Low-altitude UAV Operation Risk Assessment Method Considering the Uncertainty

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

Abstract

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

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

CLC Number:

V279

Wen-tao WANG, Xu-sheng GAN, Ya-rong WU, Jin-shen REN, Cui-xiang WANG. Low-altitude UAV Operation Risk Assessment Method Considering the Uncertainty[J]. Modern Defense Technology, 2022, 50(5): 14-21.

王文涛, 甘旭升, 吴亚荣, 任谨慎, 王翠香. 考虑不确定性的低空无人机运行风险评估方法[J]. 现代防御技术, 2022, 50(5): 14-21.

Figures/Tables 18

Fig. 1 Safety risk elements of UAV ground impact accident

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

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

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

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

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

Fig. 6 UAV operating area

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

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

Fig. 7 Population density distribution map

Fig. 8 Distribution of shadowing parameters

Fig. 9 UAV mission scenario

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

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

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

Fig. 11 Distribution of initial point impact points

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

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

Fig. 12 UAV real-time risk assessment results

Fig. 13 UAV real-time operation safety spectrum

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

References 17

1	Stolaroff Joshuah K， Constantine Samaras， O'Neill Emma R，et al. Energy Use and Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Drones for Commercial Package Deli-very［J］. Nature Communications，2018，9（1）：1-13.
2	Dario Floreano， Wood Robert J. Science， Technology and the Future of Small Autonomous Drones［J］. Nature，2015，521（7553）：460-466.
3	XU Chen-chen， LIAO Xiao-han， YE Hu-ping，et al. Iterative Construction of Low-Altitude UAV Air Route Network in Urban Areas：Case Planning and Assessment［J］. Journal of Geographical Sciences，2020，30（9）：1534-1552.
4	GOLCARENARENJI G， Martinez-Alpiste I， WANG Q，et al. Efficient Real-Time Human Detection Using Unmanned Aerial Vehicles Optical Imagery［J］. International Journal of Remote Sensing，2021，42（7）：2440-2462.
5	SU J Y， YI D W， SU B F，et al. Aerial Visual Perception in Smart Farming： Field Study of Wheat Yellow Rust Monitoring［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2021，17（3）：2242-2249.
6	张宏宏，甘旭升，李双峰，等.复杂低空环境下考虑区域风险评估的无人机航路规划［J］.仪器仪表学报，2021，42（1）：257-266.
	ZHANG Hong-hong， GAN Xu-sheng， LI Shuang-feng， et al. UAV Route Planning Considering Regional Risk Assessment in Complex Low-Altitude Environment［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2021， 42（1）： 257-266.
7	GUAN Xiang-min， Ren-li LÜ， SHI Hong-xia，et al. A Survey of Safety Separation Management and Collision Avoidance Approaches of Civil UAS Operating in Integration National Airspace System［J］. Chinese Journal of Aeronautics，2020，33（11）：2851-2863.
8	全权，李刚，柏艺琴，等.低空无人机交通管理概览与建议［J］.航空学报，2020，41（1）：6-34.
	QUAN Quan， LI Gang， BAI Yi-qin， et al. Overview and Recommendations for Low-Altitude UAV Traffic Management［J］. Acta Aeronautica Sinica， 2020， 41（1）： 6-34.
9	Avanzini Giulio， Martínez David S. Risk Assessment in Mission Planning of Uninhabited Aerial Vehicles［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering，2019，233（10）：3499-3518.
10	Primatesta Stefano， Rizzo Alessandro， Anders la Cour-Harbo. Ground Risk Map for Unmanned Aircraft in Urban Environments［J］. Journal of Intelligent & Robotic Systems，2020，97（3）： 489-509.
11	GONÇALVES P， SOBRAL J， FERREIRA L A. Unmanned Aerial Vehicle Safety Assessment Modelling Through Petri Nets［J］. Reliability Engineering and System Safety，2017，167： 383-393.
12	Washington Achim， Clothier Reece A， Williams Brendan P. A Bayesian Approach to System Safety Assessment and Compliance Assessment for Unmanned Aircraft Systems［J］. Journal of Air Transport Management，2017，62： 18-33.
13	ZHANG Xue-jun， LIU Yang， ZHANG Yu，et al. Safety Assessment and Risk Estimation for Unmanned Aerial Vehicles Operating in National Airspace System［J］. Journal of Advanced Transportation，2018：1-11.
14	REN Xin-hui， CHENG Cai-xia. Model of Third-Party Risk Index for Unmanned Aerial Vehicle Delivery in Urban Environment［J］. Sustainability，2020，12（20）：1-15.
15	张泽京，张曙光，柳旭，等.无人机系统安全目标水平预估方法［J］.航空动力学报，2018，33（4）：1017-1024.
	ZHANG Ze-jing， ZHANG Shu-guang， LIU Xu， et al. Estimation Method of Safety Target Level of Unmanned Aerial Vehicle System［J］. Journal of Aeronautics and Dynamics， 2018， 33（4）： 1017-1024.
16	韩鹏，张冰玉.航迹误差对无人机坠地伤人风险评估的影响［J］.中国安全科学学报，2021，31（2）：106-111.
	HAN Peng， ZHANG Bing-yu. The Influence of Track Error on the Risk Assessment of UAV Crashing to the Ground［J］. Chinese Journal of Safety Science， 2021， 31（2）： 106-111.
17	PRIMATESTA S， GUGLIERI G， RIZZO A.A Risk Aware Path Planning Strategy for UAVs in Urban Environments［J］.Journal of Intelligent & Robotic Systems，2019，95（2）：629-643.