城市无人机航线飞行间隔与调控频率综合研究

聚焦城市无人机航线飞行,为确保运行安全,需要为无人机配备合适的飞行间隔。面向同航线纵向飞行场景,研究了考虑冲突频率与碰撞概率且符合ICAO间隔制定原则的间隔调控模型。通过研究仅考虑无人机定位误差下的碰撞风险,得到无人机纵向飞行间隔,作为后续间隔计算的基准;通过综合考虑定位误差和速度误差引发的位置不确定性,计算伴随无人机航线飞行进程的碰撞风险。加大纵向间隔会延迟突破安全目标水平的时机,但随着飞行进程的推进,碰撞风险终将突破安全目标水平。基于此,提出了无人机位置调控机制,对2架无人机位置进行定期调控,以消除速度所产生的累积误差。针对某1个指定的安全目标水平,得到了纵向间隔与位置调控频率的关系曲线,发现二者存在博弈关系,实施高频调控,需要采取更小的航线间隔;反之,则需要加大航线间隔。同时,为兼顾城市空间与位置调控能力的双重约束,提出了选取曲率最大值位置的所需飞行间隔与调控频率作为折中方案,发现安全目标水平要求越严格,所需调控频率和飞行间隔越大。实验得到在满足安全目标水平为5×10^(-9)次/飞行小时情况下,所需调控频率为87次/h,所需纵向飞行间隔为90 m;同时在实际运行环境中,应用上述评估模型与方法可以客观选择所需间隔和调控频率。本文研究可以兼顾城市物流无人机空中运行的安全,提高城市空域利用率和派送效率。

基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法

电动垂直起降飞行器(eVTOL)是1种新兴的交通工具,也是近年来研究的热点。受限于垂直定位精度低、穿越飞行风险隐患多等问题,eVTOL运行间隔标准难以确定,尚不具备实际应用条件。为探索该飞行器垂直间隔标准,针对多旋翼型eVTOL的底部较宽、顶部逐渐变细的外形特性,改进了经典Event垂直碰撞模型,并提出了基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法。该模型考虑了多旋翼型eVTOL的外形特征、导航精度、运行特点、定位误差、飞行速度特性及速度误差等因素,引入相对速度、侧向重叠概率、垂直重叠概率等计算模型参数,并将原长方体碰撞盒修正为圆台体碰撞盒,有效降低了计算冗余,提高了碰撞模型的精确性。以亿航216-S型多旋翼型eVTOL为例,计算了其在不同安全目标水平和不同导航精度下的最小垂直间隔,计算结果表明:①安全目标水平与导航精度的降低,都会导致最小垂直间隔的减少;②当安全目标水平为1×10^(-6)次/飞行小时且导航精度为RNP10时,最小垂直间隔可缩小至11 m;③当导航精度为RNP10且垂直间隔为11 m时,基于改进Event模型计算的碰撞风险比原模型降低了24.78%。研究结果表明,在计算多旋翼型eVTOL的碰撞风险中,引入圆台体碰撞盒的垂直间隔安全评估方法更加精确合理,能够为多旋翼型eVTOL垂直间隔标准制定提供理论支持。

城市物流无人机平行航线横向间隔研究

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50302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。

基于位置误差模型的机场侧向跑道碰撞风险评估

针对侧向跑道相关运行模式下航空器进离场安全间隔问题进行碰撞风险评估。为保证航空器之间的安全运行,对机场侧向跑道运行模式进行分析,计算两跑道航空器之间的动态间隔,并考虑导航误差、速度误差等因素建立位置误差碰撞风险模型。以成都天府机场侧向跑道为例,利用MATLAB软件对航空器间的碰撞风险进行仿真,并进一步得到碰撞风险值与侧向跑道汇聚交叉角度的关系。仿真结果表明:在起降相关运行模式下,当终端区航空器起始水平间隔距离为6 km,侧向跑道交叉角度为90°时,总的碰撞风险为5.14×10^(-9),满足航空器之间安全水平要求,且随着侧向跑道汇聚交叉角的增大,跑道上两架航空器的碰撞风险逐渐减小。

冲突探测与解脱机制下城市物流无人机自由飞行间隔研究

聚焦自由飞行场景,为确保城市物流无人机运行安全,需要为无人机配备安全间隔。借鉴气体模型和位置误差概率模型,提出考虑冲突探测与解脱机制的无人机自由飞行间隔综合评估模型。首先应用气体模型评估无人机冲突发生频率;接着综合考虑空中交通特性、冲突探测与解脱机制、航线结构、空中交通服务能力,计算冲突发生时碰撞概率,得到总体碰撞概率。最后,对标安全目标水平,计算城市物流无人机自由飞行所需间隔。应用该模型,针对某运行空间无人机自由飞行场景,制定所需间隔。研究结果为城市物流无人机间隔标准制定提供可行方法,同时可用于指导冲突探测与解脱机制,降低突破间隔后碰撞概率。

自由飞行下改进的Event碰撞风险计算模型

为确保航空器在自由飞行空域中安全飞行,需要建立自由飞行下的碰撞风险计算模型,评估其碰撞风险。借鉴非自由飞行下的Event碰撞风险评估模型构想,根据自由飞行的特点,将碰撞模版由长方体改为球体。在自由飞行环境下,碰撞风险由航空器航向关系及航空器间距共同确定,并考虑通信、导航、监视(CNS)技术因素对航空器定位误差的影响;分析航向解脱和高度解脱2种冲突解脱方式,建立碰撞风险模型;利用Matlab对模型进行求解,最后依据碰撞风险计算结果确定最小安全间距。算例结果表明,目标安全水平(TSL)为1.5×10^(-8)(次/飞行小时)时,航空器间最小安全间距为10 096 m,与实际相符。

基于复杂度算法的安全指标分配分析

城市轨道交通信号工程建设过程中,信号设备供应商需要将业主设定的总体运营安全指标分配给信号系统的各个子系统。首先分析城市轨道交通信号系统的体系架构、安全功能和安全指标,然后针对设计的三种安全指标分配方法,分析这些方法的具体要求和原则,结合系统架构、安全逻辑模型和具体工程建设参数,利用三种不同方法,将整个系统总体安全指标分配到各个设备,最后比较不同分配方法计算出的分配结果。从分配结果的比较来看,三种分配方法得出的结果均处于同一数量级,均为可行的分配方法,但从系统安全性的角度而言,基于系统复杂度的分配方法最优,更适合信号系统设计和制造的需求。

基于CNS定位误差的平行航路间隔安全评估

主要对平行航路中基于CNS定位误差的飞行间隔安全评估问题进行了研究。首先分析了CNS定位误差对飞机碰撞风险的影响。其次运用概率论方法得到了CNS定位误差下飞机纵向、侧向和垂直三个方向上的碰撞风险计算模型,并根据模型利用牛顿迭代算法,通过给定某一方向安全目标水平计算CNS定位误差下相应的安全间隔。最后对平行航路三个方向的飞行间隔进行了评估计算,将结果与实际相比较,表明该模型可行。

基于CAP模型的ADS-B管制间隔标准评估

随着航空业的快速发展,传统监视系统已无法满足空中交通管制的需求,建设以广播式自动相关监视(ADS-B)为主要监视手段的新航行系统成为必然趋势。论文提出了危险碰撞概率(CAP)模型的概念,选择终端区二次监视雷达作为参考基准系统,根据国际民航组织认可的安全目标等级(TLS),得到ADS-B管制间隔标准评估的参考基准间隔,并通过CAP模型计算出ADS-B保持参考基准间隔时所能达到的安全等级。计算结果表明:ADS-B监视安全等级远低于TLS,在终端区使用ADS-B实施3海里的管制间隔标准是安全的。

平行跑道条件下目视间隔与跑道容量评估

双目运行模式能缓解延误水平,提升航空运输效率。为缩减运行间隔,提升跑道整体运行效率,基于安全碰撞风险水平得出双目运行条件下的侧向目视间隔,并评估跑道容量。建立双目运行条件下改进的侧向碰撞风险模型,在给定安全目标水平条件下,得出侧向目视间隔最小值为1.9km,评估得出跑道容量。结果表明:实施双目飞行模式下的跑道容量为76架次/小时,较传统提升58.3%,显著提升了跑道容量,利用Anylogic验证仿真效果,有效率达到了96%。

基于Monte-Carlo的无人机系统安全目标水平评估

针对无人机系统进入融合空域执行不同任务时的安全问题,提出了一种基于Monte-Carlo的风险评估方法。首先对融合空域影响无人机系统发生地面撞击事件的因素进行分析,再用参数分布描述各影响因素的不确定性,最后选取Firebird与Typhoon H两款典型无人机,分别在低风险区域、一般风险区域和高风险区域内利用Monte-Carlo仿真算法进行安全评估,并对各影响因素进行敏感性分析。仿真表明:不同型号的无人机系统在不同运行环境下安全目标水平的差异较大,无人机坠落下滑角度是影响系统允许失效率的关键因素,为无人机系统进入融合空域内的运行风险评价以及提升无人机安全水平提供了一种可行思路。

食品专业课程中思政元素映射靶点与融入路径研究——以福建省一流课程食品安全与卫生学为例

思政教育是立德树人之本,专业教育中课程思政元素的映射与融入对于实现学科育人与课程育人水乳交融至关重要。食品安全与卫生学课程作为食品专业的核心主干课程,对于学生专业知识储备、个人素质培养、职业道德养成以及社会责任感树立都有着重要作用。通过明确食品安全与卫生学课程一级、二级、三级教育目标,挖掘课程本身及相关交叉课程中蕴藏的家国情怀、法治意识、社会责任、人文精神、仁爱之心、国际视野、勇于创新等多元化思政元素,探索专业教学过程中思政元素的映射靶点与融入路径,同时,就加强思政教育的方法进行了构想,以期为课程思政融于食品安全与卫生学等专业核心课程提供可行的建设样板,为深化教育教学改革奠定扎实的工作基础。

ETCS-3列车完整性功能的安全目标

描述ETCS-3列车完整性功能的安全目标的分配过程。首先识别有关危害,以及相应的可容忍危险概率(THR)。然后,考虑THR、运营环境和实际事件统计信息,得出列车完整性功能的容许失效率(TFR)数值。

含蜡原油管道停输再启动可靠性研究

传统的确定性方法研究含蜡原油管道停输再启动的安全性存在很多不足,基于可靠性的方法可以很好地解决参数不确定性问题。国内已经有学者开展了停输再启动的可靠性研究。从停输再启动极限状态方程的建立、参数不确定性分析、可靠性分析、目标安全水平确定4个方面,总体评价了含蜡原油管道停输再启动可靠性研究的现状。针对现有研究的不足,提出了今后研究的2个方向:确定更加合理的可接受凝管概率、开发更加高效的算法。介绍了停输再启动失效概率的计算方法,并结合具体算例,指出凝管概率在工程实际中的指导意义:更加合理地确定输油温度和停输时间。

基于PCA-灰靶模型的采空区安全评价

为了解决采空区安全评价影响因素较多以及影响因素之间的相关性对评价结果准确性带来不利影响的问题,基于主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)法和传统灰靶模型,通过PCA降维、去相关性,提出了一种改进的灰靶模型(PCA-灰靶模型);利用该模型对广西某铜矿10个采空区进行安全评价,并与传统灰靶模型的评价结果进行对比,结果表明:PCA-灰靶模型的评价结果相对于传统模型更加准确,可对采空区的安全风险等级作出准确评价,且评价过程更加方便、简单。

基于CNS定位误差的侧向碰撞风险模型

为了有效地确定航路安全间隔与评估碰撞风险,研究了基于通信、导航、监视(CNS)定位误差的侧向碰撞风险问题。运用多维随机变量协方差矩阵,给出了CNS性能环境下侧向定位误差分布函数,建立了给定间隔下基于CNS定位误差的侧向碰撞风险模型,并对侧向碰撞风险进行了评估计算。计算结果表明:某航路侧向碰撞风险为4.8×10-13,在安全目标水平5.0×10-9之内,因此,该航路在现有的CNS性能环境下满足安全目标水平要求。

规定安全间隔的CNS性能环境研究

对平行航路下规定安全间隔的CNS性能环境评估问题进行了研究.首先分析了CNS性能环境对飞机碰撞风险的影响,并结合Reich模型和概率论方法建立了CNS性能环境下飞机纵向、侧向和垂直方向上的碰撞风险模型;其次对碰撞风险模型进行分析转化得到了规定的安全间隔和安全目标水平下CNS性能环境的评估计算方法.最后对平行航路的CNS性能环境进行了评估计算,得到符合航路安全目标水平1.5×10^(-8)的CNS性能环境为RNP10、RCP400、RSP20.

近距平行跑道到达离场窗划设方法研究

针对近距平行跑道一起一降模式下进近航空器可能出现复飞,从而影响另一条跑道航空器安全离场的问题,对离场航空器的放行时机和到达离场窗的划设展开研究。首先,提出了构建近距平行跑道到达离场窗(ADW窗),来保持进离场航空器的安全距离;然后,采用位置误差概率模型,建立了近距平行跑道构型下进近复飞与离场航空器之间碰撞风险评估模型,给出了ADW窗的划设方法。算例结果表明,在ADW窗临界处进近复飞的航空器与另一条跑道同时离场的航空器的危险接近概率满足最低安全目标水平,可辅助管制员确定离场许可发布时间,以确保进离场航空器之间的距离满足安全运行要求。

无人机系统安全目标水平预估方法

考虑无人机系统(UAS)与有人机运行安全特性的不同,通过事件树分析识别出对地撞击是无人机系统运行的首要风险方式。基于等效安全水平的概念,建立确定无人机系统安全目标水平的对地撞击模型,将无人机撞击动能、构型参数以及飞行环境因素综合考虑到模型中,并计算了不同无人机系统在不同运行场景下的安全目标水平以及基于我国地域人口的安全目标水平,结果表明:在考虑运行环境的情况下,对无人机系统安全目标水平的定量要求可能跨越4~5个数量级。在此基础上,结合风险矩阵的概念,给出基于对地撞击情况的无人机系统运行风险评价矩阵,为无人机系统运行风险评价提供了一种可行思路。

基于ADS-B IN的平行进近冲突检测研究

阐述一种基于ADS-B IN数据进行空空监视的平行进近冲突探测方法,提醒飞行员可能发生的危险接近。利用目标安全等级的航空器位置误差对告警方法进行蒙特卡洛仿真,结果表明根据ADS-B信息能够正确地感知航空器周边的交通情况并对冲突进行检测,提醒航空器驾驶员保持安全间隔或冲突避让。