973项目、国家自然科学基金_危险化学品事故全过程遥测预警的关键科学问题研究

973项目、国家自然科学基金_危险化学品事故全过程遥测预警的关键科学问题研究内容摘要：

在航空、 信息、控制、交通和地学等学科的优势单位，实施产、学、研、用强强联合，汇 聚形成多学科交叉、优势互补的创新团队，联合开展复杂低空飞行自主避险的基 础科学创新研究，为推动我国飞行自主避险领域的技术进步奠定理论基础。 按照上述技术途径，本项目将研究内容分成三个方面，分别是：复杂低空环 境要素认知处理模型、空域安全态势构建理论、多飞行器协同机动控制方法。 三个方面相辅相成，互为补充，共同完成复杂低空飞行的自主避险研究。 在复杂低空环境要素认知处理模型方面，研究将不同时空数据关联到一个层 次化表示框架的关联表征方法，建立兼顾及时性与准确性要求的结构认知与统计 认知于一体的层次化认知加工模型。 在空域安全态势构建理论方面，探索多飞行 器安全包络间的耦合机理，研究大尺度安全态势的生成演化方法。 在飞行器密集 飞行的协同 机动控制方面，通过构建基于实时航迹信息和动态安全态势场的多重 密集飞行碰撞风险分级预测模型与方法，重点研究多时空约束下、动态高维空间 内多飞行器航迹的快速寻优模型与方法。 最后，建立面向航空应急救援重大应用 需求的半实物的仿真验证平台，对理论模型与方法进行验证，促进复杂低空飞行 自主避险理论和方法的完善。 （ 1）研究思路的创新与特色 从复杂低空飞行自主避险蕴含的科学问题出发，围绕环境要素认知的完备 性、安全态势构建的可信性、飞行器自主避险的协同性三大关键性挑战，强调 多源多粒度数据关联表征与认知加工的按需融合、强调飞行器小尺度安全态势与 全空域大尺度安全态势的跨尺度耦合、强调多飞行器飞行航迹调控局部自主性和 全局协同性的聚合。 （ 2）研究方法创新 1) 针对低空空域环境的非结构性和多态性等复杂性特征，研究多源多粒度 观测数据的关联表征与完备认知机理，建立符合环境要素认知完备性的 按需认知框架。 2) 针对复杂低空空域安全态势生成与演化的不确定性和跨尺度特性，研究 动态空域安全态势的跨尺度时空映射关系，提出资源受限条件下的安全 态势信息的按需可靠共享方法，构建多尺度安全态势场的可信生成理 论。 3) 针对复杂低空飞行环境的快变性和飞行行为的多样性，研究受限空域多 飞行器密集飞行的协同调控方法，突破复杂低空环境中多飞行器协同机 动的实时控制技术瓶颈。 基于上述创新点，本项目将建立复杂低空飞行自主避险的新理论和新模型， 为解决复杂低空安全飞行面临的空域环境复杂性、安全态势缺失性以及机动引导 不确定性等挑战问题奠定基础。 开展复杂低空飞行自主避险技术的基础研究，符合国家中长期科学和技术发 展规划，研究成果将结合中国卫星导航系统、高分辨率对地观测系统等重大专项 的建设与发展，提升我国航空应急救援的核心技术水平，推动我国防灾减灾、通 用航空、公共安全等重大应用的发展。 因此，本项目符合国家战略需求。 本项目围绕复杂低空安全飞行面临的环境要素认知完备性、安全态势构建可 信性、飞行器自主避险协同性三大科学挑战，强调解决复杂低空飞行自主避险蕴 含的科学问题，集中开展基础理论、关键技术和实现方法的研究。 因此，本项目 科学研究目标明确。 在具体实现思路上，本项目按照科学问题解决、关键技术攻关、综合仿真验 证三个层次，针对多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知、动态空域安全态 势跨尺度时空映射、受限空域多飞行器密集飞行的协同调控等关键科学问题，将 项目分解为有机联系、相互支持的六个课题，开展复杂低空飞行自主避险理论、 模型和方法的研究，构建综合仿真验证平台，解决飞行器安全飞行中的共性基础 科学问题。 因此，本项目的创新思路可行。 项目牵头单位北京航空航天大学长期从事网络化协同式空中交通管理、空地 协同空域监视 、空天飞行器协作控制、飞行器设计理论与方法等方面的研究工作， 在本领域取得了多项具有国际先进水平的创新性成果，为本项目中飞行器低空飞 行避险的研究奠定了坚实基础。 参与项目的其他申请单位在航空、信息、控制、 交通、地学等相关学科具备雄厚的科研实力和交叉学科优势，在多传感器联合探 测、空地协同网络、飞行器协同控制等相关研究方向上具有雄厚的研究实力和基 础。 研究队伍由 1 名 “千人计划 ”特聘教授、 4 名国家杰出青年基金获得者和 4 名教育部长江学者 等优秀中青年学术骨干组成，为项目的开展提供了有力的人才 保障。 项目申请单位拥有 2 个相关的国家实验室（筹）、 9 个相关的国家级和国 防科技重点实验室与一批省部级重点实验室，为本项目研究提供了高水平的创新 研究平台。 本项目集中了国内多所一流高校和研究所的优秀中青年科研力量组成的攻 坚团队，学科交叉融合，研究课题分工明确，在发挥各自专长的同时将定期组织 学术交流，避免分散、孤立和重复研究；各合作单位与国内外同行均具有很好的 合作基础和交流能力、建立了密切的学术交流渠道和合作研究机制，可以有效保 证研究工作的前沿性和创新性。 围绕多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知、动态空域安全态势跨尺度 时空映射、受限空域多飞行器密集飞行的协同调控三个关键科学问题，本项目将 研究内容划分为紧密联系而各有侧重的 6 个课题，各课题之间的内在联系如图 所示。 课题 1 是课题 2 的重要基础，课题 3 是课题 5 实现飞行器自主 避险的基础，课题 4 与课题 5 相互支撑。 所有课题成果都将通过课题 6 复杂低 空飞行自主避险仿真验证平台进行测试验证。 图 各课题间的关系 课题 空域环境要素的完备认知理论与方法 预期目标： 面向复杂低空飞行的自主避险需求，研究环境要素特征的相关性，建立多源、 多粒度数据的关联表征模型；揭示对环境要素的物理、几何、行为抽象特征的认 知机理，探索针对环境要素数据分布特性的结构认知与统计认知融为一体的信息 加工模型与方法，提出复杂空域环境要素快速认知方法。 为后续环境安全态势场 的建立提供必要的基础信息。 研究内容： （ 1）空域环境要素的关联表征模型研究 揭示空域环境要素的内涵（属性、空间、方位、等级等）及其之间的相互作 用关系，建立飞行器位置、姿态、速度、抖动等参数与空域环境要素之间的映射 模型；研究空域环境要素特征的相关性，建立空域环境要素多源多粒度观测数据 的关联表征模型，探索环境要素间的相关度计算方法。 （ 2）空域环境要素的认知加工模型 探索空域环境要素的物理、几何、行为的本质特征分布规律，提出数据拓扑 分布统计方法；研究数据统计特性与信息认知结构参数的对应关系，提出数据特 性与信息加工模型的融合方法；提出结构认知机制与统计认知机制的集成方法， 建立结构认知与统计认知于一体的信息认知模型。 （ 3）空域环境要素的快速认知方法 研究传感器类型、参数与环境要素观测精度之间的规律，提出源数据误差产 生机理与补偿方法；研究环境要素关键特征的优选策略，提出环境要素认知的增 量式集成学习方法；研究空域环境要素的直接空间定位理论与求解方法，为空域 环境要素认知的及时性要求提供方法支撑。 经费比例： 15% 承担单位： 西安电子科技大学、武汉大学 课题负责人： 廖桂生 学术骨干： 达汉桥、陶海红、曾操、黄先锋 课题 多尺度安全态势场演化建模理论与方法 预期目标： 揭示动态异质环境要素对飞行器飞行的威胁特征和影响规律，建立多元威胁 特征变化条件下的飞行器安全包络模型，研究动态安全态势的跨尺度时空映射关 系，提出空域安全态势场 的生成演化方法和可信度估计方法，为复杂低空多飞行 器碰撞风险预测和协同调控提供基础理论方法。 研究内容： （ 1）多元异质环境要素的威胁特征提取和表征方法 揭示复杂低空多元异质环境要素（飞行器、气象环境、地形地物等）对飞行 器飞行的威胁特征和影响规律，研究飞行器与环境要素之间的相对定位误差形成 机理与分布规律，建立不同机型不同性能飞行器与各类环境要素间的安全间隔余 度的参数化表征模型，为飞行器安全包络的生成提供理论依据。 （ 2）多元威胁特征变化条件下的飞行器安全包络建模 研究飞行器与环境要素之间的相对定位误差、安全间隔余度等威胁特征和飞 行碰撞风险间的映射关系，建立多元威胁特征变化条件下的飞行器安全包络模 型，提出飞行器安全包络的快速计算方法；研究飞行器安全包络的演化规律，分 析与刻画飞行器安全包络的敏感性和鲁棒性，为形成空域安全态势场的生成提供 理论基础。 （ 3）空域安全态势场的生成演化机理及可信度估计 探索多飞行器安全包络间耦合作用机理，建立复杂低空动态安全态势跨尺度 的映射模型，研究全空域大尺度安全态势场的生成机理和演化规律，提出空域安 全态势场 的可信度估计方法，分析安全态势场与空域飞行容量之间的边际效应， 为复杂低空多飞行器的协同调控提供基础理论与科学依据。 经费比例： 16% 承担单位： 北京航空航天大学、中国科学院西安光学精密机械研究所 课题负责人： 向锦武 学术骨干： 罗漳平、闫平昆、王宏伦、唐铁桥 课题 机间动态网络下的安全态势可靠共享理论与方法 预期目标： 建立非稳健机间动态网络下的态势信息可靠共享模型；探索时延限制、网络 资源等要素制约的安全态势信息的按需共享机理，提出飞行器之间安全态势的及 时可靠共享方法，为飞行器之间实现协同机动与避险提供及时可靠的态势信息。 研究内容： （ 1）机间动态安全态势共享网络的拓扑建模 探索高动态飞行器节点行为特征与动态网络拓扑结构的统计学规律，研究态 势制约下的节点行为与动态网络拓扑结构的演变规律。