Поскольку в будущем использование дронов будет расширяться, создавая все более перенаселенное воздушное пространство на высотах ниже 400 футов, недавнее исследование исследователей из Университета Джона Хопкинса предполагает, что повышение уровня автономных операций может помочь создать более безопасную систему управления воздушным движением.
Исследование, опубликованное в журнале Computer Magazine Института инженеров по электротехнике и электронике, показывает, что «лучший вариант достижения безопасности воздушного пространства из-за прогнозируемых уровней перегруженности, вероятно, — это замена операций с участием человека автономией».
Эксперты прогнозируют, что к 2035 году будет происходить 65 000 взлетов и посадок БПЛА в час. В настоящее время самые загруженные аэропорты США могут обслуживать только 300 рейсов коммерческих самолетов в час, а это означает, что необходимо разработать новую систему управления движением, чтобы приспособиться к взрывному росту трафика дронов.
FAA предложило концепцию управления движением дронов, но эта концепция во многом опирается на контроль человека над дронами.
«Эти процессы невозможно масштабировать для поддержки 65 000 операций в час. Итак, нам придется полагаться на автономные операции», — заявил в интервью Ланье Уоткинс, один из ведущих авторов исследования.
Уоткинс, старший научный сотрудник Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) и руководитель университетских программ EP Computer Science и EP Cybersecurity, сказал, что исследовательская группа провела серию экспериментов, чтобы определить, как алгоритмы автономии могут способствовать повышению безопасности в перегруженность воздушного пространства.
Среди других направлений исследования команда исследовала, как алгоритмы автономности реагируют в «шумных» условиях, которые отражают реальные условия в загруженном воздушном пространстве, и будет ли безопасность воздушного пространства, обеспечиваемая алгоритмами автономии, будет сведена на нет поведением «незаконных» дронов, работающих в этом воздушном пространстве.
Исследователи также провели эксперименты, чтобы определить, какие риски для воздушного пространства может создать использование алгоритмов.
«Роль обеспечения автономности заключается в том, чтобы эти автономные алгоритмы работали правильно, чтобы они не сталкивались с состояниями сбоя и не начинали принимать неверные решения, а затем начинались небольшие воздушные столкновения», — сказал Уоткинс.
«Это похоже на двойную проверку алгоритмов, на попытку заглянуть через плечо алгоритма и убедиться, что они не делают воздушное пространство рискованным», — сказал он.
В своем исследовании команда изучила возможность создания системы управления движением БПЛА (UTM), которая в значительной степени полагается на полуавтономные операции дронов для безопасного перемещения в воздушном пространстве и предотвращения столкновений в воздухе.
«Мы смотрим на это с комплексной точки зрения: операторы БПЛА хотят взаимодействовать с системой UTM, чтобы иметь возможность безопасно управлять своими БПЛА и доставлять продукты своим клиентам, а система UTM управляет воздушным пространством и контролирует БПЛА. для соответствия запланированным бесконфликтным траекториям полета система предоставляет операторам БПЛА», — говорится в исследовании.
Кроме того, каждый дрон, работающий в системе, избегает столкновений с движущимися препятствиями с помощью собственного программного обеспечения для предотвращения столкновений.
В исследовании подчеркиваются отношения сотрудничества в нынешней системе управления воздушным движением между оператором дронов и поставщиками услуг БПЛА (USS), которые включают избранную группу компаний, одобренных FAA для предоставления услуг по разрешению и уведомлению на малых высотах (LAANC).
«На этапе полета UTM и внешний пилот, и военный корабль США отправляют данные от БПЛА, такие как сообщения удаленной идентификации и данные полетной телеметрии. Это позволяет поставщику услуг БПЛА осуществлять мониторинг соответствия, сравнивая текущие телеметрические данные БПЛА с запланированной траекторией полета и подтверждая, что она находится в пределах границ», — говорится в отчете.
В своем исследовании исследователи добавили к существующей системе 3D-анализ, «шумные» датчики и алгоритм предотвращения столкновений посредством оценки рисков в воздушном пространстве.
Они также выполнили моделирование Монте-Карло, рассмотрев сотни тысяч различных сценариев, чтобы предсказать вероятность различных результатов в тех случаях, когда существует вероятность возникновения нескольких случайных величин.
Это моделирование обеспечило три уровня управления эшелонированием — планирование полета, составление расписания и предотвращение столкновений — наряду с различными показателями безопасности и эффективности, такими как небольшие столкновения в воздухе и оценка рисков в реальном времени.
«Мы обнаружили, что в рассмотренных сценариях эти алгоритмы работали чудесно», — сказал Уоткинс.
Исследование показало, что алгоритмы стратегического устранения конфликтов и предотвращения конфликтов «способствуют безопасности воздушного пространства, уменьшая количество столкновений и сводя на нет последствия несанкционированных БПЛА». Работа команды частично основывалась на более ранних исследованиях, которые показали, что одним из побочных эффектов использования автономных систем были задержки во времени завершения миссии.
В рамках своего исследования команда создала «систему нечеткого вывода», которая использует так называемую теорию нечетких множеств для сопоставления входных данных с выходными данными. «При определенных входных данных приемлемы только определенные результаты», — сказал Уоткинс.
Авторы исследования признают, что автономность не является «серебряной пулей» и что некоторые алгоритмы автономности могут создавать неизвестные состояния отказа, которые могут сделать их непригодными для использования в системе управления воздушным движением.
По словам Уоткинса, APL университета уже несколько десятилетий работает с FAA над аналогичными проектами. «Итак, многие из этих выводов уже были переданы в FAA различными способами».
Хотя концепция операций (ConOps) FAA для системы управления движением дронов не предполагает какой-либо конкретной реализации, «она действительно говорит о философской архитектуре, необходимой для предоставления услуг по управлению воздушным пространством», говорится в исследовании.
«На самом деле будущие услуги воздушного пространства будут реализовываться совместно правительством, промышленностью и организациями по разработке стандартов».