2020年10月20日，Top Talk邀請(qǐng)到了北京航空航天大學(xué)全權(quán)老師，請(qǐng)他帶來題為《基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的空中高速公路：一種城市空中移動(dòng)性管理分布式控制框架》的分享。本文系全權(quán)老師分享的文字實(shí)錄，希望能對(duì)大家有所幫助或者啟發(fā)。

全權(quán)｜北京航空航天大學(xué)

全權(quán)，北京航空航天大學(xué)副教授，多倫多大學(xué)客座教授。長期從可靠飛行控制。作為第一作者，完成英文著作三部，發(fā)表文章近百篇。獲第二屆全國高校自動(dòng)化專業(yè)青年教師實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)“創(chuàng)客大賽”金獎(jiǎng)（排名第一）。

無人機(jī)交通以及最近興起的空中移動(dòng)性管理得到了廣泛的關(guān)注。為此，波音、空客、霍尼韋爾和貝爾等傳統(tǒng)航空巨頭以及Uber等新興世界級(jí)影響力的企業(yè)紛紛加入。本報(bào)告提出了空中高速公路方案以及仿真測(cè)試。該方案基于時(shí)空大數(shù)據(jù)，考慮了交通網(wǎng)絡(luò)、航線規(guī)劃和分布式控制設(shè)計(jì)。在空中高速公路上，每架無人機(jī)都有自己的規(guī)劃的航線，可以自主地自由飛行，從而支持密集立體的飛行交通。

1. 背景

今天我給大家?guī)砦覀儗?shí)驗(yàn)室（北航可靠飛行控制研究組）做的一些工作，主要內(nèi)容是講一種城市空中移動(dòng)性管理分布式控制框架。

相信美團(tuán)的同學(xué)一定也很非常期待實(shí)現(xiàn)無人機(jī)配送的一天早日到來。未來無人機(jī)配送服務(wù)將會(huì)極大地改變我們目前的生活方式。盡管在人群密集的區(qū)域，我們?nèi)匀恍枰咳藖硗瓿膳渌头?wù)，但是在人口比較稀疏，比如郊區(qū)等地帶，使用無人機(jī)配送會(huì)更好。報(bào)告表明，網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)將為產(chǎn)業(yè)帶來7~10倍的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，這也是我們?cè)诖蟾湃昵熬烷_始著手做這方面相關(guān)的工作的原因。

無人機(jī)的交通網(wǎng)和交通管理，是否可以利用現(xiàn)有的交通方式呢？我們通過研究發(fā)現(xiàn)，像傳統(tǒng)的民航網(wǎng)其實(shí)是不適合的，民航的飛行器其實(shí)非常稀疏，在三維空間，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的變化頻率是比較低的，有入網(wǎng)申請(qǐng)時(shí)，基本上是通過集中式的規(guī)劃。而公路網(wǎng)絡(luò)盡管很密集，但是二維空間，因此交通網(wǎng)絡(luò)管理也是偏自主的。鐵路同樣也是二維的。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化是說就像我們上互聯(lián)網(wǎng)一樣，我們需要接入網(wǎng)絡(luò)，而公路不可能馬上為我們修一條公路出來。無人機(jī)交通與公路、鐵路具有共同點(diǎn)，不同的是無人機(jī)處于三維空間， 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化比較高。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)無人機(jī)飛行控制框架時(shí)，希望設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)包括無人機(jī)的增加、網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展等變化的框架。關(guān)于路徑規(guī)劃，其實(shí)可以采用集中式加自主的方式來進(jìn)行。關(guān)于這部分的內(nèi)容我們今年發(fā)表了一篇綜述文章《低空無人機(jī)交通管理概覽與建議綜述》，感興趣的同學(xué)可以參閱。

我們希望能夠?yàn)榈涂粘掷m(xù)增長無人機(jī)及應(yīng)用提供一個(gè)低空的智能大腦。對(duì)于技術(shù)研究來說話，低空高空的區(qū)別沒有那么大，但目前我們主要是考慮低空多一些。比如說開放120米以下的低空，它的特點(diǎn)在于這些地方會(huì)有非常多的建筑，如果無人機(jī)掉下來的話，會(huì)對(duì)下方區(qū)域的人身及財(cái)產(chǎn)安全造成一些危害，這是對(duì)我們城市交通的一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。因此我們主要考慮以下三個(gè)需求：

規(guī)劃無人機(jī)的航線、起飛時(shí)間，確保無人機(jī)在避免沖突的前提下起飛：無人機(jī)航線起飛時(shí)間跟我們目前坐飛機(jī)的感覺是一樣的，有時(shí)候飛機(jī)會(huì)停在某個(gè)地方延遲起飛，目的是為了不與其他飛機(jī)在航路上發(fā)生碰撞及沖突，當(dāng)然有時(shí)候也會(huì)因?yàn)樘鞖獾仍?，需要飛機(jī)延遲起飛，因?yàn)轱w機(jī)在地面等待，代價(jià)是最小的。

在避免碰撞的前提下順利完成飛行任務(wù)

應(yīng)對(duì)天氣、禁飛區(qū)等不確定因素的影響：無人機(jī)臨時(shí)在飛行過程中，我們有時(shí)需要切斷某些航線，這種情況下，我們希望飛行器仍然能夠能夠飛到目的地，至少它能安全的回到附近的機(jī)場(chǎng)。

2. 空中高速公路基礎(chǔ)：網(wǎng)絡(luò)和時(shí)空大數(shù)據(jù)

開展空中高速公路研究，我們需要有網(wǎng)絡(luò)和時(shí)空大數(shù)據(jù)的一些研究基礎(chǔ)。

首先我們需要有通信、導(dǎo)航、監(jiān)視功能等基礎(chǔ)設(shè)施，這些功能充當(dāng)著整個(gè)無人機(jī)交通管理系統(tǒng)的眼睛、耳朵和神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)態(tài)勢(shì)感知和信息傳輸。其中，通訊就是4G/5G、衛(wèi)星通訊等，這是我們的網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)航是我們飛行器需要導(dǎo)航，比如說通過基站定位、雷達(dá)、衛(wèi)星、慣導(dǎo)以及視覺的導(dǎo)航。而監(jiān)視跟導(dǎo)航的區(qū)別在于導(dǎo)航是給飛行器用的，監(jiān)視是我們作為官方需要了解飛行器在空中的動(dòng)態(tài)。有些飛行器可能會(huì)自己導(dǎo)航，通過導(dǎo)航或者通信告訴地下的地面站，這樣的話我們可以監(jiān)視。但有些飛行器是航模，沒有通訊的功能，只能被動(dòng)的被看到，那么我們可以通過一些可見光、聲波等來監(jiān)視，還有飛行器可能通過一些ADS-B等來廣播自己的信息。因此通過以上這些功能，可以實(shí)現(xiàn)我們對(duì)飛行器飛行周邊環(huán)境的了解，地面對(duì)空中環(huán)境的了解，這是我們做空中高速公路研究的一個(gè)基礎(chǔ)。

另一方面，我們需要時(shí)空大數(shù)據(jù)的支撐。首先我們需要了解所有禁飛區(qū)，禁飛區(qū)也會(huì)動(dòng)態(tài)的變化。其次我們需要了解氣象大數(shù)據(jù)，以便我們規(guī)劃飛行器避開極端天氣。同時(shí)我們也需要獲取地理大數(shù)據(jù)的信息，比如通過地理大數(shù)據(jù)我們可以了解什么位置有障礙物，哪些區(qū)域下方是草地等，根據(jù)這些信息可以進(jìn)一步的提取一些信息，來規(guī)劃飛行器的航路、航路網(wǎng)等以及規(guī)劃飛行器的航線。另外我們還可以通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)知道哪些地方人口密集，這樣在規(guī)劃航路網(wǎng)或者航線的時(shí)候，就能避開這些人口密集的地方。以上這些都是我們研究需要的時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

前面提到，網(wǎng)絡(luò)是我們研究空中高速公路的基礎(chǔ)，目前在空中交通，主要是通過網(wǎng)絡(luò)來分享信息。但是網(wǎng)絡(luò)會(huì)有網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，那么網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與飛行安全是什么樣的關(guān)系呢？網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量通常由三個(gè)因素決定：噪聲，延遲，丟包（Packet loss）。由于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量原因，無人機(jī)獲取到的障礙物位置，和障礙物實(shí)際的位置可能就不一樣了。以下圖為例，無人機(jī)估計(jì)自身的位置產(chǎn)生了偏差，隨之估計(jì)障礙物位置也發(fā)生了偏差。因此我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)飛行的安全距離，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量造成的這種不確定性。這跟我們?cè)诟咚俟飞祥_車需要保持車間距是一個(gè)道理，我們車間距這個(gè)概念用到無人機(jī)的空中交通，希望以此來應(yīng)對(duì)這些丟包延遲。當(dāng)然也有人通過一些控制的方法來解決這些問題，我們這種方法應(yīng)該更適合交通的場(chǎng)景。

傳統(tǒng)的空中交通的距離沒有這么復(fù)雜，飛機(jī)之間的距離間隔非常遠(yuǎn)，那么無人機(jī)之間的距離應(yīng)該怎么來控制呢？通過研究，我們認(rèn)為無人機(jī)的安全半徑應(yīng)該滿足上圖中的關(guān)系，rm是飛行器本身的半徑，ro是障礙物本身的半徑，rv是跟飛行器速度以及機(jī)動(dòng)性相關(guān)的，re表示網(wǎng)絡(luò)的影響。網(wǎng)絡(luò)影響怎么來理解？延遲丟包率是Θ，如果丟包率為1的話，那就表示飛機(jī)完全失聯(lián)了。從保守角度來說，飛行器可能在任何位置。所以Θ越接近于1，安全半徑越大，τd表示延遲，網(wǎng)絡(luò)傳遞會(huì)有延遲。有些同學(xué)可能認(rèn)為像我們現(xiàn)在打電話的延遲已經(jīng)非常小了，但是在空中，我們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)網(wǎng)絡(luò)存在一定的延遲，另一方面丟包率會(huì)隨著距離的增加而增加。因此，我們需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果設(shè)計(jì)飛行器安全半徑。在安全半徑下，可以認(rèn)為飛行器沒有網(wǎng)絡(luò)噪聲，是完全精確的，只要保證兩個(gè)飛行器的安全半徑不相交，那么飛機(jī)器肯定不會(huì)相撞，這就是我們安全半徑的設(shè)計(jì)。

另一方面，我們需要通過一些數(shù)據(jù)做風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如下圖所示，至少有兩個(gè)因素：事故概率評(píng)估（fGIA）和事故傷亡評(píng)估。事故概率評(píng)估就是說飛行器不連續(xù)飛行就墜落的可能性，可以通過統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估。無人機(jī)相比于飛機(jī)的一個(gè)好處是，即使墜落也未必會(huì)砸傷人。飛行器墜落有一個(gè)暴露模型，比如說掉落到樹上或者房頂上對(duì)人的影響就會(huì)比較小。因此我們需要有地理信息支撐，一旦飛行器需要迫降，我們可以通過地理信息找到比如草坪等適合迫降的地帶。同時(shí)暴露模型也與人口密度相關(guān)。而傷害模型與飛行器設(shè)計(jì)相關(guān)，與飛行器下落的動(dòng)量相關(guān)。以上這些因素共同得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以用來進(jìn)行航路網(wǎng)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、緊急迫降等。制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)法律法規(guī)的部門會(huì)比較關(guān)心飛行器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，一些風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估公司也會(huì)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果去舉證飛行器的風(fēng)險(xiǎn)究竟有多大。

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3. 空中高速公路

空中高速公路分為模型建立，算法設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三部分為大家介紹。其中，模型建立分為兩種：航路網(wǎng)模型和無人機(jī)模型，我們管理無人機(jī)需要對(duì)無人機(jī)進(jìn)行建模，而地面也需要給無人機(jī)發(fā)送指令，這相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模型；算法方面可以分為集中式空中交通控制和分布式空中交通控制，集中式可以認(rèn)為所有的指令都是由地面站給飛行器發(fā)的，飛行器之間互不通信，通信完全通過地面來協(xié)調(diào)，而分布式相對(duì)來說更加靈活一些。最后是我們的仿真和實(shí)驗(yàn)。

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3.1 模型建立

3.1.1 航路網(wǎng)模型

航路網(wǎng)模型可以認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是不同航路的無人機(jī)相互不干擾，保持安全距離。如果飛行器在不同航道上面，比如說一條公路上面有兩個(gè)方向，但不同航道上面的飛行器，需要保持相應(yīng)的安全距離，類似兩條路，它們之間的夾角非常小，要往一個(gè)節(jié)點(diǎn)過去，如果夾角小到一定程度的話，那么不同航道上的兩個(gè)飛行器之間的距離就很近了，就可能會(huì)有危險(xiǎn)。在實(shí)際過程中，我們無法得知無人機(jī)的具體位置，只能知道一個(gè)大概的不是特別精準(zhǔn)的位置，因此就需要無人機(jī)之間保持安全距離。

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航路網(wǎng)建網(wǎng)需要對(duì)空域有了解，剛剛前面我們提到的地理信息，人口信息。如下圖所示，可以認(rèn)為黑色區(qū)域?yàn)榻w區(qū)，它有兩種，一種是比較稀疏的，一種是比較密集的。無論哪一種，都可以通過節(jié)點(diǎn)把它們連接在一起，這些節(jié)點(diǎn)可能是飛行器的起降點(diǎn)，還有一些節(jié)點(diǎn)可能是航路的交叉點(diǎn)，就像公路的交叉路口一樣。

航路網(wǎng)建網(wǎng)有兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，一是希望航路網(wǎng)的總長度越短越好，因?yàn)榻ㄔO(shè)航路網(wǎng)，這也相當(dāng)于一個(gè)基建工程，需要保證航路網(wǎng)上面的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視，這些都需要成本；二是希望航路網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)最低，考慮到比如人口密度等因素，我們希望畫出下圖所示的航路網(wǎng)，但是這是一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題。

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我們?cè)诤铰肪W(wǎng)建模上做了一些工作，用了下圖的幾種方法。

首先是形態(tài)學(xué)骨架法，這個(gè)跟圖像處理的骨架類似，給定一張圖片需要生成它的骨架。原理很簡單，黑色是危險(xiǎn)的邊界，生成的骨架就是這些航路，航路和兩邊的距離要盡可能的遠(yuǎn)。

其次是三角剖分法，連接3個(gè)點(diǎn)的最短路徑不是把三個(gè)邊連成一個(gè)三角形，可能是通過費(fèi)馬點(diǎn)把它們連在一起。

最后是綜合法，形態(tài)學(xué)骨架法適合密集的地圖，而三角法更適合稀疏的地圖，綜合法兼顧密集與稀疏兩種情況，通過半自動(dòng)的方式建成航路網(wǎng)。

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形態(tài)學(xué)骨架法的實(shí)現(xiàn)過程如下圖所示，首先是骨架提取，有些同學(xué)可能會(huì)問為什么骨架提取之后會(huì)產(chǎn)生這些變量，這是是因?yàn)槲覀円ＷC提取出來的骨架距離兩邊黑色危險(xiǎn)區(qū)的距離要大于一定的閾值，如果不滿足的話，就要斷開去除，之后再進(jìn)行直線擬合。當(dāng)然還要在里面加入一些目標(biāo)點(diǎn)，與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起。最后需要提取圖的結(jié)構(gòu)，把節(jié)點(diǎn)和邊的關(guān)系按照?qǐng)D論的建模方式提取出來。

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三角剖分法就是通過費(fèi)馬點(diǎn)把這些節(jié)點(diǎn)連接在一起，有些邊會(huì)穿過障礙物，我們?cè)偻ㄟ^優(yōu)化方法避開，最后形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。另外，我們可以將人口密度等因素等效為黑色禁飛區(qū)添加到地圖中。通常在地圖中，“1”表示有障礙物，“0”表示沒有障礙物。我們?cè)诤铰肪W(wǎng)建模中做了一個(gè)進(jìn)一步的工作，用0～1之間的概率來表示，有些禁飛區(qū)比如墻等是絕對(duì)不能飛進(jìn)去的，但是有些區(qū)域人口稀疏一些，就不適合用“1”來表示，這種情況下可以使用0.4、0.5這樣的概率來表示。我們希望能夠通過這種方式來構(gòu)建航路網(wǎng)，這在下圖中沒有體現(xiàn)。

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綜合法就是在下圖這種情況下，我們?cè)谡系K物密集區(qū)內(nèi)部使用形態(tài)學(xué)骨架法來做，在外部稀疏區(qū)使用費(fèi)馬點(diǎn)來做，最后把它們聯(lián)立成網(wǎng)絡(luò)。有時(shí)候我自己的學(xué)生會(huì)問我，什么叫密集的，什么叫稀疏的？我覺得不要考慮這個(gè)問題，自己來判斷，因?yàn)楹铰肪W(wǎng)建模不是一定要完全自動(dòng)化的過程，而且一旦建成之后以后就不需要改變了，所以在建模的過程中需要人為的去確定每個(gè)區(qū)域的航路網(wǎng)是什么形狀。這樣就能很好的兼顧上述兩種方法，最終形成不同的航路網(wǎng)。

下圖是航道的抽象結(jié)構(gòu)示意圖，航道內(nèi)部我們參考了目前的高速公路，中間有一個(gè)隔離帶，這個(gè)隔離帶就是我們前面提到的兩架飛行器之間的安全距離，它可以是雙向的。

另一方面，航路網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)也有結(jié)構(gòu)，如下圖所示，我們一般是以圓柱形結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)有多個(gè)航道相接，需要考慮不同航道的飛行器不能間隔太近，因此需要增加節(jié)點(diǎn)的半徑，確保不同航道的飛行器間隔足夠遠(yuǎn)。

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航路網(wǎng)有抽象的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部也有具體的結(jié)構(gòu)，通過一些約束條件，確保不同飛行器在任何情況下都能大于安全距離，這就讓我們知道怎樣去設(shè)計(jì)整個(gè)航路網(wǎng)。

3.1.2 無人機(jī)模型

我們需要對(duì)無人機(jī)發(fā)出指令，這就需要有一定的標(biāo)準(zhǔn)的接口，接口我們有一些模態(tài)比如斷電模態(tài)、等待授權(quán)模態(tài)、預(yù)位模態(tài)、飛行模態(tài)、避障模態(tài)、迫降模態(tài)給無人機(jī)發(fā)指令，這樣的話，無人機(jī)就相當(dāng)于被我們的交通控制系統(tǒng)控制了。這個(gè)接口我們目前還不是那么標(biāo)準(zhǔn)，我希望最終我們能有一套空中交通系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 算法設(shè)計(jì)

低空交通控制算法包括集中式空中交通控制和分布式空中交通控制。

3.2.1 集中式空中交通控制

集中式控制可以分為兩個(gè)部分：離線規(guī)劃和在線控制。離線規(guī)劃就是說飛機(jī)起飛前需要申報(bào)自己的飛行計(jì)劃，然后接受審核。如果當(dāng)前的航路網(wǎng)非常堵塞的話，那么審核就不會(huì)通過，就需要等待或者重新申報(bào)飛行計(jì)劃。如果審核通過的話，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)包含起飛時(shí)間、地點(diǎn)等信息的待飛計(jì)劃，將待飛計(jì)劃寫入空中交通管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)而對(duì)空中交通情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

但是飛行器在飛行過程中受天氣、本身狀態(tài)等因素影響會(huì)有很多不確定性，飛行器的飛行速度變化就會(huì)產(chǎn)生沖突。因此在飛行器飛行過程中，我們需要對(duì)飛機(jī)進(jìn)行一些定量的控制，這就是飛行器的在線控制。我們可以通過控制飛行器的高度、速度等，使它能夠避免沖突，如果在整個(gè)航路網(wǎng)中沖突無法避免，那么我們肯定不希望發(fā)生多米勒骨牌一樣的效應(yīng)，因?yàn)榫植恳粋€(gè)因素，使整個(gè)航路網(wǎng)都發(fā)生變化。避免沖突最簡單的方法就是避障，一個(gè)飛行器向上飛，一個(gè)飛行器向下飛，這是空中交通的優(yōu)勢(shì)，汽車沒有辦法做到，大概是這樣一個(gè)邏輯。

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以下是基于集中式的低空交通控制系統(tǒng)中幾個(gè)關(guān)鍵模塊的算法過程：

計(jì)劃審核求解算法

步驟一：獲取新加入的無人機(jī) ???? 的避障距離 ????a和計(jì)劃信息合集 ???????? ；

步驟二：更新航路網(wǎng)信息????和當(dāng)前時(shí)刻 ???? ，通過Dijkstra算法得到無人機(jī)的航路點(diǎn) ?????，并計(jì)算飛完全程所需的時(shí)間 ???????? ；

步驟三：對(duì)無人機(jī) ???? 解優(yōu)化問題；

步驟四：若有解則直接執(zhí)行步驟五；若無解且原因是沖突問題，則判斷與其發(fā)生沖突的無人機(jī)們優(yōu)先級(jí)???????????????????????????????????? , ???? ∈ ???????? ,collision是否均小于自己。若是則拒絕無人機(jī) ???? 的申請(qǐng)后執(zhí)行步驟五 ，否則拒絕無人機(jī) ???? 的申請(qǐng) ， 等待 ???????????????????? 時(shí)長后執(zhí)行步驟二；若無解且原因是容量問題， 則暫時(shí)先令超容對(duì)應(yīng)的航路固定容量為 0 ，再執(zhí)行步驟二；其余情況均建議過 ????????????????????時(shí)長后執(zhí)行步驟二 ；

步驟五：如果滿足超時(shí)約束條件，則反饋無人機(jī)航路點(diǎn)和起飛時(shí)間；否則建議過 ????????????????????時(shí)長后執(zhí)行步驟二。

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沖突檢測(cè)和流量控制求解算法

步驟一：獲取預(yù)估時(shí)間 ????max和避障距離 ????a ；

步驟二：更新航路網(wǎng)信息???? ，當(dāng)前時(shí)刻 ???? ，所有已通過起飛授權(quán)的無人機(jī)信息 ???????? , ???? ∈ ????active 。對(duì)已通過起飛授權(quán)的無人機(jī)進(jìn)行沖突檢測(cè)，若有沖突無人機(jī)則輸出發(fā)生沖突的無人機(jī) ???????? ,collision和可能的沖突時(shí)間；否則執(zhí)行步驟五 ；

步驟三：解優(yōu)化問題；

步驟四：若有解則輸出無人機(jī)在當(dāng)前航路的新速度V?n????,?????????????1,n????,????????????,new；若無解則輸出事件刺激無人機(jī)啟動(dòng)自身防碰撞算法 ；

步驟五：間隔 ????max時(shí)長后 ，執(zhí)行步驟二。

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異常處理求解算法

考慮異常天氣、交通管制等（外部因素）產(chǎn)生的沖突進(jìn)行改航。

步驟一：獲取航路網(wǎng)信息????，受影響的航路????ban，受影響的節(jié)點(diǎn)????ban，所有已通過起飛授權(quán)的無人機(jī)計(jì)劃信息???????? ,???? ∈ ????active；

步驟二：將受影響的航路????ban和節(jié)點(diǎn)????ban剔除，更新航路網(wǎng)信息????；

步驟三：通過比對(duì)計(jì)劃信息???????? , ???? ∈ ????active中的航路點(diǎn)?????，篩選出受影響的無人機(jī)集合????ban，若????ban = ?則輸出無影響并終止程序；否則執(zhí)行步驟四；

步驟四：對(duì)受影響的無人機(jī)采用迪杰斯特拉算法，輸出新的航路點(diǎn)????? , ???? ∈ ????ban并更新???????? , ???? ∈ ????ban。

3.2.2 分布式空中交通控制

集中式空中交通控制系統(tǒng)中如果有某架飛行器要改變飛行計(jì)劃，那么與之相關(guān)的所有無人機(jī)都需要重新在線規(guī)劃，更新飛行計(jì)劃，且規(guī)劃復(fù)雜度隨飛機(jī)增加而增大。因此，集中式框架計(jì)算復(fù)雜度太高了，我們希望有另一種框架。就像開車一樣，我們要導(dǎo)航去哪個(gè)地方，地圖告訴我們從a到b點(diǎn)怎么走。這個(gè)規(guī)劃是我們?cè)陂_車之前，地圖就給我們?cè)O(shè)計(jì)好的。對(duì)于飛行器來說，起飛之前系統(tǒng)會(huì)根據(jù)空中交通情況確定飛行計(jì)劃，但一旦起飛之后，就由飛行器自主決定怎么做，這就是分布式整體的框架。分布式框架把很多控制從地面站轉(zhuǎn)移到了飛行器上，每個(gè)飛行器只管自己，整體上是有組織的，但在飛行過程中，飛行器會(huì)按照一定協(xié)議，與其他飛行器避障。這一部分我們提出一個(gè)概念叫Sky Highway 空中高速公路，我們有一篇論文《Sky Highway Design for Dense Traffic》簡單的闡述了我們整個(gè)的思路，感興趣的同學(xué)可以看一下。

關(guān)于航路避障的話，飛機(jī)可以直接在航道上進(jìn)行一些避障的飛行，為了增加整個(gè)航路網(wǎng)的帶寬，我們?cè)诠?jié)點(diǎn)處做了一些設(shè)計(jì)，比如說這個(gè)節(jié)點(diǎn)是為了改變方向的，我們也希望飛行器能夠直接通行，這樣話就不用等待。如果是多個(gè)航道相交的話，這叫做交叉節(jié)點(diǎn)，也就是交叉路口。平時(shí)我們經(jīng)過交叉路口時(shí)，最常見的是紅綠燈，但是紅綠燈就意味著飛機(jī)要在這里等待。所以目前我們采取了環(huán)島結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)像紅綠燈這種低效率的等待策略。然后控制，我們大體上是像人工勢(shì)場(chǎng)法這種思路來進(jìn)行的，保證無人機(jī)在航道里面往前飛行，同時(shí)又不卡死。人工勢(shì)場(chǎng)法有一些缺點(diǎn)，有可能會(huì)導(dǎo)致卡死，比如說我們大家都往一個(gè)點(diǎn)走，那可能誰都到達(dá)不了這個(gè)點(diǎn)，大家都想到達(dá)，但是無法同時(shí)到達(dá)，這就是卡死問題。我們目前把這些問題都解決了。然后還有環(huán)島，我們做了比較細(xì)的一些研究，飛行器都能進(jìn)入航道，又能夠順暢的出去，這個(gè)環(huán)島設(shè)計(jì)算是我們的一個(gè)創(chuàng)新。

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3.3 仿真與實(shí)驗(yàn)

最后來介紹一下我們的仿真，我們自己搭建了MATLAB的一個(gè)仿真環(huán)境，其中有航路網(wǎng)信息，待審核無人機(jī)的信息，輸入的禁飛區(qū)的信息等等，如下圖所示：

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室也做了一些相應(yīng)的平臺(tái)，用這種定位設(shè)施來做，如下圖所示：

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4. 總結(jié)與展望

無人機(jī)空中交通或城市空中移動(dòng)是大勢(shì)所趨，無線網(wǎng)絡(luò)和時(shí)空大數(shù)據(jù)是交通的基礎(chǔ)，同時(shí)交通設(shè)計(jì)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了新需求。我們對(duì)空中高速公路做了一系列的工作：

設(shè)計(jì)了航路網(wǎng)模型和無人機(jī)模型、基于集中式的低空交通控制算法，以及最重要的基于分布式的低空交通控制算法，在確保無人機(jī)安全飛行的前提下增大了流量。

搭建了仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過用例測(cè)試驗(yàn)證了基于集中式的低空交通控制算法和基于分布式的低空交通控制算法的可行性。? ? ? ?

未來我們希望繼續(xù)在以下方面開展工作：

1. 提升飛行狀態(tài)預(yù)估算法效率。
2. 機(jī)場(chǎng)高效調(diào)度。
3. 固定翼飛行器的調(diào)度算法。
4. 異構(gòu)系統(tǒng)（旋翼機(jī)和固定翼混合空域）魯棒性調(diào)度算法。
5. 半物理仿真空管測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)。
6. 基于真實(shí)場(chǎng)景的飛行驗(yàn)證。

編輯：hfy