c ⃝ 2025 《中国科学》杂志社 www.scichina.com infocn.scichina.com 面向低空经济的低空网络技术创新与应用专题 . 论文 数字孪生驱动的低空智联网自智管控架构及 关键技术 喻鹏1, 谭灿1, 李文璟1*, 张俪馨1, 郭少勇1, 邱雪松1, 洪韬2, 付澍3, 王尚广1, 孟洛明1 1. 北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室, 北京 100876 低空智联网是实现低空空域高效运行与安全控 制的重要保障. 由于低空智联网的立体化覆盖、高可靠通信、超精准服务等特征, 使得传统的被动式 网络管控技术难以满足业务随需服务要求, 亟须融合数字孪生、自智网络、分布式人工智能等新型技 术突破管控瓶颈. 为应对以上挑战, 本文分析了低空智联网的特征和需求, 提出了数字孪生驱动的低 空智联网自智管控架构. 依托自智管控闭环, 分别分析了低空网络层、数字孪生层、自智管控层的功 能, 并针对各个层次的关键技术 技术、动态网络性能状态的小尺度预测方法、业务需求自适应的资源映射机制和管控智能体部署方案 等, 进行了介绍. 结合关键技术, 本文进行了低空智联网自智管控实例设计, 验证了网络性能预测机 制、资源状态孪生同步机制以及低空网络自主部署机制的有效性. 最后总结低空智联网的未来技术挑 战, 为未来低空智联网的智能化、自主化运维提供了技术参考. 关键词 低空智联网, 数字孪生, 自智网络, 网络管控 1 引言 近年来, 随着低空飞行相关技术装备的迭代升级与系统化突破

组件式 GIS 软件开发平 台 SuperMap iObjects C++ 云边端一体化—为系统安全、易用保驾护航 组件式 GIS 软件开发平台 SuperMap iObjects Java SuperMap iObjects Python SuperMap iObjects for Spark 无人机飞控 App SuperMap UAVSurvey GIS 运维管理软件平 台 成 GISTC P12 二 维 地 图 P13 云服务器 Web 端 移动端 数字底座多端 / 不同维度可视化效 果 GISTC 云服务器 Web 端 桌面端 SuperMap 空间智能支撑平台 + 数据层 全流程、全方面支撑应用系统能力 01 / 实时 GIS) 地理统计分析、有限元 分析、元胞自动机模拟 数据科学 云原生 GIS 云使能 GIS 、云 GIS 云原生 GIS( 微服务、容器化、 自动化编排 ) 边缘计 算、 ServiceMesh Serverless 、 AIOps 新一代三维 GIS 二三维一体化 倾斜摄影模型、激光点云、 BIM 、 VR/AR 、场三维 CIM 、三维地理设计、游戏引 擎

年配套 21 亿元用 于低空 经济建设）。 • 浙江省 24 年政府低空经济相关项目 采购种类 数量 金额（亿元 ) 设备采购 107 1.43 咨询规划类 20 0.27 涉及飞控 / 监管平台类 9 0.51 总计 136 2.21 亿 政策有要求 全国 中央及各级政府相继出台文件近 300 项。 • 党中央、国务院、各部委发布涉及低空经济相关 内容 50 大有可为 用不着 应用场景少导致“用不着” 由于应用场景和商业模式待开发和完善， 无人机还未能走进千家万户。 飞不远 通信距离限制导致“飞不远” 当前普遍使用私有点对点通信链路， 控 制范围受限。 同区域存在大量同频无人机时， 易 产生 冲突干扰。 私有通信链路建设成本高，占无人 机的 5%-10% 。 管不住 法律与技术制约导致“管不住” 低空空域缺乏有效监管制度， 为市场规模发展的瓶颈， 电信核心能力可精准匹配市场需求 。 能力二： 监管能力 低空感知设备和监管平台维护低空秩序 能力三： 飞服能力 飞服平台和 AI 算法赋能千行百 业 能力一： 云网能力 5G 网络替代私有化链路 市场分析 - 电信核心能力助力低空经济规模化发 展 痛点 2 痛点 1 痛点 3 飞行服务 通航运输 空域侦测

级综合监管中心、购买或租赁无人机服务、申请无人机空域 监管服务运行、数据处理及汇交、安全保密等工作。 自然资源 xxx 项目建设方案 6 自然资源 xxx 项目建设方案 区域监管：建立市级无人机飞行管控平台，划定 重点监管区域（如耕地保护区、生态红线区、矿产开发集中 区），制定常态化巡查计划（周巡、月巡、专项巡、应急巡 查）。 数据枢纽：汇聚区县无人机巡查数据、卫星遥感 数据、执法案件数据，进行分析研判和预警处置，向上级平 面，市级平台已接入 4G 网络进行影像回传，但山区、偏远 乡镇等区域存在信号盲区，约 20% 的巡查任务需依赖存储 卡离线拷贝数据，时效性滞后 4-8 小时。此外，全市尚未建 立统一的无人机飞行管控平台，飞行计划申报、空域协调等 流程仍依赖人工对接民航部门，单次任务准备时间长达 2-3 小时，制约监管效率提升。 自然资源 xxx 项目建设方案 10 自然资源 xxx 项目建设方案 （二）技术应用现状分析 CGCS2000），实现与卫星遥感 （分辨率 0.5-2 米）、地面监测数据（如土壤墒情传感器） 自然资源 xxx 项目建设方案 21 自然资源 xxx 项目建设方案 的时空对齐，形成 “宏观趋势把控 + 中观细节监测 + 微观精 准定位” 的多尺度数据采集能力。 （二）打造智能化监管平台 依托 AI 算法与数字化管理系统，构建 “智能识别 — 自动预警 — 闭环处置” 的全流程监管链条，解决传统监

有效期 全产业链 低空飞行 器及零部 件制造 场景 依托成都唯一对外开 放 A 类通用机场，重 点围绕客货运有人机、 工业无人机、Evtol 等 整机研制测验试飞，电 池、飞控、载荷等核心 技术及关键零配件研 制，带动航空器制造集 聚发展。 金堂县 淮州新城 项目建设 需求 融资建设 需求 项目地点：淮州新城通航产业 片区 建设内容：低空飞行器及零部 采集及存储，大数据的 分析及挖掘服务，以及 提供对全量无人机（含 入库的合规飞行器，及 未经批准的“黑飞”飞 行器）进行侦查、监测、 驱离、反制等功能，打 造基于深度强化学习 AI 算法以及集中式管 控逻辑的软硬件一站 式解决方案。 四川全域 人才需求 AI 算法人 才需求 深度强化学习算法人才引进， 强化学习领域的企业、高校科 研团队。 1.搭建虚拟仿真环境的 算法及研发团队； 道激光或可见光点云 的数据系统，采用先进 的三维切片和 AI 智能 分析技术，集成数据去 噪、自动分类、一键检 测、自动生成报告等功 能，实现线路通道树 （竹）障和交叉跨越安 全距离的准确测量，同 时支持导线在风偏、高 温、覆冰、树木倒伏、 树木生长等因素下的 工况模拟预测功能， 为 运 维 决 策 提 供 科 学依据。 四川全域 人才需求 研发人才 需求 需要云类相关技术研发类人

力和 指挥决策能力，满足城市智慧治气多职能管理中信息汇聚与整合、信息共享与服务、治 安演练与会商决策等核心需求，为智慧治气提供协调一致的体系化解决方案与应用平台 支持。 大气监测解决方案以“云网端 + 场景 SaaS” 架构为核 心，通过端侧多元化终端进行信息收集，并实时将数据 通过安全网络传输至云端进行处理，为不同客户场景提 供 SaaS 服务，以无人机为载体构建“空天地一体化”立体 数字空间与物理空间互操作、双 向互动，满足实时、动态、自动、 互动等属性，以无人机产品链接 现实功能对象，触达城市管理多 种需求 02 自学习自优化： 辅助城市管理决策 以 无 人 机 产 品 + 云 网 端 + 场 景 Saas 实现对城市数据的深度学习， 推 动 智 慧城 市自我 优化运 行，满 足 政 、 企 、民 的按需 、即时 和精准 决 策需求 03 构建全局视野、精准映射、虚实交 IaaS 基础设施 Docker 容器 云存储 数据库 备份 管理人员 政府机构 商业合作伙伴 大数据 中台 AI 能力 中台 Spark NoSQL API 开发者 …… SDP 区块链 SDN 汽车 无人机 摄像头 智能穿戴 机器人 开发者接口 政府接口 园区接口 商业接口 AIoT Saas 应用 端 网 云 场景 MEC 边缘计算 门禁 eMBB

空经济的发展离不开通信网络的支持。 本文通过分析 低空经济对通信网络的关键需求,提出了以 5G-A 通 感智算网络为底座的低空智联网方案,阐述了低空智 联网的七大能力体系,并从通感一体化技术、无人机管 控及服务、核心网的演进等方面对 5G-A 网络特别是 核心网为促进低空经济 的发展所做的支持进行了 分析。 1 低空经济概述 1. 1 低空经济 2021 年 2 月,低空经济被写入《国家综合立体交 网络为无人机提供通信服务 [3],实现通信广 覆盖、稳连接,包括上行的大带宽、低时延、高可靠的要 求,保障安全飞行和业务连续性,满足超视距飞行、高 清实时图传、远程控制等需求;同时还可以为无人机应 用提供云—边—端协同的数据分析、数据存储等算力 服务,并结合人工智能( Artificial Intelligence, AI) 能 力,实现应用的价值增值。 相较于 5G,5G-A 不仅在时 5G-A 网络融合定位导航基础设施、监测基础设施、环境气象 测量设施,以及云边算力等数字基础设施,对外表现为 三张网 [5]:通信网负责飞行器、用户、平台之间的通信, 实现多个设施和系统间的高效可靠互联;感知网负责 为飞行器提供定位、授时、导航和监管服务,对低空飞 行活动进行安全保障和有序管理;算力网负责协同云 边算力,融合 AI 能力,实现低空应用各类数据的分析 处理、诊断预测等功能。

坚持“预防为主、积极消灭、生命至上、安全第一”工作方针，全面推进 防灭火一体化，持续优化体制机制，压紧压实防控责任，深化源头治理，加强基础建设，推动科技创新，提升队伍能力， 有效防范化解重特大火灾风险，全力维护人民群众生命财产安全和国家生态安全。 指导各地有针对性地安排部署森林草原火灾防控工作 根据全国各地区进行研判预测，须对重点区域 j 进行防范：冬季东北地区森林火险等级接近常年、华中部分地区可能出现较高火险等 人工勘察困难，耗时耗力 一人多职，技术能力参差不齐 缺少自动化智能单兵装备 效率低 解决方案 森林消防整体解决方案 森林消防综合感知平台 工业级无人机综合作业系统 无人机监控指挥云平台 光电吊舱 测绘相机 机载基站 区域监控 遥感卫星 雷电监测 北斗巡护 支持多源数据接入 一屏掌控全局 业务 应用 事后评估 网络 传输 前端 感知 通信专网 卫星便携终端 事前预防 4G/5G 公网 自组网中继电台 余火监控 应急指挥 火点定位 事中处置辅助 火场侦察 培训演练 巡护预警 处置报告 灾情评估 日常巡护及火点排查 通过地面站的温度预警功能，联动云平 台向指挥端进行快速反馈。 温度预警功能 在日常森林巡护工作中，无人机通过搭 载可见光及热红外吊舱，可进行 24 小时 不间断环境侦查，实时巡查是否存在火 灾隐患或人员行为异常。 全天候航空巡查

号）和《国家基本公共服务体系“十二五”规划》（国 发〔 2012 〕 29 号） • 习近平总书记作出重要指示：法治是平安建设的重要保障，加快创新立 体化社会治安防控体系 • 十八届四中全会，推进公共安全法治化，构建国家安全法律制度体系 • 中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于加强社会治安防控体系 建设的意见》 • 发改高技 [2015]996 号《关于加强公共安全视频监控建设联网应用 工作的若干意见》 • 中共中 体思路 • 十三五规划中指出要创新社会治安防控体系，完善社会治安综合治理体 制机制，以信息化为支撑加快建设社会治安立体防控体系，建设基础综 合服务管理平台。大力推进基础信息化、警务实战化、执法规范化、队 伍正规化建设。构建群防群治、联防联治的社会治安防控网，加快推进 网上综合防控体系建设。实施社会治安重点部位、重点领域、重点地区 联动管控和排查整治。加强打击违法犯罪、禁毒、防范处理邪教等基础 理社会化、 法治化、智能化、专业化水平，加快建设立体化、信息化社会治安防控 体系 2017 党的十九大报告指出： • 建设平安中国，加强和创新社会治理，维护社会和谐稳定，确保国 家长治久安、人民安居乐业。 • 打造共建共治共享的社会治理格局。提高社会治理社会化、法治化、 智能化、专业化水平。加快社会治安防控体系建设，依法打击和惩 治黄赌毒黑拐骗等违法犯罪活动，保护人民人身权、财产权、人格

车、物、财流动加剧，社会公共安全形势日趋 复杂 公共安全形势复杂 违法犯罪活动增多，不法分子作案手段多样化、 智能化、现代化趋势明显 违法犯罪手段多样 因受地形地貌条件限制，存在治安防控盲区和死 角 ，侦查搜捕、取证信息不全面 存在治安防控盲区 日常巡逻、接处警工作任务繁重；在重大突发事件发 生时，需要更多的警力支持、耗费大量时间和精力进 行调查取证，缺乏高效的技术手段，处置效率低 警力数量有限 面对日 喊话 装置 “ 无人机 + 警务”新模式 光电 吊舱 解决方案 公共安全解决方案 公共安全综合感知平台 多种类无人机巡检系统 无人机监控指挥云平台 光电吊舱 测绘相机 机载基站 区域监控 电子围栏 气象监测 重载云台 支持多源数据接入 一屏掌控全局 业务 应用 应急救援 现场人员搜救 应急通信保障 应急物资抛投 网络 传输 前端 感知 通信专网 4G/5G 解决方案 利用无人机机动能力强、高空视野广等优势，在 空中对管辖区域实时监控，结合地面摄像头监控视频 和公安民警实地走访巡查， 全方位获取区域内公共安 全状况，空地联合执勤，打造立体化治安防控体系。 与地面摄像头 联动进行监控 排查，提高主 动发现警情的 几率 任务载荷：可 见光相机、红 外双光相机、 喊话装置等 续航时间长， 高空视野广、 监控范围大， 帮助警方掌握 整体治安态势