 949 301.61 2 862 546.437 0 原始点
    ZSSSAR10 X149 OUT10 12 956 903.24 2 807 045.762 1 与边界交点
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    表  2  扇区内ADS-B航迹数据示例

    Table  2.   Example of ADS-B track data in sector

    扇区名称 航班号 机型 时间戳 经度/(°) 纬度/(°) 高度/m 速度/(km/h) x y 航路名称 高度层
    ZSSSAR07 CDG2226 B738 2019/11/1 00:10:01 121.614 04 33.265 82 7 498.08 692.648 13 538 013.006 3 930 640.510 B221 7 200
    ZSSSAR07 CDG2226 B738 2019/11/1 00:10:12 121.607 06 33.279 97 7 498.08 694.5 13 537 236.996 3 932 524.534 B221 7 200
    ZSSSAR10 CQH8668 A320 2019/11/7 00:15:02 115.528 75 24.758 44 10 081.26 959.336 12 860 601.622 2 846 103.461 H22 10 100
    ZSSSAR10 CQH8668 A320 2019/11/7 00:15:11 115.545 91 24.770 45 10 088.88 959.336 12 862 511.864 2 847 575.809 H22 10 100
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    表  3  4个扇区的航路结构特性及空域静态风险指标

    Table  3.   Route structure characteristics and airspace static risk indicators of four sectors

    扇区 交叉点n /交叉角$\alpha_{i, j} /$交叉点复杂度$\gamma_{n}$ 航路j 航路长度Li /km 航路复杂度βi
    ZSSSAR
    07
    航路
    i
    A326 B221 W108 W113 X187
    A326 4/76°或80°/3.065 3/57°/3.574 328.582 0.135
    B221 1/81°/4.046 263.384 0.077
    W108 2/82°/14.774 2/75°/14.774 263.343 0.155
    W113 4/76°或80°/3.065 1/81°/4.046 2/82°/14.774 2/23°/14.774 340.292 0.298
    X187 3/57°/3.574 2/75°/14.774 2/23°/14.774 246.963 0.193
    ZSSSAR
    08
    B591 W13 W67 X11
    B591 121.132 0
    W13 1/85°或81°/14.1921/26°或40°/14.192 304.277 0.192
    W67 1/85°或81°/14.192 1/58°/14.192 45.861 0.476
    X11 1/26°或40°/14.192 1/58°/14.192 264.529 0.233
    ZSSSAR
    09
    H18 H2 H22 X72
    H18 1/30°或43°/40.242 1/80°/40.242 1/86°/40.242 130.621 0.288
    H2 1/30°或43°/40.242 1/71°或57°/40.2421/60°或47°/40.242 238.626 0.347
    H22 1/80°/40.242 1/71°或57°/40.242 1/10°或21°/40.242 164.586 0.850
    X72 1/86°/40.242 1/60°或47°/40.2421/10°或21°/40.242 296.417 0.480
    ZSSSAR
    10
    H22 H98 X149 X72
    H22 1/72°/4.196 3/57°/4.759 258.063 0.174
    H98 1/72°/4.196 2/47°/4.084 4/49°/3.982 175.779 0.425
    X149 2/47°/4.084 56.019 0.243
    X72 3/57°/4.759 4/49°/3.982 199.132 0.186
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    表  4  ZSSSAR07扇区2019年11月3日水平冲突风险指标

    Table  4.   Horizontal conflict risk indicator for ZSSSAR07 sector on November 3, 2019

    时段 高度层hk/m 航路占用率$\delta_{i, h_k}$ 水平冲突风险指标$\tau_{n, h_k}$
    A326 B221 W108 W113 X187 交叉点1 交叉点2 交叉点3 交叉点4
    00:00:00 6 600 0 0.012 499 0 0 0 0 0 0 0
    00:00:00 8 400 0 0.005 931 0 0.012 384 0 7.345×10-5 0 0 0
    00:00:00 9 200 0.012 705 0.012 645 0 0 0 0 0 0 0
    00:15:00 8 400 0 0 0 0.014 713 0.014 889 0 2.191×10-4 0 0
    00:30:00 9 200 0 0.001 567 0 0 0 0 0 0 0
    00:45:00 * * * * * * 0 0 0 0
    08:00:00 7 200 0 0.035 613 0 0 0 0 0 0 0
    08:00:00 7 800 0 0.002 908 0 0 0 0 0 0 0
    08:00:00 8 100 0 0 0.018 644 0 0 0 0 0 0
    08:00:00 8 400 0 0 0 0 0.013 881 0 0 0 0
    08:00:00 9 200 0 0.024 707 0 0 0 0 0 0 0
    08:00:00 9 500 0 0 0.023 402 0 0 0 0 0 0
    08:00:00 10 400 0 0.012 616 0 0 0 0 0 0 0
    23:45:00 8 400 0.013 499 0.012 244 0 0.013 774 0 1.687×10-4 0 0 1.859×10-4
    23:45:00 9 200 0 0.012 470 0 0.013 774 0 1.718×10-4 0 0 0
    23:45:00 9 500 0.011 738 0 0 0 0 0 0 0 0
    注:*表示统计时段内无航空器运行。
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    表  5  ZSSSAR07扇区2019年11月3日垂直冲突风险指标

    Table  5.   Vertical conflict risk indicator for ZSSSAR07 sector on November 3, 2019

    时段 航路$i$ 原始高度层$h_{g} / \mathrm{m}$ 高度层$h_{g}$ 上的航路$i$ 占用率$\delta_{i, h_{g}}$ 穿越的高度层$h_{k} / \mathrm{m}$ 高度层$h_{k}$ 上的航路$i$ 占用率$\delta_{i, h_{k}}$ 垂直变化率$\eta_{i, h_{g} h_{k}}$ 垂直冲突风险指标$\varepsilon_{i, h_{k}}$
    00:00:00 B221 8 400 0.005 931 8 100 0 1 0
    00:00:00 B221 8 400 0.005 931 7 800 0 1 0
    00:15:00 * * * * * * 0
    00:30:00 B221 9 200 0.001 567 8 900 0 1 0
    00:30:00 B221 9 200 0.001 567 8 400 0 1 0
    08:00:00 B221 7 800 0.002 908 7 500 0 1 0
    08:00:00 B221 7 800 0.002 908 7 200 0.035 613 1 1.036×10-4
    08:00:00 W108 8 100 0.018 644 7 800 0 0.333 333 0
    08:00:00 W108 8 100 0.018 644 7 500 0 0.333 333 0
    23:45:00 * * * * * * 0
    注:*表示统计时段内无航空器变换高度层。
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    表  6  参数调整范围

    Table  6.   Parameter adjustment range

    参数 调整范围
    无人机速度/(km/h) 200~800
      有人无人间的最小安全间隔/km 5,10,15,20,25,30,35,40,45,50
    无人机占比 0~100%
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    表  7  多因素方差分析表

    Table  7.   Multivariate analysis of variance

    效应类型 方差来源 空域综合水平冲突风险 空域综合垂直冲突风险
    平方和 自由度 F统计量 p 显著性 平方和 自由度 F统计量 p 显著性
    主效应 速度差 1.078 5 349.665 1.153×10-315 极显著 4.2×10-5 5 243.040 1.765×10-229 极显著
    间隔 1.112 9 200.385 1.768×10-319 极显著 6.2×10-5 9 199.319 5.196×10-318 极显著
    混合比 0.421 10 68.279 6.435×10-130 显著 3.0×10-5 10 86.800 1.086×10-163 显著
    二阶交互作用 速度差×间隔 0.355 45 12.794 1.042×10-86 显著 2.0×10-5 45 12.859 3.161×10-87 显著
    速度差×混合比 0.620 50 20.111 3.645×10-158 显著 4.0×10-5 50 23.147 2.201×10-183 显著
    混合比×间隔 0.229 90 4.127 5.820×10-34 显著 1.9×10-5 90 6.108 3.118×10-62 显著
    三阶交互作用 速度差×间隔×混合比 0.302 450 1.088 0.107 不显著 1.7×10-5 450 1.093 0.096 不显著
    残差 2.676 4 340 1.5×10-4 4 340
    总和 6.793 4 999 3.8×10-4 4 999
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