面向轻小型城市空中交通无人机运行的风险地图设计方法

本发明为面向轻小型城市空中交通无人机运行的风险地图设计方法，属于无人机运行风险评估领域。

背景技术：

1、随着轻小型无人机的快速发展，其在民用商业化的发展潜力巨大，特别是在城市空中交通领域。然而，现阶段无论是物流无人机配送还是载人evtol试飞均局限于偏远的郊区或规模较小的城市。大型城市场景无人机导航、通信、监视设施部署有待完善，人口和地面建筑物密集、车辆交通繁忙，城市电磁环境复杂、噪声及运行安全成本较高。物流无人机在城市低空空域运行存在运行安全性、运行可靠性、公众可接受度等问题，无人机由偏远地区向大型城市的推进亟需科学的方法予以支撑。城市空中交通无人机运行风险研究已成为政府、航空界、工业界和社会广泛关注的热点问题。

2、国外已有的城市空中交通无人机项目多研究城市低空空域管理概念、空域结构设计、非隔离空域运行规则等，对于城市低空无人机运行风险的研究成果较少，但无人机在城市上空运行可能造成的风险不容忽视。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种面向轻小型城市空中交通无人机运行的风险地图设计方法，聚焦于城市低空无人机运行风险，综合考虑无人机在城市空域运行的运行安全性、运行可靠性、公众可接受度，构建静态和动态风险地图。该地图可为无人机城市低空飞行计划的制定提供科学依据，保障飞行安全。具有重要的理论价值和实际意义。

2、技术方案：面向轻小型城市空中交通无人机运行的风险地图设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

3、步骤一，根据城市环境对无人机运行的影响评估无人机运行可靠性，绘制可靠性层风险地图；

4、步骤二，以无人机在城市上空碰撞风险的产生为逻辑，评估无人机运行安全性，绘制运行安全性层风险地图，所述无人机运行安全性的评估分为无人机碰撞风险与第三方风险；

5、步骤三：从无人机运行产生的噪声对地面居民的影响和无人机潜在隐私侵犯角度评估无人机运行公众可接受度，绘制可接受度地图；

6、步骤四：使用计arcgis模块实现静态风险地图的绘制，以前三步所评估的风险按为权重计算综合运行风险，绘制动态风险地图。

7、进一步的，所述步骤一包括以下内容：

8、s1.1，参考《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)》，针对轻小型无人机划设禁飞区，判断空域是否为禁飞区；

9、s1.2，参考《城市场景物流电动多旋翼无人驾驶航空器(轻小型)系统技术要求》中对无人机抗风、抗高低温、抗降水能力做出的要求，将风速、温度、降水量作为气象环境可靠性的评价指标，评估设定地区气象环境可靠性；

10、s1.3，考虑地面广播通讯基站、高压线的分布情况，评估无人机受到gps信号干扰、操控链路的电磁干扰；

11、s1.4，根据设定地区移动通信网络信号覆盖及强度确定通信环境；

12、s1.5，根据设定地区内卫星接收数量判断导航环境可靠程度；

13、s1.6，在步骤1.1至步骤1.5的各项指标确定之后，通过建立解释结构模型ism掌握各指标之间的关联，通过网络层次分析法anp计算各指标权重；最后，使用模糊综合分析法对运行可靠性评价结果分级，依据分级结果绘制运行可靠性层风险地图。

14、进一步的，所述步骤二包括以下内容：

15、s2.1，计算无人机间碰撞概率和无人机与建筑物间的碰撞概率，

16、s2.2，依据碰撞概率分别计算第三方风险内的三级指标，所述三级指标包含无人机坠落导致交通事故的死亡人数、地面建筑物财产损失以及地面设施安全；

17、s2.3，使用模糊综合分析法对第三方风险中的地面人员安全、地面车辆安全、地面建筑物财产损失以及地面设施安全进行计算评估，将所述评估结果分为高中低三种风险等级，再使用ism以及层次分析法对指标评价结果进行加权求和并分级，绘制运行安全性层风险地图。

18、进一步的，所述步骤s2.1中，计算无人机间碰撞概率时，建立无人机安全包络线，碰撞概率为无人机在安全包络线中概率密度函数的积分其中，p(t)为的概率密度函数、为在时间时无人机位于包络线内的概率；

19、计算障碍物间碰撞概率时，设定无人机的飞行高度服从正态分布，建筑物高度已知，则无人机与障碍物的碰撞概率为其中，h0为障碍物高度、h无人机飞行高度、μ无人机飞行高度均值、σ无人机飞行高度标准差。

20、进一步的，所述步骤s2.2中，获取设定地区的人口密度数据d，采集无人机半径r、最大起飞重量m、行人半径r、无人机坠落水平位移d、坠落速度v、遮蔽因子e；设定碰撞碎片坠落范围c＝π(r+r)2+2d(r+r)、造成致命伤害概率碰撞动能使用所述步骤s2.1中的无人机间碰撞概率pa(x)计算设定地区内预计地面伤亡人数n＝pa(x)pf(x)cd，无人机坠落导致交通事故的死亡人数pc(x)＝pa(x)pm(x)nt，其中，pm(x)为坠落的无人机撞上车辆的概率、nt为平均车祸造成的死亡人数；

21、获取设定地区内建筑物高度h、建筑物高度分布的平均值μ、建筑物高度分布的标准差σ，设定建筑高度分布符合对数正态分布，建立建筑物高度于财产损失风险成本cb的关系得到财产损失风险成本；

22、针对无人机计算运动特性扩张设施缓冲区距离时，获取无人机参数：机身长度、翼展长度的较大值max(la,lb)、无人机飞行速度v、无人机从开始转弯到达最大滚转角所需要的时间t、最短前视探测线dm，计算缓冲区距离根据无人机运动特性扩张设施轮廓生成缓冲区得到地面设施安全风险值。

23、进一步的，所述步骤三包括以下内容：

24、s3.1，根据rn＝(1-0.8en)anρnla计算无人机立体栅格内的噪声风险指数，rn为栅格n的噪声风险指数，an为栅格n面积，ρn为栅格n内人口密度，en为屏障因子，la为居民烦恼度指数，由下式计算得到：

25、

26、其中，lg为无人机噪声播至地面时的瞬时声级；

27、s3.2，按照不同区域隐私保护需求程度划分确定隐私侵犯风险；

28、s3.3，使用模糊综合分析法将噪音风险分为高中低三类，再使用ism-anp方法对无人机立体栅格内的噪声风险指数以及隐私侵犯风险进行权重分配后加权求和并分级，绘制公众可接受度层风险地图。

29、进一步的，所述步骤四包括以下内容：

30、s4.1，对城市空中交通无人机运行安全性、运行可靠性、公众可接受度及其所包含的各风险指标使用ism-anp方法赋予权重加权求和计算综合运行风险，其中，气象环境可靠性数据选取年平均数据，车流量选取道路总车流量，人口数据使用人口密度栅格数据；通过模糊综合分析法对综合风险分级，使用arcgis绘制渔网图，实现城市无人机静态风险地图的绘制；

31、s4.2，考虑车流量变化的动态地图根据一天内车辆高峰时段分布特征分时段绘制风险地图；考虑气象数据与人口密度变化的风险地图则输入实时数据，绘制实时动态风险地图。

32、本发明方法具有以下有益效果：

33、本发明提出的面向城市空中交通无人机运行的风险地图设计方法，可针对无人机在城市场景中运行的风险进行全面且详尽的评估，并以可视化的方式呈现。为城市无人机飞行计划的制定提供辅助决策，帮助运营商更好规划无人机航线以降低无人机运行时可能对周围居民区、人群密集处等地造成的风险，切实提高运行管理效率，增加公众对无人机城市运行的接受程度，保障无人机城市运行安全，促进城市无人机应用的发展。

技术特征：

1.面向轻小型城市空中交通无人机运行的风险地图设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述设计方法，其特征在于，所述步骤一包括以下内容：

3.根据权利要求1所述设计方法，其特征在于，所述步骤二包括以下内容：

4.根据权利要求3所述设计方法，其特征在于，所述步骤s2.1中，计算无人机间碰撞概率时，建立无人机安全包络线，碰撞概率为无人机在安全包络线中概率密度函数的积分其中，p(t)为的概率密度函数、为在时间时无人机位于包络线内的概率；

5.根据权利要求3所述设计方法，其特征在于，所述步骤s2.2中，获取设定地区的人口密度数据d，采集无人机半径r、最大起飞重量m、行人半径r、无人机坠落水平位移d、坠落速度v、遮蔽因子e；设定碰撞碎片坠落范围c＝π(r+r)2+2d(r+r)、造成致命伤害概率碰撞动能使用所述步骤s2.1中的无人机间碰撞概率pa(x)计算设定地区内预计地面伤亡人数n＝pa(x)pf(x)cd，无人机坠落导致交通事故的死亡人数pc(x)＝pa(x)pm(x)nt，其中，pm(x)为坠落的无人机撞上车辆的概率、nt为平均车祸造成的死亡人数；

6.根据权利要求3所述设计方法，其特征在于，所述步骤三包括以下内容：

7.根据权利要求1所述设计方法，其特征在于，所述步骤四包括以下内容：

技术总结
本发明公开一种面向轻小型城市空中交通无人机运行的风险地图设计方法，包括以下步骤：步骤一，根据城市环境对无人机运行的影响评估无人机运行可靠性，绘制可靠性层风险地图；步骤二，以无人机在城市上空碰撞风险的产生为逻辑，评估无人机运行安全性，绘制运行安全性层风险地图；步骤三：从无人机运行产生的噪声对地面居民的影响和无人机潜在隐私侵犯角度评估无人机运行公众可接受度，绘制可接受度地图；步骤四：使用计ArcGIS模块实现静态风险地图的绘制，以人口密度、车流量、气象要素的时空变化特征及规律为基础，绘制动态风险地图。该方法可针对无人机在城市场景中运行的风险进行全面且详尽的评估，并以可视化的方式呈现。

技术研发人员：叶博嘉,曲欣宇,王华中,雷昌定,张锦伦,王子男,肖宇
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5