第1章简介

1.1 背景

智能信息通信技术（Smart ICT）在能够存储、处理和分析大量和各种数据的现代计算范式的支持下，推动了数字转型时代的到来，加速了数据驱动的应用增长，为企业、个人和整个社会释放出无数机会[195]。

今天，备受讨论的物联网（IoT）技术是智能信息和通信技术的主要支柱之一，它催生了新一代的智能移动机器人作为连接设备和平台。其主要价值在于它们在没有操作者明确指示的情况下做出明智的决定以决定行动的自主性。

在低能耗传感器的小型化和最近的5G发展的进一步催化下，自主移动机器人行业将在未来十年内实现一些最高的复合年增长率（CAGR）。对这些智能移动机器人的需求正在大量增加，因为它们具有灵活的操作潜力。自主移动机器人已经揭示了一系列以前被认为不可行的应用，虽然大多数的使用场景是地面应用，但最近几年已经见证了空中机器人的出现和发展。

无人驾驶飞行器（UAVs），通常被称为无人机，作为智能移动机器人，已经成为航空航天市场领域的一个有前途的新领域。随着应用领域迅速扩展到军事以外的更多商业应用，全球商用无人机市场将从2019年的178亿美元达到2025年的464亿美元，年复合增长率为20.5%。无人机不仅提供了一种有效收集和传输数据的新手段，而且还承诺为物联网地面基础设施的限制提供一个务实的解决方案[194]。无人机反过来又鼓励了大量增值服务的发展，使低空空域成为新的宝贵的共享资源[302]。

1.2 动机

随着物联网继续改变航空航天领域，无人机是一个明显的例子，最近几年见证了巨大的演变，因为它们已经从单纯的航空器转向智能移动物联网连接设备和平台。

这种技术演变导致了全球商用无人机市场的快速增长，转化为预期在有限的共享资源--低空空域内运行的无人机数量的快速扩张。据估计，2019年的无人机数量为1220万架，预计到2025年将超过1800万架[120]，比目前全球商业飞机机队的2.6万架[78]高出许多，可以说是一目了然。

随着工业界和政府继续为无人机寻找新的潜在应用，可以设想在不久的将来，低空空域将由无人机主导，执行从常规空中数据收集到按需交付、医疗紧急干预到需要复杂的超视距多无人机群操作的更苛刻的应用。

这反过来又引入了一系列新的阻碍性挑战，需要加以解决，以实现无人驾驶航空器的全部潜力。

1.2.1 问题陈述和论文目标

为了在不侵犯个人安全、隐私和数据保护权利的前提下，充分挖掘和实现无人机的全部商业潜力，当局和社会寻求解决方案，安全地概述所有交通、运营商和用户。

应对这些挑战的一个可行方法是通过一个专门的无人机交通管理（UTM）系统[252]，这是一个通过促进不同利益相关者之间的数据交换来补充传统空中交通管理（ATM）的基础设施。然而，目前提出的和正在开发的构造只是一个临时的解决方案，由于其集中式的与ATM相比较的架构，在处理预期的前所未有的交通需求方面很快就会面临限制。

鉴于空中机器人的操作性质，无人驾驶飞行器由于其高机动性、能源限制、有效载荷和连接限制，更不用说缺乏国际商定的技术标准和空域结构而带来一系列新的挑战。这反过来又强调了开发新的解决方案的必要性，这些解决方案要超越目前提出的模式，以确保安全运行、有效管理无人机交通和利用已经错综复杂的共享低空空域。换句话说，应该解决以下差距。

低空空域结构或缺乏结构。到目前为止，低空空域仍然没有得到控制和监管。然而，迈向成功交通系统的强制性第一步是设计和模拟低空空域，因为它的结构将在空中交通管理中发挥重要作用[286] 。
可扩展的交通优化解决方案。移动机器人的路径规划是一个优化问题，在过去的几年里，文献中已经得到了很好的解决。然而，大多数方法主要集中在二维（2D）和2.5维（2.5D）方法上[252]，这些方法适用于地面或水面移动机器人，而对于高度移动的自主机器人，如需要3维（3D）路径规划的无人驾驶飞行器，分布式方法仍未得到深入探讨。
信任和可信度。整个航空作业系统是建立在信任的前提下的。举个例子，飞行员相信交通管制员会向他们提供准确的信息和警告以避免碰撞，而管制员则希望飞行员能尊重和遵守协议。然而，对于自主无人驾驶航空来说，数字信任和可信度的概念并没有标准化或规范化的定义，这反过来又给隐私和安全带来了许多挑战[256]。
标准化。近年来，研究界和标准化界独立地致力于解决上述一些问题，暴露出其解决方案中的不一致和差距[276]。

为此，这项工作的主要目标是通过提出一个分布式的、因而可扩展的、更有弹性的无人驾驶航空器交通管理系统（dUTM）来解决上述问题，该系统建立在（1）国际技术标准、（2）物联网概念和（3）依靠本地决策和临时的U2X通信的基础上。

1.2.2 研究问题

鉴于具有分布式决策的无人机交通管理系统（UTM）可以实现更好的可扩展性和弹性的假设，本稿件的主要目标是通过以下方式研究该假设的正确性。i）显示集中式系统因其在有效优化大型无人机交通方面的不足而导致的性能不足，ii）显示为什么分布式系统因其可扩展性和弹性的特点而有利，iii）提出一个新颖的dUTM框架，包括空域结构模型、信息交换模型和交通优化模型，依靠分布式方法和途径来智能处理高度动态和挑战性的交通状况。

为了确保科学的方法论以及更好的结构，该稿件旨在解决以下问题，借鉴依靠描述性和实验性研究方法的系统方法来支持。

如何在超低空空域对无人机交通进行建模？
如何定义优化模型以包含特定问题的约束条件（三维流动性）和目标，如时间和能源消耗？
如何设计分布式无人机交通行为以有利于全球交通系统？
标准化在dUTM发展中可以发挥什么作用，研究和标准如何配合以解决阻碍性的挑战？

1.3 贡献清单

这项工作的主要目的是通过探索开发一种能够克服现有先进系统和结构局限性的dUTM的可能性来研究上述假设。因此，本小节概述了博士论文的主要贡献。

关于物联网和无人机研究和技术标准化现状的全面文献研究，强调：i) 数字化如何导致无人机转变为智能连接设备和平台；ii) 当无人机成为无处不在的连接事物网络的一部分时，安全、数据保护和隐私方面的固有挑战。
对最先进的UTM系统进行了详尽的研究，以及对现有构造的架构和功能进行了比较分析。
为不受控制的超低空空域设计了一种新的结构，作为节点和航道的多权重多层网络，作为解决无人机交通管理复杂问题的基础。
一个新的dUTM通用信息交换框架，包括空中通信的新发展，以适应未来的自主飞行计划。
一个新的优化模型，包括特定问题的约束条件（三维移动性）和冲突的多目标，该模型来自拟议的架构和空域结构模型。辅以一套新的优化方法，以智能地处理高度动态和具有挑战性的交通状况。
将国家、地区和国际物联网、无人机和航空航天技术标准纳入并适应稿件中所有建议的模型和架构，目的是使科学研究和技术标准化保持一致。

1.4 论文结构

本稿件的组织结构如下（参见图1.1）。

第一部分介绍了阅读论文所需的基本概念。这些概念包括第二章对新兴的智能信息通信技术（Smart ICT）的概述，重点是物联网（IoT），然后是第三章对无人驾驶飞行器（UAVs）及其关键技术发展的介绍。手稿的这几章包括对物联网和无人机研究和技术标准化现状的全面文献研究，强调了无人机数字化转型的作用和影响，并研究了无人机成为无处不在的物联网网络的一部分时在安全、数据保护和隐私方面的固有挑战。此外，在此背景下，第一部分提出了对数字信任概念的解释，并推导出新兴数字技术中的可信度的定义，作为第一个贡献。
第二部分介绍了对设想的全分布式无人机交通管理系统（dUTM）的主要贡献。第四章介绍了对最新UTM系统的详尽研究，以及对现有结构的架构和功能的比较分析。该章强调了UTM的主要概念和功能，并强调了空域结构和信息交换模型在dUTM成功中的作用。第5章接着设计了一个新颖的无管制超低空空域结构，作为节点和航道的多重多层网络，作为解决无人机交通管理这一复杂问题的基础。紧接着在第六章中概述了飞行信息系统和新颖的dUTM通用信息交换框架，其中包含了空中通信的新发展。第7章提出了一个新的优化模型，包括特定问题的约束条件，如无人机的流动性，以及从前几章提出的信息和空域模型中提取的相互冲突的多目标。然后辅以一套新的优化方法，以智能地处理高度动态和具有挑战性的交通状况。在第八章中，对所使用的交通优化模型和方法进行了详尽的描述，并对实验模拟的结果进行了讨论。
第三部分在第9章中总结了贡献以及结论、反对意见和对研究和技术标准化方向的展望，从而结束了这项工作。