一种基于动静态风险协同评估的低空航路网络规划方法

本发明涉及城市低空航路网络规划，具体涉及一种基于动静态风险协同评估的低空航路网络规划方法。

背景技术：

1、随着以垂直起降航空器为载运工具的城市空中交通新型模式的兴起，吸引了社会广泛关注，催生了大量的城市空中交通领域新理念和新技术。尤其是在城市低空“最后三公里”物流包裹运输方面，市场潜力巨大，被认为是有效减轻地面物流压力的有效途径之一。无人机具备低成本、机动性高和实时操控性强的特性，使得无人机在各个领域都有着广泛的应用前景。随着无人机数量的增加、低空空域逐渐开放，以及互联网经济蓬勃发展，低空飞行需求将会日益激增。

2、然而，我国低空空域目前尚未完全开放，城市低空航路航线规划、航路航线组网和无人机运行安全等核心问题仍处于探索阶段。现有航路网络规划方法是基于od(originaldestination)需求和规避障碍物的点对点连接，所出现的航路重叠将会造成无人机碰撞隐患。面向当前低空大规模物流包裹运输场景，为了有效地减少航路重叠、避免无人机飞行冲突、降低空中无人碰撞风险并提高航路规划的公平性，规划具有安全间隔的无人机固定航路是一种有潜力的解决思路，可以保障城市低空无人机安全、高效、有序地飞行作业。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术不足，本发明提出一种基于动静态风险协同评估的低空航路网络规划方法，在规划的过程中既考虑空中楼宇障碍物所产生的静态风险，又从网络动态规划的角度考虑航路本身所产生的动态风险。

2、技术方案：一种基于动静态风险协同评估的低空航路网络规划方法，包括以下步骤：

3、s1：基于低空飞行任务需求分布确定规划空域，对空域进行离散剖分处理获得空域规则网格，基于建筑物形状、高度与分布情况设置低空空域禁飞区，根据禁飞区分布计算力场排斥函数以量化计算空域静态风险，并将其映射至空域网格；

4、s2：使用考虑转弯代价的改进a*算法与随机分形搜索算法规划各od间的初始航路，并计算空域动态风险；

5、s3：基于步骤s1得到的空域静态与步骤s2得到的空域动态风险计算综合风险代价，利用重叠航路长度和重叠次数计算效率代价，使用改进字典排序法对重叠航路进行“安全-效率”综合优先级排序，公平配置航路优先级并实现重叠航路重规划。

6、进一步地，s1中所述基于低空飞行任务需求分布确定规划空域，对空域进行离散剖分处理获得空域规则网格的具体方法是：

7、低空空域飞行任务需求分布设定网格以划分区域，规划空域为边长长度为l×j的二维矩形平面区域，所述二维矩形平面区域的四个顶点的坐标分别为(xmax,ymax)、(xmax,ymin)、(xmin,ymin)、(xmin,ymax)，并此基础上将规划区域等分为u×w个边长为的二维正方形网格；

8、所述二维矩形平面区域内网格坐标(xi,yi)所对应的编号i为：

9、

10、s1中所述基于建筑物形状、高度与分布情况设置低空空域禁飞区，使用力场排斥函数以量化计算空域静态风险，并将其映射至空域网格的具体方法是：

11、城市低空空域无人机作业空域存在固定障碍物表示为：

12、

13、考虑无人机对固定障碍物的碰撞风险，将以网格i所对应坐标(xi,yi)为圆心、排斥力辐射距离阈值d0为半径计算障碍物碰撞风险集合表示为：

14、setobstacle_i(xi,yi)＝{robstacle_i1(xi,yi),robstacle_i2(xi,yi),...,robstacle_iu(xi,yi),...,robstacle_in(xi,yi)}

15、其中，robstacle_iu(xi,yi)为禁飞区t对空域网格i的力场排斥函数，表示为：

16、

17、其中，(xu,yu)为障碍物u的网格坐标，m1为禁飞区t的风险系数，d0为排斥力辐射距离阈值，超出d0将不存在排斥力；然后将网格所对应坐标(xi,yi)内个禁飞区网格的碰撞风险相加，即可得到空域静态风险rstatic_i(xi,yi)：

18、

19、进一步地，s2中所述使用考虑转弯代价的改进a*算法与随机分形搜索算法规划各od间的初始航路的具体方法是：

20、在使用考虑转弯代价的改进a*算法进行路径规划时，其代价函数为：

21、

22、其中，k为路径规划开始o点到点处所经历的转弯次数；ε为转弯参数，表示在障碍物附近转弯的影响程度；tc为转弯代价；为位置在已经规划航路中重叠的次数；ec为加权系数，表示规划航路绕过一个重叠的位置可以接受的代价，ec值越高表示处所重叠的航路条数越多；为绕过位置可以承受的最大代价，为o点到点处的真实代价，为点到终点d＝(xd,yd)的估计代价，和的计算公式分别为：

23、

24、其中，rstatic_i(xi,yi)为静态风险，rdynamic_i(xi,yi)为动态风险，在初始航路规划时rdynamic_i(xi,yi)＝0；

25、在使用随机分形搜索算法规划各od间的初始航路，该算法包括扩散过程和更新过程，扩散过程执行开发任务，更新过程提供勘探能力其主要步骤如下：

26、p1：单体分型阶段，进行个体种群初始化，单体随机分型公式为：

27、

28、其中，为个体数量为n的种群集合，u和l分别是规划空间的上界和下界，pi是种群p的第个个体；

29、采用高斯游动分布生成新的个体，公式为：

30、

31、gw2＝gaussian(μp,σ)

32、在公式中，gaussian是高斯分布，bp是新的个体位置，μbp是bp的平均值，μp是集合p的平均值，和为[0,1]之间的随机数，迭代次的方差σ为计算公式如下：

33、

34、p2：新个体生成阶段，在个体的分形产生新的个体后，种群p’中的个体需要根据以下公式计算个体的选择概率

35、

36、其中，rank()是从小到大排序函数；是第个个体在群体p′中的适应能力；是p′种群的适应能力序列；

37、第一个更新阶段是局部更新性能较差的单个粒子，对于每个个体，如果它的选择概率其维度更新如下：

38、

39、在公式中，且当更新后的适应度优于亲代，新的个体将其取代；

40、第二阶段是更新对性能较差的单个粒子进行更新，首先，与第一个更新阶段一样，根据个体的选择概率pax对个体进行排序，然后对于每个个体，如果满足条件，则进行以下随机更新：

41、

42、在公式中，个体p″t和p″r是种群p″中随机选择的两个个体；ε’是高斯均匀分布的随机数，当个体的适应度大于亲代的适应度时，新的个体也必须取代亲代。

43、进一步地，所述s2中计算空域动态风险，根据初始航路规划结果，统计计算未重叠航路集合setnolap-route：

44、setnolap-rout＝{nolap_route1,nolap_route2,...,nolap_router,...,nolap_routee}

45、其中，nolap_router为未重叠航路集合setnolap-rout中的未重叠航路，e为未重叠航路的数量，r为集合中第r条未重叠航路；

46、需要根据当前规划航路结果，计算空域动态风险，步骤如下：

47、d1：计算未重叠航路nolap_routek中网格(xl,yl)对网格i的航路碰撞风险：

48、

49、其中，m2为航路风险系数，d1为航路风险辐射距离阈值，超出d1将不存在航路风险；

50、d2：计算以网格(xi,yi)为圆心、d1为半径的统计风险区域中，未重叠航路的碰撞风险网格集合：

51、

52、其中，z为以网格(xi,yi)为圆心、d1为半径的统计风险区域中未重叠航路数量，为setnolap_route_i中第个碰撞风险网格的风险值；

53、d3：将网格(xi,yi)内ω条航路的吸引成本求和，得到空域动态风险rdynamic_i(xi,yi)：

54、

55、进一步地，所述s3中基于空域静态与动态风险计算综合风险代价，利用重叠航路长度和重叠次数计算效率代价，根据空域静态风险与动态风险，对网格(xi,yi)进行空域动-静态综合风险ri(xi,yi)计算：

56、ri(xi,yi)＝0.5×rstatic_i(xi,yi)+0.5×rdynamic_i(xi,yi)

57、则重叠航路τ的综合风险代价计算公式如下：

58、

59、其中，τ为第r条未重叠航路经过的航路网格点；

60、根据航路综合风险，得到重叠航路风险集合：

61、

62、其中，为setr-route中第条航路的综合风险代价，为setr-route中重叠航路数量；

63、计算出空域重叠航路重叠次数集合setlap-route-ti与航路长度集合setlen-lap-route：

64、

65、其中，为setlap-route-ti第条重叠航路与其他航路的重叠次数，为重叠航路的长度；

66、的效率代价为重叠航路长度和重叠次数的乘积，其公式为：

67、

68、根据航路效率代价，得到重叠航路风险集合

69、

70、为消除和两者的量纲差异，使用min-max方法对setr-route和sete-cost进行归一化处理，得到set′r-rou和set′e-cost,其中min-max方法公式为：

71、

72、其中，f(x)max和f(x)min分别表示集合中的最大值和最小值，f(β)表示集合中的第β个值。

73、进一步地，所述s3中使用改进字典排序法对重叠航路进行“安全-效率”综合优先级排序，公平配置航路优先级并实现重叠航路重规划，利用改进字典排序法，对set′r-rou和set′e-cost进行重规划顺序排序，其包括如下步骤：

74、e1:对set′r-route和set′e-cos集合按照代价大小顺序进行排序，得到集合set″r-route和set″e-cost，从set″r-rou和set″e-cos集合中最后一个航路开始，进行依次向前进行比较；

75、e2：若集合set″r-rou和set″e-cos中均有未规划航路，则选择两集合中代价最大的航路，并将其设置为该次序需要规划的航路，转步骤e3；若集合set″r-rou和set″e-c规划次序中有一条需要规划航路，将其设置为该次序需要规划的航路；若集合set″r-rou和set″e-cost规划次序中没有需要规划航路，转步骤e2选择下一次序需要排序的航路；

76、e4：删除该次序未选中规划航路的集合中已规划航路，转步骤e2选择下一次序需要排序的航路；

77、根据步骤e1-e3得到“安全-效率”综合优先级排序，根据该序列，依次对重叠航路进行路径重规划，其主要步骤如下：

78、f1：将未重叠航路网格设置为禁飞区；

79、f2：根据wod_set中重叠航路排列顺序，按顺序依次选择重叠航路；

80、f3：使用所述考虑转弯代价的改进a*算法，对重叠航路进行路径重规划；

81、f4：将新规划航路设置为禁飞区；

82、f5：重复f2-f4步骤，直至所有重叠航路规划完毕。