一种无人机撞击风险评估方法、系统、装置及介质

本发明涉及无人机撞击风险评估，特别涉及一种面向城市低空空域的无人机撞击风险评估方法、系统、装置及介质。

背景技术：

1、无人机城市风险评估是无人机进入空域运行的先决条件，其合理性和正确性直接决定无人机城市安全飞行的能力。对于无人机安全评估技术，需要综合考虑无人机城市飞行的多种情况，同时结合真实城市空地态势，对相关计算进行优化，构建具体的风险评估方法及标准，最终使无人机能安全有效的在城市中运行。

2、现已有研究基于椭球保护区模型通过构建空间接近关系确定航空器间的风险关系；考虑相关因素以此确定无人机坠机水平、垂直速度；通过空气概率确定航空器之间的空中碰撞概率；确定各类型遮蔽物参数、不同撞击能量对应的伤亡程度、撞击面积及无人机撞击后的伤亡概率。

3、但其多数只考虑无人机单一情况下的风险评估，如空中相撞、高耸建筑威胁、地面撞击，或仅考虑理想的运行情况，很少将真实的城市地理地形数据考虑其中，如城市建筑物、禁飞区、地面人口密度及分布等重要因素，同时对于具体的安全评估模型与评估方法并未涉及，因此导致应用范围受限，可操作性低，且风险评估结果可靠性欠佳。

4、现有技术一：[张宏宏,甘旭升,李双峰,冯政,靳阳.复杂低空环境下考虑区域风险评估的无人机航路规划]为解决无人机在复杂低空环境内运行安全性较低的现状,提出了考虑区域风险评估的无人机航路规划方法,可快速生成运行风险较低的航路。首先,对复杂低空环境进行模型简化和风险评估,得到低空三维风险图；再将路径风险值作为综合代价,利用改进蚁群算法对空间三维航路进行规划,有效降低了生成路径的冗余度；最后,用3次b样条对规划出的离散路径进行平滑处理,生成曲率与俯仰角连续的可飞路径。仿真与实验结果表明:本文提出的算法生成的路径能够以较小的路径代价,换取一条风险值较低的路径,同时路径冗余度较低,曲率与俯仰角连续变化,是满足无人机性能约束的可飞路径。

5、现有技术一的缺点

6、1、评估标准不完整：只有性质指标表示公式，无具体评估标准。

7、2、评估方法有效性欠佳：将无人机空中相撞与地面撞击分开考虑，分为不考虑区域风险和考虑区域风险，不符合实际情况。

8、3、评估条件不完善：无人机坠落概率只考虑了因自身故障坠落的概率，且无具体计算公式或数值；公式定义过于理想化，缺少对实际空地态势的考虑。

9、现有技术二：[闫少琨.无人机运行安全风险评价[d].中国民航大学,2018]

10、近年来,民用无人机行业呈现井喷式的发展,特别是轻小型无人机数量急剧增加,占到民用无人机的绝大多数。但是由于目前我国的无人机监管体制不完善,以及无人机管控难度较大的特点,无人机违规飞行造成的安全事故频发,有的无人机甚至还影响到了运输航空飞机的正常运行,据统计我国现在大约有两万架无人机在“黑飞”。因此对无人机进行风险评价是十分必要的,希望通过本文的研究可以为降低无人机的运行风险起到积极的作用。本文使用定量风险评价方法中的概率评价法的研究思路对无人机运行风险进行评价。首先对我国无人机的分类进行了优化,确定了我国无人机行业的安全评价指标并确定了相应的安全目标。随后建立无人机坠机概率模型,模型由各致因模型构成:无人机与运输航空飞机碰撞坠机概率模型、无人机与无人机碰撞坠机概率模型和无人机自身失效坠机概率模型。无人机与运输航空飞机碰撞和无人机与无人机碰撞坠机概率模型是使用气体模型建立的,无人机自身失效坠机概率模型是由串联系统可靠性模型建立的。随后建立了无人机运行的坠机后果严重度模型,对不同类型无人机坠落在我国不同地区的后果严重度进行了分析。根据无人机运行的坠机概率模型和无人机运行的坠机后果严重度模型建立无人机运行风险评价模型,对不同类型的无人机的运行风险进行评价,通过与预先确定的无人机行业安全目标进行比较得出目前我国无人机行业的安全水平极低的结论。提高安全水平的方法是降低无人机与运输航空飞机碰撞的风险和无人机自身的失效率,针对降低风险的方法为我国无人机安全管理给出合理建议。最后应用无人机风险评价模型对我国无人机机场限飞区的范围设定进行分析,并给出优化方案

11、现有技术二的缺点

12、1、评估方法有效性欠佳：只考虑无人机因坠机的对地伤害，缺少真实运行中无人机空中撞击部分。

13、2、约束条件不全面：缺少真实的空域地域数据条件，导致其中碰撞面积，坠落速度公式等需要进一步优化；且坠落概率多数为保守估计，准确性较低。

14、3、评估结果具有局限性：只针对不同类型无人机运行进行风险，对于无人机在真实地形运行无具体评估方法。

15、现有技术三：[胡莘婷,戴福青.基于城区行人安全的无人机运行风险评估]为保证无人机(uav)在城市区域安全运行,建立基于城区行人安全的uav运行风险评估模型。首先,分析uav在城区运行时对行人造成的威胁,进行风险建模；其次,引入风险衡量标准,建立风险成本计算指标；然后,生成uav城区运行风险地图；最后,以基于风险规避的uav路径规划为应用场景,求解uav在城区中的飞行任务路径。结果表明:不同区域的风险成本区别明显,风险程度与人群密度、环境遮蔽效果有关；与传统的距离最短路径规划方法相比,考虑运行风险的路径规划方法能够使uav的飞行路径避开危险程度较高的区域,提高uav在城区运行的安全性。

16、现有技术三的缺点

17、1、评估过程不完整：首先是公式方面，缺少暴露面积的计算方法，其次是缺少密集区域和一般区域的判定方法，最后是只得到具体风险值大小，但无进一步对其进行划分标准，

18、会导致该评估的实践性较低。

19、2、评估方法有效性欠佳：首先没有考虑到空域结构对飞行安全的影响，忽略了无人机在的空域风险；其次缺少对真实数据的考虑，较为理想化。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种无人机撞击风险评估方法、系统、装置及介质，在结合城市空地态势的情况下，既考虑地面撞击，同时也考虑空中相撞，最后得到风险成本值并进行风险等级划分，有效实现城市复杂低空空域的风险评估。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种无人机撞击风险评估方法，包括以下步骤：

4、s1、通过构建无人机与空域内障碍物的空间接近关系，得到无人机空中碰撞的风险代价数据；

5、s2、依据气体模型计算出无人机坠机概率，并与坠机后果严重程度模型相结合，得到无人机地面撞击的风险代价数据；

6、s3、构建风险成本评估模型，对考虑城市无人机空中撞击的风险代价数据和无人机地面撞击的风险代价数据进行量化并划分风险等级。

7、进一步地，s1中无人机空中相撞风险代价计算的子步骤如下：

8、s11、将在一定区域内静态障碍物距离无人机最近的点视为关键点。静态障碍物包括：建筑、高耸树木、大型路标

9、设在t时刻,无人机i对应的关键点为ip,则无人机i和关键点ip之间的空间接近关系为表示为:

10、

11、式中：为t时刻无人机i到关键点ip的水平距离，km；dip为第ip个关键点的参考距离，lm。

12、无人机与关键点的距离越接近设定的参考距离,相应的空间接近关系值越大,当小于等于设定的参考距离时,则空间接近关系达到最大值1。

13、进一步地，取dip为15km。

14、s12、设为无人机i和关键点为ip之间空间接近关系在t时刻的变化率，表示为：

15、

16、s13、基于无人机与关键点的空间接近程度和接近率,提出无人机与关键点之间风险代价的计算方法,计算如下:

17、

18、式中：βp为无人机与关键点接近率的调整系数；ad为调整系数，取值10-6。

19、无人机空中碰撞的风险代价r1表示为：

20、

21、进一步地，s2中无人机地面撞击风险代价计算，子步骤如下：

22、s21、无人机坠机概率表示为：

23、p＝p(c1)+p(c2)                 (5)

24、式中：p(c1)为无人机与障碍物相撞坠机概率；p(c2)为无人机自身失效坠落概率。

25、无人机与障碍物相撞的的概率模型表示为：

26、

27、式中：a为所研究的水平区域的空域面积，m2；n为空域内的无人机数量；g为无人机水平长度，m；h为无人机垂直长度，m；h为空域高度，m；e(vr)为预期的相对速度，m/s；

28、

29、式中：v0为无人机运行速度，m/s；βr为无人机与障碍物的相对方向角，°。

30、无人机系统的失效概率模型表示为：

31、

32、p(c2)＝λs＝6.04×10-5               (8)

33、s22、坠机后果严重程度模型为：

34、s＝nexpfi                      (9)

35、式中：nexp为与无人机相撞的人数；f为无人机撞击后的伤亡概率；i为伤亡程度。无人机坠机后果严重程度即为无人机与地面撞击的过程中对地面人员造成的伤亡程度，伤亡程度越高严重程度越高，伤亡程度越低严重程度越低。

36、

37、式中：ps为遮蔽系数,树木、建筑物、工业区可以在无人机坠机过程中起到缓冲无人机速度的作用，ps越大缓冲作用越大，ps越小缓冲作用越小；eimp为撞击动能,j，由计算获得，vx、vy分别为坠地时瞬时水平速度和垂直速度，m/s；α为ps＝0.5时死亡率达50％所需的撞击能量,j；β为当ps趋于0时死亡所需的撞击能量门限值,j。

38、根据无人机下降过程的受力形式，带入初始速度边界条件，确定无人机坠落区域，再以此求得坠地时瞬时水平速度和垂直速度vx、vy：

39、

40、式中m为uav质量，kg；g为重力加速度，m/s2；v0为初始速度值，m/s；cd为空气阻力系数；ρa为空气密度，kg/m3；t为下落时间，s；ax、ay分别是侧向和垂向迎风面积，m2。

41、

42、式中h为无人机运行高度，m；

43、nexp＝aexpρ                     (13)

44、式中：ρ为人口密度，人/km2；aexp为无人机地面撞击面积，m2。

45、在无人机在撞击地面过程中，当到达地面行人平均高度时继续滑行地得到地面撞击面积，aexp表示为：

46、aexp＝2×(ruav+rp)×d+π(ruav+rp)2          ⒁

47、式中：rp为平均行人半径，m；ruav为无人机最大半径，m；d＝hpcotθ,hp为行人平均高度，θ表示无人机下滑坠落角度，可由公式确定。

48、各类型遮蔽系数ps设置如下表：

49、

50、伤亡程度i由撞击能量确定如下表：

51、

52、无人机地面风险代价r2即为无人机坠机概率与伤亡程度的乘积，表示为：

53、r2＝ps

54、进一步地，s3中风险成本计算和风险等级划分，子步骤如下：

55、s31、构建风险成本评估模型:

56、

57、式中：r为风险值，由空中撞击风险代价r1和地面撞击风险代价r2组成，但r＝δ1r1+δ2r2；k为调整系数；q为密集区危险系数；r'为无人机运行安全水平，人/h。风险成本c越大，表示运行的安全性越低、危险程度越高。其中密集区域与一般区域，以人口密度2×104人/km2作为界限进行密集与一般区域划分。

58、s32、对考虑城市空地态势进行量化如下表:

59、

60、s33、风险等级划分：

61、将风险成本计算值大于等于人口密度为ρ＝2×104人/km2、遮蔽系数f＝0.2、飞行速度u＝20m/s、r1＝6×10-7时风险成本值的区域为高风险区域；

62、风险成本计算值低于高风险但大于等于ρ＝1×103人/km2、遮蔽系数f＝0.5、飞行速度u＝15m/s、r1＝3×10-7时风险成本值的区域为中风险区域；

63、风险成本计算值低于中风险但大于等于ρ＝200人/km2、遮蔽系数f＝0.75、飞行速度u＝5m/s、r1＝1×10-7时风险成本值的区域为低风险区域；

64、风险成本值小于ρ＝200人/km2、遮蔽系数f＝0.75、飞行速度u＝5m/s、

65、r1＝1×10-7时风险成本值的区域为无风险。

66、本发明还公开了一种面向城市低空空域的无人机撞击风险评估系统，该系统能够用于实施上述面向城市低空空域的无人机撞击风险评估方法，具体的，包括：无人机空中碰撞的风险代价评估模块、无人机地面撞击的风险代价评估模块、风险等级结构评估模块；

67、无人机空中碰撞的风险代价评估模块：通过构建无人机与空域内障碍物的空间接近关系，得到无人机空中碰撞的风险代价数据；

68、无人机地面撞击的风险代价评估模块：依据气体模型计算出无人机坠机概率，并与坠机后果严重程度模型相结合，得到无人机地面撞击的风险代价数据；

69、风险等级结构评估模块：构建风险成本评估模型，对考虑城市无人机空中撞击的风险代价数据和无人机地面撞击的风险代价数据进行量化并划分风险等级。

70、本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述面向城市低空空域的无人机撞击风险评估方法。

71、本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述面向城市低空空域的无人机撞击风险评估方法。

72、与现有技术相比，本发明的优点在于：

73、1、可以实际计算出无人机空中地面风险代价，得到风险成本数据，且具有完备的风险评估标准，可以对无人机城市运行实现完整的风险评估，突破了传统意义上风险类型划分难、风险数值量化难等复杂问题。

74、2、根据空间接近关系得出无人机空中相撞风险代价，且计算风险成本时对空中相撞和地面撞击风险代价进行权重分配，使其同时考虑且更符合实际。

75、3、真实考虑城市空地态势，包括人口密度、空气阻力系数、飞行高度等，且按此对公式如碰撞面积、撞击速度等进行优化，使其符合实际情况。