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无人机交通以及最近衰亡的地面移动性治理失去了宽泛的关注。为此，波音、空客、霍尼韦尔和贝尔等传统航空巨头以及 Uber 等新兴世界级影响力的企业纷纷退出。本报告提出了地面高速公路计划以及仿真测试。该计划基于时空大数据，思考了交通网络、航线布局和分布式管制设计。在地面高速公路上，每架无人机都有本人的布局的航线，能够自主地自在航行，从而反对密集平面的航行交通。
1. 背景
明天我给大家带来咱们实验室（北航牢靠航行管制研究组）做的一些工作，次要内容是讲一种城市地面移动性治理分布式管制框架。
置信美团的同学肯定也很十分期待实现无人机配送的一天早日到来。将来无人机配送服务将会极大地扭转咱们目前的生存形式。只管在人群密集的区域，咱们依然须要靠人来实现配送服务，然而在人口比拟稠密，比方市区等地带，应用无人机配送会更好。报告表明，网联无人机将为产业带来 7~10 倍的产业机会，这也是咱们在大略三年前就开始着手做这方面相干的工作的起因。
无人机的交通网和交通管理，是否能够利用现有的交通形式呢？咱们通过钻研发现，像传统的民航网其实是不适宜的，民航的飞行器其实十分稠密，在三维空间，整个网络的变动频率是比拟低的，有入网申请时，基本上是通过集中式的布局。而公路网络只管很密集，然而二维空间，因而交通网络管理也是偏自主的。铁路同样也是二维的。网络动态变化是说就像咱们上互联网一样，咱们须要接入网络，而公路不可能马上为咱们修一条公路进去。无人机交通与公路、铁路具备共同点，不同的是无人机处于三维空间，网络动态变化比拟高。因而咱们在设计无人机航行管制框架时，心愿设计一种可能适应包含无人机的减少、网络的扩大等变动的框架。对于门路布局，其实能够采纳集中式加自主的形式来进行。对于这部分的内容咱们往年发表了一篇综述文章《低空无人机交通管理概览与倡议综述》，感兴趣的同学能够参阅。
咱们心愿可能为低空持续增长无人机及利用提供一个低空的智能大脑。对于技术钻研来谈话，低空低空的区别没有那么大，但目前咱们次要是思考低空多一些。比如说凋谢 120 米以下的低空，它的特点在于这些中央会有十分多的修建，如果无人机掉下来的话，会对下方区域的人身及财产平安造成一些危害，这是对咱们城市交通的一个十分大的挑战。因而咱们次要思考以下三个需要：
- 布局无人机的航线、起飞时间，确保无人机在防止抵触的前提下腾飞 ：无人机航线起飞时间跟咱们目前坐飞机的感觉是一样的，有时候飞机会停在某个中央提早腾飞，目标是为了不与其余飞机在航路上产生碰撞及抵触，当然有时候也会因为天气等起因，须要飞机提早腾飞，因为飞机在高空期待，代价是最小的。
- 在防止碰撞的前提下顺利完成航行工作
- 应答天气、禁飞区等不确定因素的影响 ：无人机长期在航行过程中，咱们有时须要切断某些航线，这种状况下，咱们心愿飞行器依然可能可能飞到目的地，至多它能平安的回到左近的机场。
2. 地面高速公路根底：网络和时空大数据
发展地面高速公路钻研，咱们须要有网络和时空大数据的一些钻研根底。
首先咱们须要有通信、导航、监督性能等基础设施，这些性能充当着整个无人机交通管理零碎的眼睛、耳朵和神经系统，负责态势感知和信息传输。其中，通信就是 4G/5G、卫星通信等，这是咱们的网络。导航是咱们飞行器须要导航，比如说通过基站定位、雷达、卫星、惯导以及视觉的导航。而监督跟导航的区别在于导航是给飞行器用的，监督是咱们作为官网须要理解飞行器在地面的动静。有些飞行器可能会本人导航，通过导航或者通信通知公开的地面站，这样的话咱们能够监督。但有些飞行器是航模，没有通信的性能，只能被动的被看到，那么咱们能够通过一些可见光、声波等来监督，还有飞行器可能通过一些 ADS- B 等来播送本人的信息。因而通过以上这些性能，能够实现咱们对飞行器航行周边环境的理解，高空对地面环境的理解，这是咱们做地面高速公路钻研的一个根底。
另一方面，咱们须要时空大数据的撑持。首先咱们须要理解所有禁飞区，禁飞区也会动静的变动。其次咱们须要理解气象大数据，以便咱们布局飞行器避开极其天气。同时咱们也须要获取天文大数据的信息，比方通过天文大数据咱们能够理解什么地位有障碍物，哪些区域下方是草地等，依据这些信息能够进一步的提取一些信息，来布局飞行器的航路、航路网等以及布局飞行器的航线。另外咱们还能够通过挪动互联网晓得哪些地方人口密集，这样在布局航路网或者航线的时候，就能避开这些人口密集的中央。以上这些都是咱们钻研须要的时空大数据根底。
后面提到，网络是咱们钻研地面高速公路的根底，目前在空中交通，次要是通过网络来分享信息。然而网络会有网络品质，那么网络品质与航行平安是什么样的关系呢？网络品质通常由三个因素决定：噪声，提早，丢包（Packet Loss）。因为网络品质起因，无人机获取到的障碍物地位，和障碍物理论的地位可能就不一样了。以下图为例，无人机预计本身的地位产生了偏差，随之预计障碍物地位也产生了偏差。因而咱们须要设计一个航行的平安间隔，以应答网络品质造成的这种不确定性。这跟咱们在高速公路上开车须要放弃车间距是一个情理，咱们车间距这个概念用到无人机的空中交通，心愿以此来应答这些丢包提早。当然也有人通过一些管制的办法来解决这些问题，咱们这种办法应该更适宜交通的场景。
传统的空中交通的间隔没有这么简单，飞机之间的间隔距离十分远，那么无人机之间的间隔应该怎么来管制呢？通过钻研，咱们认为无人机的平安半径应该满足上图中的关系，rm 是飞行器自身的半径，ro 是障碍物自身的半径，rv 是跟飞行器速度以及机动性相干的，re 示意网络的影响。网络影响怎么来了解？提早丢包率是 Θ，如果丢包率为 1 的话，那就示意飞机齐全失联了。从激进角度来说，飞行器可能在任何地位。所以 Θ 越靠近于 1，平安半径越大，τd 示意提早，网络传递会有提早。有些同学可能认为像咱们当初打电话的提早曾经十分小了，然而在地面，咱们通过试验证实网络存在肯定的提早，另一方面丢包率会随着间隔的减少而减少。因而，咱们须要对网络影响进行评估，依据评估后果设计飞行器平安半径。在平安半径下，能够认为飞行器没有网络噪声，是齐全准确的，只有保障两个飞行器的平安半径不相交，那么飞机器必定不会相撞，这就是咱们平安半径的设计。
另一方面，咱们须要通过一些数据做危险评估，如下图所示，至多有两个因素：事变概率评估（fGIA）和事变伤亡评估。事变概率评估就是说飞行器不连续飞行就坠落的可能性，能够通过统计办法预估。无人机相比于飞机的一个益处是，即便坠落也未必会砸伤人。飞行器坠落有一个裸露模型，比如说掉落到树上或者房顶上对人的影响就会比拟小。因而咱们须要有地理信息撑持，一旦飞行器须要迫降，咱们能够通过地理信息找到比方草坪等适宜迫降的地带。同时裸露模型也与人口密度相干。而挫伤模型与飞行器设计相干，与飞行器着落的动量相干。以上这些因素独特失去危险评估，能够用来进行航路网布局、门路布局、紧急迫降等。制订相干规范，相干法律法规的部门会比较关心飞行器的危险评估，一些危险评估公司也会基于危险评估后果去举证飞行器的危险到底有多大。
3. 地面高速公路
地面高速公路分为模型建设，算法设计，试验验证三局部为大家介绍。其中，模型建设分为两种：航路网模型和无人机模型，咱们治理无人机须要对无人机进行建模，而高空也须要给无人机发送指令，这相当于一个规范的模型；算法方面能够分为集中式空中交通管制和分布式空中交通管制，集中式能够认为所有的指令都是由地面站给飞行器发的，飞行器之间互不通信，通信齐全通过高空来协调，而分布式相对来说更加灵便一些。最初是咱们的仿真和试验。
3.1 模型建设
3.1.1 航路网模型
航路网模型能够认为是节点和边形成的一个网络。咱们的设计指标是不同航路的无人机互相不烦扰，放弃平安间隔。如果飞行器在不同航道下面，比如说一条公路下面有两个方向，但不同航道下面的飞行器，须要放弃相应的平安间隔，相似两条路，它们之间的夹角十分小，要往一个节点过来，如果夹角小到肯定水平的话，那么不同航道上的两个飞行器之间的间隔就很近了，就可能会有危险。在理论过程中，咱们无奈得悉无人机的具体位置，只能晓得一个大略的不是特地精准的地位，因而就须要无人机之间放弃平安间隔。
航路网建网须要对空域有理解，刚刚后面咱们提到的地理信息，人口信息。如下图所示，能够认为彩色区域为禁飞区，它有两种，一种是比拟稠密的，一种是比拟密集的。无论哪一种，都能够通过节点把它们连贯在一起，这些节点可能是飞行器的起降点，还有一些节点可能是航路的交叉点，就像公路的交叉路口一样。
航路网建网有两个优化指标，一是心愿航路网的总长度越短越好，因为建设航路网，这也相当于一个基建工程，须要保障航路网下面的通信、导航、监督，这些都须要老本；二是心愿航路网的危险最低，思考到比方人口密度等因素，咱们心愿画出下图所示的航路网，然而这是一个多指标的优化问题。
咱们在航路网建模上做了一些工作，用了下图的几种办法。
- 首先是形态学骨架法，这个跟图像处理的骨架相似，给定一张图片须要生成它的骨架。原理很简略，彩色是危险的边界，生成的骨架就是这些航路，航路和两边的间隔要尽可能的远。
- 其次是三角剖分法，连贯 3 个点的最短门路不是把三个边连成一个三角形，可能是通过费马点把它们连在一起。
- 最初是综合法，形态学骨架法适宜密集的地图，而三角法更适宜稠密的地图，综合法兼顾密集与稠密两种状况，通过半自动的形式建成航路网。
形态学骨架法的实现过程如下图所示，首先是骨架提取，有些同学可能会问为什么骨架提取之后会产生这些变量，这是是因为咱们要保障提取进去的骨架间隔两边彩色危险区的间隔要大于肯定的阈值，如果不满足的话，就要断开去除，之后再进行直线拟合。当然还要在外面退出一些指标点，与整个网络连接在一起。最初须要提取图的构造，把节点和边的关系依照图论的建模形式提取进去。
三角剖分法就是通过费马点把这些节点连贯在一起，有些边会穿过障碍物，咱们再通过优化办法避开，最初造成一个网络。另外，咱们能够将人口密度等因素等效为彩色禁飞区增加到地图中。通常在地图中，“1”示意有障碍物，“0”示意没有障碍物。咱们在航路网建模中做了一个进一步的工作，用 0～1 之间的概率来示意，有些禁飞区比方墙等是相对不能飞进去的，然而有些区域人口稠密一些，就不适宜用“1”来示意，这种状况下能够应用 0.4、0.5 这样的概率来示意。咱们心愿可能通过这种形式来构建航路网，这在下图中没有体现。
综合法就是在下图这种状况下，咱们在障碍物密集区外部应用形态学骨架法来做，在内部稠密区使用费马点来做，最初把它们联立成网络。有时候我本人的学生会问我，什么叫密集的，什么叫稠密的？我感觉不要思考这个问题，本人来判断，因为航路网建模不是肯定要齐全自动化的过程，而且一旦建成之后当前就不须要扭转了，所以在建模的过程中须要人为的去确定每个区域的航路网是什么形态。这样就能很好的兼顾上述两种办法，最终造成不同的航路网。
下图是航道的形象构造示意图，航道外部咱们参考了目前的高速公路，两头有一个隔离带，这个隔离带就是咱们后面提到的两架飞行器之间的平安间隔，它能够是双向的。
另一方面，航路网的节点也有构造，如下图所示，咱们个别是以圆柱形构造。节点有多个航道相接，须要思考不同航道的飞行器不能距离太近，因而须要减少节点的半径，确保不同航道的飞行器距离足够远。
航路网有形象的构造，外部也有具体的构造，通过一些约束条件，确保不同飞行器在任何状况下都能大于平安间隔，这就让咱们晓得怎么去设计整个航路网。
3.1.2 无人机模型
咱们须要对无人机收回指令，这就须要有肯定的规范的接口，接口咱们有一些模态比方断电模态、期待受权模态、预位模态、航行模态、避障模态、迫降模态给无人机发指令，这样的话，无人机就相当于被咱们的交通控制系统管制了。这个接口咱们目前还不是那么规范，我心愿最终咱们能有一套空中交通零碎的规范。
3.2 算法设计
低空交通控制算法包含集中式空中交通管制和分布式空中交通管制。
3.2.1 集中式空中交通管制
集中式管制能够分为两个局部：离线布局和在线管制。离线布局就是说飞机起飞前须要申报本人的航行打算，而后承受审核。如果以后的航路网十分梗塞的话，那么审核就不会通过，就须要期待或者从新申报航行打算。如果审核通过的话，就会产生一个蕴含起飞时间、地点等信息的待飞打算，将待飞打算写入空中交通管理系统的数据库中，进而对空中交通状况进行预测。
然而飞行器在航行过程中受天气、自身状态等因素影响会有很多不确定性，飞行器的飞行速度变动就会产生抵触。因而在飞行器航行过程中，咱们须要对飞机进行一些定量的管制，这就是飞行器的在线管制。咱们能够通过管制飞行器的高度、速度等，使它可能防止抵触，如果在整个航路网中抵触无奈防止，那么咱们必定不心愿产生多米勒骨牌一样的效应，因为部分一个因素，使整个航路网都发生变化。防止抵触最简略的办法就是避障，一个飞行器向上飞，一个飞行器向下飞，这是空中交通的劣势，汽车没有方法做到，大略是这样一个逻辑。
以下是基于集中式的低空交通控制系统中几个要害模块的算法过程：
打算审核求解算法
- 步骤一：获取新退出的无人机 ???? 的避障间隔 ????a 和打算信息合集 ????????；
- 步骤二：更新航路网信息???? 和以后时刻 ????，通过 Dijkstra 算法失去无人机的航路点 ℎ????，并计算飞齐全程所需的工夫 ????????；
- 步骤三：对无人机 ???? 解优化问题；
- 步骤四：若有解则间接执行步骤五；若无解且起因是抵触问题，则判断与其发生冲突的无人机们优先级???????????????????????????????????? , ???? ∈ ???????? ,collision 是否均小于本人。若是则回绝无人机 ???? 的申请后执行步骤五，否则回绝无人机 ???? 的申请，期待 ???????????????????? 时长后执行步骤二；若无解且起因是容量问题，则临时先令超容对应的航路固定容量为 0，再执行步骤二；其余状况均倡议过 ???????????????????? 时长后执行步骤二；
- 步骤五：如果满足超时约束条件，则反馈无人机航路点和起飞时间；否则倡议过 ???????????????????? 时长后执行步骤二。
冲突检测和流量管制求解算法
- 步骤一：获取预估工夫 ????max 和避障间隔 ????a；
- 步骤二：更新航路网信息????，以后时刻 ????，所有已通过腾飞受权的无人机信息 ???????? , ???? ∈ ????active。对已通过腾飞受权的无人机进行冲突检测，若有抵触无人机则输入发生冲突的无人机 ???????? ,collision 和可能的抵触工夫；否则执行步骤五；
- 步骤三：解优化问题；
- 步骤四：若有解则输入无人机在以后航路的新速度 V n????,????????????−1,n????,????????????,new；若无解则输入事件刺激无人机启动本身防碰撞算法；
- 步骤五：距离 ????max 时长后，执行步骤二。
异样解决求解算法
思考异样天气、交通管制等（内部因素）产生的抵触进行改航。
- 步骤一：获取航路网信息????，受影响的航路????ban，受影响的节点????ban，所有已通过腾飞受权的无人机打算信息???????? ,???? ∈ ????active；
- 步骤二：将受影响的航路????ban 和节点????ban 剔除，更新航路网信息????；
- 步骤三：通过比对打算信息???????? , ???? ∈ ????active 中的航路点ℎ????，筛选出受影响的无人机汇合????ban，若????ban = ∅则输入无影响并终止程序；否则执行步骤四；
- 步骤四：对受影响的无人机采纳迪杰斯特拉算法，输入新的航路点ℎ???? , ???? ∈ ????ban 并更新???????? , ???? ∈ ????ban。
3.2.2 分布式空中交通管制
集中式空中交通控制系统中如果有某架飞行器要扭转航行打算，那么与之相干的所有无人机都须要从新在线布局，更新航行打算，且布局复杂度随飞机减少而增大。因而，集中式框架计算复杂度太高了，咱们心愿有另一种框架。就像开车一样，咱们要导航去哪个中央，地图通知咱们从 a 到 b 点怎么走。这个布局是咱们在开车之前，地图就给咱们设计好的。对于飞行器来说，腾飞之前零碎会依据空中交通状况确定航行打算，但一旦腾飞之后，就由飞行器自主决定怎么做，这就是分布式整体的框架。分布式框架把很多管制从地面站转移到了飞行器上，每个飞行器只管本人，整体上是有组织的，但在航行过程中，飞行器会依照肯定协定，与其余飞行器避障。这一部分咱们提出一个概念叫 Sky Highway 地面高速公路，咱们有一篇论文《Sky Highway Design for Dense Traffic》简略的论述了咱们整个的思路，感兴趣的同学能够看一下。
对于航路避障的话，飞机能够间接在航道上进行一些避障的航行，为了减少整个航路网的带宽，咱们在节点处做了一些设计，比如说这个节点是为了改变方向的，咱们也心愿飞行器可能间接通行，这样话就不必期待。如果是多个航道相交的话，这叫做穿插节点，也就是交叉路口。平时咱们通过交叉路口时，最常见的是红绿灯，然而红绿灯就意味着飞机要在这里期待。所以目前咱们采取了环岛构造，应答像红绿灯这种低效率的期待策略。而后管制，咱们大体上是像人工势场法这种思路来进行的，保障无人机在航道外面往前航行，同时又不卡死。人工势场法有一些毛病，有可能会导致卡死，比如说咱们大家都往一个点走，那可能谁都达到不了这个点，大家都想达到，然而无奈同时达到，这就是卡死问题。咱们目前把这些问题都解决了。而后还有环岛，咱们做了比拟细的一些钻研，飞行器都能进入航道，又可能顺畅的进来，这个环岛设计算是咱们的一个翻新。
3.3 仿真与试验
最初来介绍一下咱们的仿真，咱们本人搭建了 MATLAB 的一个仿真环境，其中有航路网信息，待审核无人机的信息，输出的禁飞区的信息等等，如下图所示：
咱们在实验室也做了一些相应的平台，用这种定位设施来做，如下图所示：
4. 总结与瞻望
无人机空中交通或城市地面挪动是大势所趋，无线网络和时空大数据是交通的根底，同时交通设计也对网络提出了新需要。咱们对地面高速公路做了一系列的工作：
- 设计了航路网模型和无人机模型、基于集中式的低空交通控制算法，以及最重要的基于分布式的低空交通控制算法，在确保无人机平安航行的前提下增大了流量。
- 搭建了仿真和试验平台，并通过用例测试验证了基于集中式的低空交通控制算法和基于分布式的低空交通控制算法的可行性。
将来咱们心愿持续在以下方面发展工作：
- 晋升航行状态预估算法效率。
- 机场高效调度。
- 固定翼飞行器的调度算法。
- 异构零碎（旋翼机和固定翼混合空域）鲁棒性调度算法。
- 半物理仿真空管测试零碎开发。
- 基于实在场景的航行验证。
5. 作者简介
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