Various applications of advanced air mobility (AAM) in urban environments facilitate our daily life and public services. As one of the key issues of realizing these applications autonomously, path planning problem has been studied with main objectives on minimizing travel distance, flight time and energy cost. However, AAM operations in metropolitan areas bring safety and society issues. Because most of AAM aircraft are unmanned aerial vehicles (UAVs) and they may fail to operate resulting in fatality risk, property damage risk and societal impacts (noise and privacy) to the public. To quantitatively assess these risks and mitigate them in planning phase, this paper proposes an integrated risk assessment model and develops a hybrid algorithm to solve the risk-based 3D path planning problem. The integrated risk assessment method considers probability and severity models of UAV impact ground people and vehicle. By introducing gravity model, the population density and traffic density are estimated in a finer scale, which enables more accurate risk assessment. The 3D risk-based path planning problem is first formulated as a special minimum cost flow problem. Then, a hybrid estimation of distribution algorithm (EDA) and risk-based A* (named as EDA-RA*) algorithm is proposed to solve the problem. To improve computational efficiency, k-means clustering method is incorporated into EDA-RA* to provide both global and local search heuristic information, which formed the EDA and fast risk-based A* algorithm we call EDA-FRA*. Case study results show that the risk assessment model can capture high risk areas and the generated risk map enables safe UAV path planning in urban complex environments.


翻译:城市环境中先进空中机动(AAM)的各种应用便利了我们的日常生活和公共服务,作为自主实现这些应用的关键问题之一,对路径规划问题进行了研究,主要目的是尽量减少旅行距离、飞行时间和能源成本;然而,大都市地区的AAM业务带来了安全和社会问题,因为大多数AAM飞机都是无人驾驶飞行器(UAVs),它们可能无法运作,从而给公众带来致命风险、财产损失风险和社会影响(噪音和隐私),为了从数量上评估这些风险并在规划阶段减轻这些风险,本文件提出了一个综合风险评估模型,并开发了一种混合算法,用以解决基于风险的3D路径规划问题;综合风险评估方法考虑了UAAV地面人员和车辆的概率和严重程度模型;由于采用了重力模型,人口密度和交通密度以更细的规模估算,从而可以进行更准确的风险评估;基于3D风险的路径规划问题首先被确定为基于最低成本流量的特殊模型;然后,对分布算法(EDRA)和基于风险的A*(以EDA-RA*为名称的混合算法,用于基于EDA-RA的高风险规划高风险分析;EDA-RA* 和E-Axxxxxxxxx的计算方法,用以进行快速分析,从而将快速搜索和E-e-xxxx计算,从而将快速计算,从而将成本计算,从而将成本计算为快速计算,从而将成本计算,从而将成本计算,从而将成本计算为快速计算方法,从而将成本计算方法,从而将成本。

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