基于核心技術(shù)領(lǐng)域的“智慧空管”發(fā)展探析

根據(jù)國(guó)際民航組織（ICAO）、國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）和國(guó)際機(jī)場(chǎng)協(xié)會(huì)（ACI）等國(guó)際組織和機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在2050年之前，全球空中交通流量將保持每10～15年翻一番的增長(zhǎng)勢(shì)頭。如果沿襲當(dāng)前的技術(shù)手段與運(yùn)行模式，未來(lái)空中交通的擁堵程度將不堪設(shè)想。如何解決有限的空域與日益增長(zhǎng)的航班量之間的矛盾，是當(dāng)前空中交通管理各參與方關(guān)切的熱點(diǎn)，其核心在于航空器之間在確保安全前提下縮小空中間隔。在傳統(tǒng)的基于地面監(jiān)視系統(tǒng)（如雷達(dá)、ADS-B）的管制模式下，管制員為航空器配備的間隔值，很大程度上取決于管制員個(gè)人的工作能力。這種間隔通常是動(dòng)態(tài)不確定的，不僅難以提高空中交通管理效率，而且與實(shí)際管制預(yù)期存在一定偏差。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，未來(lái)空中交通系統(tǒng)將由基于飛聯(lián)網(wǎng)的分布式協(xié)同空中交通管理系統(tǒng)逐步取代現(xiàn)在使用的地基集中式空中交通管理系統(tǒng)。借助GPS、ADS-B、天地一體化網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)代通信等先進(jìn)技術(shù)，提出了網(wǎng)聯(lián)運(yùn)行下航空器自主間隔保持系統(tǒng)的概念，主動(dòng)的感知天氣和飛行員操作等交通環(huán)境變化，分析這些隨機(jī)行為等致使當(dāng)前航空器自主間隔失效的原因及其調(diào)整方向，動(dòng)態(tài)生成一個(gè)修正的航空器所需間隔。中國(guó)民用航空局（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“民航局”）在2016年發(fā)布的《中國(guó)民航現(xiàn)代化空中交通管理系統(tǒng)體系架構(gòu)》中也提出，在空域、流量、空地配合適當(dāng)?shù)臈l件下，將原來(lái)由空中交通管制員承擔(dān)的沖突探測(cè)和間隔保持任務(wù)部分或完全授權(quán)給飛行員承擔(dān)，根據(jù)航空器自主間隔來(lái)執(zhí)行。因此，該體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了空中交通的智能化科學(xué)管理，可以提高航空器安全和運(yùn)行效率，對(duì)緩解日益增長(zhǎng)的空域供需矛盾具有突出的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

以“智慧空管”為主線，構(gòu)建安全穩(wěn)、效率高、智慧強(qiáng)、協(xié)同好的現(xiàn)代空中交通管理系統(tǒng)，是破解空域瓶頸限制、支撐民航高質(zhì)量發(fā)展的金鑰匙，是實(shí)現(xiàn)智慧民航運(yùn)行場(chǎng)景的關(guān)鍵舉措之一。本文將介紹當(dāng)前空中交通管理系統(tǒng)從動(dòng)態(tài)尾流間隔、基于航跡的運(yùn)行、自主間隔運(yùn)行等核心技術(shù)領(lǐng)域?qū)Α爸腔劭展堋钡奶剿骱蛯?shí)踐。

動(dòng)態(tài)尾流間隔：提高管制運(yùn)行安全和效率

碰撞間隔和尾流間隔是影響管制運(yùn)行安全和效率的兩個(gè)重要因素。21世紀(jì)以來(lái)，隨著通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展，水平間隔已從程序管制條件下的數(shù)百公里縮減到了目前雷達(dá)管制條件下的幾公里，大幅提升了空域利用率。我國(guó)從2007年開(kāi)始實(shí)施縮小垂直間隔（RVSM）運(yùn)行，將8900米至12500米高度層的垂直間隔從600米縮減到300米，進(jìn)一步釋放了空域資源。現(xiàn)行尾流間隔形成于20世紀(jì)60年代末，基于飛行實(shí)驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，按照最大起飛重量將機(jī)型分為若干類(lèi)，然后給出不同類(lèi)別組合下的最小安全間隔值。與20世紀(jì)末相比，現(xiàn)行尾流間隔的縮減幅度相對(duì)較小，已逐步凸顯為空域容量的限制瓶頸。

先看我國(guó)民航。2015年以來(lái)，民航局空管局先后組織開(kāi)展了基于RECAT（尾流間隔分類(lèi)新標(biāo)準(zhǔn)）技術(shù)的縮減尾流間隔可行性研究與驗(yàn)證，支持中國(guó)民航大學(xué)建立飛機(jī)尾流研究中心、搭建動(dòng)態(tài)尾流間隔仿真與安全評(píng)估平臺(tái)、開(kāi)展RECAT技術(shù)研究與推廣應(yīng)用工作。2019年，中國(guó)民航局發(fā)布了中國(guó)民航航空器尾流重新分類(lèi)方法與間隔標(biāo)準(zhǔn)（RECAT-CN），實(shí)現(xiàn)了從“理論突破”“技術(shù)攻關(guān)”到“規(guī)章起草”“落地應(yīng)用”的全流程覆蓋。在廣州白云機(jī)場(chǎng)、深圳寶安機(jī)場(chǎng)開(kāi)展的RECAT-CN管制實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，A350、B787等重型飛機(jī)前后機(jī)尾流間隔從7.4公里縮減到5.6公里，目前北京、上海等14個(gè)主要機(jī)場(chǎng)正在推廣應(yīng)用該技術(shù)。

再看國(guó)外民航實(shí)踐。充分利用有利的氣象要素，實(shí)施隨氣象變化的動(dòng)態(tài)尾流間隔，是從根本上破解尾流對(duì)空域容量限制的關(guān)鍵舉措。在國(guó)際民航組織第六版《全球航行計(jì)劃》的WAKE-B2和WAKE-B3中，對(duì)動(dòng)態(tài)尾流間隔技術(shù)進(jìn)行了規(guī)劃與展望；NASA于20世紀(jì)90年代末提出了尾渦間隔系統(tǒng)概念（AVOSS），并對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)研究和驗(yàn)證；美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）從2012年起啟動(dòng)了離場(chǎng)尾流間隔縮減（WTMD）和進(jìn)場(chǎng)尾流間隔縮減（WTMA）項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)近地面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)感知與臨近預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)縮減近距平行跑道的尾流間隔，并在休斯頓（IAH）和舊金山（SFO）機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證；歐盟于2010年6月啟動(dòng)了CROPS項(xiàng)目（SESAR 1P1），該項(xiàng)目致力于通過(guò)在側(cè)風(fēng)情況有條件地縮減進(jìn)離場(chǎng)飛機(jī)的間隔來(lái)使跑道利用率達(dá)到最優(yōu)；德國(guó)空管公司（DFS）開(kāi)發(fā)了WVWS系統(tǒng)，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)機(jī)場(chǎng)上空的風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，并對(duì)進(jìn)近航空器尾渦的擴(kuò)散與側(cè)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以確定尾渦的具體“危害時(shí)間（Hazard Time）”。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了WSVBS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)層面上的進(jìn)近著陸容量提升；英國(guó)希思羅機(jī)場(chǎng)于2015年5月起實(shí)施基于時(shí)間的尾流間隔（TBS）運(yùn)行，依據(jù)頂風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)行間隔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

“智慧空管”運(yùn)行場(chǎng)景圖

尾流間隔的精細(xì)化動(dòng)態(tài)縮減研究具有十分重要的學(xué)術(shù)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)民航現(xiàn)代化空管系統(tǒng)戰(zhàn)略（CAAMS）和“四強(qiáng)空管”建設(shè)目標(biāo)的重要舉措之一。在2022年初發(fā)布的《智慧民航建設(shè)路線圖》中提出，未來(lái)將通過(guò)對(duì)尾流間隔的靜態(tài)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)縮減，進(jìn)一步提升空域運(yùn)行容量。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需要研究解決氣象要素演變態(tài)勢(shì)的全息感知、飛機(jī)尾流危害包絡(luò)的時(shí)空推演、基于激光雷達(dá)的尾流探測(cè)反演、動(dòng)態(tài)間隔標(biāo)準(zhǔn)擬定與安全評(píng)估等關(guān)鍵問(wèn)題，構(gòu)筑以動(dòng)態(tài)尾流間隔為主要特征的空管運(yùn)行新范式，安全審慎地縮減管制間隔。

基于航跡的運(yùn)行：提升管制意圖的精準(zhǔn)性

在管制意圖的實(shí)現(xiàn)方式上，國(guó)內(nèi)外目前主要采用“以扇區(qū)為單元”“以人為中心”“以語(yǔ)音為手段”的空中交通管制服務(wù)模式。隨著空中交通規(guī)模不斷擴(kuò)大、復(fù)雜度不斷提升，導(dǎo)致飛機(jī)飛行諸元變化快與人工決策慢、飛行過(guò)程不間斷與扇區(qū)分塊多、空地意圖交互多與語(yǔ)音交互慢的矛盾日益突出，越來(lái)越難以支撐未來(lái)發(fā)展需求，從調(diào)配沖突到管理航跡的轉(zhuǎn)變迫在眉睫。

在空地意圖的戰(zhàn)略規(guī)劃管理方面，基于航跡的運(yùn)行（Trajectory based operation，TBO）應(yīng)運(yùn)而生?；诤桔E的運(yùn)行是目前國(guó)際民航界普遍公認(rèn)的下一代航行系統(tǒng)核心運(yùn)行理念，是應(yīng)對(duì)航空運(yùn)輸持續(xù)快速增長(zhǎng)的一種革命性解決方案，打破了現(xiàn)有分時(shí)、分段、分頭管理模式，實(shí)現(xiàn)空中交通從“扇區(qū)”到“全域”、從“戰(zhàn)術(shù)”到“戰(zhàn)略”、從“管制”到“管理”、從微觀防相撞到宏觀態(tài)勢(shì)掌控的根本性轉(zhuǎn)變。2019年3月底，中國(guó)民航在天津與廣州之間成功完成了中國(guó)和亞太地區(qū)的首次初始四維航跡（i4D）演示驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了飛行中該架空客A320neo飛機(jī)的飛行軌跡全程與地面保持同步。在《智慧民航建設(shè)路線圖》中提出，以四維航跡全生命周期管理為基礎(chǔ)，推進(jìn)航班運(yùn)行的精細(xì)化管制，實(shí)現(xiàn)多端協(xié)同與擴(kuò)容增效，構(gòu)建以航跡管理為核心的先進(jìn)空管運(yùn)行模式。

在飛行意圖的戰(zhàn)術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，推動(dòng)前沿信息科學(xué)技術(shù)與空中交通管理有機(jī)融合，借力人工智能、大數(shù)據(jù)、飛聯(lián)網(wǎng)等使能技術(shù)，搭建基于算力的空中交通運(yùn)行數(shù)字孿生平臺(tái)，研制“數(shù)智管制員”，實(shí)現(xiàn)基于算力的態(tài)勢(shì)感知、數(shù)字推演、智能決策、自主協(xié)商、精準(zhǔn)管控，可以提高管制間隔調(diào)配的精度，實(shí)現(xiàn)全局、全域、全過(guò)程的間隔協(xié)同與優(yōu)化，減少不必要的間隔余量，提升空中交通運(yùn)行效率。放眼全球，智慧空管是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的大勢(shì)所趨，數(shù)字技術(shù)在空管領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。民航空管唯有穩(wěn)扎穩(wěn)打、精準(zhǔn)發(fā)力，奮力跑好這場(chǎng)事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)、考驗(yàn)?zāi)土Φ摹榜R拉松”，才能有力支撐多領(lǐng)域民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

自主間隔運(yùn)行：構(gòu)建空管運(yùn)行新模式

人工智能在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為空中交通管理發(fā)展指明了方向。構(gòu)建以“自主運(yùn)行”為核心的新空管運(yùn)行模式，將成為打破發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。現(xiàn)行的管制間隔空地協(xié)同鏈路包括獲取飛機(jī)位置、推算飛行趨勢(shì)、擬定管制指令、語(yǔ)音交互意圖、飛行員操作、飛機(jī)響應(yīng)等環(huán)節(jié)。由于管制自動(dòng)化系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)推演與輔助決策功能的智慧性不夠，需要依靠管制員個(gè)體的經(jīng)驗(yàn)和技能對(duì)飛行沖突進(jìn)行預(yù)測(cè)和解脫，并通過(guò)與飛行員的語(yǔ)音通話進(jìn)行意圖交互，然后依賴(lài)飛行員的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)管制意圖。受限于人的經(jīng)驗(yàn)和技能、相對(duì)低下的空地信息交互能力，致使在理解、反應(yīng)、操作、監(jiān)控等方面存在一定的延時(shí)和不確定性，不得不通過(guò)加大安全裕度來(lái)確保飛行安全。

為縮短管制間隔的空地協(xié)同鏈路，F(xiàn)AA和歐洲航空安全組織（EUROCONTROL）在20世紀(jì)90年代開(kāi)始推行“目視間隔與目視進(jìn)近”運(yùn)行。在我國(guó)，民航局空管局從2008年開(kāi)始在大型機(jī)場(chǎng)推行此技術(shù)。在氣象條件滿(mǎn)足要求時(shí)，授權(quán)飛行員在目視可見(jiàn)前機(jī)和地形的條件下，依靠主觀判定和經(jīng)驗(yàn)來(lái)靈活規(guī)避安全威脅，靈活掌握尾隨飛行的安全間距。由于不再受現(xiàn)有間隔標(biāo)準(zhǔn)的約束，同時(shí)更多依賴(lài)飛行員來(lái)感知和處置，實(shí)現(xiàn)了飛行管控鏈路的優(yōu)化，因此能大幅度提升機(jī)場(chǎng)的通行能力。但是，在雙目運(yùn)行中，空中交通整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)依賴(lài)于飛行員的經(jīng)驗(yàn)、技能和偏好，交通流的可預(yù)測(cè)性比較低、飛行安全隱患較多、交通流的魯棒性較差，總體比較脆弱。

2017年5月，民航局組織協(xié)調(diào)吉祥航空、華東空管局、虹橋機(jī)場(chǎng)、泰雷茲公司等單位，使用吉祥航空三架A320飛機(jī)，實(shí)施了中國(guó)民航首次基于ADS-B IN技術(shù)的目視間隔進(jìn)近（VSA）演示飛行，取得圓滿(mǎn)成功。在《智慧民航建設(shè)路線圖》中提出，通過(guò)推進(jìn)機(jī)載 ADS-B IN技術(shù)應(yīng)用實(shí)施，增強(qiáng)駕駛艙態(tài)勢(shì)顯示能力，提升目視間隔運(yùn)行效果，優(yōu)化飛機(jī)進(jìn)近著陸的間隔管理，實(shí)現(xiàn)航空器自主間隔保持運(yùn)行。

基于機(jī)載端態(tài)勢(shì)感知的自主間隔技術(shù)是縮短空地間隔協(xié)同鏈路、提高間隔管控效率的關(guān)鍵舉措。美國(guó)NASA和FAA從2004年開(kāi)始開(kāi)展了基于駕駛艙設(shè)備輔助的目視運(yùn)行（CAVS）和 尾隨飛行（ITP）技術(shù)攻關(guān)，通過(guò)機(jī)載ADS-B IN設(shè)備來(lái)接收周邊飛機(jī)發(fā)送的位置信息，并在駕駛艙內(nèi)導(dǎo)航顯示儀（ND）上直觀顯示出周邊態(tài)勢(shì)信息，使得飛行員不僅可以對(duì)駕駛艙外目標(biāo)進(jìn)行目視觀察，也可通過(guò)導(dǎo)航顯示儀來(lái)判定空中飛行態(tài)勢(shì)。從2017年開(kāi)始，F(xiàn)AA在多個(gè)機(jī)場(chǎng)開(kāi)展CAVS和ITP技術(shù)驗(yàn)證試飛，有效提高了目視運(yùn)行的執(zhí)行率。

展望與建議

智慧空管建設(shè)是“十四五”空管系統(tǒng)發(fā)展主線，是加快成為世界一流空中航行服務(wù)提供者的重要路徑。按照民航局關(guān)于“智慧民航”建設(shè)的總體部署，以“數(shù)字感知、數(shù)據(jù)決策、精益管理、精心服務(wù)”為導(dǎo)向，著力打造現(xiàn)代化空管運(yùn)行保障體系，構(gòu)筑智慧空管產(chǎn)業(yè)生態(tài)，把智慧理念融入行業(yè)發(fā)展的全過(guò)程、各領(lǐng)域?？展芟到y(tǒng)將認(rèn)真研究智慧民航建設(shè)路線圖，按照智慧民航建設(shè)階段性目標(biāo)和領(lǐng)導(dǎo)小組統(tǒng)一部署，按時(shí)保質(zhì)完成基于航跡運(yùn)行、航空器尾流重新分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、智慧空管運(yùn)行概念及典型場(chǎng)景示范驗(yàn)證等關(guān)鍵任務(wù)。按照統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、分層實(shí)施、壓茬推進(jìn)的原則，形成分工明確、齊抓共管的組織機(jī)制保障，加強(qiáng)新技術(shù)融合創(chuàng)新研究，豐富智慧空管應(yīng)用場(chǎng)景。深化與外部科研單位的合作，凝聚行業(yè)內(nèi)外共識(shí)、整合優(yōu)勢(shì)科研力量。抓住新基建和數(shù)字化轉(zhuǎn)型契機(jī)，大力推進(jìn)新技術(shù)和自主技術(shù)研究應(yīng)用，全面提升裝備國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用比率，推進(jìn)新技術(shù)與空管運(yùn)行深度融合。同時(shí)充分發(fā)揮人力、創(chuàng)新、財(cái)務(wù)、資產(chǎn)、建設(shè)等系統(tǒng)平臺(tái)的支撐作用，提升平臺(tái)資源智慧支撐能力，做好智慧空管建設(shè)的人才儲(chǔ)備、資金保障、物資支持，強(qiáng)化智慧空管建設(shè)各類(lèi)資源保障。

在《智慧民航建設(shè)路線圖》的指引下，空管系統(tǒng)堅(jiān)持以智慧民航為建設(shè)主線，以強(qiáng)安全、強(qiáng)效率、強(qiáng)智慧、強(qiáng)協(xié)同的“四強(qiáng)空管”現(xiàn)代化空管體系為建設(shè)目標(biāo)，圍繞動(dòng)態(tài)尾流間隔、基于航跡的運(yùn)行、自主間隔運(yùn)行等重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，構(gòu)建未來(lái)空中航行系統(tǒng)新范式，積極參與世界空管前沿科學(xué)技術(shù)研究，提出更多原創(chuàng)理論，做出更多原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，加快實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)，在新一輪全球空管科技競(jìng)爭(zhēng)中贏得戰(zhàn)略主動(dòng)。智慧空管建設(shè)是支撐民航高質(zhì)量發(fā)展的先決條件，也是更好滿(mǎn)足人民群眾對(duì)美好航空出行的必然要求。