美國的下一代航空運輸系統(tǒng)——發(fā)展愿景、成就與未來方向

Joseph Post

1. 引言

美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）掌握著全世界最大的空中交通管制系統(tǒng)。該系統(tǒng)每天管控近5萬次航班，覆蓋面積接近7.61×107km2，相當(dāng)于地表面積的15%。如何在保證這些航班安全的情況下，同時保持高效率和低延誤，始終是一項挑戰(zhàn)。

為了解決空中交通流量增長產(chǎn)生的問題，并運用新技術(shù)提高服務(wù)質(zhì)量、適應(yīng)各類新的空域用戶（如商業(yè)空間和無人機運營商），F(xiàn)AA及其合作伙伴啟動了一個名為“下一代航空運輸系統(tǒng)”（NextGen）的現(xiàn)代化項目。NextGen項目包括各種改進(jìn)通信、導(dǎo)航、監(jiān)控和空中交通管理（ATM）自動化系統(tǒng)的工作，也包含大量利用新技術(shù)和先進(jìn)的空中交通管理科學(xué)的程序性改進(jìn)工作。

2. NextGen項目的發(fā)展愿景和計劃

為了解決交通擁堵及延誤問題，F(xiàn)AA于2004年提出了發(fā)展NextGen項目[1]。NextGen項目旨在增大空域系統(tǒng)的交通容量，提高飛行效率，增強系統(tǒng)可預(yù)測性，增強通航能力，提高系統(tǒng)復(fù)原力并保持或提高航空運輸?shù)陌踩?。該項目最關(guān)鍵的特點在基于衛(wèi)星的監(jiān)控和導(dǎo)航、數(shù)字通信、信息交流、空中交通管理決策支持輔助工具（如基于時間的管理工具）以及新的尾流分離標(biāo)準(zhǔn)等方面。

FAA的NextGen計劃在國家空域系統(tǒng)（NAS）的企業(yè)架構(gòu)（EA）中進(jìn)行了詳細(xì)描述。我們的架構(gòu)模型是在美國國防部架構(gòu)框架（DODAF）1.5版的基礎(chǔ)上改良得到的[2]。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的要求，“架構(gòu)描述由創(chuàng)建、使用和管理現(xiàn)代系統(tǒng)的各方使用，以改進(jìn)通信和合作，使他們能夠以集成且一致的方式工作”[3]。NAS EA是組成國家空域系統(tǒng)的各種服務(wù)、運營活動和系統(tǒng)的一種分級表示，并由一組描述國家空域系統(tǒng)各要素之間關(guān)系的圖來說明。我們的規(guī)劃過程描述了這個架構(gòu)將如何從當(dāng)前狀態(tài)發(fā)展到理想的“未來”狀態(tài)，即我們在這里所說的NextGen。這些計劃的出發(fā)點是FAA的服務(wù)等級制度。該制度描述了FAA的核心服務(wù)及其組成能力。這些服務(wù)在時間上是不變的（盡管隨著FAA任務(wù)的發(fā)展，可能會有定期變化），并且與解決方案無關(guān)。管理者繪制了一系列服務(wù)路線圖來描繪國家空域系統(tǒng)從當(dāng)前狀態(tài)發(fā)展到未來NextGen狀態(tài)的戰(zhàn)略。這些服務(wù)路線圖描述了NextGen發(fā)展愿景中的“運營改進(jìn)”，即能使整個行業(yè)和飛行公眾受益的新的空中交通管制能力。

目前，NextGen包含了65個運營改進(jìn)項目。國家空域系統(tǒng)部門實施計劃（歸納在NextGen實施計劃中）將這些業(yè)務(wù)改進(jìn)項目分解為關(guān)于開發(fā)、集成和實施新的管制能力所需的步驟或增量，并確定了相關(guān)的資本投資[4]。最后，企業(yè)架構(gòu)基本建設(shè)路線圖說明了系統(tǒng)部署、投資和重大收購中關(guān)鍵決策點的進(jìn)展情況[5]。

NextGen中很多的項目改進(jìn)在功能上都是獨立的。例如，最小尾流間隔的改變在功能上不同于幫助航線管制員的自動化工具。因此，很多改進(jìn)都可以獨立設(shè)計和實施。不過，雖然功能是獨立的，但其運行效果可能是相關(guān)的。例如，由于交通容量與延誤之間的非線性關(guān)系，多個與交通容量有關(guān)的改進(jìn)將對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非線性影響。為此，我們使用了能夠覆蓋整個系統(tǒng)的模型分析，同時改進(jìn)對交通容量的影響，并據(jù)此決定投資的順序。

對于一些非獨立的功能，如不同的交通流控制手段（或基于時間的管理），利用模型和人機回圈（HITL）模擬來驗證整個開發(fā)生命周期中的新理念。例如，F(xiàn)AA的William J. Hughes技術(shù)中心可利用現(xiàn)行的自動化系統(tǒng)硬件和軟件對新理念進(jìn)行跨域HITL模擬。目前正在進(jìn)行的航站樓空域計量評估實驗可以包含6名途中管制員和8名航站樓管制員以及兩名交通管理員和飛行員同時工作。

3. 商業(yè)案例

2010年，我們完成了NextGen的首個商業(yè)案例并于2017年更新了該案例[6]。這一商業(yè)案例反映了與Next-Gen投資成本和效益相關(guān)的現(xiàn)金流，針對這些投資，已按照政府標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)行政管理和預(yù)算的規(guī)定）進(jìn)行了適當(dāng)?shù)馁N現(xiàn)。費用包括FAA主要基礎(chǔ)建設(shè)投資的資金成本、維持投資以及程序性改進(jìn)的運營成本以及運營商成本（如為飛機配備新的航空電子設(shè)備）。FAA必須在成本或效益計算中考慮所有的利益主體，即運營商、乘客、政府和整個社會。在該商業(yè)案例中，將效益具體分為以下幾類：

· FAA內(nèi)部成本節(jié)省

· 乘客旅行時間縮短

· 飛機運營成本降低

· 避免航班取消

· 增加計劃航班次數(shù)

· 減少二氧化碳排放

· 減少事故導(dǎo)致的受傷、死亡和飛機損失/損壞

如前文所述，國家空域系統(tǒng)具有耦合關(guān)聯(lián)性和非線性特征，這說明必須針對整個項目來計算效益而不是分別計算項目各個組成部分的效益再求和。FAA的Next-Gen商業(yè)案例符合上述要求，并采取了集成方法對全系統(tǒng)效益進(jìn)行了建模。NextGen利用了NAS的系統(tǒng)級數(shù)學(xué)模型來評估整個項目的效益，體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)的相互依賴性和非線性。雖然近年來FAA的建模能力得到了很大的提高，但其建模仍存在著局限性，例如，許多運營上的改進(jìn)無法在模型中相應(yīng)地體現(xiàn)。為此，在必要時FAA項目辦公室需要開展詳盡的離散研究來增強模型的效益預(yù)測能力。

據(jù)我們估計，從2007年至2030年期間，NextGen的總成本為350億美元，其中FAA為220億美元，運營商為130億美元。從2007年至2019年，F(xiàn)AA已經(jīng)花費了82 億美元。

據(jù)我們估計，到2030年，總效益約為1000億美元。到目前為止，共計20多種能力已經(jīng)為整個行業(yè)和社會累計創(chuàng)造了73億美元的效益，具體如下：

· 其他飛機運營成本節(jié)省15億美元

· 乘客旅行時間節(jié)省42億美元

· 安全方面節(jié)省4億美元

一般情況下，成本是前期投入的，而大部分效益是在生命周期后期產(chǎn)生的。隨著交通數(shù)量的增加，空中交通延誤往往呈幾何級數(shù)增加。同樣，交通容量的提升會減少延誤，因此NextGen相關(guān)效益也會隨著時間的推移而呈幾何級數(shù)增長。

4. 迄今為止的實施情況

下文舉例說明迄今為止已經(jīng)實施的部分NextGen功能。

監(jiān)視FAA全面部署了一個由大約630個地面廣播式自動監(jiān)視（ADS-B）收發(fā)器組成的網(wǎng)絡(luò)。這些收發(fā)器接收來自飛機全球定位系統(tǒng)（GPS）的定位廣播（被稱為“ADS-B OUT”），為空中交通管制員提供更精確、及時的信息。這些收發(fā)器也用于向飛機傳輸天氣、空域和交通信息，這些信息將顯示在駕駛艙內(nèi)，飛行員可以從顯示器上看到鄰近的其他飛機（被稱為“ADS-B IN”），從而大大提高了安全性，特別是在通用航空運營中。自2020年1月1日起，在美國大部分管制空域中飛行的飛機都必須使用ADS-B收發(fā)器。

導(dǎo)航GPS導(dǎo)航改善了飛行操作并極大地提高了飛行安全性、機場準(zhǔn)入和飛行效率。FAA已經(jīng)公布了超過17 000個區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）儀表進(jìn)近程序最小值（一個程序可包括多個最小值，每個最小值適用于不同的飛機能力），其中約有4500個程序利用了天基增強系統(tǒng)來實現(xiàn)類似儀表著陸系統(tǒng)的性能。此外，還有685個所需導(dǎo)航性能（RNP）進(jìn)近程序。RNP將駕駛艙內(nèi)的監(jiān)控和警報功能整合并進(jìn)行特殊飛行人員培訓(xùn)，確保了飛機符合極其嚴(yán)格的精度要求。FAA公布了大約1000個區(qū)域?qū)Ш狡痫w或降落程序和大約270條區(qū)域?qū)Ш铰肪€。最后，F(xiàn)AA完成了8項“大都會”實施工作，其中的每項工作都為涵蓋多個城市的主要大都市地區(qū)重新設(shè)計了程序和空域。

梨花和桃花捧著熱火火的骨灰盒，在黑傘下回到各自的拖拉機上，又被突突突地拉回谷村。拖拉機每到一個岔路口，桃花和梨花都要叫幾聲亡靈，叫他們跟著往這兒走，千萬別走錯了路，回不了家。梨花喊一聲：“媽，回家了！”桃花也跟著喊一聲：“方竹，回家了！”梨花在喊過母親之后，和著桃花的喊聲，也在心里喊一聲：“哥哥，回家了！”

通信FAA目前正在使用甚高頻數(shù)據(jù)鏈路（VDL）模式2實施管制員與飛行員間的數(shù)據(jù)鏈路通信（CPDLC）。目前有62個機場使用該系統(tǒng)執(zhí)行離場許可。最近，印第安納波利斯、堪薩斯城和華盛頓地區(qū)的控制中心也開始投入使用這些功能，還有8個中心將在2020年開始使用該功能。航途服務(wù)包括頻率和海拔分配、改變線路和測高儀設(shè)置等。

信息管理FAA建設(shè)了一個數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和信息共享系統(tǒng)，稱為“廣域信息管理”（SWIM）。在廣域信息管理中，F(xiàn)AA內(nèi)部和外部的用戶可訂閱所需的數(shù)據(jù)并以標(biāo)準(zhǔn)化、文件化的形式使用信息。廣域信息管理降低了整合信息系統(tǒng)的成本，并大大增加了獲取信息的機會。

自動化NextGen項目還包括加強一些自動化和決策支持系統(tǒng)。值得一提的是，該項目對計量繁忙機場交通能力的時間流量管理系統(tǒng)（TBFM）進(jìn)行了若干改進(jìn)。利用“航班起飛容量”，可將外圍機場的出港時間安排到樞紐機場的航班到達(dá)流中。利用“綜合起飛/降落容量”，塔臺管制員能夠以電子方式請求放行時間。

機場交通容量FAA一直在努力利用程序手段和技術(shù)手段提高機場的有效交通容量。我們與美國國家航空航天局（NASA）、國際民用航空組織和其他機構(gòu)合作制定了新的同跑道尾流間隔，從而增加了很多機場的吞吐量。FAA也修改了平行跑道的間隔標(biāo)準(zhǔn)。最后，F(xiàn)AA通過程序性修改、增加跑道能見度傳感器、增強飛行視覺系統(tǒng)和平視顯示系統(tǒng)等一系列措施，降低了升限和最低能見度。

運營者花費了數(shù)年的時間向基于衛(wèi)星的技術(shù)過渡。美國共有20多萬架飛機，其中約有4400架飛機由定期航班運營[7]。2008年，F(xiàn)AA公布了一項規(guī)定，要求在大部分管制空域中運行的飛機在2020年1月1日前必須配備ADS-B航空電子設(shè)備，這就給了制造商和運營商足夠的時間來開發(fā)和安裝設(shè)備?，F(xiàn)在，F(xiàn)AA所有的自動化系統(tǒng)都可以以ADS-B數(shù)據(jù)為主、雷達(dá)信號為輔進(jìn)行監(jiān)視。如今，幾乎全部的航空公司飛機都裝備了區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，但有多少通用航空飛機可以使用GPS仍是未知。

5. 挑戰(zhàn)

在NextGen項目下實施新的改進(jìn)能力時也會遇到各種挑戰(zhàn)。其中最重大的挑戰(zhàn)就是公眾是否接受新的區(qū)域?qū)Ш浇德?、進(jìn)近和起飛程序。目前，鑒于公眾對噪聲問題的關(guān)注（無論是現(xiàn)實的還是預(yù)想的），對于發(fā)布新程序，F(xiàn)AA能做的十分有限。在某些情況下，F(xiàn)AA甚至不得不在法庭作出對公眾有利的判決后放棄新實施的程序。新程序可在不同的區(qū)域上空之間切換飛行路徑。這一過程雖然可能不會增加噪聲暴露的大小，但“新的噪聲”可能被認(rèn)為比“舊的噪聲”更糟糕。還有人擔(dān)心，區(qū)域?qū)Ш匠绦虮仁褂玫孛鎸?dǎo)航輔助設(shè)備的傳統(tǒng)程序讓噪聲更加集中。目前運營者仍不斷對飛行技術(shù)改進(jìn)以減少噪聲，在過去的43年里，受嚴(yán)重噪聲影響（即在65 dB晝夜噪聲水平等量線內(nèi)）的人數(shù)減少了94%。然而，對飛行技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)需要很長的時間。根據(jù)波音公司的商業(yè)市場展望，每年大約有3%的飛機退役，平均退役年齡超過20年[8]。最近，F(xiàn)AA制定了新的公眾參與戰(zhàn)略，希望能在所有利益相關(guān)者之間達(dá)成進(jìn)一步的相互理解和有益的結(jié)果。

運營商能夠在何種程度上采用與NextGen相關(guān)的新型航空電子設(shè)備仍然是一個問題。2020年1月1日強制要求使用ADS-B設(shè)備的規(guī)則開始生效，在這一規(guī)則提出的初期還不能保證運營商會遵守，后來航空公司作出了積極的回應(yīng)并按期完成了任務(wù)，但一些其他飛機（特別是軍用飛機和公共服務(wù)飛機）仍未遵守該規(guī)則。飛機和機組人員沒有能力執(zhí)行RNP程序，飛行管理系統(tǒng)在處理轉(zhuǎn)彎、垂直導(dǎo)航和預(yù)計著陸時間（RTA）功能時的方式也不一致。最近，機載航空電子設(shè)備組件無法處理管制員和飛行員間的數(shù)據(jù)鏈路通信信息也成為了一個重要問題。設(shè)備的混雜和航電性能的不一致，導(dǎo)致了空中交通管制設(shè)備無法具備新的功能。

為了解決設(shè)備問題，NextGen顧問委員會（NAC）（專門負(fù)責(zé)就空管現(xiàn)代化問題向FAA提供建議的行業(yè)組織）提出了飛機航電設(shè)備最低能力列表（MCL）。核心列表包括：

· ADS-B OUT

· 采用VDL模式2的管制員和飛行員間的數(shù)據(jù)鏈路通信，推動加載裝置

· RNP 0.3，具有固定半徑和垂直耦合導(dǎo)航能力

· 一個用于彈性操作的慣性測量裝置（IRU）

還有一份包括了另外12個項目的補充列表。FAA要求NextGen顧問委員會與其他利益相關(guān)團(tuán)體（包括飛機和設(shè)備制造商以及區(qū)域航空公司）討論這些列表并提出建議以鼓勵采用最低能力列表。

最后，盡管自動化改進(jìn)已成為NextGen的一個關(guān)鍵要素，但仍有一些功能由于缺乏自動化支持而無法正常使用。例如，沒有進(jìn)一步采用RNP進(jìn)近程序的原因之一就是缺乏能夠幫助管制員管理綜合機隊的終端自動化能力。此外，時間流量管理系統(tǒng)未能得到進(jìn)一步采用的原因在于能夠幫助管制員操縱飛機以遵守計量進(jìn)度表的工具尚未得到部署。

6. 未來方向

FAA還有幾項尚未實施的NextGen功能有待充分開發(fā)和部署，其中一些功能將解決上述挑戰(zhàn)。FAA與NextGen顧問委員會展開合作，共同確定近期工作的優(yōu)先級。這些優(yōu)先事項每年都會公布在聯(lián)合執(zhí)行計劃中[9]。目前分為5個方案組合：多跑道運行（MRO）、數(shù)據(jù)通信、地面和數(shù)據(jù)共享、基于性能的導(dǎo)航（PBN）和東北走廊線改進(jìn)。

任何能夠直接增加機場吞吐量的改進(jìn)措施都會帶來最高的回報，因為機場跑道基礎(chǔ)設(shè)施的擁擠問題往往是制約整個系統(tǒng)性能的最大因素。在這些機場修建新的跑道無法增加交通容量，因此必須改變流程和改進(jìn)管理工具。多跑道運行側(cè)重于統(tǒng)一尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)（CWT），目的是統(tǒng)一所有機場的跑道標(biāo)準(zhǔn)。迄今為止，F(xiàn)AA已在5 個機場實施了統(tǒng)一的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)。在未來的兩年中，F(xiàn)AA希望在另外12個機場實施這些標(biāo)準(zhǔn)。

目前，已有62個機場和3個在途中心的數(shù)據(jù)通信項目實施了管制員和飛行員間的數(shù)據(jù)鏈路通信。在剩余的17個在途中心實施管制員和飛行員間的數(shù)據(jù)鏈路通信就成為了亟待完成的任務(wù)。

2020年，F(xiàn)AA將開始部署一個新塔臺（地面）自動化平臺，即終端飛行數(shù)據(jù)管理器（TFDM）。TFDM將為空中交通管制塔臺實施電子飛行進(jìn)程單，從而將地面運行與時間流量管理系統(tǒng)完全整合，并實現(xiàn)起飛隊列管理能力，以減少地面擁堵。

在基于性能的導(dǎo)航方面，F(xiàn)AA的工作重點在于完成大都會區(qū)項目和空間再設(shè)計。丹佛、拉斯維加斯和佛羅里達(dá)大都會項目將在未來兩年內(nèi)完成。此外，F(xiàn)AA還正在實施“基于所需導(dǎo)航性能”（EoR）的概念。EoR可讓采用RNP進(jìn)近程序的飛機減少在終端空域中的雷達(dá)最小間隔，這可縮短起落航線下風(fēng)邊、節(jié)省燃料和時間并減少噪聲暴露。

美國東北部有著全美最擁擠的機場和空域，包括紐約大都會區(qū)。運營者計劃在該區(qū)域進(jìn)行各種改進(jìn)，包括最初的基于軌跡的運行（TBO）。TBO是NextGen的一個重要概念，它是基于軌跡運行的空中交通管理方法。該方法利用基于時間的管理、航空系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間的信息交換以及飛機在時間和空間上按照精確行駛路徑的能力對航班進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃、管理和優(yōu)化。FAA希望通過對時間流量管理系統(tǒng)以及途中和終端自動化平臺進(jìn)行一系列升級，在未來十年內(nèi)全面實施基于軌跡的運行。第一個階段即初步基于軌跡的運行，目前正在東北部開發(fā)。未來，F(xiàn)AA將實施下列改進(jìn)[9]：

改進(jìn)計量參數(shù)和擴大范圍，納入更多的區(qū)域控制中心，從而改進(jìn)和評估抵達(dá)費城國際機場（PHL）的機載計量；

對來自8個區(qū)域管制中心的PHL到港航班實施起飛前調(diào)度；

增強起飛前改道或空中改道能力，對不同飛機實現(xiàn)有針對性的改道。

基于軌跡的運行工作經(jīng)驗說明了以下重要方面：

為了成功運行，管制員必須充分了解基于軌跡的運行的目標(biāo)，這是因為基于軌跡的運行影響著管制員的工作量和執(zhí)行的功能；

對于多跑道機場（如PHL），算法必須考慮所有主要機場的結(jié)構(gòu)；

自動化算法必須能在非正常情況下工作，例如，在對流天氣條件下；

必須考慮到需求的不確定性，特別是接近起飛時（儀表確定到港時間難以預(yù)測）。

除了近期的NextGen顧問委員會的優(yōu)先工作外，F(xiàn)AA繼續(xù)研究ADS-B在航班間隔管理（FIM）等方面的應(yīng)用。航班間隔管理是保證準(zhǔn)確遵守時間流量管理系統(tǒng)計劃時間的另一個辦法。系統(tǒng)完全部署后，F(xiàn)AA將增強航班飛行途中飛行員與管制員間的數(shù)據(jù)鏈路通信能力，例如，增加新的信息以更好地控制飛機軌跡。

早在20年前管理者就開始設(shè)想NextGen項目，而人工智能和機器學(xué)習(xí)直到最近才取得了突破。因此，NextGen項目并沒有在任何方面納入人工智能和機器學(xué)習(xí)的技術(shù)。盡管如此，NextGen和FAA在數(shù)據(jù)共享（即SWIM）、企業(yè)信息管理和大數(shù)據(jù)分析方面的相關(guān)舉措已經(jīng)為人工智能和機器學(xué)習(xí)在空中交通管理中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。FAA和NASA多年來也一直在研究人工智能和機器學(xué)習(xí)在交通流管理方面的應(yīng)用。近來，各界對利用人工智能和機器學(xué)習(xí)將無人機系統(tǒng)（UAS）和城市空中交通（UAM）納入空域產(chǎn)生了濃厚的興趣。FAA也正在研究人工智能和機器學(xué)習(xí)在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的應(yīng)用。人工智能和機器學(xué)習(xí)能夠進(jìn)一步提高空中交通管理的安全性、效率和成本效益，以及減少對環(huán)境的影響。