無人機（UAV）作為一種新型的交通運輸方式，具有飛行器體積小、環境適應性強、調度靈活、需遠程或自動控制、安全管控等級高等特點，其交通管理系統對監測、識別、控制、協調等能力要求較高。

從最早美國亞馬遜（AMAZON）提出的無人機快遞系統（AMAZON PRIME AIR）， 到美國NASA提出的無人機交通管理系統 （UTM）、歐洲無人機管理系統U-space、中國民航制定的民用無人機管理系統UOMS和日本UTM協會JUTM等，無人機交通運輸已經成為了當前交通領域的研究熱點。

本文旨在綜合國內外研究與報道，介紹未來無人機交通管理系統的基本構成與交通領域研究方向。

圖一：NASA Unmanned Aircraft System （UAS） Traffic Management （UTM）

無人機交通管理系統的基本架構

UTM基本架構與控制級別

現階段無論是NASA UTM還是歐洲 U-space的基本架構均有兩個部分：云端管理端和地面服務端。具體細分包含：國家空管數據管理、國家空管系統、飛行情報管理系統、支持數據服務商、無人機服務商、無人機實際運營方。

根據責任劃分，主要分為國家管理與企業私人管理兩方面。同時，根據逐步發展的條件，將UTM控制級別分為4級：

1.0多視距內運行：基于無人機通訊接口和管理系統的網絡化運行，通過地面基站、衛星通訊實現無人機與管理中心的信息共享。

2.0多超視距運行（非城市地區）：在鄉村地區實現超視距飛行意圖分享，在較遠的距離上實現無人機飛行協調，同時實現不同地區地理圍欄約束無人機飛行。

3.0多超視距運行（城鄉結合部、機場附近）：在城鄉結合部或機場等較復雜區域，實現常態超視距運行，遠距離無人機飛行協調，同時實現空中V2V防撞（機對機防撞），并保障規避靜態障礙物。

4.0城市復雜超視距：在城市復雜環境實現超視距運行、精確引導，準確跟蹤和定位，實現規避動態障礙，并具有處理大規模突發事件的能力。

2020年，NASA UTM已經經過測試將控制級別提升至2-3之間。現有的無人機管理系統已經完成了大范圍導航、探測、規避、起降的測試，其中包括對大城市和復雜空域的測試。同時，完成了UTM控制系統的原型程序開發。

UTM配套建設與統一航空管理系統

無人機管理系統本身需要政府投資建設地面通訊、雷達、管理控制、數據中心等單元，保證整套系統的統一與安全;具體實施主要依托行業自主開發與部署。這一模式實際上同時保證了宏觀調控與市場經濟活力。圖二為UTM系統架構圖，主要包含國家航空管理、無人機市場運營和公共管理部門三個責任方。

圖二：NASA UTM 系統結構

無人機交通管理系統現階段主要建設方向包括兩方面：

一是建設符合無人機特征的配套基礎設施，為保證無人機監控、日常運行、信息共享、通訊、管理、協調、廣播、限制等需求，需要建設地面監控設施、通訊設施、保障設施，如地面雷達、無人機起降點等;

二是與現有的航空管理系統進行對接，構建一個統一的航空器管理系統，用于保障無人機與傳統航空器（飛機、直升機等）的安全協調，保證在不改變傳統航空器駕駛習慣的前提下，使無人機與傳統航空器能夠安全運行。

在混和航空器管理系統中，主要包含兩個方向：特定地點多種航空器飛行協調（如機場、城市中心）和空域劃分（如不同高度飛行不同種類飛行器和管制區域劃分）。

圖三為空域劃分，藍色為混合空管空域（機場、城市附近），紫色為傳統航空器飛行高度，淺藍色為無人機飛行高度。

圖三：飛行空域高度劃分

無人機交通管理研究方向

無人機運輸功能、特點及適用場景

無人機運輸具有以下優點：

1.相比地面運輸，無人機運輸方便高效，節約基礎設施投資，節省土地資源。

2.相比一般航空運輸和直升機運輸，無人機運輸成本低，調度靈活。

3.與物聯網、互聯網結合緊密，更容易進行成本與運力優化。

4.節約人力資源，在特殊時期提供高效的物流保障。

現階段無人機貨物運輸主要是應用于短途運輸。現有的無人機貨物運輸設計實際上處于整個物流鏈條的末端，即代替快遞員最終投遞的過程，因此無人機無法使用固定翼，只能采用螺旋翼設計。

為保障最終投遞目的地的安全，無人機貨運交通管理首要目標為規避建筑物、人群等，主要的實現方式為劃定禁飛區域和規劃行進路線。

無人機載人運輸（UAM）是一種未來城市交通解決方案，如空客集團（Airbus）提出的無人機載人運輸概念CityAirbus、億航公司的EHang 184、世界第一架純電動直升機VOLOCOPTER、飛行汽車Lilium Jet以及Uber的航空器出租服務Elevate等。

UAM的主要參數均為滿足城市內短途載人運輸，如EHang 184雙人版載重220千克/續航能力35千米，同時包含無人駕駛、遠程駕駛、自主操作等功能，可以覆蓋人口密集地區的客運航班，包括空中出租、私人出行等。

無人機交通管理系統的交通運輸領域研究

無人機本身具備探測、航拍、廣播等功能，但這些并沒有上升到交通運輸管理的層面，因此無人機交通管理系統主要針對大規模無人機的貨運和載人飛行能力，或無人機與其他飛行器的交叉空域。

無人機關于起降、通訊、感知、避讓等方面均為航空、機械、電子、計算機領域的研究。對于交通方面，無人機交通管理系統主要為如下幾個方面：

（1） 交通規劃

無論是貨運物流或載人飛行，無人機交通管理系統均要有交通領域參與到規劃設計當中，比如無人機投機物流中心（UAV DELIVERY HUB）的選址、飛行器范圍高度空域設計、飛行器路網節點選擇等，這些都需要交通規劃方面研究開發對應的模型、規則，主要的設計思路是根據無人機運輸的特點規劃選址或分配飛行區域。

主要關鍵字：UAV DELIVERY HUB location、UAV facility location、UAV platform等。

（2） 空中走廊設計

雖然不同于傳統二維路網，空域是三維，但無人機交通系統，也需要為無人機的交通管理，設計一套基于空中走廊的路網。

空中走廊為一定高度范圍內的飛行通道，無人機飛行器需在特定的高度內飛行，形成與地面道路類似的通道。因此基于無人機小型靈活、無人駕駛等特點，需要為無人機的空中走廊及其延伸路網設計一套技術標準和相應規則，保證無人機交通運輸中的安全性。

有一種研究意向是將無人機路網設計在公路上方，以高速公路、城市封閉快速路為主要框架。主要關鍵字：UAV path planning、UAV path following等。

圖四：空中走廊路網概念圖

（3） 航空器空管協調

針對無人機安全性考慮，需要針對無人機日常飛行進行管理，主要體現在飛行OD的路徑選擇協調、機場附近空管協調、城市中心無人機空管協調等，需要考慮無人機通訊、飛行參數等要素，合理分配無人機飛行時與其他航空器的關系，制定各種反應模型，如跟弛模型、變道模型、交互模型等。

主要關鍵字：UAV Coordination、UAV Navigation、UAV Operation等。

現階段無人機貨運和載人空運已經有了實質性的發展，AMAZON PRIME AIR在2017年進行了樣機測試。

2018年，京東無人機快遞在宿遷、西安、北京等多地進行了試運行，已獲得四地的飛行許可，勘測測試了上萬里飛行里程。同年，餓了么無人機送餐服務在上海金山區試運行，開始了無人機商用送餐服務。

雖然現有的運輸服務只限于農村和郊區等環境簡單、人員稀少地區，但是隨著技術發展和實驗的進行，無人機運輸服務必將擴展到城市中心或其他環境復雜、人員密集地區，必將帶來新的機遇和挑戰。

無人機這一未來可能成倍增長的新型交通運輸方式，其所必須的交通管理系統需要遵循安全性第一位、空域共享、無人機自動駕駛、機隊交互自動管理、世界范圍內協調等原則，同時也可以借鑒傳統交通管理系統的研究成果，以求適應全新的交通管理領域。

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