考虑不确定性的低空无人机运行风险评估方法

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2022.05.003

摘要/Abstract

摘要：

针对低空空域环境复杂，无人机运行风险无法进行量化的现状，提出考虑运行过程中不确定性的低空无人机运行风险评估方法。根据无人机下降过程中的受力模型，推导出无人机突发故障的坠落影响区域；考虑无人机运行过程中的不确定性，利用Monte-Carlo方法确定无人机坠落点分布，计算出坠落的影响面积，从而得出系统风险值；通过案例分析，验证了所提风险评估方法的有效性与合理性，能够对低空无人机空中交通管理提供实时安全评估，保证无人机在低空空域内安全运行。

关键词: 无人机系统, 空中交通管理, 风险评估, 蒙特卡罗

Abstract:

In view of the complex low-altitude airspace environment and the fact that unmanned aerial vehicle（UAV） operation risks cannot be quantified， a low-altitude UAV operation risk assessment method considering the uncertainty in the operation process is proposed. According to the force model during the descent of the UAV， the area affected by the sudden failure of the UAV is deduced. Considering the uncertainty in the operation of the UAV， the Monte-Carlo method is used to determine the UAV’s fall point distribution， the impact area of the fall is calculated， and the system risk value is obtained. Through case analysis， the validity and rationality of the proposed risk assessment method are verified， which can provide real-time safety assessment for low-altitude UAV air traffic management， and guarantee the UAV operates safely in the low-altitude airspace.

Key words: unmanned aerial vehicle （UAV） system, air traffic management, risk assessment, Monte-Carlo

中图分类号:

V279

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图/表 18

图1 UAV地面撞击事故安全风险要素

Fig. 1 Safety risk elements of UAV ground impact accident

表1 遮蔽参数

Table 1 Masking parameters

系数	遮蔽参数
0	无遮蔽物
0.25	稀疏树木
0.50	树丛或低矮的建筑物
0.75	高耸建筑物
1	工业区

图2 无人机抛体坠落运动地面撞击点二维示意图

Fig. 2 Two-dimensional schematic diagram of the ground impact point of a UAV projectile falling motion

图3 无人机坠落撞击点Monte-Carlo模拟分布

Fig. 3 Monte-Carlo simulation distribution of the impact point of a UAV fall

图4 坠地撞击点三维分布图

Fig. 4 Three-dimensional distribution map of the impact points of a fall

图5 不同撞击概率下影响面积示意图

Fig. 5 Schematic diagram of affected area under different impact probabilities

图6 无人机运行区域

Fig. 6 UAV operating area

表2 大疆经纬M210-RTK型无人机参数

Table 2 Parameters of DJI Jingwei M210-RTK UAV

参数	取值
质量/kg	6.14
设计尺寸/m	长：0.887 宽：0.880 高：0.408
侧向迎风面积/ $m 2$	0.234
垂向迎风面积/ $m 2$	0.035

表2 大疆经纬M210-RTK型无人机参数

Table 2 Parameters of DJI Jingwei M210-RTK UAV

参数	取值
质量/kg	6.14
设计尺寸/m	长：0.887 宽：0.880 高：0.408
侧向迎风面积/ $m 2$	0.234
垂向迎风面积/ $m 2$	0.035

图7 人口密度分布图

Fig. 7 Population density distribution map

图8 遮蔽参数分布图

Fig. 8 Distribution of shadowing parameters

图9 无人机任务场景

Fig. 9 UAV mission scenario

表3 所需参数取值

Table 3 Values of required parameters

参数	取值	参数	取值
$h 0$ /m	30	C_D	0.3
v₀/（m/s）	20	ρ_a/（ $k g / m 3$ ）	1.225
$δ h 0$ /m	$± 5$	$g$ /（m/s²）	9.8
$δ x z$ /m	$± 2$	$β$ /J	34

表3 所需参数取值

Table 3 Values of required parameters

参数	取值	参数	取值
$h 0$ /m	30	C_D	0.3
v₀/（m/s）	20	ρ_a/（ $k g / m 3$ ）	1.225
$δ h 0$ /m	$± 5$	$g$ /（m/s²）	9.8
$δ x z$ /m	$± 2$	$β$ /J	34

图10 坠地撞击点纵向分布特征

Fig. 10 Characteristics of longitudinal distribution of impact points on the ground

图11 初始点撞击点分布图

Fig. 11 Distribution of initial point impact points

表4 事故发生危害性等级标准

Table 4 Accident hazardous level standard

取值标准	［0，10）	［10，30）	［30，60）	$[60, + ∞)$
事故危害性	无危害	轻微危害	中度危害	严重危害

表4 事故发生危害性等级标准

Table 4 Accident hazardous level standard

取值标准	［0，10）	［10，30）	［30，60）	$[60, + ∞)$
事故危害性	无危害	轻微危害	中度危害	严重危害

图12 无人机实时风险评估结果

Fig. 12 UAV real-time risk assessment results

图13 无人机实时运行安全谱

Fig. 13 UAV real-time operation safety spectrum

表5 风险评估方法对比

Table 5 Comparison of risk assessment methods

风险评

估方法

优点

缺点

本文所

提方法

考虑无人机低空运行环境的不确定性，考虑无人机着落动力学对事故危害性进行建模构建与计算

坠落

模型^［4］

能够粗略计算无人机风险值

未考虑无人机着落动力学，计算粗略

未考虑无人机坠落误差，与实际情况偏差较大

贝叶斯

网络^［1-2］

有效利用先验知识进行定量计算，使得决策问题更符合预期

贝叶斯网络构建过程依赖经验；

用事故发生概率表征风险，过于片面

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