歐洲單一天空空中交通管理研究——歐洲空中交通管理的過去、現(xiàn)在與未來

Tatjana Boli? *, Paul Ravenhill

? 2021 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company This is an open access article under the CC BY-NC-ND license(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

內部市場中人員和貨物的自由流動是歐盟（EU）社會和經濟的基石，因為流動性確保了各成員國的經濟、社會和領土疑聚力。空中交通管理（ATM）是航空運輸模式機動性的保證，它匯集了所需的空中和地面功能，旨在確保飛機在各個運行階段內的安全和高效移動[1]。在歐洲，空中交通管理是由各國的空中航行服務提供商（ANSP）在本國境內提供的。在整個歐洲范圍內，這些國家的空中交通管理系統(tǒng)接入歐洲空中航行安全組織網絡管理機構，旨在增大交通流、提高交通的可預測性和擴大網絡容量，其中的網絡包括歐盟和非歐盟國家?。

為了了解歐洲當前（以及未來）的空中交通管理研究環(huán)境，有必要簡要地回顧過去并展望未來的發(fā)展。圖 1描述了由于空域容量不足而導致的交通流和航路延誤的演變情況，以及過去30年中對重大延誤作出的主要對策。20世紀80年代末的延誤問題?[2]（本文中未述及）促使歐洲空中航行安全組織在其內部成立了中央流量管理小組??（CFMU），以及成功地實施了“縮小垂直間隔”和基本區(qū)域導航，提高了空域容量。20世紀90年代末，航班延誤問題達到了高峰，由此管理人員提出了“歐洲單一天空”倡議，并于2004年發(fā)布了首個相關法規(guī)?！皻W洲單一天空”倡議旨在改革歐洲空中交通管理的架構，在歐洲范圍內（而非地區(qū)范圍內）解決問題并通過立法手段滿足未來的空域容量和安全需求。到了21世紀初期，空中交通擁擠和延誤問題仍在加劇。在不久的將來，將不可避免地發(fā)生延誤危機。與此同時，決策者和利益相關方也不相信存在著可以解決該問題的技術方案。在這一形勢下，歐洲單一天空空中交通管理研究（SESAR）項目于2008年誕生。SESAR以“歐洲單一天空”第二個立法計劃為基礎，并成為五大支柱之一：

·第一支柱以規(guī)范ANSP的行為為基礎，通過行為監(jiān)督強化網絡管理功能；

·第二支柱通過歐洲航空安全局（EASA）建立了一體化安全架構；

·第三支柱通過SESAR項目確定、開發(fā)和部署提高空中交通管理性能所需的技術和程序，從而提供新的空中交通管理技術；

·第四支柱加強了機場交通容量管理，使之匹配航空運輸能力；

·第五支柱確保各種變化能夠為運行人員所接受，從而解決了人的問題。

“歐洲單一天空”及其五大支柱營造了有利環(huán)境，在分離管理的環(huán)境下，這一方案加快了研究、開發(fā)和部署的進程。盡管如此，在2018年，仍然發(fā)生了多起重大延誤事件?？沼蚪Y構研究（AAS）[3]在SESAR聯(lián)合執(zhí)行體（JU）研究結果的基礎上確定了解決方案并明確其實施模式，希望解決容量和需求失衡的問題，從而為探索新的范式和研究方向奠定基礎。

雖然這些舉措可以應對重大延誤情況，但由于經濟和自然災害導致空域容量的減少使得空中交通管理的實際變革存在著限制。如圖2 [4]所示，最近的災害（迄今為止對歐洲空中交通影響最大的災害）是2019年的新冠肺炎疫情。

空域容量未能滿足交通流增大的需求是延誤的原因，而延誤反過來也激發(fā)了某些應對措施。那些不可預見的外部事件，使得交通流減少，從而降低延誤的發(fā)生，而這導致決策者需要重新調整應對措施的優(yōu)先級。

以圖1和圖2中提到的事件和應對措施為背景，我們將介紹和分析我們的主題：SESAR項目及其成果、實施情況和未來的發(fā)展方向。

圖1. 歐洲地區(qū)交通流和延誤的演變，以及導致延誤降低的關鍵事件。來源：EUROCONTROL traffic and delay statistics。

圖2. 2020年歐洲的日交通變化量。

2. 歐洲單一天空空中交通管理研究

為了解決日益嚴峻的空中交通延誤問題以及滿足新型空中交通管理解決方案的需求?ATM solution represents a change in the way ATM is performed. ATM solutions are new operational concepts, procedures and relevant technologies.，在歐洲單一天空空中交通管理研究定義階段（具體見下文）圓滿結束后，歐洲理事會第219/2007號條例正式啟動了SESAR項目[5]。該條例提出了一項重要目標，即整合和協(xié)調歐盟以往分散的、各自為戰(zhàn)的研發(fā)活動，避免重復的研發(fā)（R&D）活動。

因此，雖然整個歐洲和歐洲各個國家都在同時開展重要的空中交通管理研發(fā)工作，但在如何進一步發(fā)展（即從較低的技術準備水平升級到較高的技術準備水平）并最終實施研究成果方面決策者沒有共同的計劃。此外，關于如何對整體網絡情況改進（非偏重于局部改進）的問題，就更加不確定了。從某種意義上說，由于空中交通管理研究工作是分散的，因此對于未來歐洲空中交通管理也將是彼此相爭而缺乏共性的。

因此，為了促使所有的歐洲空中交通管理研究工作朝著一個共同的目標前進，第219/2007號條例[5]提出了SESAR項目的三個階段，每個階段分別由不同的團體領導。

·“定義階段”由SESAR集團負責（2005—2008年）?The Consortium was led by EUROCONTROL and consisted of 30 members and 20 sub-contractors. It was financed by the European Commission and EUROCONTROL.，目標是到2008年時出臺歐洲空中交通管理總體規(guī)劃（MP）。該總體規(guī)劃旨在為歐洲的空中交通管理解決方案提出一份研究、開發(fā)和部署計劃，以實現(xiàn)“歐洲單一天空”的目標。

·在“開發(fā)階段”，需要開發(fā)和驗證所需的空中交通管理解決方案。這一階段的工作由SESAR聯(lián)合執(zhí)行體負責（2008—2013年）。該組織是根據本條例建立的一個公私合作的組織。

·在“部署階段”，將大規(guī)模推出和實施經過驗證的空中交通管理解決方案（2014—2020年）。

在首個總體規(guī)劃[6]交付后，定義階段完成。這份規(guī)劃納入了空中交通管理研究中。例如，SESAR的運行概念和表現(xiàn)框架就是在EPISODE 3項目的基礎上制定的[7]；EMMA項目[8,9]提出了第一個先進表面活動引導與控制系統(tǒng)（A-SMGCS）解決方案；SESAR遠程塔臺解決方案是基于ART項目[10]提出的；SWIM-SUIT項目[11]則是目前廣域信息管理（SWIM）解決方案的前身。

2009年歐盟理事會批準了該總體規(guī)劃[12]并借此表達了對歐盟成員國在這一方向上開展空中交通管理研究的支持。隨后理事會將該總體規(guī)劃轉交給了SESAR聯(lián)合執(zhí)行體作為研發(fā)活動計劃。SESAR聯(lián)合執(zhí)行體負責根據最新的發(fā)展、優(yōu)先級研究工作和部署路線圖來更新該總體規(guī)劃，在此過程中SESAR JU將咨詢所有的利益相關方（即ANSP、航空公司、機場、軍方等）。

正如SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的基礎條例中所述，研發(fā)（以及部署計劃）過于樂觀。到2013年（預計結束開發(fā)階段的這一年）只有一部分總體規(guī)劃中的解決方案經過了驗證并準備進入開發(fā)階段。此外，2008年的經濟蕭條和2010年的火山爆發(fā)（圖1）也嚴重影響到了研發(fā)工作的優(yōu)先級。在2014年，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的工作延期[13]至2024年。

在空中交通管理研發(fā)中，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體同時獲得了公共資金（即歐盟資金和歐洲空中航行安全組織的實物資助）和私人資金。歐洲委員會和歐洲空中航行安全組織均為資助單位，提供了近三分之二的研發(fā)預算，剩下三分之一的預算則來自于SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的成員單位。經過2014年的擴員，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體現(xiàn)有19家成員單位（代表37家公司）。研發(fā)經費以有限募集和公開募集兩種方式籌得。有限募集的經費主要提供給SESAR聯(lián)合執(zhí)行體成員單位的空中交通管理解決方案的成熟化和驗證工作。探索性的、低成熟度的研究工作和一些規(guī)模非常大的演示工作則采用公開募集的方式。由于歐盟的資助來自于“地平線2020計劃”（H2020）的資金，一切有資格參加H2020的研究項目都可在H2020的規(guī)則下參與研究（有關SESAR聯(lián)合執(zhí)行體成員單位、管理、資金來源和募集等的詳細信息，請見參考文獻 [14,15]）。

到2013年時，已有部分空中交通管理解決方案成熟，并且，要實現(xiàn)空中交通管理現(xiàn)代化和“歐洲天空一體化”的目標，最快捷的途徑就是及時、協(xié)調和同步地部署這些解決方案。因此，在2013年時，管理者啟動了SESAR部署管理方功能[16]。具體而言，部署管理方的職責是管理共同項目的實施[17]。共同項目包括了由SESAR聯(lián)合執(zhí)行體提供的、成熟的空中交通管理解決方案。這是歐洲空中交通管理網絡“實現(xiàn)必要的業(yè)務變革”[17]所需的解決方案，并且解決方案需要在整個網絡中協(xié)調和同步實施。部署工作由“連接歐洲基金”（CEF）項目提供資金，目的是在歐洲范圍內進行基礎設施的建設。

按照最初的設想，SESAR項目應遵循從定義到部署的線性路線。如今，空中交通管理現(xiàn)代化需要持續(xù)的生命周期。SESAR聯(lián)合執(zhí)行體負責開展研發(fā)活動并更新總體規(guī)劃以應對不斷變化的外部條件（如歐盟政策和經濟的變化）或出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)（如無人機和空中交通管理的數字化轉型）。每隔幾年，管理者就會征求各航空利益相關方的意見，以期找出差距，在此基礎上確定研究和創(chuàng)新需求并調整部署戰(zhàn)略。在總體規(guī)劃的基礎上，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體開展研究、開發(fā)和驗證活動，SESAR部署管理方負責組織實施通用項目（即選擇成熟的空中交通管理解決方案）。最新的第四版總體規(guī)劃[18]考慮到了交通量的穩(wěn)步增長、日益嚴重的環(huán)境問題以及新興的新型航空器（即無人機和高空航空器）。

迄今為止，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的工作計劃已成功驗證了63個空中交通管理解決方案[19]，還有79個解決方案正在準備中并將在未來幾年內交付。這些解決方案包括：成熟化未來概念的關鍵推動因素，如遠程塔臺、分離時間和延期到達管理[進港排序輔助決策系統(tǒng)（AMAN）]；以及虛擬中心、改進的航空氣象（MET）信息和完整廣域信息管理（SWIM）（正在準備中）。每一個解決方案都涉及業(yè)務、安全、性能、人的行為等方面以及標準化材料。SESAR解決方案已應用在歐洲的300多個地點，而共同項目的實施工作也正在繼續(xù)進行（見參考文獻[20]中有關部署監(jiān)控的內容）。盡管如此，在部署策略方面仍有改善的空間，歐洲審計院報告[21]指出：“我們認為，歐盟以共同項目形式進行的管理干預可以帶來附加價值。但我們也發(fā)現(xiàn)，歐盟提供的空中交通管理現(xiàn)代化資金在很大程度上是不必要的，資金的管理也存在著一些問題?！痹搱蟾嬲J可了及時、協(xié)調、同步部署解決方案對現(xiàn)代化的價值，但也指出，資金的管理需要專注于轉型解決方案而不是局部改進。

3. 歐洲空中交通管理現(xiàn)代化的未來發(fā)展

最新的總體規(guī)劃列出了三大挑戰(zhàn)：一是交通流需求與現(xiàn)有空中交通管理空域容量不匹配；二是亟需更加嚴肅地對待環(huán)境問題；三是空間領域中新參與者的增多。在管理日益增加的各類空中交通容量方面，歐洲的空中交通管理基礎設施容量已經達到了極限。據預測，在未來17年內，常規(guī)航空運輸量將增加50%，而累計延誤的風險將達到目前的15倍[4]。

這種增長引發(fā)了人們對于環(huán)境和健康的擔憂，而這也是歐盟在《歐洲綠色新政》中做出的承諾[22]。從本質而言，空中交通管理在減少航空排放方面的措施是有限的。憑借充足的空域容量和靈活性，可使飛機安全地飛行在環(huán)境優(yōu)化的軌跡上，從而減少排放。

此外，新型航空器，如極低空無人機、軍用中高空長航時無人機系統(tǒng)、自動空中巴士、超高空（FL600+）作業(yè)飛機、下一代超聲速飛機和電推進飛機等，都需要考慮到，并將其納入傳統(tǒng)的空中交通管理中來?；谶@些挑戰(zhàn)，管理者提出了“關于歐洲空域未來結構的建議”[3]（即AAS）。這一提案以SESAR空中交通管理解決方案（記錄于總體方案）為基礎，與一項新的目標結合。根據該目標，未來將采用轉型技術并加快使用數字化技術，以增強自動化和虛擬化。

未來的研究項目也需要指向更高的目標。我們需要克服各國空中交通管理系統(tǒng)帶來的困難和不足，并建立新的、以服務為導向的空中交通管理架構。二者有何區(qū)別？目前，各個ANSP都擁有航空服務所需的所有需求，即通信、導航、監(jiān)視、空中交通和空中交通管理數據服務，這些服務都緊密地集成在了傳統(tǒng)的空中交通管理系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)通過不同的空中交通管理接口標準連接，導致其交互操作性有限、維護成本高并難以實現(xiàn)新系統(tǒng)的廣泛應用。

在以服務為導向的架構中，這些緊密集成的服務將分解為獨立運行的服務，并可以在任何地方運行。借助于數字手段，可以將信息服務的提供與執(zhí)行信息服務的物理硬件彼此分離，從而實現(xiàn)空中交通管理服務的虛擬化。虛擬中心這一概念較為靈活。一個虛擬中心可由一個或多個空中交通服務裝置（目前的ANSP）組成。這些裝置使用一個或多個空中交通管理數據服務提供商遠程提供的空中交通管理數據服務。由此，可以在任何位置上提供空中航行服務而不受國家領域的限制。

如要實現(xiàn)這一目標，研究的重點必須放在虛擬架構的少數突破性技術上。此外，也需要著力研究監(jiān)管問題，包括：

·允許成員國在其領空內靈活改變對空中航行服務的責任；

·高度自動化系統(tǒng)的認證和批準；

·管制員培訓和認證的變革；

·轉型后空中交通管理系統(tǒng)經濟監(jiān)管方面的變革。

新的架構是一種框架。為了實現(xiàn)這一架構，需要各個組織高度協(xié)調，并執(zhí)行共同商定的服務和基礎設施原則。架構一旦建立，將允許系統(tǒng)的不同部分根據當地需求以不同的速度發(fā)展，同時保持網絡層面上的整體一致性。

截至撰寫本文時，全球空中交通管理價值鏈的各個環(huán)節(jié)——航空公司、機場、ANSP及其供應商——才剛剛開始從新冠肺炎疫情造成的停滯中逐漸恢復。由于交通流急劇降低（例如，在4月和5月的某些時期，歐盟的交通流降低了90%），短期內的需求不再是交通能力提升。在短期內，工作重點在于盡可能以節(jié)約成本和可持續(xù)的方式管理減量的交通。然而，目前的情況并不會改變長期目標，即對空中交通管理進行廣泛轉型，提供具有成本效益的服務，以支持可持續(xù)航空發(fā)展和采用現(xiàn)代技術的新型航空器。這次危機表明了我們需要構建一個可持續(xù)的、可擴展的并且有彈性的空中交通管理系統(tǒng)。如要以節(jié)省成本的方式實現(xiàn)這一目標，總體規(guī)劃和“關于歐洲空域未來架構的建議”仍然是最有效的方式。

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The authors declare the following financial interests/personal relationships which may be considered as potential competing interests: Tatjana Boli? is a member of SESAR JU’s Scientific Committee and she works on exploratory research projects funded by SESAR JU. Paul Ravenhill occasionally works on research projects funded by SESAR JU.