基于运行场景的民用无人机地面撞击风险研究*

齐福强

（中国民航大学 交通科学与工程学院，天津 300300）

0 引言

目前，无人机的运行安全评估成为国内外各航空监管机构及研究者关注的焦点［1］。FAA提出未来无人机管制达到至少相当于载人航空的安全水平［2］。EASA在对无人机对地面人员风险评估时，假定无人机是点对点的飞行且在低人口密度的地区飞行［3］。但由于无人机运行往往是任务驱动的，需要在特定区域飞行，若不考虑这些区域的诸如人口密度、空域环境、气象环境等因素，很容易对其运行风险估计过于保守或不足。我国《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》根据运行风险大小，将民用无人机分为微型、轻型、小型、中型、大型。无人机重量仅是影响运行风险水平的因素之一，仅从其大小划分运行风险，而未考虑运行环境、运行模式、运行任务等因素，很难保证无人机运行与其风险水平相匹配。因此，评估无人机运行风险，必须基于其特定的运行场景，对运行风险要素的组合进行适应性重构。现有研究主要集中在无人机系统安全性、无人机与有人机碰撞概率、地面撞击事故率等方面［4-5］，而对考虑运行场景的无人机运行风险评估不足。

1 无人机运行场景与风险因素分析

《民用无人驾驶航空试验基地（试验区）建设工作指引》从“人口、视距”2个维度定义4种无人机运行场景。基于风险视角，无人机运行场景可认为在特定运行环境，完成特定无人机航空功能的场景，无人机系统、运行环境等决定其运行风险。无人机系统是无人机失效率、地面撞击致死率及影响区域的决定因素。同时，地面人口分布是确定风险危害性的另一关键指标。另外，考虑到无人机与其他航空器空中相撞风险，无人机运行场景应从机型、地面人口及空域3个维度确定，如：人口密集区大型无人机隔离运行场景。

无人机运行风险因素是指无人机运行过程中能影响无人机运行风险可能性或风险后果的条件或因素，主要包括风险可能度要素和风险危害度2类。风险可能度要素包括无人机系统故障率、运行环境、管理因素等。风险危害度要素含运行中的无人机系统能量，包括无人机系统重量、尺寸、运行速度和运行高度及地面遮蔽保护等因素［3］，见表1。

表1 无人机运行风险要素

2 无人机运行风险评估模型

2.1 风险可能度评估模型

式中，fep为环境因素对风险可能度的影响因子；fmp为管理因素对风险可能度的影响因子；PS为地面撞击风险概率，是无人机运行中人机系统可靠性的函数。有研究表明无人机系统故障率一般在10-5级，但实际还是有明显的差异［6］。

2.1.1 环境因素对风险可能度的影响因子

环境因素对无人机运行风险可能度的影响是空域环境、地形地貌、气象环境3个影响因子的函数。

融合空域内，由于无人机环境感知能力缺乏、超视距运行，致使操作人员无法及时判明周围空域的情况，只能按照任务程序操作，有可能导致无人机与有人驾驶航空器相撞事故。美军曾发生多起低空无人机与直升机相撞的事故。碰撞产生的碎片会发生撞击地面的二次事故，故其对运行风险的影响远远高于隔离空域。在隔离空域中fea=1，而在融合空域内fea>1。

地形地貌对无人机飞行剖面的不同运行阶段影响不同，所以可将各运行阶段的地形地貌影响因子为地形和飞行阶段的函数。

式中，x为无人机飞行剖面飞行阶段；t为地表形态。无人机各飞行阶段的地形影响因子如表2所示。

表2 地形影响因子

风速、能见度和风切变是影响无人机运行安全的主要因素，气象因素对无人机运行风险可能度的影响为各类气象因素的综合作用。

其中，fmw、fmv、fms分别为风速、能见度和风切变对运行风险可能度的影响系数，见表3—表5。

表3 风的影响系数

表4 能见度影响系数

表5 风切变影响系数

2.1.2 管理因素对风险可能度的影响因子

管理因素主要包括组织管理和任务管理2个方面。组织管理因素主要包括驾驶员培训、运行管理、安全监察等，良好的组织管理对于降低运行风险有着正向的影响。任务管理主要包括飞行方式、运行视距以及飞行独立性3个方面。管理因素对无人机运行风险可能度的影响表现为组织管理与任务管理的综合作用。

式中，fmo为组织管理因素对无人机运行风险可能度的影响，见表6。fmt为任务管理因素对无人机运行风险可能度的影响，fmt=ftf·fti·ftv，其中：ftf为飞行方式的影响系数（自动飞行时取1，操作飞行时取2）、fti为飞行独立性的影响系数（独立运行时取1，协调运行时取1.5）、ftv为运行视距的影响系数（视距内运行时取1，超视距运行时取1.5）。

表6 组织管理因素影响系数

2.2 风险危害度评估模型

风险事件危害度涉及客观危险性因素、环境条件、应急能力等，DALAMAGKIDIS K等［3］给出无人机撞击地面人员死亡率模型：

式中，ps为地面遮蔽保护系数，取值范围为（0，∞），均值为1；参数 表示当ps=6时，死亡率为50%的撞击能量；参数 表示当ps=0时导致死亡的撞击能量阈值，一般取常数34 J；k为校正系数，。Eimp为无人机撞击瞬时速度，以无人机最大设计速度的1.4倍来替代。无人机地面撞击死亡人数计算模型为：

式中，Ae受撞击事故影响区域面积，m2，与无人机尺寸有关；为该区域人口密度，人/m2。

在风险评估中，EASA提出了200人/km2的标准人口密度。但实际地面人口密度差异巨大，且地面遮蔽保护情况也不同，如只采用标准人口密度会造成评估过于保守或冒险。地面遮蔽保护系数见表7。

表7 地面人口分布类型

3 典型场景下无人机运行风险分析

3.1 无人机选型

选择轻、小、中、大4类无人机，见表8。为分析各影响因素对无人机运行风险的影响，假设各无人机可靠性一致，即地面撞击事故概率均为10-5次/h。

表8 无人机选型及其参数

3.2 无人机运行场景构建

设计4类典型的运行场景：S1-S4。S1为人口聚集区运行场景，如大型集体活动航拍、巡查等，该类场景以地面人员高密度、遮蔽保护差为显著特征；S2为人口密集区运行场景，如城市物流配送、航拍、监测等，该场景具有较高的地面人口密度且遮蔽保护较少；S3为人口稀疏区运行场景，如农村或山区等人口稀疏且具备一定遮蔽保护区域内航空物流、航空科研等；S4为人口稀少区运行场景，如人口密度极低且基本无遮蔽保护区域内航空物探、空中喷洒、空中巡查等。考虑环境良好（A类）和较差（B类）对运行风险的影响，细分为8个运行场景，如表9所示。

3.3 无人机运行风险分析

3.3.1 运行风险可能度分析

图1显示无人机运行风险可能度。随着环境与管理变差，风险可能度显著提高，其数量级从10-5上升到10-4。另外，RQ-11 Raven和Maxi Joker 2的风险可能度远远高于Neptune和CL-327 Guardian；而Neptune和CL-327 Guardian风险可能度基本相同。与中大型无人机相比，轻小型无人机更易受环境因素和管理因素的影响。因此，无人机运行时，不仅需考虑无人机系统本身、地面人口等因素，还需特别关注运行环境、运行任务管理等方面，尤其是使用轻小型无人机时。

3.3.2 运行风险危害度

1）事故死亡率。图2显示地面撞击事故死亡率。由于人口聚集区和人口稀少区的地面遮蔽保护较差，导致各类无人机的死亡率都较高，甚至达到100%（由于撞击动能超过预设阈值），与文献［3］结果基本一致。无人机的尺寸、重量、运行速度等指标越大，相同运行场景下导致地面撞击死亡率越高。在地面遮蔽保护较差的区域运行无人机时，尤其中大型无人机，地面撞击死亡率往往较高，需从风险可能度控制该类风险事件的发生。

表9 运行场景分类及参数

2）事故死亡人数。图3显示各运行场景下无人机地面撞击死亡人数。人口聚集区的地面撞击死亡人数较高，且随着地面人口密度降低，地面撞击死亡人数迅速降低；无人机的动能越大，死亡人数也越高，大型无人机在人口聚集区地面撞击致死人数可达0.2以上。无人机运行时，应格外关注人口高密度区中大型无人机的危害度。

3）运行风险。图4显示无人机运行风险度。环境因素和管理因素对运行风险有较大的影响，B类运行环境下运行风险明显高于A类时。C1和C2场景中地面人口密度较高，风险度也远远高于地面人口稀疏时。各类无人机在不同运行场景下，风险度可跨越4~5个数量级，为达到相应安全目标水平，在无人机研制和运行中需根据机型及其运行场景进行相应的控制，且采取适当的安全管理方式。

4 结论

1）在无人机运行场景概念及划分维度界定的基础上，确定环境因素、管理因素、地面人口密度、遮蔽保护能力对无人机运行风险影响系数，进而确立以地面撞击风险事件死亡人数为指标的无人机地面撞击运行风险评估模型。

2）随着地面环境、气象环境、组织管理、飞行任务管理等恶化，无人机运行风险显著增加，但不同类型无人机受各类因素的影响差异较大。仅从无人机动能和地面人口分布2个维度进行无人机运行风险评估与分级管理是不充分的。

3）参照安全目标水平，在无人机研制和运行中需根据机型及其运行场景进行相应的控制，且采取适当的安全管理，如：在一定技术水平下，可以考虑限制机型、运行环境、或限定飞行区域等方式满足运行安全需求。