數(shù)字化空域系統(tǒng)發(fā)展研究

朱永文 ，陳志杰 ，蒲釩 ，王家隆

（1.國家空域技術重點實驗室，北京 100085；2.國家空管科技自主創(chuàng)新基地，北京100028）

一、前言

進入21世紀后，世界科技發(fā)展呈現(xiàn)新的態(tài)勢和特征：傳統(tǒng)學科持續(xù)發(fā)展，學科交叉融合加速，新興學科不斷涌現(xiàn)，前沿領域不斷延伸。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革為空中交通管理領域發(fā)展帶來了更多可能。以智能為特征的群體性技術革命，使傳統(tǒng)意義范疇下的不同領域技術融合再創(chuàng)新呈現(xiàn)常態(tài)化發(fā)展趨勢；航空裝備信息化的階段性提升以及智能對抗時代的到來，驅使交通空域管理、戰(zhàn)場空域管制的組織形態(tài)進行適應性調(diào)整，為新型管理理論方法和系統(tǒng)技術創(chuàng)建提供了頂層牽引。

基于網(wǎng)絡聯(lián)接、協(xié)同決策、多維時空綜合等技術應用特征，建立大聯(lián)接、大數(shù)據(jù)、大協(xié)同模式的空域管理創(chuàng)新范式，必將對靜態(tài)分割管理、固定使用、容量受限、效率不高、脆弱性高的傳統(tǒng)空域管理模式與方法帶來根本性的改變，進而拓展建立空天地一體化的時空動態(tài)高效管理架構，全面提升交通空域管理、戰(zhàn)場空域管制能力，支撐空中智能交通、智能空戰(zhàn)管控新時代的到來 [1]。

本文從空中交通管理的發(fā)展及需求出發(fā)，梳理傳統(tǒng)空域管理措施在當前環(huán)境下面臨的系列問題，凝練空域管理新方法需研究的基礎問題，由此剖析數(shù)字化空域技術的基本概念與關鍵技術，以期為新形勢下的空域管理提供思路方法。

二、空中交通管理發(fā)展現(xiàn)狀

（一）空中交通管理技術發(fā)展歷程

根據(jù)國際民用航空組織（ICAO）的定義，空中交通管理指確保航空器在所有階段安全和高效的空基/地基功能系統(tǒng)綜合，分為空中交通服務、空域管理、交通流量管理以及航空通信、導航、監(jiān)視等；保障空中交通管理所需的基本要求，如防止航空器在地面或空中相撞、加速空中交通流、維護空中交通秩序等。

空中交通管理技術主要經(jīng)歷了5個階段。①航空起始階段，通信、監(jiān)視依賴目視，導航采用信號燈、信號旗，飛行過程中完全依靠地標飛行；②自1934年起，無線電通信逐步得到廣泛應用，承擔了飛機通信、導航、監(jiān)視的功能，在飛行過程中建立了程序管制模式；③1945—1988年，雷達和二次雷達逐步應用于航空領域，對于飛機的監(jiān)視和管制轉由雷達實施，飛機開始依靠儀表飛行；④1989—2012年，全球飛行和洲際飛行興起，衛(wèi)星導航逐步在航空領域獲得應用，對飛機開始實行基于數(shù)據(jù)鏈的數(shù)字化管制、基于衛(wèi)星導航的自動相關監(jiān)視，空管系統(tǒng)功能趨向綜合化；⑤自2013年起，航空通信技術由窄帶通信過渡至寬帶通信網(wǎng)，導航技術從衛(wèi)星導航、慣性導航向多元綜合導航融合增強模式發(fā)展，監(jiān)視技術也由單一雷達監(jiān)視向多體制（如二次雷達、自動相關監(jiān)視、多點定位等）的綜合監(jiān)視過渡，空域系統(tǒng)及其容量、可靠性、完好性、可用性得到進一步提高。

（二）空中交通管理技術發(fā)展趨勢

ICAO在全面整合各國需求，區(qū)域導航系統(tǒng)（RNAV）、所需導航性能（RNP）運行實踐與技術標準的基礎上，提出了基于性能的導航（PBN）新型運行概念；將航空器的機載設備能力與衛(wèi)星導航及其他先進技術相結合，涵蓋航路、終端區(qū)、進近著陸的所有飛行階段，綜合性提出性能要求，據(jù)此構建更為精確和安全的飛行方法、更高效的空中交通管理模式。

ICAO為了提升航空通信和監(jiān)視性能，提出了基于性能的通信和監(jiān)視（PBCS）運行概念；建立了地面設備、傳輸網(wǎng)絡、機載設備性能、管制員和機組通信交互與響應等諸多環(huán)節(jié)應用所需的通信性能（RCP）以及所需監(jiān)視性能（RSP）規(guī)范，確保航空通信和監(jiān)視能力滿足相應要求。

在單一歐洲天空空中交通管理研究計劃（SESAR）中，制定了SESAR 2020研究與創(chuàng)新項目框架，開展航空及其基礎設施的數(shù)字化改造。該項目框架由SESAR聯(lián)合事業(yè)組織發(fā)起，包括29個新型探索性項目（與無人機作業(yè)相關的人工智能（AI）、多式聯(lián)運和通用高度基準也被納入），致力于跑道吞吐量改善、綜合地面管理、機場安全網(wǎng)、機場管理、遠程塔臺等相關技術提升。

（三）我國空域資源使用現(xiàn)狀

我國空域面積約為1.007×107km2；截至2016年10月底，非民航主用空域面積約為2.60×106km2，約占全國空域面積的26%（按實際投影計算面積，航路按實際寬度計算空域面積）；民航主用空域面積約為2.66×106km2，約占全國空域面積的26%；兩類重疊使用空域面積約為5.30×105km2，約占全國空域面積的5%；其余未被有效利用的空域面積約為5.34×106km2，約占全國空域面積的53%。

此外，我國從保護重要目標和飛行安全的角度考慮，劃設了2個空中禁區(qū)、1個臨時空中禁區(qū)，19個空中危險區(qū)、43個臨時空中危險區(qū)，199個空中限制區(qū)；根據(jù)人工影響天氣的需求，設置了超過1.0×104個對空射擊和氣象氣球施放點。

三、空域管理傳統(tǒng)方法面臨的困境

（一）空域固定劃分管理困境

傳統(tǒng)空域管理屬于基于需求和規(guī)則的規(guī)范化空域管理業(yè)務模式，主要采用空間分割的固定劃分管理方式，根據(jù)航空器飛行空管準入要求，細分不同種類空域，進行有針對性的運行管理與控制 [2]；具體包括空域劃設調(diào)整程序、運行保障設施建設、使用審批及對社會公眾開放條件等。這種管理模式在飛行總量較少時能很好地保證各類空域使用的安全性，但隨著空中交通量、飛行器種類的增加，相應運行效率快速下降。尤其是隨著航空器、地面運行保障系統(tǒng)自動化程度的進一步提升，上述弊端更為突出：因空管設備性能達不到要求，部分飛行器被隔離或不允許進入特定空域，造成不同空域飛行密度的嚴重不均衡。

繼續(xù)分割管理空域，既不能更大效能地發(fā)揮航空自動化技術的優(yōu)勢，也限制了空中交通飛行的靈活自由度。應針對飛行需求并結合最佳路徑理念，將固定劃分管理的空域重新整合為一體化的連續(xù)空間，動態(tài)供給空域使用，解決固定劃分空域使用效率偏低的問題。

（二）高密度飛行復雜管制難題

空中交通密度隨著航空普及化呈快速增長態(tài)勢，大城市周邊空域逐漸形成空中交通高密度區(qū)，傳統(tǒng)以管制員為中心的調(diào)配控制模式難以滿足需求。高密度飛行空域的安全高效管控，需要精細確定交通管制扇區(qū)結構、精準測算空域及扇區(qū)容量、精密供給空中交通空域使用；圍繞空中交通流的分合關系及疏密程度，動態(tài)調(diào)整優(yōu)化空域使用邊界，保持空域容量與空中交通需求的適配性，滿足規(guī)定的空中交通安全等級要求；準確探測識別空中交通運行沖突，重點從戰(zhàn)略層面、預戰(zhàn)術和戰(zhàn)術層面來有效化解高密度飛行沖突消解涉及的級聯(lián)效應問題，綜合考慮空域與交通流量一體化協(xié)同控制問題。

在戰(zhàn)略層面靈活設計空域結構，實現(xiàn)空中交通運行盡量按照預先規(guī)劃或飛行員意圖實施，盡可能減小大范圍氣象擾動對交通運行的干擾，最大限度地實現(xiàn)空中交通高效運行控制，提高節(jié)能環(huán)保收益。對此，亟需發(fā)展新型空域管理控制模式，修正技術架構、重構技術原理、發(fā)展技術方法，實現(xiàn)計算機輔助生成空中交通調(diào)配控制策略，提高交通管制自動化程度與應用效能。

（三）聯(lián)合作戰(zhàn)空域管理難題

在平時，空中交通管理對象主要是受控的航空器；而聯(lián)合作戰(zhàn)空域的管理對象，除受控航空器外，還包括不受控彈道型火炮、無人駕駛航空器、運載火箭、再入飛行器、受控彈道型臨近空間飛行器等。大尺度空間內(nèi)復雜異構對象的空域管理是世界性難題，若處理不當將導致空中作戰(zhàn)進程控制遲緩、空域使用沖突及空中作戰(zhàn)管制安全事件頻發(fā)，嚴重影響聯(lián)合作戰(zhàn)的效率與效果。

隨著現(xiàn)代武器裝備性能的提高，低空域、高邊疆的聯(lián)合作戰(zhàn)管制面臨嚴峻挑戰(zhàn)：一方面，低空域與地表、天氣影響緊密關聯(lián)，航空基礎設施的電磁信號覆蓋不充分、地表障礙物多、地形遮蔽大，使得相關區(qū)域成為進攻突擊航線的主要規(guī)劃區(qū)域；另一方面，高邊疆區(qū)域，尤其臨近空間正日益成為航空航天裝備的拓展使用區(qū)域，亟需將以臨近空間為主體的高邊疆納入作戰(zhàn)空域管理，為調(diào)配航天發(fā)射、飛行器再入、臨近空間力量抵達、飛行器空間感知-避撞等提供保障。目前相關領域研究尚處于起步階段，與現(xiàn)實需求存在明顯差距。

四、空域管理新方法構建的基礎問題

空域與交通流量的自適應協(xié)同管控是未來發(fā)展重點。無論是平時空域管理，還是戰(zhàn)場空域管制，都需要在滿足所需安全等級要求的同時，降低空中飛行或空域使用的相互干擾，提升空域使用效能和空中交通效率 [2]。這就決定了空域管理的原理、方法、技術對于平時和戰(zhàn)時具有共通性，通過調(diào)整相關模型方法的參數(shù)及適當?shù)募s束條件，可實現(xiàn)技術方法的互用。

（一）空域管理連續(xù)性空間復雜位置關系計算

從已有研究來看，空域與交通流量自適應管理通常建立在地理空間離散網(wǎng)格化空域剖分的基礎上：利用空域離散化方法，將連續(xù)空域細分成數(shù)量眾多的基本空域體單元；單元既可作為空中交通運行數(shù)據(jù)組織管理的空間索引，也可作為空中交通位置跟蹤定位的基準，還可作為各類不同需求的空域組成要素；借助基本網(wǎng)格空域體，實現(xiàn)各類功能空域的動態(tài)配置與組合。

空域離散化具有空間基準定位與計算方面的優(yōu)勢，構建網(wǎng)格空域單元、建立剖分模型、定義編碼及規(guī)則，成為發(fā)展新一代空域系統(tǒng)的前提和基礎。據(jù)此研究連續(xù)空間復雜位置關系索引建模與定義，建立適用于不同需求、平時/戰(zhàn)時一體的網(wǎng)格空域單元編碼規(guī)則，圍繞空間位置關系的度量計算、數(shù)據(jù)組織與索引，構建與平時/戰(zhàn)時空域管理、交通流量管理相適應的空域組織結構框架，成為領域研究的重點，也是亟待優(yōu)先解決的問題。

（二）電磁信號空域分布及可用性、完好性計算

在空域管理中，需對保障航空運行的通信導航、雷達監(jiān)視等電子信息系統(tǒng)的空域性能分布進行有效測算，旨在確立開展空域依據(jù)性能的分級分類管理基礎，為有效確定空域運行的性能等級、實施結構規(guī)劃設計提供支撐。

然而，空域（尤其低空空域）中存在電磁信號的地形遮蔽、多徑、干擾等影響，使得相同頻段電磁信號受到交疊互擾、多站電磁信號面臨聯(lián)合定位與探測等問題與需求；同時，航空通信導航與監(jiān)視的可用性、完好性指標測算等，都是建立在大量累積數(shù)據(jù)分析的基礎上，通過統(tǒng)計樣本數(shù)據(jù)才能得出結論。因此，可利用網(wǎng)格空域單元編碼索引的數(shù)據(jù)組織模型，在網(wǎng)格空域剖分的基礎上，分析測算電磁信號空域分布并進行可視化、統(tǒng)計累積數(shù)據(jù)，建立不同于常規(guī)連續(xù)空間的電磁信號計算模型，將之作為構建數(shù)字化空域系統(tǒng)的重要支撐方法，由此構成空域性能可視化研究的技術基礎。

（三）空中交通異構多源信息大數(shù)據(jù)分析挖掘

在大數(shù)據(jù)時代，智能空中交通管理技術進入了新發(fā)展階段，需要解決從多源異構的實時海量信息中挖掘面向空中交通運行改善的信息要素、知識資源等關鍵問題。當前空中交通管理中的人、航空器、空域3個構成因素之間是非線性關系，存在強耦合的相互影響，兼具智能的人因特征，由此帶來了檢測和預測的困難。

將數(shù)據(jù)方法應用到空中交通管理，可在不能完全獲取內(nèi)部機理、難以建立交通流精確動力學模型的狀態(tài)下，利用實際的離線與在線數(shù)據(jù)分析來理解交通規(guī)律與交通模式；在此基礎上制定管理控制策略，完成空中交通運行態(tài)勢的精確感知和智能化調(diào)控；最終綜合航空電子、機載通信單元、智能一體化終端、人機功效協(xié)同融合等，全面實現(xiàn)數(shù)字化空域系統(tǒng)。

（四）大規(guī)?？罩羞\動對象戰(zhàn)略沖突識別

空中交通位置可由空域網(wǎng)格單元的編碼確定，也可通過地理空間的經(jīng)度、緯度、高度來確定；兩者是一致的，僅在定義的空間分辨率方面存在差異，只要位置精度適應研究問題的需要即可。大規(guī)模對象的空中運動沖突探測與解脫，對應于位置點的空間關系與時變過程。

在空域離散化的基礎上，針對大規(guī)模復雜運動對象，構建飛行沖突或空域使用沖突快速識別算法，確保算法的有效性及魯棒性，這是需要深入研究的問題。對飛行沖突解脫而言，級聯(lián)效應化解及調(diào)配算法的有效性驗證成為空中交通管理領域長期研究的一項基礎性問題。當空中交通規(guī)模增加到一定程度后，這一問題的處理更為復雜，因此需要基于全新的空域組織架構來研究新型高效算法。

（五）空域使用復雜性安全態(tài)勢實時動態(tài)監(jiān)測

安全等級不降低是空中交通管理、戰(zhàn)場空域管制的核心要求，但動態(tài)監(jiān)控大尺度空間的安全性、測度空中交通和空域復雜度并將之控制在規(guī)定門限內(nèi)，都是尚待研究的問題。當前廣泛采用動態(tài)密度、管制員工作負荷、空中交通航跡混合性程度等方式，建立空域復雜度模型；面對戰(zhàn)場空域管制需求，選取適當?shù)谋O(jiān)測指標、建立適用的復雜度模型，是待研究的重要內(nèi)容。此外，鑒于安全性受諸多因素影響，明確影響指標、建立指標的主次因分析方法，也是研究難點。

（六）空域運行控制多主體協(xié)同信息可靠交換

空域靈活使用，涉及多用戶主體的空域資源計劃占用、（使用完畢后）快速釋放以及相關信息在各用戶主體之間的共享，這是盤活空域資源的核心關鍵。協(xié)同決策是解決這類問題的重點方向。

在空域運行協(xié)同控制的基礎研究方面，需對離散網(wǎng)格空域單元編碼之后的空域信息多主體傳輸共享的數(shù)據(jù)格式進行深化設計，建立基于編碼的空域空間唯一標識和定位；研究對多主體之間高效協(xié)同決策發(fā)起、決策生成、決策應用以及動態(tài)調(diào)整跟蹤、效果評估等內(nèi)容，制定有關技術標準和協(xié)同原理方法，實現(xiàn)具有時效性的空域運行高效協(xié)同決策。

五、數(shù)字化空域系統(tǒng)

基于上述研究背景與現(xiàn)實需求，結合以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為特征的信息技術加速代際躍遷發(fā)展態(tài)勢，空域管理領域的技術路線將有深刻調(diào)整。在這一背景下，我們提出了數(shù)字化空域系統(tǒng)概念，將為高性能計算、大數(shù)據(jù)、AI等變革性技術在空域管理領域的應用打牢方法基礎。

數(shù)字化空域系統(tǒng)從信息物理系統(tǒng)理念出發(fā)，以空域在計算機空間內(nèi)的數(shù)字化建模與可視化重構為基礎，圍繞飛行空域的動態(tài)配置使用，將空域管理、交通管制、機場、航空器、航空單位等航空要素有效聯(lián)接；建立一套體系性的計算模型方法，改善并提升空域感知、沖突識別、動態(tài)控制、信息共享的集成化與自動化水平，優(yōu)化并整合空域與交通流量、空域與交通管制的協(xié)同管理效能，全面提高空中交通與作戰(zhàn)的空域管理實時性及響應能力。

（一）數(shù)字化空域的基本理念

究其本質，數(shù)字化空域指利用數(shù)學模型，在計算機信息空間內(nèi)完成對物理飛行空間的數(shù)字化重構，開展空中交通空域結構、飛行路徑或者戰(zhàn)場空域結構、作戰(zhàn)空間劃分的計算機建模重現(xiàn)，實現(xiàn)在虛擬空間中映射管理實際對象空域使用的全生命過程。

數(shù)字化空域的發(fā)展重點有：①空域的可視化分析，在可視化空域使用狀態(tài)的基礎上，建立空域系統(tǒng)“一張圖”，精準掌握全部空域的實時使用分配與建設情況，為基于一致認知的空域動態(tài)管理配置提供支撐；②空域的可度量處理，發(fā)展空域管理時空大數(shù)據(jù)技術，建立全新的空域性能、狀態(tài)、評估計算方法，測度全空域的交通性能，為開展交通流量、管制及作戰(zhàn)空域使用奠定基礎；③空域的可計算決策，發(fā)展一套基于數(shù)字化空域的計算決策模型，為開展空域與交通流量、空域與交通管制的協(xié)同管理控制提供基礎能力，也可支持基于模型算法的空域結構優(yōu)化與運行控制。

（二）數(shù)字化空域系統(tǒng)的關鍵技術

1.數(shù)字網(wǎng)格空域離散建模技術與編碼體系

當前，面向空域管理的空間位置基準多采用平面地圖，既可在平面地圖上切分出規(guī)則或不規(guī)則的區(qū)域，也可根據(jù)航路航線網(wǎng)與飛行空域結構進行平面地圖分區(qū)。依據(jù)飛行密度，分析大尺度范圍的空中交通流源端與目的端，研究交通航跡與飛行路徑的數(shù)據(jù)挖掘、地圖匹配、航跡模式識別等，為開展基于交通流量管理的空域優(yōu)化與配置提供支持。然而，實際空中交通都是分層并在立體空間內(nèi)進行的，空域管理僅以平面位置進行空間劃分使用，與現(xiàn)實情況有所脫節(jié)，難以針對高密度飛行進行高效的空域動態(tài)管理。對此，需要從全空域和全球視角，開展數(shù)字網(wǎng)格空域離散建模，剖分網(wǎng)格基本空域體；針對空域管理的需求特點，建立一套基于數(shù)字網(wǎng)格空域的編碼體系（見圖1）。數(shù)字空域的離散建模過程，涉及空域結構剖分與屬性表達、交通特征提取、航跡數(shù)據(jù)飛行挖掘三方面。其中，數(shù)字網(wǎng)格空域剖分可靜態(tài)或動態(tài)劃分為具有特定大小的網(wǎng)格基本空域體，體現(xiàn)了遞歸特性、空間位置關系隱含特性。

圖1 空域離散建模技術與編碼示意圖

劃分網(wǎng)格基本空域體的難點在于，高空骨干航路、中低空進離場銜接航線、支線與機場飛行程序以及其他特殊使用空域、軍事空域等不同屬性參數(shù)均需反映在網(wǎng)格中。如果網(wǎng)格基本空域體尺寸過大，則劃分的區(qū)域可能包含過多的空域屬性和特性；在同一網(wǎng)格中包含過多的空中交通或飛行信息，不同空域飛行狀態(tài)可能會混淆，導致網(wǎng)格基本空域體無法較為真實地反映網(wǎng)格內(nèi)的空中交通與飛行狀態(tài)。如果網(wǎng)格尺寸過小，飛機航跡數(shù)據(jù)的采樣過程會出現(xiàn)連續(xù)航跡的偏移或跳躍問題，還可能在一些時間段中出現(xiàn)多數(shù)網(wǎng)格內(nèi)航跡樣本嚴重不足的現(xiàn)象，從而導致計算效率快速下降。因此，數(shù)字網(wǎng)格空域離散建模核心在于，通過理論分析確定在空域管理的不同應用中所采用的網(wǎng)格尺度，尺度容限范圍等，體現(xiàn)問題解決效果與計算效率之間的平衡 [3]。

將數(shù)字網(wǎng)格空域作為空中交通運行數(shù)據(jù)分析的時空位置基準，實現(xiàn)海量飛機航跡數(shù)據(jù)的運用轉變：由匹配到航路航線與飛行空域的傳統(tǒng)方式，切換至基于網(wǎng)格的統(tǒng)計分析與數(shù)值計算，從而不依賴于矢量復雜航路航線與飛行空域地圖；由此利用飛行實時與歷史航跡數(shù)據(jù)，高效準確地識別空中交通擁堵情況并對航跡預測時間進行可信估計?；诖?，在構建數(shù)字網(wǎng)格空域模型的同時，圍繞空中交通管理的時空大數(shù)據(jù)問題，研究建立數(shù)字網(wǎng)格空域編碼體系、數(shù)據(jù)管理技術架構，為快速開展空域數(shù)值計算提供支撐。通過數(shù)字網(wǎng)格空域的空中交通數(shù)據(jù)管理并進行數(shù)據(jù)挖掘分析，可為開展空域優(yōu)化配置、動態(tài)管理、運行控制等提供決策支撐，為基于電子信息新技術的應用、新型數(shù)字化空域系統(tǒng)奠定理論基礎。

相關技術要點主要包括三方面。①數(shù)字網(wǎng)格空域中的空中交通運行狀態(tài)判別，以網(wǎng)格內(nèi)特定時間段的空中交通航跡數(shù)據(jù)為對象，建立交通運行狀態(tài)指標，通過聚類方法對空中交通運行狀態(tài)和特性進行剖析，掌握不同時間、空間、航路航線、飛行空域結構下的交通運行狀態(tài)。②數(shù)字網(wǎng)格空域中的空中交通擁堵識別，解析網(wǎng)格所包含的交通運行狀態(tài)，構建網(wǎng)格靜態(tài)與動態(tài)交通特征模型，形成基于數(shù)字網(wǎng)格空域的空中交通時空運行場景，準確識別交通擁堵狀態(tài)。③數(shù)字網(wǎng)格空域中的空中交通航跡預測，提取交通起始點與終止點之間的有效路徑，通過網(wǎng)格集合表征航路航線與飛行路徑，利用交通歷史大數(shù)據(jù)分析結論及可能性，進一步建立空中交通航跡的可信預測、網(wǎng)格到達時間估計等。

2.數(shù)字網(wǎng)格空域優(yōu)化配置模型算法

在傳統(tǒng)上，空中交通管理優(yōu)化問題主要涉及交通流量優(yōu)化、機場終端區(qū)進離場排序、空域結構與交通路徑配置優(yōu)化等。對這些優(yōu)化問題的研究，較多采用最優(yōu)化理論與方法、現(xiàn)代優(yōu)化技術、AI優(yōu)化算法等；然而相關研究仍未建立基于完整體系且具有拓展性的方法，難以應對空中交通飛行全過程的優(yōu)化需求。此外，空中交通管理優(yōu)化多為NP-Hard類問題，大多利用啟發(fā)式方法在解空間內(nèi)進行搜索以尋求次優(yōu)解。建立數(shù)字網(wǎng)格空域后，可將空中交通優(yōu)化、空域配置、交通路徑設計等轉換為在離散數(shù)字網(wǎng)格空間內(nèi)的搜索與組合優(yōu)化問題，從而為最優(yōu)化理論方法、智能優(yōu)化算法等在空域管理中的應用提供了可能性 [4]。數(shù)字網(wǎng)格空域的優(yōu)化配置過程（見圖2）如下：首先在特定網(wǎng)格內(nèi)按照飛入、飛出兩種模式對交通流分類；然后評價各空域網(wǎng)格內(nèi)的管制工作負荷、經(jīng)濟指標等，區(qū)分標識需要優(yōu)化的網(wǎng)格空域；最后通過尋優(yōu)計算來優(yōu)化配置空域網(wǎng)格。

圖2 數(shù)字網(wǎng)格空域優(yōu)化配置示意圖

相關研究內(nèi)容主要包括四方面。①機場終端區(qū)航線結構設計優(yōu)化問題，依據(jù)機場飛行量與測算所得空域容量的比對結果，利用網(wǎng)格空域本身的時空基準對空中交通進行間隔處理，依據(jù)交通流的方向需求，實施路徑優(yōu)化分析與計算；確定高效的空中交通路徑優(yōu)化終端區(qū)航線網(wǎng)絡結構，減少飛機在終端區(qū)內(nèi)滯留時間，緩解地面延誤，減輕管制員工作負荷，提高終端區(qū)空域容量和飛行安全與效率。②管制扇區(qū)結構設計優(yōu)化問題，基于數(shù)字網(wǎng)格空域的聚合方法，參照空中交通運行歷史數(shù)據(jù)分析結果，將管制負荷分布到網(wǎng)格空域；依據(jù)管制負荷均衡性、航路航線結構，實施優(yōu)化設計的尋優(yōu)計算與分析并獲得問題的優(yōu)化解。③大尺度空間范圍的航路航線網(wǎng)結構優(yōu)化，涉及空中交通運行的全局性，核心是綜合考慮空中禁區(qū)、限制區(qū)、危險區(qū)以及軍事空域、航路空域之間存在的交通耦合因素，構建包含空中交通需求、空域容量、飛行時空分布均衡性、飛行非直線系數(shù)、經(jīng)濟節(jié)約與環(huán)保、航空器飛行性能等參數(shù)在內(nèi)的優(yōu)化模型并進行復雜問題求解；需要進一步考慮航路航線網(wǎng)絡結構的穩(wěn)定性、隨機交通流在網(wǎng)絡上流動的通暢性、抗氣象或設施故障的擾動能力等，將全局空中交通運行的安全風險、流量、流率分布到網(wǎng)格空域中，設計優(yōu)化目標函數(shù)及優(yōu)化參數(shù)，開展空中交通大尺度空間運行仿真分析，形成問題分析結論和方案。④作戰(zhàn)空域配置優(yōu)化，戰(zhàn)時空域中存在多種非受控類導彈、火炮、電磁干擾等，根據(jù)作戰(zhàn)需求來動態(tài)優(yōu)化并調(diào)配非受控類武器與受控類航空器之間的空域沖突，成為技術挑戰(zhàn)；通過數(shù)字網(wǎng)格空域的時空位置基準控制，利用網(wǎng)格空域的離散特性，將不同種類管制對象控制在不同網(wǎng)格空域內(nèi)，對網(wǎng)格空域進行動態(tài)組合控制以實現(xiàn)作戰(zhàn)空域的優(yōu)化配置。

3.數(shù)字網(wǎng)格空域精細管理與協(xié)同控制方法

空中交通正由低密度向高密度發(fā)展，時空分布的不均衡性愈發(fā)明顯；新型航空器，如小型噴氣機、無人機、商業(yè)運載火箭、臨機空間飛行器等的用空需求不斷增加，簡單依靠對空中交通流的限控量處理這一傳統(tǒng)做法已不再適用。亟需構建管理更為精細的自適應空域系統(tǒng)，采用協(xié)同控制方法，將航空參與者一體化集成運行；建立更為先進的模型算法并用于決策分析，支持提升空中交通管理的魯棒性和動態(tài)特性。

數(shù)字網(wǎng)格空域，將空域沖突控制從連續(xù)航跡方程組求解問題轉換為離散數(shù)字網(wǎng)格空間的概率預測控制計算問題，為大規(guī)模對象的協(xié)同控制提供了可能性。開展微觀空域體的航跡預測與宏觀交通流量分布的一體化管理，構建基于網(wǎng)格的交通流量管理方法，為空域的精細控制提供先決條件，為改變空域固定劃設管理提供重要支撐；實現(xiàn)基于網(wǎng)格基準的管制引導、空域告警、目標指示能力，發(fā)展基于網(wǎng)格的空域管理指令機載航行系統(tǒng) [5]。數(shù)字網(wǎng)格空域精細管理與協(xié)同控制過程（見圖3），首先按照當前空域劃分方式來評估分析空域的流量密度，然后以網(wǎng)格的形式進行流量密集程度表征，再依據(jù)數(shù)字空域的編碼體系將流量分配到數(shù)字網(wǎng)格空域中；實現(xiàn)網(wǎng)格方式的空域調(diào)配使用，緩解空域流量集中問題。

圖3 數(shù)字網(wǎng)格空域精細管理與協(xié)同控制示意圖

開發(fā)基于數(shù)字網(wǎng)格空域的空中交通管理模型，離不開運籌學、制導與控制，系統(tǒng)工程、天氣預測、軟件工程等學科的支撐，涉及新算法構建、計算機仿真技術應用等。傳統(tǒng)上對交通流量管理的研究，集中于開發(fā)飛機運行的開環(huán)調(diào)度策略；系統(tǒng)中的每一架飛機在所有時刻的位置，都需要通過求解大規(guī)模整數(shù)規(guī)劃模型獲得。這類做法很難刻畫高密度飛機調(diào)度問題（萬架次/天），一般不易處理系統(tǒng)中的不確定性；以天氣影響（驅動調(diào)度計劃持續(xù)調(diào)整的最大干擾源）為典型，提前數(shù)小時對天氣進行精確預報才能滿足開環(huán)交通流量管理需要，而這超出了天氣預報技術的發(fā)展水平。

聚合流量模型（也稱歐拉模型）可用于交通流量管理協(xié)同決策框架的制定。美國國家空域系統(tǒng)已在理論層面驗證了歐拉模型的應用可行性。歐拉模型表明，空中交通管理方法與隨機網(wǎng)絡控制之間具有很強的相似性，對空域系統(tǒng)進行離散化，將連續(xù)交通流模型（流體模型）轉變?yōu)殡x散的狀態(tài)方程模型；無需采用偏微分方程描述空中交通流的流動狀態(tài)，在不失問題本質特性的前提下，建立簡化的問題求解策略。

相關研究內(nèi)容主要包括四方面。①建立基于網(wǎng)格的交通流量模型，引入數(shù)字網(wǎng)格的空域關系解耦方法，對大規(guī)模交通流量管理優(yōu)化問題進行降維處理，通過網(wǎng)格的鏈接關系建立交通路徑，優(yōu)化空域資源使用。②基于網(wǎng)格的空域動態(tài)管理，通過模型優(yōu)化計算來組織數(shù)字網(wǎng)格并映射到物理飛行空域，實現(xiàn)對空域的動態(tài)網(wǎng)格化管理與資源調(diào)配。③基于網(wǎng)格的空域運行控制，數(shù)字網(wǎng)格既是飛行的基本空域體，也是飛行空間位置的參考基準，可作為飛行控制的空域邊界，通過模型優(yōu)化計算來聯(lián)合處理數(shù)字網(wǎng)格空域與航空器飛行航跡，實現(xiàn)空域與交通管制的協(xié)同。④基于網(wǎng)格的作戰(zhàn)空域協(xié)同控制，與平時空中交通管理類似，戰(zhàn)時在增加非受控類對象空域使用管理的基礎上，通過模型優(yōu)化計算為作戰(zhàn)空域高效運行決策提供支撐，防止空中相撞、誤擊誤傷，提升空域資源使用效率。

六、對策建議

（一）制定國家空域系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，統(tǒng)籌實施“軍民航”空管基礎設施建設

建議以國家空域系統(tǒng)建設為牽引，把握國家空天基礎設施發(fā)展趨勢，穩(wěn)步提升現(xiàn)有空管設施的保障能力；適時制定國家空域系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，明晰階段劃分及發(fā)展目標；部署實施重大科技項目，針對北斗衛(wèi)星導航、高/低軌衛(wèi)星通信的空管應用需求，精準提升我國新一代空管設施技術水平、國際標準制定能力。

協(xié)調(diào)并統(tǒng)籌“軍民航”空管設施建設，加強總體規(guī)劃的實施力度，摸清當前“軍民航”空管設施建設、運行存在的問題；注重民用技術在軍航領域的應用推廣，促進軍航空管設施的技術升級與能力提升，適應未來統(tǒng)一管制的發(fā)展趨勢。

（二）完善科技創(chuàng)新環(huán)境，建設國家空域系統(tǒng)科技創(chuàng)新平臺

建議研究制定空管系統(tǒng)的國產(chǎn)化政策體系，設立空管科技創(chuàng)新基金，建設空管科技創(chuàng)新平臺，開展重大科研項目的論證與實施、新技術準入測試等。增強領域技術實力，逐步提升我國在國際空管標準制定方面的話語權；制定軍機空管適航審定規(guī)范，對照國際標準，加快構建軍民應用結合的空管技術體系。

梳理空管設施建設的自主可控攻關重點，降低關鍵技術與產(chǎn)品“斷供”風險。建議設立國家空域系統(tǒng)基礎研究專項，支持建立空管自主可控裝備體系；設立無人機空域安全進入技術攻關專項，促進無人機產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展；開展數(shù)字化空域系統(tǒng)建設，制定技術發(fā)展路線，全面提升我國空域系統(tǒng)容量，盡快解決空域資源使用緊張問題。

（三）加強空管科技創(chuàng)新工作的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和資源整合，完善科研創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃

建議從技術政策、人員配置、產(chǎn)品開發(fā)、方案實施等方面完善相關管理機制，協(xié)調(diào)運行單位參與科研產(chǎn)品的需求分析、技術開發(fā)、試驗驗證、示范運行等各個環(huán)節(jié)，加強科研成果應用轉化。

加強空管科技創(chuàng)新的政策支持力度，建立多元化、多渠道的科技投入機制，合理保持空管科研資源的投入力度；鼓勵建立組合型科研資金投入與管理模式，提升科研產(chǎn)出效率。優(yōu)化空管人才結構和職業(yè)發(fā)展路徑，可利用科研成果推廣產(chǎn)生的效益，激勵科研機構、科技人員深化工作，形成良性循環(huán)。