基于物联网技术的新型空中交通管理系统＊

朱新平

（中国民航飞行学院空管学院 四川 广汉618307）

0 引 言

空中交通需求的快速增长极大推动了空管新理念和新技术的出现，比如，动态空域管理、协同流量管理、基于性能导航等。未来空中交通管理将向着信息化、协同化、智能化的方向发展。2012年《国务院关于促进民航业发展的若干意见》指出，要加快建设新一代空管系统，加强空管通信、导航、监视能力及气象、情报服务能力［1］。物联网是随着互联网技术发展而出现的一种新型信息管理技术［2］，实现了各种传感设备装置与互联网的有机结合，其全面感知、可靠传输和智能处理能力将有利于对空中交通管理相关信息或资源的掌控，可为建设新型空中交通管理系统提供技术支撑。目前，虽然物联网在交通、军事、农业等各个领域都有应用研究［3－6］，但整体上还处于起步阶段，而物联网技术在民用航空领域的大规模应用还未出现［7］。因此，建设基于物联网的新型空中交通管理系统还有待深入研究。

本文从空管发展趋势及其物联网技术基础、基于物联网技术的新型空管系统涵义与特征、新型空管系统总体框架、新型空管系统关键技术和支撑平台、以及新型空管系统应用前景进行阐述，突出了未来空管系统建设融合物联网技术的特色。

1 空管发展趋势及其物联网基础

1.1 空管发展趋势

空中交通管理（air traffic management，ATM）简称空管，通常是指国家实施空域管理和流量管理，提供空中交通服务并保障飞行安全，实现高效航空运输和捍卫领空空域权益的统称［8］。从业务功能上讲，空中交通管理可分为空中交通服务（air traffic service，ATS）、空中交通流量管理（air traffic flow management，ATFM）和空域管理（airspace management，ASM）。空管是一个复杂的系统工程，其涉及运行体制、技术应用、法规标准等多个方面。其中，空管技术应用成为保障空中交通安全高效的有力支撑。近年来，欧美等航空发达国家和地区围绕安全、高效2大目标，融合计算机、导航、优化决策等理论，对空域、机场、航空器、环境和人等多个空管运行环节展开深入研究，已形成了较为系统的空管理论和技术体系，并成功应用于实际空管工作。随着航空运输和科学技术的不断发展，在全球经济一体化、空管一体化建设浪潮的推动下，未来空管将朝着保障航空运输更安全、更协同、更优化的方向发展。

1.2 空管系统的物联网基础

空管系统属于高科技密集型系统，其高科技属性决定了物联网技术在其中发展的巨大空间。物联网是以多种传感器设备为基础，按约定的协议把物品与互联网连接起来，并实现智能化识别、定位、跟踪和管理的一种网络［9］。从目前民航基础网络建设来看，各种民航专网的构建可为实施基于物联网的新型空管系统提供较为成熟的基础，而其中实际的业务运行系统，如空域运行管理系统、飞行计划管理系统、飞行流量管理系统等，则为在空管中实现物联网技术应用提供了支撑。另一方面，从空管的直接作用对象航空器来看，其集成的先进传感器及各种高精尖技术，无疑会支持对航空器飞行状态的实时采集，因而也为在空管系统中开发具有行业特性的物联网技术应用奠定了基础。其中，ADS－B技术（广播式自动相关技术）以及基于性能导航技术可以说是机上传感器的典型应用案例。

2 新型空管系统涵义和特征

基于物联网技术的新型空管系统是指把物联网技术充分应用于空中交通管理，将传感器嵌入和装备到空管涉及的各个要素（如航空器、通信设备、导航台等），并通过普遍连接形成“空管物联网”，实现对空管各个环节的全方位实时监控；而后通过先进的计算机处理平台，将“空管物联网”上的多源异构信息进行融合处理，并提供给具体的应用平台，如空域运行管理系统、流量管理系统等，从而辅助管制员实现对空中交通更为精细、更为动态的管理。其核心是利用物联网更为高效智能的方式提升对空中交通的感知能力，并通过多种数据链路来增强管制员与飞行员，以及飞行员之间的交互能力，从而提高空中交通管理水平。

基于物联网技术的新型空管系统特征可总结为：更透彻的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化。其中，更透彻的感知是指超越传统的空管监视手段，利用更为广泛的监视传感技术实现对空中交通的有效实时感知，其具体手段可分为独立监视（如一次雷达、全球定位系统）、非独立监视（如二次雷达、多点定位技术、射频识别技术等）和合作相关监视（如广播式自动相关技术）；更全面的互联互通是指通过各种形式的通信网络，实现对空管系统各种信息的收集和存储，其具体手段可分为平面通信网（如基于X.25公众网、帧中继等）、地空通信网（如高频／甚高频通信、卫星通信等）；更深入的智能化是指利用空管相关的物联网技术应用平台对采集的数据进行融合，并利用相关模型展开包括协同流量管理、动态空域管理等决策，从而更好地辅助管制员实施空中交通管理，保障空域资源的安全高效使用。

3 新型空管系统总体框架

基于物联网技术的新型空管系统总体框架可分为感知层、基础设施网络层、应用服务平台层、专业应用与决策支持层组成，见图1。

图1 基于物联网技术的新型空管系统总体框架Fig.1 Architecture for one novel air traffic management system based on the internet of things

3.1 感知层

该层是整个新型空管系统的神经末稍，也是支撑整个空中交通持续安全展开的保障。该层主要包括管制中心、机场场面和航路上安装的多个传感器单元，比如，空管一／二次雷达、自动相关监视系统、多点相关监视系统、飞行区监控探头、射频标签等。其中，空管一次雷达（primary surveillance radar，PSR）可用于对航路、机场周边的飞行活动进行监视；二次雷达（secondary surveillance radar，SSR）可用于终端区和高交通密度陆地空域的飞行活动进行监视；自动相关监视系统可实现对大洋空域和边远山区、沙漠或丛林地区空域的监视，同样也可用于航路、终端区和场面监视；多点相关监视系统可实时跟踪机场场面和周围地区的活动目标；飞行区监控探头可监视停机位上的航空器机位保障及其它位置的运行；射频标签则可实现机场围界、跑道占用情况的监视。另一方面，由于任何微小的空管设备故障都有可能引发一系列连锁反应，进而导致空管服务中断并影响相关区域的飞行安全，因此，该感知层还包括对通信导航监视设备自身工作状态进行监视的传感器，以对空管设备运行状态的全天候实时监视。

3.2 基础设施网络层

该层是融合各类空管信息的基础，主要包括Internet网、AFTN网、空管局域网、第三代移动通信技术等通信网络。这些网络技术为实现新型空管系统的互联互通奠定了基础。

3.3 应用服务平台层

该层将综合应用空中交通监视数据，构建面向空管的应用服务平台，主要包括空中交通服务平台、空域管理平台、飞行计划管理平台、飞行流量管理平台、气象服务平台等。目前，已有其中相关平台应用到空管中，因此基于物联网技术的新型空管系统可在现有业务应用平台基础上进行改造来实现，而不需重新开发每一个平台。上述做法能很好地保证管制员对该新型空管系统的快速适应。

3.4 专业应用与决策支持层

该层主要是为管制员进行空中交通管理提供决策支持信息，开发空域管理、流量管理、告警服务、空管设备状态监视服务等应用，为实现协同一体化的空管提供决策支持，以提高空域资源利用率。

4 新型空管系统关键技术与支撑平台

4.1 关键技术

4.1.1 射频识别技术

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预。其工作原理是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发出存储在芯片中的产品信息，或者发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据的处理［10］。在空管系统的相关要素如航空器、通信导航监视设备上安装射频标签，可将航空器的运行动态、以及通信导航监视设备的运行状态及时通过“空管物联网”发送至相关应用平台。

4.1.2 无线传感器网络

无线传感器网络是集成传感器技术、嵌入式计算机技术、无线通信技术、分布式信息处理技术而形成的一种全新的信息获取和处理技术［11］。通过在空管系统的各个环节，比如机场场面、航路导航台、雷达站等部署相应的传感器，可实时监测和采集各空域单元（机场、终端区、航路）运行状况及其中相关空管设备的运行状态，并将这些信息进行初步处理后以无线的方式进行传输，使得空管部门能够及时获取空情数据和设备状态数据。

4.2 支撑平台

根据不同的空管业务需求，为实现基于物联网技术的新型空管系统，需要对现有业务应用系统进行深化和改造。接下来，介绍几种已较为成熟或正在开发的平台。

4.2.1 空中交通服务平台

空中交通服务平台主要用于管理航空器起降和航行，以保障飞行秩序和空中交通系统安全。空中交通服务平台的主要任务是：防止飞机在空中相撞；防止飞机在跑道滑行时与障碍物或其他进离场的飞机或穿越跑道的车辆相撞；提高空域的利用率。空中交通服务平台一般分为执行塔台和进近管制服务的终端区管制系统，以及执行区域和高空管制服务的航路管制系统。在基于物联网技术的新型空管系统中，空中交通服务平台将基于当前正在使用的“欧洲猫（EUROCAT）”系统以及国产的相关管制自动化系统，进一步研究物联网基础上多源异构数据融合，并最终在相应的管制席位上实时显示空中交通态势，最终实现飞行区场面、终端区、航路的无缝隙空中交通服务覆盖。

4.2.2 飞行流量管理平台

飞行流量管理平台主要用于在空中交通流量接近或达到空中交通管制服务可用能力时，适时调整飞行流量，保证空中交通量最佳地流入或通过相应的空域，尽可能提高机场、空域容量的利用率。飞行流量管理平台的建设将引入协同决策机制，在物联网技术的支撑下实现多源数据接入以提高各单位之间的数据交互能力，并通过研究战略、预战术和战术协同流量决策模型，增强协调决策和流量管理自动化水平，实现对空情状态的智能化预测、跟踪和全面评估，从而为满足不断增长的航班需求提供决策支持。

4.2.3 空域管理平台

空域管理平台将根据不同的空域用户需求，合理划分时间和空间，最大限度地利用国家空域资源。为提高空域管理效能，增加空域使用的安全性和灵活性，并尽可能地增加空域用户的协同合作能力，基于物联网技术的新型空管系统将进一步研究如何利用物联网的广泛感知能力，并采用先进的数据库技术实现军民航空域使用态势的监视管理，增强各管制部门对空域管理过程的认知；研究如何从预战术、战术阶段管理军民航用户的空域需求，协调和平衡好国家级、区域级层面的军民航空域需求。

5 应用前景

5.1 在协同场面运行管理中的应用

机场是整个航空运输系统的重要组成部分。机场场面管理水平直接关系到航空运输系统的管理水平。协同场面管理是指采用先进的自动化技术对场面资源进行实时监控和协同决策，以保障场面运行安全和效率，并降低管制员工作负荷。在基于物联网技术的新型空管系统中，可在场面监视中综合采用多种传感器技术，比如多点定位监视技术、射频识别技术等，实现对场面目标运行态势的监视，进而利用所开发的相关应用平台进行滑行调度与冲突控制，并为场面活动参与者提供活动建议。

5.2 在动态空域运行管理中的应用

随着空域运行复杂性的增加，动态空域运行管理成为未来空管在空域管理方面的重要研究方向。在基于物联网技术的新型空管系统中，可融合星基、陆基监视等多种监视手段，实现航空器与空管部门对空域运行动态协同监视，并在此基础上利用开发的相关应用平台，针对不同的空域环境及使用需求，辅助管制员展开空域动态容量评估、空域动态扇区划分、临时航路开闭等空域管理决策。

5.3 在协同流量管理中的应用

协同流量管理指一种由各相关方协同合作来实施空中交通流量管理的理念，即通过整合空域管理者和使用者提供的信息，从而协同决策出合理的流量管理措施。在基于物联网技术的新型空管系统中，可通过在空管、航空公司航务部门之间部署相应的传感单元，依赖强大的“空管物联网”支持，实现对空中交通态势的共享，并利用开发的相关应用平台展开终端区协同流量管理、航路协同流量管理。

5.4 在跑道运行安全管理中的应用

跑道是机场飞行区运行管理的关键性资源。跑道运行安全主要包括防跑道侵入、飞机冲出／偏出跑道、看落错跑道、跑道异物检测等。在基于物联网技术的新型空管系统中，可通过采用多种传感器技术，如传感线圈技术、视频监视技术、射频识别技术等，实现对跑道使用状态的实时监控，保证管制部门能及时获取跑道运行动态，提高对跑道运行不安全事件的预防能力。

5.5 在空管设备状态管理中的应用

我国空管设备的系统化、精密化和网络化程度日益提高。空管设备的正常运行离不开高水平的综合保障技术。任何微小的设备故障都有可能引发一系列的连锁反应，甚至导致空管服务中断并影响相关区域的飞行安全。在基于物联网技术的新型空管系统中，可在通信、导航、监视等空管设备及其工作环境中安装相应的传感器，并利用“空管物联网”向空管部门实时传递各设备的运行状态，实现对空管设备的远程监控和及时维修。

6 结束语

分析了建设基于物联网技术的新型空管系统的基础，阐述了该新型空管系统的涵义以及其所具有的更透彻的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化3个特征。设计了基于物联网技术的新型空管系统总体框架，并对其中所使用的部分相关技术和支撑平台的未来研究着力点进行阐述。展望了基于物联网技术的新型空管系统在未来空管领域的应用前景。

［1］ 国务院.国务院关于促进民航业发展的若干意见［EB／OL］（2012－07－12）［2013－05－25］.http：／／www.gov.cn／zwgk／2012－07／12／content＿2181497.htm

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