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基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法

王兴隆 王友杰

王兴隆, 王友杰. 基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(1): 19-27. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.003
引用本文: 王兴隆, 王友杰. 基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(1): 19-27. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.003
WANG Xinglong, WANG Youjie. A Safety Evaluation of Vertical Separation for Multi-rotor eVTOL Based on an Improved Event Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(1): 19-27. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.003
Citation: WANG Xinglong, WANG Youjie. A Safety Evaluation of Vertical Separation for Multi-rotor eVTOL Based on an Improved Event Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(1): 19-27. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.003

基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.003
基金项目: 

国家自然科学基金面上项目 62173332

国家自然科学基金重点项目 U2133207

天津多元基金项目 21JCY-BJCO0700

详细信息
    通讯作者:

    王兴隆(1979—),硕士,研究员. 研究方向:空域运行安全、空中交通流量管理. E-mail:xinglong1979@163.com

  • 中图分类号: U8

A Safety Evaluation of Vertical Separation for Multi-rotor eVTOL Based on an Improved Event Model

  • 摘要: 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eV-TOL垂直间隔标准制定提供理论支持。

     

  • 图  1  Event碰撞模型

    Figure  1.  Event collision model

    图  2  扩展碰撞盒

    Figure  2.  Expansion collision box

    图  3  常见多旋翼型eVTOL

    Figure  3.  EH216-S (a) and Volocopter VooloCity (b)

    图  4  圆台体碰撞盒

    Figure  4.  Round table collision box

    图  5  改进后的扩展碰撞盒

    Figure  5.  Improved expansion collision box

    图  6  梯形高UV

    Figure  6.  Trapezoidal high UV

    图  7  ICAO安全目标水平下最小垂直间隔

    Figure  7.  Minimum vertical separation at ICAO TLS

    图  8  其他安全目标水平下最小垂直间隔

    Figure  8.  Minimum vertical separation at other TLS

    图  9  原模型与改进模型的碰撞风险

    Figure  9.  The risk of collision between the original model and the improved model

    表  1  亿航216-S参数

    Table  1.   EH216-S parameters

    参数 数值
    a/m 5.63
    b/m 5.63
    c/m 3.2
    h/m 1.855
    ux/(km/h) 80
    uy/(km/h) 50
    uz/(km/h) 14
    σAσB/m 10
    Vmax/(km/h) 130
    σV/(km/h) 2
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    表  2  碰撞风险参数

    Table  2.   Collision risk parameters

    参数 参数值
    E(O) 0.01
    Sx 600
    Py(0)(RNP1) 0.043 0
    Py(0)(RNP4) 0.010 8
    Py(0)(RNP10) 0.004 3
    下载: 导出CSV
  • [1] 张洪海, 邹依原, 张启钱, 等. 未来城市空中交通管理研究综述[J]. 航空学报, 2021, 42(7): 82-106. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB202107006.htm

    ZHANG H H, ZOU Y Y, ZHANG Q Q, et al. Review of research on future urban air mobility(UAM)management[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2021, 42(7): 82-106. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB202107006.htm
    [2] 杜伟, 孙娜. 电动垂直起降飞行器的发展现状研究[J]. 航空科学技术, 2021, 32(11): 1-7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKKX202111001.htm

    DU W, SUN N Research on development status of eVTOL[J]. Aeronautical Science & Technology, 2021, 32(11): 1-7. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKKX202111001.htm
    [3] Deloitte Insights. Change is in the air: The elevated future of mobility: What's next on the horizon[R]. London: Deloitte Insights, 2019.
    [4] REICH P G. Analysis of long-range air traffic systems: separation standards—Ⅰ[J]. The Journal of Navigation, 1966, 19 (1): 88-98. doi: 10.1017/S037346330004056X
    [5] BROOKER P. Lateral collision risk in air traffic track systems: a'post-Reich'event model[J]. The Journal of Navigation, 2003, 56(3): 399-409. doi: 10.1017/S0373463303002455
    [6] 徐肖豪, 李冬宾, 李雄. 飞行间隔安全评估研究[J]. 航空学报, 2008(6): 1411-1418. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2008.06.001

    XU X H, LI D B, LI X. Research on safety assessment of flight separation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2008(6): 1411-1418. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2008.06.001
    [7] 徐肖豪, 王振宇, 赵鸿盛. 基于Event的侧向碰撞风险改进模型[J]. 中国民航大学学报, 2008(3): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.1001-5590.2008.03.001

    XU X H, WANG Z Y, ZHAO H S. Improved lateral collision risk model based on event[J]. Journal of Civil Aviation University of China, 2008(3): 1-4. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-5590.2008.03.001
    [8] 戴福青, 周启. 基于Event的垂直碰撞风险改进模型研究[J]. 中国民航大学学报, 2011, 29(6): 4-7. doi: 10.3969/j.issn.1001-5590.2011.06.002

    DAI F Q, ZHOU Q. Study on improved vertical collision risk model based on Event[J]. Journal of Civil Aviation University of China, 2011, 29(6): 4-7. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-5590.2011.06.002
    [9] 黄晋, 焦瑶瑶, 刘厚荣, 等. 基于改进Event模型的交叉航路碰撞风险分析[J]. 航空计算技术, 2023, 53(1): 11-5. doi: 10.3969/j.issn.1671-654X.2023.01.003

    HUANG J, JIAO Y Y, LIU H R, et al. Cross route collision risk analysis based on improved event model[J]. Aeronautical Computing Technique, 2023, 53(1): 11-5. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-654X.2023.01.003
    [10] 张兆宁, 时瑞军. 自由飞行下改进的Event碰撞风险计算模型[J]. 中国安全科学学报, 2015, 25(7): 35-40. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK201507006.htm

    ZHANG Z N, SHI R J. Study on free flight collision risk based on improved event model[J]. China Safety Science Journal, 2015, 25(7): 35-40. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK201507006.htm
    [11] ZHANG Z Y, ZHANG J, WANG P, et al. Research on operation of UAVs in non-isolated airspace[J]. CMC-Comput Mater Continua, 2018, 57(1): 151-66. doi: 10.32604/cmc.2018.02890
    [12] 杨新湦, 任治. 基于尾涡强度的无人机与民机纵向安全间隔评估研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2018, 14(10): 64-9. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LDBK201810010.htm

    YANG X S, REN Z. Research on assessment of longitudinal safety separation between UAV and civil aircraft based on trailing vortex intensity[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2018, 14(10): 64-9. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LDBK201810010.htm
    [13] 邓力. 无人机与民航客机碰撞概率研究[J]. 南京理工大学学报, 2019, 43(1): 122-128. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJLG201901017.htm

    DENG L. Research of collision probability of unmanned aerial vehicles and civil airplane[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2019, 43(1): 122-128. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJLG201901017.htm
    [14] 甄然, 赵正, 康兢, 等. 基于EVENT改进模型的碰撞风险研究[J]. 河北工业科技, 2021, 38(1): 7-11. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HBGY202101003.htm

    ZHEN R, ZHAO Z. KANG J, et al. Research on collision risk based on improved EVENT model[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2021, 38(1): 7-11. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HBGY202101003.htm
    [15] WEINERT A, CAMPBELL S, VELA A, et al. Well-Clear recommendation for small unmanned aircraft systems based on unmitigated collision risk[J]. Air Traffic Control Quarterly, 2018, 26(3): 113-22.
    [16] 张洪海, 李博文, 刘皞, 等. 自由空域下多旋翼无人机安全间隔标定方法[J]. 系统工程与电子技术: 2023, 45(10): 3149-3156. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTYD202310019.htm

    ZHANG H H, LI B W, L H, et al. Demarcation method of safety separation for multi-rotor UAV in free airspace[J]. Systems Engineering and Electronics: 2023, 45(10): 3149-3156. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTYD202310019.htm
    [17] 徐肖豪, 李冬宾, 李雄, 等. 基于EVENT模型的垂直间隔碰撞风险研究[J]. 中国民航大学学报, 2008(4): 1-5, 17. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGMH200804001.htm

    XU X H, LI D B, LI X, et al. Research on collision risk of vertical separation minima based on EVENT model[J]. Journal of Civil Aviation University of China, 2008(4): 1-5, 17. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGMH200804001.htm
    [18] 韩松臣, 裴成功, 隋东, 等. 平行区域导航航路安全性分析[J]. 航空学报, 2006(6): 1023-1027. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB200606007.htm

    HAN S C, PEI C G, SUI D, et al. Security analysis of area navigation parallel airway[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2006(6): 1023-1027. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB200606007.htm
    [19] 孟祥伟, 张平. 低空非管制空域航空器碰撞风险研究[C]. 2010年航空器适航与空中交通管理学术年会, 北京: 中国民航科学技术研究院, 2010.

    MENG X W, ZHANG P. Research on aircraft mid-air collision risk in low-altitude uncontrolled airspace[C]. 2010 Annual Conference on Airworthiness and Air Traffic Management. Beijing, China: Civil Aviation Science and Technology Research Institute of China, 2010. (in Chinese)
    [20] 王莉莉, 阳杰. 基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(4): 64-70. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.007

    WANG L L, YANG J. A collision risk model for small UAVs based on velocity random distribution in low-altitude airspace[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(4): 64-70. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.007
    [21] ROYAL N. Safety Targets for UAM Vehicles[EB/OL]. (2021-08-18)[2023-05-01]. https://reports.nlr.nl/server/api/core/bitstreams/bc9bce31-b1ae-45e4-80e4-313789163459/content.
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  • 收稿日期:  2023-07-14
  • 网络出版日期:  2024-05-31

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