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城市物流无人机平行航线横向间隔研究

张健 赵嶷飞 卢飞 罗鑫悦 黎宗孝

张健, 赵嶷飞, 卢飞, 罗鑫悦, 黎宗孝. 城市物流无人机平行航线横向间隔研究[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(4): 118-124. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.013
引用本文: 张健, 赵嶷飞, 卢飞, 罗鑫悦, 黎宗孝. 城市物流无人机平行航线横向间隔研究[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(4): 118-124. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.013
ZHANG Jian, ZHAO Yifei, LU Fei, LUO Xinyue, LI Zongxiao. A Study on Parallel Routes Lateral Separation for Urban Logistics UAV[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(4): 118-124. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.013
Citation: ZHANG Jian, ZHAO Yifei, LU Fei, LUO Xinyue, LI Zongxiao. A Study on Parallel Routes Lateral Separation for Urban Logistics UAV[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(4): 118-124. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.013

城市物流无人机平行航线横向间隔研究

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.013
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52272356

国家重点研发计划项目 2022YFB4300904

中央高校基本科研业务费 3122022095

详细信息
    作者简介:

    张健(1982—),博士研究生,讲师. 研究方向:空中交通管理、无人机运行安全管理. E-mail: zhangjian@cauc.edu.cn

    通讯作者:

    赵嶷飞(1971—),博士,教授,研究方向:空中交通管理、空域融合运行安全评估. E-mail:yfzhao@cauc.edu.cn

  • 中图分类号: X949;V279

A Study on Parallel Routes Lateral Separation for Urban Logistics UAV

  • 摘要: 面向未来城市物流无人机高密飞行下安全运行需求,选取空域利用率高的平行航线,聚焦平行航线运行中碰撞风险,研究同时考虑冲突频率和碰撞概率的间隔模型,提出符合安全要求的平行航线横向间隔。借鉴有人机管制经验,确定安全目标水平,并以平行航线上相邻无人机纵向距离小于纵向间隔视为冲突评判标准,再根据实际运行数据,计算区域无人机冲突实际发生频率。综合考虑无人机参数、飞行流量、空域性能、偏离概率及角度、冲突探测与解脱机制等因素,构建多参数、多约束的平行航线城市物流无人机运行场景模拟平台。引入蒙特卡洛方法,给定冲突发生频率和意外偏离概率,假设无人机以一定概率因随机意外偏离而引发无人机之间飞行冲突,模拟冲突下无人机的运行结果,记录违反测试标准的事件。设定1~51 m多个横向间隔待选值,实施510万次仿真实验并统计实验结果,结果发现:①发生违反测试标准事件共计50 302起;②事故发生的概率密度与横向间隔服从负指数分布;③可采用施加合适的横向间隔策略,实现安全目标水平。基于拟合的概率密度函数,通过计算剩余风险,对比安全目标水平,确定城市物流无人机平行航线横向间隔为33米。

     

  • 图  1  平行航线无人机偏离与返回场景

    Figure  1.  UAV deviation and return scenario on Parallel route

    图  2  蒙特卡洛仿真流程

    Figure  2.  Monte Carlo simulation procedure

    图  3  TCV统计与拟合

    Figure  3.  TCV statistics and data fitting

    图  4  小时放行架次数据

    Figure  4.  Hourly UAV departure data

    表  1  物流无人机参数

    Table  1.   Logistics UAV parameters

    参数 符号 取值
    纵向尺寸/m λx 2.5
    横向尺寸/m λy 2.5
    高度尺寸/m λz 0.6
    飞行速度/(m/s) v 12
    飞行高度/m h 253
    高度误差标准差 σz 1.389 5
    位置误差标准差 σxy 2.348
    小时流量期望/h 30
    下载: 导出CSV

    表  2  仿真参数

    Table  2.   Simulation parameters

    参数释义 参数取值
    Ui无人机初始位置/m (0, 0, h)
    (xn0, yn0, h)
    Un无人机初始位置/m xn0~U(-150, 150)
    yn0~[1, 51]
    yn0仿真次数/10 000 10
    单次仿真时长/s 60
    统计步长/s 1
    无人机高度/m 253
    无人机速度/(m/s) 12
    Ui无人机偏离时刻/s tdev~U(1, 60)
    Ui无人机偏离时长/s 3
    Ui无人机偏离角度/(°) w~N(45, 52)
    w∈[40, 60]
    Ui无人机避让角度/(°) -90
    高度误差标准差/m 1.389 5
    位置误差标准差/m 2.348 0
    下载: 导出CSV

    表  3  TCV数据

    Table  3.   TCV data

    间隔/m TCV/次 间隔/m TCV/次 间隔/m TCV/次 间隔/m TCV/次
    1 3 767 14 1 634 27 460 40 216
    2 3 588 15 1 122 28 384 41 235
    3 2 981 16 1 048 29 455 42 142
    4 2 991 17 1 424 30 451 43 201
    5 2 172 18 972 31 390 44 178
    6 2 535 19 882 32 353 45 177
    7 2 379 20 774 33 340 46 93
    8 2 383 21 1 030 34 280 47 98
    9 2 118 22 758 35 306 48 127
    10 1 808 23 642 36 255 49 133
    11 1 443 24 612 37 273 50 93
    12 1 896 25 671 38 236 51 110
    13 1 823 26 587 39 276
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2023-12-25
  • 网络出版日期:  2024-11-25

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