智慧空管技术的探索与研究（空管技术国内外发展趋势）

作者：刘卫东
中国民用航空局第二研究所 所长

一

引言

随着航空运输日趋多元化，航空运输量的持续增长，空中交通运行态势也日渐复杂多变，现有空中交通管理系统的运行能力已经趋近饱和。为满足未来航空需求增长和运行多样性的需求，民航局局长冯正霖在2018 年民航空管系统安全工作会议上，充分强调“智慧” 这一属性对空管行业未来发展的重要意义。空管局局长车进军也在2019 年中国民航发展论坛明确指出“把握新时代空管发展的新机遇，开启智慧空管发展新纪元”。空管是一个高度依赖信息技术的民航专业领域，其智慧化发展是循序渐进、稳妥推进、拓展完善的持续过程。智慧空管以需求为牵引、技术为支撑。智慧空管技术的发展要以“四强空管”行动方案的“强智慧”为指引，为“强安全”“强效率”以及“强协同”提供重要的技术支持。同时，智慧空管技术的发展也需遵循全球空管概念演进趋势，结合我国国情建设安全高效现代化智慧空管技术体系。目前，智慧空管技术体系的研究仍处于萌芽阶段，其潜力和意义有待于研究人员充分挖掘与利用。李钢等人认为“以云平台为基础的服务”是智慧空管技术的核心，在云平台上建立更完备的数字化服务是智慧空管的重要技术支柱。张晖等人认为智慧空管技术发展是由低级的数字化阶段过渡至中级的智能化阶段，最终到高级的智慧化阶段。杨红雨等人指出人工智能是智能化空管技术主要研究发展方向。民航局空管局技术中心，也在“十四五”建设开局之年以近期( 数字化、平台化)、中期( 智能化、协同化)、远期（智慧化、自主化）三阶段提出智慧空管技术发展路径。

智慧空管技术的探索是丰富而充满未知的。本文围绕智慧空管发展安全、高效两大目标，首先分析空管技术国内外的发展趋势，研究潜在的价值，为智慧空管技术发展展望提供理论依据。其次，结合笔者对智慧空管的理解，分别阐述了智慧空管的内涵、主要特征。进一步，本文创新性地从局部智能优化、全局认知支持、完全自主运行三方面对智慧空管技术发展进行展望，并对关键技术内容作出探讨。

二

空管技术国内外发展趋势

随着航空运输需求量不断增加，世界各国不同程度地出现空域资源利用率低、空域协调困难等瓶颈。因此，近几年以中国、美国等为首的民航大国以空管体系建设实际需求为牵引，积极探寻空中交通管理在运行概念、操作程序和信息标准方面的新举措，引领空管技术迈向智慧化。

（一） 国际民航组织 ——“航空系统组块升级”2016 年，国际民航组织（ICAO） 在《全球空中航行计划》（Doc 9750 号文件 , 第五版）中修订了“ 航空系统组 块升级”（ASBU）的战略规划，旨在为未来15 年全球空中航行系统的发展提供指导，促进全球空中交通持续、稳定、快速发展，提升全球空中交通管理系统的安全水平和运行效率。ASBU 将运行概念划分成为一系列可衡量的运行效能改进，涵盖机场运行、全球可互用的系统和数据、最佳容量和灵活航班、高效飞行航路四大效能改进领域。每个领域由多条提升路径组成，并根据实现阶段分布在4 个组块中，构成52 个模块。这些运行效能改进可以灵活组合，分阶段实施。各个国家和地区在全球统一的框架下，可根据自身需要引入和实施所需的运行能力改进。ASBU 的战略组件部署，积极推动空中交通管理技术的变革与创新。

（二）美国 ——“下一代航空运输系统” 美国于20 世纪末启动“下一代航空运输系统”(NextGen) 计划，旨在加强研发运行新技术提高空管服务质量， 满足日益增长的空中交通需求与空域系统之间供给平衡。NextGen 运行概念如图1 所示。一方面，NextGen 通过基于卫星的监控和导航，利用新一代数字化通信交流手段，在空管部门、航空公司、机场等利益相关方之间形成统一态势感知，提高航空系统可预测性、系统容量和安全水平。另一方面，NextGen 提出基于航迹的运行(TBO)、引入气象的辅助决策、超密度进离场、基于性能服务等8 项关键能力。其中，TBO 作为下一代空管自动化系统的核心技术，改变了以间隔服务为主的传统运行模式。其通过精准预测飞行全过程的四维轨迹，形成全体顺序点列集合，实现高密度、大流量、小间隔的高效运行，同时实现在飞行与管制之间共享航迹动态信息，形成协同决策。

图1 美国NextGen 运行概念图（三）欧洲 ——“单一欧洲天空空管研究计划” 欧洲理事会第219/2007 号条例正式启动“单一欧洲天空空管研究计划”(SESAR)，旨在解决日益严峻的空中交通延误问题，以满足新型空中交通管理解决方案的需求，提高交通流的容需匹配度。凭借充足的空域容量和灵活性，可使飞机安全地飞行在优化的轨迹上，提高运行效率进而减少燃油排放。如图2 所示，SESAR 通过提高的网络容量与韧性、改进的机场性能和可用性、优化的空中自动化运行等关键能力，借助于数字手段提供信息服务，从而实现空中交通管理服务完全自主运行。SESAR 计划到2050 年，基于性能的运行（PBO）实现在机场和空域范围内空中航行服务网络层面的“端到端”无缝衔接；实现基础设施与空管运行的脱耦，一国的空中航行服务提供商为另一国提供“端到端”空中航行服务；打破国家边界。

图2 欧洲SESAR 服务架构示意图（四）我国 —— “中国民航空管现代化战略”我国民航空管系统为了加快建设“四强空管”，推动空管高质量发展，正在加强空管发展的顶层设计和总体布局，加快航行新技术的研究、验证和应用。民航局空管局根据ICAO 的ASBU 计划， 充分借鉴美国NextGen 计划、欧洲SESAR 计划，结合我国空管实际情况， 提出并组织编写了“中国民航空管现代化战略(CAAMS) 。”CAAMS 成为全球范围内继 NextGen、SESAR 之后又一重要的空中航行系统发展规划，为中国民航提升国际话语权和影响力发挥了重要作用。CAAMS 主要面向未来15 年我国民航空管运行的实际需求，制定未来发展和技术布局的指导思想、发展方向、技术路线、重点工程、保障措施等。CAAMS 关键技术发展脉络如图3 所示。

图3 CAAMS关键技术发展脉络图CAAMS 近期目标是重点加强全系统信息管理、气象信息服务、数字化情报管理等基础信息服务能力的建设，完善宽带数据链通信、综合导航、多元监视等支撑空管系统运行的基础设施建设， 提升繁忙机场及终端区运行、全阶段数字化管制、全国飞行流量管理等运行能力。CAAMS 远期目标基于构建支持未来基于航迹运行的协同信息服务环境， 发展空天地一体化的航空通信导航监视技术，全面推进基于航迹运行、自主间隔保持、机场空管融合运行等新型管制服务方式的应用。

同时，CAAMS 提出空域组织与管理、协同流量管理、繁忙机场运行、基于航迹的运行、多模式间隔管理、军民航联合运行、基于性能的服务、信息管理在内的八大运行概念。为支撑上述运行概念的实施，CAAMS 从运行服务能力和基础服务能力方面提出了大力提升16 项关键服务能力，实现空中交通网络结构合理、运行顺畅，空管运行效率和服务水平明显提升，实现我国民航系统逐步从适应民航发展、协同民航发展到领跑民航发展的战略性转变。  

三

智慧空管的理解

在中国民航空管现代化战略CAAMS 的指导下，新一代航空技术将与人工智能、态势感知、数字孪生等新型技术不断融合式发展，推动传统空管技术向“智慧空管”技术的过渡。

（一）智慧空管内涵智慧空管, 本质还是空中交通管理。现在空中交通管理分为空域管理、空中交通流管理、空中交通管制服务三大核心业务。三者任务目的、管理对象各不相同，具有互补性、不可替代性。随着空中交通管理不断改革发展，三者也将逐步迈向智慧化： 智慧的空中交通服务：通过信息资源共享技术，使区管、进近和塔台之间具备相同态势感知，将智能感知嵌入到空管运行涉及各个要素中，结合可视化的智能管控对航空器的运行进行协同引导控制，并且支持高密度下异类航空器冲突预警、智能解脱功能。智慧情报服务则与知识进行整合形成知识图谱，对各类需求作出灵活、迅速的反应，通过发布有效的飞行建议和情报，形成安全、高效的空中交通管理服务模式。智慧的空中交通流管理：将从单一的流量管理向交通流管理演进，具备最优性、系统性、预先性、协同性四类基本特性。最优性指最优化空中交通容量- 需求比例，实现航班延误最小化，优化交通流的时间分布、空间分布、流量分布， 实现资源利用最大化；系统性是指从宏观、整体角度进行优化；预先性是指能够预测分析需求- 容量未来情况；协同性是指能满足机场、航司、空管、军方之间多主体的协同。智慧的空域管理：是持续优化航路航线网络基础上实现动态空域关键资源配置，考虑各类型空域的实际需求，通过控制某些航路段的动态开关，灵活分配资源以平衡容量- 需求比例。在实现多元化空域的同时，还会综合考虑动态航路调配，降低关键资源节点运行压力， 以实现面向效能的空域资源动态调度。与传统空管不同，以上三方面正在彼此集成融合。一方面，智慧空中交通流管理依托智慧空中交通服务提供决策所需的管制运行等信息，制定有效的交通流管理措施。另一方面，智慧空域管理也将和智慧空中交通流管理有机结合， 实现动态管理和灵活使用机制，提高时空资源利用效率。除此之外，“智慧空管”内涵还体现在丰富的通信、导航、监视、网络互联、信息处理手段上。通过星基导航和无线等新技术，提高空管导航保障能力；通过地面IP 技术、数据链通信技术，提高空管通信保障能力；通过ADS- B IN/ OUT 以及各类监视方法，保证航空器飞行安全；利用新兴的互联网、移动网络等新技术，实现航空器与管制员高效快捷的交互；利用大数据挖掘、云计算等技术，最大限度地提高信息互用性，实现空管全域态势特征的有效表征。利用以上智能的基础设施，构筑全面泛在感知和广域协同交互的能力，再通过智慧技术应用，全面赋能新技术装备，助力智慧空管建设中各目标的实现。由此可见，智慧空管的内涵实质就是将信息变成知识，来实现“ 自感知、自学习、自决策、自执行、自治理”。

（二） 智慧空管主要特征基于以上智慧空管内涵，智慧空管是一个灵活精细、高效协同的空域管理系统，适应现在和未来的航空运行概念和程序，具备智能化的空管全过程预测预判分析、管控和服务能力手段。智慧空管是一个完整有机的整体，具有以下六个主要特征： 透彻的态势感知：其相当于神经组织，利用全景视频、射频识别、气象雷达、话音系统等基础设施设备，进行多模态的时空数据关键信息进行采集与提取，对空域地面态势精准感知，同时对各类运行要素的关键信息进行对接、融合、评估、推理，解决智慧空管运行显/ 隐性态势特征的刻画问题，为空管安全高效发展提供基础保障。全域的信息共享：其相当于结缔组织，由统一平台连接多主体用户( 包含空管部门、航空公司、机场等利益相关方) 并发布态势信息，扩展感知范围，共享的态势信息包含但不仅限于共享态势信息包括：空域利用率、跑道分配情况、关键节点状态、尾随间距限制、预计离港清关时间、登机口分配、航班取消等。智慧空管的神经中枢接收跨区域、跨系统的态势信息，同时将态势信息以及智能决策指令，发布至外部平台，其是实现空管系统高度自动化、智能化的前提。动态的资源统筹：其相当于肌肉组织，通过动态调节使机场、终端、进近、航路关键节点之间复杂的时空耦合作用关系解耦，实现对空域资源的动态调配和灵活规划。通过不断地对空域中关键节点进行动态调节，合理统筹各类空域资源，畅通航班飞行通道，强化空中交通整体联动。自主的智能管控：其相当于大脑中枢，利用智能的基础设施在无人干预的情况下，能自主地驱动智能空管系统实现控制目标的自动控制，通过自主决策，系统生成决策指令，并作用于场面/ 空域。即采用定量方法和定性方法相结合的控制方式，实现对复杂的人在回路空管系统进行指挥，智能传达指令给飞行员或无人机，再依托飞机自动化系统进行操作，实现空地协同配合的安全高效运行。快速的应急响应：其相当于防御机制，提升空管核心基础设施和空域交通网络的韧性，保障空域用户突发状况或极端气候条件下大规模航班延误的快速恢复，有效降低延误和取消航班率，形成高韧性、高弹性的智慧空管技术体系与标准体系。

协同的混合运行：在以上五方面的共同影响下，智慧空管机体能够针对未来多层/ 混合航空系统进行统一管理， 利用协同态势感知与评估、协同任务分配、协同路径规划实现在共享空域中不同运行规则的异类航空器混合运行管控， 形成多方共赢的空管运行环境。

四

智慧空管技术的探索

在智慧空管发展探索阶段，需要运用“新技术”践行“新基建”，不仅是为了解决技术层面存在的瓶颈，更是面向“四强空管”的国家重大需求。从传统空管向智慧空管的过渡不可能实现一步跨越，其是一个不断优化迭代的过程。

（一）智慧空管技术发展展望智慧空管发展是循序渐进的、稳妥推进、拓展完善的过程。智慧空管与传统空管最大区别在于从经验型向科学性、从静态向动态、从粗放型向精细化转变。其发展可大致划分为三个阶段：局部智能优化、全局认知支持、完全自主运行。如图4 所示。
图4  智慧空管发展路径示意图 

1.局部智能优化此阶段无程序或角色上的重大改变， 人工决策是这一阶段的本质特征。机器提供增强感知、决策辅助，可在局部某个功能点或场景下减轻空管参与人员的工作负荷或提高工作效率。局部智能优化阶段典型的技术发展表现为动态空域管理、协同流量管理、基于性能的导航、协同天气预测、动态尾流间隔、数据链、进离场终端区协同排序、终端区场面一体化运行等技术。

2.全局认知支持此阶段以人工决策为辅，人工智能可主动发起和替代人工操作。其主要特征：一是空管全要素可通过数字表述出来，让环境、机场、空域、航空器和人等空管运行要素能够在线上“自我说明”。二是通过虚拟空管全网络将数字化空管的基础设施（通信、导航、监视）、应用服务（空域管理、交通流管理、空中交通服务）等连接起来，实现空管全域内飞行、流量、航行情报、航空气象等要素数字化认知与对话。全局认知支持阶段典型的技术发展表现为基于航迹的运行，全阶段数字管制、全系统信息管理（SWIM）、全域飞行流量信息协同环境（FF- ICE）等。

3.完全自主运行此阶段以人工智能决策为主，人类扮演监督与备份的角色。其主要特征：一是完成空管运行全要素智能优化；二是在空管全域信息共享基础上实现智能反应与调控；三是大数据智慧优先、AI 智慧深度学习等使空管各关键服务在人类智慧的驱动下优化运行。完全自主运行阶段典型的技术发展表现为基于性能的运行、人机融合智能管控技术、协同空中交通管理（CATM）等。

（二）智慧空管关键技术技术是空管的核心支撑，也是空管系统正常运行的理论基础和保障。如图5 所示，传统空管技术辅助信息获取/ 分析，辅助任务执行/ 实施。在繁忙时，中心控制决策依赖人工经验，容易造成“错忘漏”。而智慧技术将构建未来智慧化的空中交通管理系统，从滑行阶段开始，起飞、离场、巡航、降落都有智慧化的技术提供支撑服务。智慧空管技术将全面以机器为主、人工辅助决策，实现智能化，达到空管自动化高级程度， 适应日益复杂的飞行任务。结合智慧空管技术发展路线，对其内部关键核心技术进行梳理，总结如下：

 
a 传统空管技术

b 智慧空管技术图5  传统空管技术对比智慧空管技术示意图终端区场面一体化运行技术：融合先进的自动化管理，利用基于航迹的场面预测和高级调度算法为管制员提供进场/ 离场建议，对终端区- 场面资源进行一体化调度和管理。采用动态细微的速度调节相邻航班时间间隔，战术性地减少延误，缓解终端区- 场面的拥堵。该技术能提高终端区- 场面运行的可预测性、资源利用率、航班流调度效率，降低管制工作负荷。

协同天气预测技术：联合机场、航空公司、空管部门、气象中心等相关方的气象专家建立天气预测知识库模型， 综合利用天气探测信息进行智能分析， 掌握恶劣天气产生及发展规律，对影响飞行安全的危险天气做出预测。该技术为智能管控提供数据支撑，减少天气原因导致的航班延误和取消。

广域信息管理技术：使多个用户通过广域网相互交互，用户交换共享态势信息，形成共同态势感知并协同决策。即将各空中航行服务提供者、管制单位、空中交通流和容量管理单位、空域使用者、机场、航空公司等相关单位实现完全的网络互联。该技术利用面向服务的体系结构技术，实现包含面向服务的空对地信息交换、运行系统之间动态交互和网络授权等关键技术攻关，构建新一代空管信息共享基础平台。

协同交通流管理技术：将协同决策的思想与交通流管理相结合形成一种安全、高效和公平的交通流管理机制。依据广域信息管理共享的态势信息，制定协同决策，其中包含协同地面等待、协同容流配、协同航路管理、协同航班调度、空域与交通流协同运行管理、协同场面管理等策略，解决航路、终端区交通流不平衡、超容量所导致堵塞、延误问题。该技术通过整合利益相关方综合信息， 紧密结合产生合理的交通流管理决策。

动态空域管理技术: 将目前静态异构空域转变为动态同质的空域，其包含空域动态规划和空域评估两个关键部分。空域动态规划，实现交通流时空分布与空域关键资源的优化动态配置，缓解需求和空域资源不匹配问题。空域评估基于客观和主观方法分析和评估空域的容量、利用效率、飞行成本等，为空域规划提供技术性指标参考。该技术可以适应飞行需求变化进行动态空域调整，实现空中交通优化运行。

地空一体化技术：通过卫星、甚高频和数据链等技术，实现航空器与地面空中交通管制单元、航空公司、机场等之间的快速数据交换，实现机载数据链通信、空地通信、地面分组通信等。该技术可以实现在各利益相关方之间的高速数据交换，提供实时有效的数据通信服务。

广播式自动相关监视OUT/IN 技术：将冲突探测、冲突解脱、空中交通管制监视、空中交通管制一致性监视以及机舱综合信息显示等有机结合，提供优于雷达间隔标准的管制服务，实现飞行动态监视，改进流量管理，为运行中的航空器提供各类情报服务。该技术有助于加强空空协同，使飞行安全间隔的责任更多地向空中转移，为实现“自由飞行”奠定基础。

基于航迹的运行技术：基于航班计划信息、空域信息、气象信息和飞机性能，考虑速度和飞行高度层的限制，提供一个包含三维位置空间和一维时间的预测航迹，在飞行全过程( 包含战略规划、战术规划、执行阶段) 通过航迹协同优化， 实现门到门的高密度、大流量、小间隔的高效运行。该技术能充分利用交通管理中确定和不确定信息，更高效利用空时域资源，提供更高效的空中管制运行服务。

基于性能的导航技术：从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段，利用航空器的机载设备能力与卫星导航等先进技术，提供更加精确、安全的飞行方法和高效的空管模式。该技术使飞行程序计划不再受制于导航台，可以更加科学、灵活地利用空域。

数据链技术：以信息处理为核心， 探索更高可靠性、高带宽的空地互联方法，研究传输交换协议和标准，实现点对点接收各种格式的管制信息，为地空通信一体化技术提供数据服务。该技术保证飞机和飞机之间、飞机与地面管制员之间的情报交换，共享飞机所有情报， 增强驾驶员、管制员的共同态势认知能力。

未来智慧空管建设围绕安全和高效两大目标，以空域、机场、航空器、环境和人等诸多运行相关因素，融合先进的科学技术，向更协同、更安全、更优化、更绿色的方向发展。

五

结束语

智慧空管技术通过汇聚海量数据， 全面透彻感知；深度挖掘数据，智能融合应用；关联推演数据，高效协同运行。智慧空管技术的发展是循序渐进、稳妥推进、拓展完善的迭代优化过程，其关键在于持续性地科技创新。民航二所空管技术创新团队也将依托民航局和四川省政府共同建设的民航科技示范区，面向未来通信、导航、监视关键技术，利用星基互联、地空宽带、5G 通信，实现空天地一体化信息互联互通；面向未来基于交通流管理的空管系统架构，研究先进的空中交通管制和信息服务技术和手段，实现空中交通流需求- 容量动态协同管理；面向基于航迹运行和性能运行技术，空管技术创新团队集智攻关， 形成智慧空管科技创新攻关合力，进一步促使我国空管技术由模仿者变为开创者，从追随者转为引领者。

来源：《民航科技》