未來空域下的空中交通管理系統(tǒng)

周航

【摘要】空中交通管理是保障整個航空運輸系統(tǒng)安全高效和有序運行的中樞，也是一個集電子、計算機和信息化技術(shù)以及人員等因素為一體的復雜系統(tǒng)。鑒于未來空域容量的大幅增長以及復雜程度的不斷提高，歐盟（EU）和北美政府機構(gòu)為2025年的空域構(gòu)想了一種新型空中交通管理（ATM）系統(tǒng)，它能自主保持與周圍交通以及其他沖突區(qū)域內(nèi)飛機的間距。本文將對未來環(huán)境以及飛機先進航電裝備進行討論，機載自主式間距保障支持系統(tǒng)要對誤差進行處理，以及我們會采取哪些舉措以化解潛在的安全威脅，從而確保在高密度交通需求下能進行安全的機載自主式間距保障操作。

【關(guān)鍵詞】空中交通管理，空域安全，沖突規(guī)避

1 空中交通管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

歐盟和美國正致力研發(fā)先進的操作理念以支持未來高密度空域下安全的空中交通管理（ATM），這些發(fā)展需要通信、導航和監(jiān)視（CNS）技術(shù)的進步作為支撐。為了建設更加安全高效的空管系統(tǒng)，美國國家空域系統(tǒng)（NAS）計劃提出要加強地空數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星導航和綜合監(jiān)視等新航行系統(tǒng)技術(shù);聯(lián)邦航空局（FAA）于2002年發(fā)布了國家空域系統(tǒng)運行發(fā)展計劃（OEP），希望在確保飛行安全的同時還能增加空域容量，并提高空域的使用率，從而滿足大幅增長的航空運輸需求。FAA于2005年開始規(guī)劃新一代航空運輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)希望在美國國內(nèi)以及全球范圍內(nèi)實現(xiàn)更快捷、更有效的航空運輸方式，并建立一個更加智能的空管系統(tǒng)，飛行員在該系統(tǒng)中能充分調(diào)用各種先進技術(shù)，極大地提高態(tài)勢感知能力，從而為飛機選取最佳的飛行路徑。

單一歐洲天空空中交通管理研究項目（SESAR）和新一代航空運輸系統(tǒng)（NextGen）打算在2020年具備基于航跡的ATM，并將間距管理任務由空中交通管制員轉(zhuǎn)移給機組人員?；诤桔E的操作會通過飛機當前和今后位置的四維信息（緯度、經(jīng)度、高度和時間）對飛行進行管理。如今，管理預期交通容量增長的主要限制是由空中交通管制員引入到?jīng)Q策制定流程中的，為了克服該限制，早在十年前就提出了機載自主式間距保障的理念，取名為“自由飛行”（Free Flight），旨在將所有的間距管理任務都轉(zhuǎn)交給飛行員。ATM研究領域一直分成樂觀派和謹慎派兩個派系，樂觀派認為機載自主式間距保障即使在高負荷航線交通需求下也很安全，有人駕駛的實時仿真結(jié)果表明，飛行員能理解機載自主式間距保障的操作理念并且可在高負荷交通需求情況下良好的工作，這就是最佳佐證;而謹慎派則認為盡管機載自主式間距保障在低負荷航線交通需求下是安全的，但在繁忙空域中的高負荷交通需求下并不安全。事實上，這兩派的意見分歧其實就是機載自主式間距保障操作在何種交通需求水平下是安全可靠的。

2 防止最低間距標準的損失

自主式間距保障的飛機通過自動飛行規(guī)則（AFR）負責從其他的飛機中隔離出來，期望它能反映當前國際民航組織（ICAO）附件2的儀表飛行規(guī)則，并考慮將間距保障任務從地基ATC轉(zhuǎn)移到機載方面。設計未來ATM的關(guān)鍵因素就是要具有防止飛機間出現(xiàn)最低間距標準損失的理念。在傳統(tǒng)雷達控制的航路空域中，空中交管員首先要確保所有航班都符合安全間距的國際標準。如今的ICAO條例規(guī)定在現(xiàn)代雷達控制的航路空域中，兩架飛機必須保持水平間距為5海里或是垂直間距為1000英尺。近期，歐洲委員會的RESET項目希望在未來繁忙的航路空域中將水平間隔從5海里縮減至3海里，這些縮減的間隔最低標準是否適用于機載自分離操作仍需在iFly項目中進行評估。

最低間距標準可根據(jù)不可入侵的受保護空域或警戒區(qū)（AZ）進行測算，當（即將）入侵時就會觸發(fā)飛行員的干預。隨著飛機導航和監(jiān)視能力的提升，PAZ和警戒區(qū)的大小也會隨之改變，而且依靠ATC進行間距管理的任務也會委托給機上的自動化系統(tǒng)。

3 機載自主式間距保障決策輔助

先進機載自主式間距保障的理念與增強型機載自動化和決策輔助緊密相關(guān)，可以提高飛行員的態(tài)勢感知能力以及飛機規(guī)避沖突的能力。進行自主飛行操作的AFR將有若干輔助系統(tǒng)可使其維持最低間距標準，并且安全化解危機。所設計的決策輔助系統(tǒng)要在飛機可能會破壞間距標準時提供有效的支持，這就是通常所說的安全網(wǎng)（Safety Nets）。

當飛機可能會進入限制空域（RAA）、氣象危險區(qū)（WHA）、地形/障礙限制區(qū)或是其他飛機PAZ時，機上設備必須評估、探測并解決潛在的沖突，該功能將由空中間距保障系統(tǒng)（ASAS）提供。供飛行員使用的機載自主式間距保障決策輔助系統(tǒng)考慮了所有可用的周邊交通和環(huán)境信息資源，并且顧及多種飛行中時間相對沖突/危險的范圍。由于飛機會在這些時間范圍內(nèi)對潛在沖突進行計算，因此可以使用一個或多個沖突探測和解決（CD&R）應用程序以確保安全的飛行航跡。

三個獨立的CD&R應用程序會處理三種級別的交通/危險信息，這種分級式方法旨在確保在更短的時間與沖突范圍內(nèi)通過互補CD&R方法進行處理。長期航跡管理和中期以及短期CD&R輸出信息會在一個綜合模塊中進行收集和處理，從而為飛行員選擇并優(yōu)化合適的備選方案。飛機位置誤差會影響CD&R算法的有效性，它取決于對該飛機之后10至20分鐘內(nèi)飛過飛機位置的預測精準度。間距和航跡管理工具的性能直接取決于預測航跡的精確度，誤差會影響用于探測和規(guī)避沖突的警戒區(qū)大小，并會降低預測信息的可用性。

ERASMUS項目展開的研究指出，誤差或?qū)︼L向的錯誤預測以及溫度數(shù)據(jù)是影響空中航跡預測的主要因素。機上CD&R算法將會利用自身預測的航跡以及周圍飛機廣播的航跡標識出可能會侵入飛機警戒區(qū)或是保護區(qū)的區(qū)域，并且計算出飛機規(guī)避沖突區(qū)的方案，從而選擇最佳路徑離開沖突區(qū)。飛機投射路徑周圍大氣數(shù)據(jù)的誤差可能會在變換飛行高度層時對航跡沿線產(chǎn)生影響，因此需要CD&R算法能處理由風向引起的偏差。除了機載自主式間距保障CD&R系統(tǒng)以外，還有一個以機載防撞系統(tǒng)（ACAS）形式存在的安全網(wǎng)，當前的強制系統(tǒng)或是能從一個獨立的監(jiān)視源接收周圍飛機位置信息的未來先進型，這就確保了ACAS是用于防撞的單獨安全網(wǎng)。

4 確保機載自主式間距保障操作的技術(shù)系統(tǒng)

這種先進機載自主式間距保障操作理念的關(guān)鍵因素就是一個可靠的通信網(wǎng)絡和信息分享系統(tǒng)（廣域系統(tǒng)信息管理——SWIM）。在NEXTGEN中，飛機需要頻繁與地面管制中心交換數(shù)據(jù)，而且地面的各種設備/系統(tǒng)之間也會頻繁交換數(shù)據(jù)，因此，所有設備都要遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準，即SWIM。AFR飛機需要接收所有周圍交通和障礙物的相關(guān)信息，為了實現(xiàn)這一目的，飛機就需要具有ADS-B OUT技術(shù)，能夠周期性地向周圍交通對其位置、速度和意圖信息進行廣播。SWIM提供最新的“承索”（自動的）監(jiān)視信息，如周圍交通、當前氣象情況等。在ATM系統(tǒng)中，有效地規(guī)劃和決策需要實現(xiàn)信息共享和協(xié)作，SWIM實現(xiàn)了各用戶之間的協(xié)同工作能力，也為空管信息的共享提供了一個開放、靈活和安全的信息管理體系，并且增強了公共態(tài)勢感知功能，提高了空管系統(tǒng)的靈活性，保證了信息能及時可靠地傳送到用戶。SWIM是一個應用集成策略而非框架，它為應用組件之間的通信和信息共享提供了必需的功能。盡管SWIM的目標是信息管理，但是其核心卻是一個確保授權(quán)的應用和服務之間進行可靠安全的數(shù)據(jù)共享框架。

對先進機載自主式間距保障而言，還需要飛機具備額外的ADS-B IN能力，能持續(xù)性接收在ADS-B范圍內(nèi)附近飛機的位置、速度和意圖信息。有關(guān)飛機航跡信息的空-空交換，以及當?shù)靥峁庀笮畔⒑臀槽E渦流都能增強飛機間距的精度并且提高航班的安全性。

機載設備會向機組人員提供后續(xù)操作的建議，飛行員指揮會決定并切實執(zhí)行這些操作策略（通過手動、自動駕駛儀或是FMS來實現(xiàn)）。要想讓這種新型的機組任務切實可行，就需要一個非常有效并且易于理解的人機界面（HMI）。盡管通過在VHF無線電上通過監(jiān)視駕駛員-ATC通信，飛行員在頭腦中對周圍環(huán)境有了整體印象，但機組人員仍需駕駛艙交通信息顯示在AFR操作期間對交通情況進行監(jiān)控。為了向飛行員提供指引，CDTI需要顯示有關(guān)交通、氣象、簡化航跡等信息。歸根結(jié)底，CDTI就是要告知機組人員有關(guān)飛機周圍的情況，并協(xié)助他們處理可能會出現(xiàn)的沖突。今后，多用途駕駛艙交通信息顯示（MPCDTI）可用于NextGen環(huán)境，它將諸多核心功能以多種方式結(jié)合起來，執(zhí)行ADS-B應用。

5 將安全性融合到先進機載自主式間距保障設計中

先進機載自主式間距保障設計本身就有其新穎性，對安全威脅的分析和緩解構(gòu)成了iFly項目的關(guān)鍵因素。需要正確處理的安全威脅諸如機載自動化設備、飛機位置誤差、退化的機載系統(tǒng)性能及可靠性、飛行員對交通情況態(tài)勢感知的缺失、難以處理的交通復雜度以及通信、導航和監(jiān)視的故障和/或退化。為了能控制多方面潛在的安全威脅，iFly項目基于設計方法給出了三種互補的安全性：

（1）利用TOPAZ方法進行整體的危險分析和事故風險評估;

（2）根據(jù)ED78A方法的系統(tǒng)安全性工程;

（3）利用混合自動化臨界可觀察性分析的形式驗證。

這些事故風險評估、系統(tǒng)安全性工程和驗證方法就是為了明確先進機載自主式間距保障操作理念所需的技術(shù)系統(tǒng)能力和交通需求。

6 基于TOPAZ的事故風險評估

已經(jīng)明確TOPAZ事故風險評估方法是iFly項目的合理化選擇，該方法是要對先進型ATM設計的事故風險進行建模，從而為設計者提供有效的反饋信息。TOPAZ的目標有：

（1）明確與先進機載自主式間距保障設計隨之而來或是由其產(chǎn)生的各種潛在安全危險;

（2）對整體事故風險進行評估;

（3）將所評估的整體風險水平與未來空中交通所能接受的最大風險水平進行比較，從而明確先進機載自主式間距保障的理念在哪種交通需求水平下是安全的;

（4）判別哪些危險或是危險組合構(gòu)成了最大的安全威脅，它們是開發(fā)化解安全風險方法的關(guān)鍵因素。

在隨機混合模型開發(fā)的后續(xù)步驟中，還需要解決所有組織、環(huán)境、人為相關(guān)以及其他危險的安全問題。先進空中交通管理公認是最復雜的分布式安全關(guān)鍵系統(tǒng)，盡管ACAS/TCAS（機載防撞系統(tǒng)）通常不包含在沖突風險研究內(nèi)，iFly安全性評估會明確融合ACAS/TCAS，從而獲取ACAS/TCAS與ASAS交互的寶貴看法。

7結(jié)論

為了讓機載自主式間距保障成為繁忙空域的可行方案，對先進空中交通管理等復雜分布式安全關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性分析必不可少?；诿商乜_的安全性分析可為復雜ATM系統(tǒng)自主飛機操作有關(guān)安全的行為提供有參考。通過互為補充的系統(tǒng)安全性工程化方法，可采取恰當?shù)幕夥椒▽⒅饕陌踩ｋU標識出來。我們關(guān)注非正規(guī)事件、人為因素以及對機載自主式間距保障飛行操作安全性技術(shù)系統(tǒng)能力的影響，我們希望能證明在所需的技術(shù)系統(tǒng)和偶然性程序前提下，哪種級別的航路交通需求才是安全可接受的。

從環(huán)保角度看，SESAR可將每架班次的溫室氣體排放量減少4%至10%（因不同機型而有所差異），此外，SESAR還可以將航空管制的基礎設施能力整體提高三倍，將航空管制的安全性能提高十倍，并將各個航空公司所負擔的航空交通管制費用降低一半。SESAR是歐盟和歐洲空中航行安全組織之間合作的一個具體展示，目標就是要在歐洲裝備效率最高、最可靠和最具競爭力的航空管制基礎設施。SESAR給同樣面臨持續(xù)增長的空中交通流量和當前ATM系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足這種持續(xù)增長需求的中國民航以良好的借鑒，具體有以下幾方面：

（1）以性能為核心目標，對于ATM系統(tǒng)定義一個完整的性能框架，以基于性能的方式進行系統(tǒng)得需求分析、概念定義、規(guī)劃和方案設計;

（2）集合最廣泛的相關(guān)參與者，充分考慮所有相關(guān)者的業(yè)務邏輯和利益;

（3）將信息共享和分層協(xié)同決策機制貫穿包括空空、空地在內(nèi)的所有處理流程、計劃制定和應用程序中;

（4）充分考慮系統(tǒng)演化中的人為因素，提前對人員需求和變化予以評估，制定良好的培訓計劃;

（5）具有一個總體的技術(shù)發(fā)展和應用基線，指導具體相關(guān)技術(shù)的研究和實施。

參考文獻：

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