低空航线网络规划¶

引言¶

低空航线网络规划是智能立体交通工程的核心问题之一。如果说低空交通系统建模回答的是"低空交通是什么样的"，那么航线网络规划回答的就是"飞行器应该在哪里飞"。

航线网络是低空交通的"道路基础设施"。好的航线网络需要在安全性（避免冲突、远离敏感区域）、效率性（满足需求、最小化飞行成本）和可行性（考虑气象、噪声、空域限制）之间取得平衡。

本文从航路构型、规划方法、多目标优化和案例分析四个维度，系统介绍低空航线网络规划的理论与方法。

一、航线网络的基本概念¶

1.1 什么是低空航线网络¶

低空航线网络（Air Route Network）是在低空空域中规划的、供 eVTOL 和无人机等飞行器使用的标准化飞行通道集合。类似于地面交通中的道路网络，它是低空交通运行的基础设施。

1.2 航线网络的层次结构¶

flowchart TB
    subgraph "战略层（长期）"
        A[空域总体规划<br/>空域分类、功能分区]
    end

    subgraph "战术层（中期）"
        B[航线网络设计<br/>航路走向、高度层、容量]
    end

    subgraph "运行层（实时）"
        C[动态航线管理<br/>实时改航、流量控制]
    end

    A --> B --> C

    style A fill:#4a90e2,color:#fff
    style B fill:#f39c12,color:#fff
    style C fill:#2ecc71,color:#fff

1.3 航线网络与地面道路网络的对比¶

二、航路构型¶

2.1 主要航路构型类型¶

2.2 管道式航路设计¶

管道式航路是目前最主流的构型。一条管道航路包含以下参数：

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┌─────────────────────────────────────────────────┐
│              管道航路参数                          │
├─────────────┬───────────────────────────────────┤
│ 中心线坐标   │ (x₁,y₁,h₁) → (x₂,y₂,h₂)        │
│ 管道宽度     │ w（水平方向，通常 200-500m）       │
│ 高度范围     │ [h_min, h_max]                     │
│ 飞行方向     │ 单向 / 双向                        │
│ 容量         │ C（架次/小时）                      │
│ 速度限制     │ [v_min, v_max]                     │
│ 气象限制     │ 最大风速、最低能见度                 │
│ 噪声约束     │ 地面噪声限值（dB）                  │
└─────────────┴───────────────────────────────────┘

2.3 航路点网络设计¶

航路点网络是更灵活的构型，通过在关键位置设置航路点，飞行器在航路点之间沿直线或曲线飞行：

• \(V_W\)：航路点集合（起降场、交叉点、转弯点）
• \(E_W\)：航段集合（航路点之间的连接）

航路点选址原则：

三、航线网络规划方法¶

3.1 规划流程¶

flowchart TB
    S1[1. 需求分析<br/>O-D 矩阵、出行量预测] --> S2[2. 空域分析<br/>禁飞区、限高区、敏感区]
    S2 --> S3[3. 起降场选址<br/>候选点评估与选择]
    S3 --> S4[4. 航路网络生成<br/>初始网络设计]
    S4 --> S5[5. 网络优化<br/>多目标优化]
    S5 --> S6[6. 评估与验证<br/>仿真评估、安全审查]
    S6 --> S7[7. 分阶段实施<br/>近期/中期/远期规划]

    style S5 fill:#e74c3c,color:#fff

3.2 数学规划模型¶

基础模型：最小成本网络设计¶

其中： - \(f_{ij}\)：航段 \((i,j)\) 上的流量 - \(y_{ij}\)：是否建设航段 \((i,j)\) - \(c_{ij}\)：单位流量成本 - \(F_{ij}\)：航段建设固定成本 - \(C_{ij}\)：航段容量 - \(d_i\)：节点 \(i\) 的净需求

多目标优化模型¶

航线网络规划本质上是多目标优化问题：

3.3 求解算法¶

U-NSGA-III 在航线网络中的应用¶

U-NSGA-III（统一非支配排序遗传算法 III）是目前航线网络规划中最常用的多目标优化算法之一。成都案例研究表明，U-NSGA-III 能在三个优化目标之间找到良好的 Pareto 前沿。

编码方案：将航线网络编码为可变长度染色体，支持不同数量的航路：

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染色体编码示例：
| 航路 1: 起降场A → 航路点3 → 航路点7 → 起降场B |
| 航路 2: 起降场A → 航路点1 → 航路点5 → 起降场C |
| 航路 3: 起降场B → 航路点4 → 起降场C            |

四、关键约束条件¶

4.1 空域约束¶

4.2 气象约束¶

4.3 噪声约束¶

其中 \(r\) 为飞行器到地面点的距离，\(L_0\) 为声功率级，\(L_{\max}\) 为噪声限值（居民区通常为 55-65 dB）。

4.4 安全间隔约束¶

五、国内实践与案例¶

5.1 城际低空航线规划¶

2025-2026 年，中国多个城市开展了城际低空航线规划实践：

5.2 航线分类体系¶

根据 2024 年《低空经济场景白皮书》，低空航线可分为四类：

5.3 规划实施策略¶

低空航线网络应分阶段实施：

六、研究前沿¶

总结¶

一句话总结：低空航线网络规划的本质是一个多约束、多目标的网络优化问题。好的规划方法需要在数学严谨性和工程可行性之间取得平衡，同时考虑分阶段实施的策略。

相关文章：

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• 冲突检测与解脱 — 航线网络运行中的冲突管理
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