单一飞行员驾驶模式技术

2020-06-08王淼肖刚王国庆

航空学报 2020年4期

王淼，肖刚，王国庆

上海交通大学航空航天学院，上海 200240

自20世纪50年代，大型民机客机和大型运输机通常配置多达5个飞行驾驶乘员：主驾驶(机长)(Captain)、副驾驶(First Pilot)、飞行工程师(Flight Engineer)、导航员(Navigator)和无线电操作员(Radio Operator)。多驾驶乘员模式是通过分工协同完成飞机运行任务组织与飞行过程管理。随着通信和导航技术和设备的发展，由于机长和副驾驶直接管理通信和导航任务，飞行工程师负责飞机系统任务和故障监视与维护，形成3乘员飞行驾驶模式。随着飞机玻璃座舱综合显示和系统综合技术发展，支持飞行独立感知和综合操作能力，形成双乘员驾驶模式。

双乘员驾驶模式[1]是当前针对多驾驶乘员综合和减员的有效方式，也是目前民用运输客机主要采用的驾驶模式。双乘员驾驶相对过去的多乘员驾驶模式而言，其主要特征是建立了驾驶与导航一体化，减少了驾驶乘员的配置，降低了驾驶决策的时间，同时避免了飞行驾驶决策单点故障问题。在双乘员驾驶模式中，主驾驶(机长)负责飞行环境的识别、飞行状态的管控、飞行模式组织和飞行任务的决策。副驾驶负责飞行环境的监视、飞行状态的审查、飞行模式掌握和飞行任务的辅助。即在飞行过程中，主驾驶负责飞行的感知、组织与管理，副驾驶负责飞行监视、支持和在特定许可下有条件负责飞行管理和控制。

多驾驶乘员虽然有效地减轻飞行员独立操作负荷，降低飞行员专业知识范围要求，但直接增加飞行乘员数量和成本(工资、培训和基础设施)，增加了飞机驾驶舱乘员空间需求，同时还增加了支持驾驶舱乘员的操作和协同设备。另外，更重要的是在多乘员协同驾驶过程，由于多乘员协同过程存在认知缺陷、思维偏离和操作不一致性，直接影响飞行驾驶决策和飞行过程组织的性能、效率和有效性，并对飞行安全产生一定的影响。

单一飞行员驾驶(Single Pilot Operation, SPO)模式[2]是美国FAA、欧洲EASA适航关注的重要领域，特别是美国NASA一直持续和深入进行研究，系统提出单一飞行员驾驶模式概念和运行架构，提出了面向飞行过程和条件与飞行员生理和行为的正常和非正常模式，构建了飞机飞行员、机载自动处理系统和地面航空公司操作员协同模式和运行操作组织，为单一飞行员驾驶模式技术发展奠定了基础。

单一飞行员驾驶模式在满足当前商用飞机双乘员驾驶模式功能和安全性条件下减少了飞行员数量，提升经济性[3]；减少驾驶舱资源配置，缩小了驾驶舱空间和减轻飞机重量；同时消除了飞行员决策冲突，提高了决策效率和缩短响应时间。随着技术进步和发展，减少飞行驾驶乘员是民机降低运行成本和提升飞行驾驶效率的重要发展途径。

美国NASA持续和深入进行单一飞行员驾驶模式研究，通过空域系统研究项目(Airspace Systems Program)[2]，系统提出单一飞行员驾驶模式概念和运行模式，建立了单一飞行员驾驶模式运行目标和原理，并针对多乘员驾驶模式、人与人交叉检验的确认模式提出主题专家、人在环实验和环境条件约束的人机协同决策方法，明确了飞行员、驾驶舱自动化系统和地面操作员的角色和责任，建立单一飞行员驾驶模式飞行过程感知、组织和决策模式，提供了复杂飞行环境决策的人与人、人与自动处理系统的交互和处理模式，覆盖了多乘员驾驶基于独立知识、感知和认知的交互协同决策能力。

单一飞行员驾驶模式需要对飞行员工作负担进行评估研究[4-7]，确保单一飞行员驾驶模式下能达到不高于双乘员驾驶模式下飞行员驾驶压力和负担，从而确保飞行的安全性[8-10]。同时，还需要从认知角度对飞机驾驶舱进行布局设计，从而确保驾驶舱智能自动系统可以有效支撑飞行员工作[11-16]及其有效性评估[17-19]。

单一飞行员驾驶模式主要研究内容是采用单一飞行员驾驶模式，覆盖双乘员驾驶模式的驾驶操纵效率和品质，实现驾驶乘员最少化，消除飞行环境认识分歧和飞行任务组织决策冲突，减少飞行驾驶响应时间，建立航空公司操作员、地面空管控制员和飞机飞行员一体化协同模式，实现基于飞行计划需求、基于空域交通、基于飞行状态的空地飞行过程协同管理。

中国虽然在新一代商用飞机技术研究方面就有一定的进展，但研究目标主要集中在传统飞机系统、能力和性能研究的基础上[20]，与当前国内与世界先进飞行相比主要集中在能力和性能存在的差距方面，未开展商用飞机单一飞行员驾驶模式人-机知识和认知协同技术等面向下一代航空前沿技术的研究。

1 单一飞行员驾驶模式描述

1.1 SPO组织架构

飞行机组成员在民用航空运输中有着非常重要的作用，需要依靠自己的能力来应对不断变化的飞行环境和条件，作出合理的决策，操纵飞机并安全地完成飞行任务。飞行过程中，如果机组工作量与成员数量不匹配，可能会造成飞行员注意力不集中、懈怠任务的情况，严重时还可能造成机毁人亡的航空事故。CCAR 25部[21]及其附录规定了针对最小飞行机组条款的适航要求。“最小飞行机组”是指在飞行驾驶舱的设备配置、布局等都已确定的情况下，机组成员没有过度的注意力集中或者感觉到疲劳，并安全完成飞行任务时所需要的最小编制人数。长期以来，该条款被认为是民机驾驶舱人为因素问题的首要条款。

在目前的双乘员驾驶模式下，虽然两者都具备驾驶飞机的能力，但只有一人作为主驾驶，负责飞机飞行操作，即驾驶飞行员(Pilot Flying)，按照飞行计划并实时监控飞行路径和偏离情况驾驶飞机；另一位是非驾驶飞行员(Pilot not Flying)，负责协助主驾驶完成导航、通信、监视等工作，缓解主驾驶的飞行压力；当主驾驶处于非正常状态时，可以替代主驾驶完成驾驶飞行。因此，在双乘员驾驶模式下，两者通过语言、神态、肢体动作等方式相互沟通、合作安全完成飞行任务。CCAR 25部[21]中要求“最小飞行机组”应不少于2名飞行员，但作为驾驶飞行员的主驾驶只能有1名，不能2人同时驾驶飞机。这就表明在CCAR 25部中已经隐含了可以允许单一飞行员驾驶设计的主要元素。

单一飞行员驾驶模式是面向双乘员驾驶飞行能力和安全性等级需求，通过建立飞行员+驾驶舱自动化系统+地面航空公司操控员协同模式。其主要运行思路为：① 确定飞行条件和模式，即针对飞行规范条件和非规范条件，建立飞行员+智能自动系统+地面操作员的责任和飞行能力，覆盖双乘员驾驶飞行过程环境；② 确定飞行员能力和状态，即针对单一飞行员正常能力范围和行为与非正常能力和行为，建立飞行员+驾驶舱自动化系统+地面操作员协同飞行员健康和行为管理，覆盖双乘员驾驶飞行操作模式；③ 确定人-机协同模式，其主要目的是针对人(飞行员)的知识和思维与机器的规则和逻辑，建立飞行员+驾驶舱自动化系统+地面操作员协同模式，覆盖双乘员驾驶独立检验与确认能力；④ 确定单点故障状态，其主要目的是根据飞行规范和不规范与飞行员能力正常和不正常状态，建立飞行员+智能自动系统+地面操作员协同故障识别，覆盖双乘员驾驶过程单点故障处理能力。SPO模式组织架构图如图1所示。

单一飞行员驾驶模式的目标是针对飞行过程组织需求，根据飞行环境条件，依据飞行员能力状态，构建飞行员标称驾驶与飞行员正常能力条件、飞行员非标称驾驶与飞行员正常能力条件、飞行员标称驾驶与飞行员非正常能力条件以及飞行员非标称驾驶与飞行员非正常能力条件4种模式，通过飞行员+驾驶舱自动化系统+地面航空公司操控员飞行驾驶协同模式，实现从起飞机场到目的机场飞行过程组织，覆盖所有飞行阶段、飞行环境、气象条件、机场要求和系统能力与状态，满足双乘员驾驶决策能力、效率和有效性需求，实现单一飞行员驾驶模式成本、可信性和安全性目标[22]。

SPO模式下虽然机上只有机长一名飞行员，但在驾驶舱自动系统中认知人机接口以及功能分配等智能分系统支持下，完成对机长注意力、疲劳度实时感知与功能分配，可以确保机长不会处于注意力不集中和疲劳状态。同时，由于机上只有一名飞行员，其身体出现异常状态的概率为10-6，而双乘员驾驶模式下飞行员都处于异常状态的概率为10-9。因此，SPO模式下可以通过地面操作员(包括远程飞行员)在空地链路支持下以及驾驶舱自动系统支持下完成远程飞行操作，可以确保安全完成飞行任务。

图1 SPO模式组织架构

1.2 空地协同架构

单一飞行员驾驶模式有别于双乘员驾驶模式的主要特点是建立在空地交联的规划-控制的系统组织模式之上的。由于机上没有了副驾驶作为主驾驶备份，在飞行员处于非正常能力条件下，需要依靠驾驶舱自动化系统和地面操作员协同完成飞行。此时，在空地数据链路正常的条件下，地面操作员对飞机的安全飞行负全责。地面操作员通过操控台实现远程飞行任务规划、组织和管理，有效地提升飞行运行和处理能力，实现地面飞行组织与管理；空中机载自动系统可以实现飞行环境信息采集、飞行状态组织和飞行操作执行，以及飞行信息感知、飞行状态组织和飞行系统管理，从而降低机载设备对飞行员操控的能力需求；空地数据链提供高速数据传输，可以提升空地协同能力，从而支持飞行环境感知和飞行任务决策能力。SPO模式下飞机-地面操作员协同架构如图2所示。

SPO模式下的航空公司地面操作员与双乘员驾驶模式下的地面签派员不同，不仅需要完成签派工作，还需要针对机上单一驾驶飞行员身体状态和驾驶规范协助飞行员完成安全飞行。在机上单一飞行员处于非正常身体状态时可以远程作为“副驾驶”驾驶飞机，确保安全飞行。根据具体的工作职责，单一飞行员驾驶模式下的地面操作员可以分为以下4类[23]，如图3所示。

1) 远程飞行员，在机上单一驾驶飞行员不在岗位上(去洗手间)或者身体处于非正常状态下，代替机上飞行员远程驾驶飞机，在机载自动系统协助下远程驾驶飞机完成飞行任务。

2) 港口飞行员可以不具备远程驾驶能力，在机上单一驾驶飞行员专注于驾驶飞机完成场面运行、滑行、起飞、进近、降落时，协助机上飞行员完成监视、告警等任务；如果机上飞行员处于非正常状态时，需要远程飞行员参与，完成远程驾驶。港口飞行员也可以具备远程驾驶能力，当机上飞行员处于非正常状态时，在机载自动系统协助下远程驾驶飞机完成飞行任务。

图2 飞机-地面操作员协同系统架构

图3 SPO模式下地面操作员角色

3) 混合地面操作员是在现有航空公司签派员的基础上，还可以协助机上单一驾驶飞行员完成监视、飞行计划更改等任务。为了降低航空公司成本，混合地面操作员在机上飞行员处于健康状态以及标称驾驶下，可最多同时协助多架飞机。因此，混合地面操作员不具备远程驾驶能力，如果有单一驾驶飞行员需要远程协助，混合地面操作员将专注于这一架飞机，并且角色转换为专一地面操作员。

4) 专一地面操作员是在单一驾驶飞行员处于非标称驾驶或者紧急事务处理(发动机失效、液压失效、严酷气象条件等)，机上飞行员工作负担加重，需要一对一协助飞行员完成飞行任务；如果飞行员精神极度紧张，失去正常驾驶能力时，可以在驾驶舱自动系统支持下，远程控制飞机并安全完成飞行。

在单一飞行员驾驶模式下，地面操作员在地面控制台的支持下，将完成以下功能：

1) 地面控制台任务规划与空中机载信息组织协同。地面控制台和空中机载控制系统根据飞行任务规划，建立飞行任务组织、运行和管理通用共享信息平台，支持飞行任务需求；根据飞行任务构成，建立飞行环境、条件和状态通用共享信息平台，支持飞行任务组织；根据飞行任务的运行，建立飞行管理、通信、监视通用共享信息平台，支持飞行任务管理。

2) 地面控制台任务运行管理与空中机载飞行状态组织综合。地面控制台和空中机载控制系统根据飞行环境状态，建立飞行任务、能力和目标通用共享信息平台，确定任务处理需求，支持任务选择决策；根据任务运行状态，建立飞行任务运行、性能和结果通用共享信息平台，确定任务运行性能，支持任务控制决策；根据任务处理状态，建立飞行功能类型、能力和品质通用共享信息平台，确定功能处理过程，支持任务处理决策。

3) 信息共享平台与飞行任务需求决策。地面控制台和空中机载控制系统根据信息平台共享能力，建立飞行任务需求、任务组织和任务决策模式，确定决策与飞行使命的适应性；根据信息平台覆盖能力，建立飞行任务需求、任务组织和任务决策范围，确定决策与飞行环境需求的适应性；根据信息平台组织能力，建立飞行任务需求、任务组织和任务决策效率，确定决策与飞行目标需求的适应性。

2 单一飞行员驾驶模式的协同交互

2.1 双乘员驾驶模式下的协同交互

已知飞行管理是飞机飞行员、空中交通管制(ATM)系统空管员和航空公司签派员(简称飞机-空管-航空公司)协同管理过程。其中，航空公司是飞机使用方，负责飞行计划组织；空管系统是空域管理方，负责空域交通和飞机航路管理；飞行员是飞机的操作方，负责面向飞行计划和许可的驾驶。因此，建立什么样的飞机-空管-航空公司协同模式，既符合各方的需求，又满足各方的利益，同时还可得到各方当前处理功能和服务的能力支持，是飞行过程组织和管理首要解决的问题。

飞机-空管-航空公司协同模式提供自动飞行运行、飞行性能、飞行状态、飞行航迹和航路气象信息交换功能，支持飞机飞行管理系统飞行组织、空管系统空域航路组织和航空公司运营控制(AOC)飞行计划组织，提供精确地飞行航迹预计和评估，支持飞行环境的态势评估，提升飞行过程决策能力。

在飞机-空管-航空公司协同模式中，飞机部分由飞行管理系统(FMS)、座舱显示系统(Cockpit Display System)和通信系统(Communication System)构成，其中，飞行管理系统负责提供飞机横向、纵向和垂直位置、飞行意向和飞行航迹等参数；空管部分由空管自动处理系统(Automation System)、交通流量管理(TFM)和扇区控制站(ATSP-CS)构成，其中，空管自动处理系统负责飞行航迹预计、航路气象预测和飞行航迹决策，交通流量管理负责飞行航路冲突分析、飞行航路分配和空域流量管理，扇区地面站负责飞行命令与许可交互、空/地通信管理和扇区控制。双乘员驾驶模式下的飞机-空管-航空公司协同模式系统架构如图4所示。

飞机-空管-航空公司协同模式的目标是协同组织和管理飞机的飞行过程，如图4所示。其飞机的飞行过程建立在三方通信和管理的基础上。飞机-空管-航空公司协同模式通过空/地数据链和地/地数据链实现它们之间的交联，根据系统的功能和要求定义它们之间的通信消息和类型。空/地数据链是建立在地面空管系统空管员与飞机飞行员数据通信链路(CPDLC)和自动相关监视广播(ADS-B)数据链的基础上，支持上传消息(Uplink Messages)、下传消息(Downlink Messages)和自由格式消息(Free Messages)。地/地数据链是地面航空通信网络(ATN)，支持航空空中交通服务(ATSP)的所有的功能。其中，FMS通过CPDLC自动下传和接收飞行信息，如飞行状态、飞行意向和航路气象数据等参数，以及空中测量的航路气象数据，加载地面航空公司和空管上传的数据。ADS-B给地面和空域临近飞机传输飞机费飞行状态和飞行意向数据，支持飞行决策系统。空管系统自动加载和处理航空公司传输的飞行计划请求信息，通过决策系统实现飞行航迹依据和改进，并通过飞机通信寻址与报告系统(ACARS)数据链将飞机发送的气象数据与地面预报的气象数据综合，完成航路气象预测，并提供向飞行员通知(NOTAM)服务。

图4 飞机-空管-航空公司协同系统架构

飞机-空管-航空公司协同模式可以提升空管系统飞机飞行航迹的依据能力和空域交通态势，增强了空域交通排序、调度和航路计划调整，提高潜在飞行冲突检测、评估和解决能力，有利于减少飞机飞行间隔缓冲以及提高空域利用率。同时，飞机-空管-航空公司协同模式通过空域气象信息数据交换，可以改进现有飞机FMS预测能力，增强飞行过程和飞行航迹意向符合性。另外，自动信息交换和加载不仅可以提升系统决策和处理效率，也可以减少飞行员、空管员和航空公司操作员的工作负荷。

2.2 单一飞行员驾驶模式下的协同交互

单一飞行员驾驶模式的重要目标和前提是覆盖双乘员驾驶模式的飞行操纵过程和安全能力保障。已知双乘员驾驶模式一个重要的特征是人-人交互决策模式，即主驾驶和副驾驶独立感知和认知交互决策；而单一飞行员驾驶模式重要特征是人-机交互决策模式，即单一飞行员的能力和认知与机器(智能设备)的规则和逻辑交互决策。同时，SPO模式下飞行员存在标称和非标称驾驶，以及正常能力和非正常能力驾驶。

飞行员按照标称(Nominal)/非标称(Off-Nominal)驾驶是描述飞行员操作过程结果与飞行许可的符合性和飞行员操作过程状态与飞行操作需求的符合性，是描述飞行过程中飞行员操作过程非逻辑和故障操作状态。如飞行操作输出的航迹与航迹预测(含误差容限)的符合性、飞行员飞行过程操作与飞行包线的符合性。正常(Healthy)/非正常(Incapacitated)驾驶能力是描述飞行员在飞行过程中自身身体条件是否可以达到操控飞机的能力。如在飞行过程中飞行员发病或离岗(去洗手间)过程。

在飞行员具备正常能力和标称驾驶的条件下，地面操作员只配合飞行员完成相关监视任务即可，地面操作员通常可以同时监视多架飞机。在非标称驾驶下，地面操作员根据复杂程度，协助飞行员完成操作，极端情况下一对一完成。当飞行员不具备正常驾驶能力时，由地面操作员将通过地面网络与空管系统进行交互，并与驾驶舱自动化系统协同完成飞行任务。

因此，单一飞行员驾驶模式针对复杂的飞行条件(标称和非标称驾驶)，依据变化的单一飞行员能力(正常和非正常)，建立飞行员的知识和认知空间与机器的规则与逻辑空域通过交互推演(智能化)，构建覆盖双乘员驾驶模式飞行过程组织和能力，并保证飞行性能和安全。因此，建立人-机交互决策能力且覆盖人-人交互决策模式是单一飞行员驾驶模式核心技术，如图5所示。

由于SPO模式下机上仅有一名飞行员，并且是机上唯一掌控飞机飞行的操作员，机上飞行员的驾驶能力以及身体状态对于安全飞行十分重要。通过智能化机载设备可以对飞行员驾驶规范进行实时监控，判断是否处于标称驾驶状态；同时，通过认知人机接口(Cognitive Human-Machine Interface)对飞行员身体状态进行实时监控，判断飞行员是否处于身体正常状态。针对飞行员驾驶规范以及身体状态，SPO模式下可以动态分配加上飞行员执行的功能，必要时可以调整飞机的掌控权，确保安全飞行，如图6所示。

当机上单一驾驶飞行员身体处于健康状态，并按照标称驾驶完成飞行操作时，机长在驾驶舱自动系统辅助下掌控飞机。此时，地面操作员角色为混合地面操作员，其在地面自动系统协助下，负责监视、签派等工作，可最多同时协助20架飞机飞行。

当机上单一驾驶飞行员身体处于健康状态，但由于特殊原因(例如，单发失效、液压故障、严酷天气等)飞行员操控处于非标称驾驶，需要地面操作员提供协助完成安全飞行。此时，地面操作员角色为专一地面操作员，对飞机提供一对一协助，之前按照混合地面操作员同时协助的飞机将移交给其他地面操作员处理。此时的地面操作员角色为被协助飞机的“远程副驾驶”。但此时仍由机上单一驾驶飞行员在驾驶舱自动系统辅助下掌控飞机。

当机上单一驾驶飞行员身体处于非正常状态，但飞机还处于标称驾驶状态下时，机长不再负责掌控飞机；此时，地面操作员角色为远程飞行员，其在驾驶舱自动系统执行自动控制程序协助下掌控飞机，并对飞机飞行安全负责。

当机上单一驾驶飞行员身体处于非正常状态，飞机同时还处于非标称驾驶状态下时，机长同样不再负责掌控飞机；此时，地面操作员角色为远程飞行员，其在驾驶舱自动系统执行自动控制程序协助下掌控飞机，但需要结合非标称驾驶的原因来判断飞行安全负责权。如果空/地链路通讯不畅时，地面操作员无法正常掌控飞机，不对飞机飞行安全负责。此时，飞机将在座舱自动系统按照紧急着陆规划(Emergency Landing Planner)执行自动程序，自动完成紧急着陆。

图5 SPO协同系统架构

图6 SPO空地操作授权

3 单一飞行员驾驶模式的飞行过程组织

飞行过程组织是飞行管理基本活动组织。飞行过程组织是基于用户飞行需求、空域交通环境和飞机飞行状态的综合过程组织。已知飞行过程管理是基于飞行计划需求，根据空域交通管理，依据飞行状态的综合管理过程。其中，航空公司负责飞行使用需求，建立和调整飞行计划，提供飞行航路气象状态，监视飞机航迹和应急过程；空管系统负责空域交通管理，监视飞机当前飞行状态，评估飞机飞行航路计划，提供飞行许可管理；飞行员负责飞行计划识别、飞行环境感知、飞行任务组织和飞行操纵控制过程。也就是说，飞行过程组织是建立航空公司、空管系统和飞行员协同飞行管理的基础上，形成的飞行过程活动。

因此，对于单一飞行员驾驶模式下的飞行过程来说，飞行过程是一组基于飞行计划组织、面向飞机应用目标，针对当前空域交通环境，依据飞机自身能力，通过飞行员、空管系统和航空公司地面操作员三方协同管理，满足三方需求的一系列飞行应用活动组织。航空电子系统[24-25]针对飞行过程组织和管理的需求，通过构建飞机使命的飞行计划组织，提供飞行目标的飞行引导能力，从而建立飞行环境的条件限制、确立飞行状态的能力组织构型、组建整个飞行综合条件的飞行过程，最终形成支持飞行过程各个利益方——飞机、空管和航空公司协同组织与管理模式。

3.1 飞行计划与动态飞行计划

已知任何飞行过程都是有计划的，或者说所有的飞行过程组织和管理都是建立在飞行计划组织、执行和管理的基础上。飞行计划主要任务是：① 确定了飞行的使命，包括飞行航程、客载和商载、飞行航线、飞行时间；② 明确了飞行的目标，包括起飞机场、降落机场、起飞时间、飞行距离；③ 确定了飞行的条件，包括飞行航路、飞行管理数据库、水平/垂直引导、导航模式；④ 组建了飞行的模式，包括飞行路径、飞行性能、航迹预测、计划管理。

单一飞行员驾驶模式下的飞行过程组织与管理是在飞行计划的基础上，根据飞行空域交通管理，依据飞行航路气象条件，针对飞行计划运行状态和适应能力，通过飞行员、空管员和航空公司地面操作员三方协同，实现基于飞行计划的飞行过程组织和管理。

已知任何计划都是事先定义的，也就是说，飞行计划是在建立飞行过程组织和运行之前，是建立在空域交通环境和航路气象条件以及飞行能力和性能预期的基础上。由于空域交通环境和航路气象条件以及飞行能力都是实时动态变化的，这种实时动态变化在任何时刻都可能造成原飞行计划不适应，必须在飞行过程进行实时飞行计划修改和调整才能满足当前有效和安全飞行过程要求。这就是说，飞行计划是飞行组织的基础，动态飞行计划是飞行管理的保障。SPO模式下的飞行计划管理由机上飞行员发出指令，航空公司地面操作员应该根据飞机飞行过程实时情况，并结合机上飞行员驾驶情况(标称/非标称驾驶)和身体情况(正常/非正常驾驶)按需协助飞行员完成飞行计划动态调整，确保飞行的安全性。单一飞行员驾驶模式下飞行计划与动态飞行计划组织架构如图7所示。

3.2 机场场面运行过程

机场场面运行是飞机飞行阶段重要的组成部分。在飞行基础设施组成中，如航线、空域、卫星和机场等，机场资源(终端空域)能力和场面运行有效性是飞机飞行过程组织和飞行过程运行的核心能力与重要组成部分。特别是大都市高密度起飞和降落机场，机场场面运行能力、效率、确定性和安全性不仅影响飞机自身的目标需求，同时影响整个区域的运输能力和效率。因此，机场场面运行组织和管理一直受到特别的关注。

随着飞行运输能力的高速发展，特别是对于大都市高密度起降机场，机场场面的交通环境复杂性急剧增加，直接影响机场场面运行能力、效率和安全性。这种影响主要反映在以下几个方面：① 由于机场场面独立运动载体急剧增加，直接导致机场跑道入侵的概率增加，机场场面滑行冲突增大，飞机滑行过程时间增长，飞机滑行效率降低；② 由于机场场面独立运动载体独立性和多样性，飞机滑行的确定性和可预测性降低，滑行过程启停增多，增加了滑行燃油和排放，增大了对机场空域环境的影响；③ 由于机载旅客摆渡车辆、行李车辆、加油车辆、应急车辆的独立运行过程，大大增加机场场面滑行的拥挤，限制了飞机滑行的效率；④ 由于机场恶劣气象条件的运行需求，如大雾、雾霾和低能见度，限定了飞机滑行过程，增加了飞机滑行间隔，降低了机场起飞调度能力；⑤ 由于传统的非一体化和有限的机场场面环境管理模式，如飞行员自主滑行管理模式，基于视觉飞机滑行监控能力，基于滑行许可的机场跑道排序组织，基于起飞许可的机场跑道运行状态，以及独立的机场到达和起飞管理，大大增加了飞机滑行冲突可能性，增加了机场场面交通环境复杂性，降低了机场场面运行效率和安全性。因此，必须在单一飞行员驾驶模式基础上建立机场场面交通运行和管理能力，以满足航空高速发展的需求。

图7 SPO模式下飞行计划与动态飞行计划组织架构

机场场面运行管理是根据机场场面交通环境，针对机场独立运动载体的目标需求，依据机场活动区域能力状态，面向机场交通运行组织，提升机场场面运行能力、效率和安全性，实现机场场面运行满足空域流量组织最大化要求。在单一飞行员驾驶模式下，可依靠座舱智能自动系统与机场场面管理软件通信协同完成场面管理，同时航空公司地面操作员在地面配合机长完成场面监视等任务；如遇到特殊情况，例如跑道入侵，协同飞行员完成相关操作。单一飞行员驾驶模式下的机场场面运行管理组织架构如图8所示。

3.3 起飞和降落飞行过程

起飞和降落飞行过程是飞机进入航线飞行和进入终端到达的过程，是飞机飞行状态调整和交通环境管理最为重要的阶段，也是飞行燃油消耗和安全性影响最大的阶段。起飞和降落过程是不仅对飞行航路组织、飞机运行效率和终端空域交通管理提出了强烈的需求，同时对飞机飞行计划目标、终端交通流量和机场运行效率产生很大的影响。特别对于大都市高密度起飞和降落机场，起飞和降落能力对机场吞吐率、跑道利用效率和过程安全性都具有非常大的影响。因此，起飞和降落运行组织和管理是单一飞行员驾驶模式下飞机飞行过程最为关注的飞行阶段。

起飞和降落飞行过程的目标是根据飞机的飞行计划需求，提供灵活飞行航路选择，支持用户偏好请求，提供动态环境适应，满足实时飞行环境变化，支持恶劣气象回避，消除起飞和到达飞行航路拥挤，降低机场空域交通流量饱和，建立更加灵活、精确和面向用户(飞行员)意愿的起飞与降落航路，支持安全保证的灵活和有效起飞和降落过程。

依据美国下一代空管系统计划(NextGen)和欧洲单一天空计划(SESAR)，新一代单一飞行员驾驶模式下的起飞和降落飞行过程需要支持连续爬升和连续下降过程。即建立连续爬升和连续降落过程组织与管理，通过智能自动系统减少单一飞行员操作负担，减少阶梯爬升和降落过程的盘旋等待，支持空域能力最大化，提升起飞和降落航路的效率，降低了燃油和排放。同时，新一代单一飞行员驾驶模式下的起飞和降落过程支持起飞过程和降落过程与机场场面管理综合。即通过座舱智能自动系统达到起飞过程与机场场面管理的综合，通过与航路临近空域空管站同步，消除进入飞行航路冲突，建立更加平滑的起飞过程，提升爬升过程流量和效率；通过座舱智能自动系统达到降落过程与机场场面管理的综合，即通过场面交通跟踪和控制，提供了更加灵活的跑道使用平衡，支持优化机场场面和机场空域资源分配，降低飞行降落跑道占用时间，提升起飞运行灵活性和降落效率。

图8 SPO模式下机场场面运行管理组织架构

单一飞行员驾驶模式下的起飞和降落飞行过程是基于航空公司地面操作员或飞行员的请求，通过与空管系统的协同，建立飞行目标、飞行环境和空域交通相互平衡的飞行航迹需求组织。起飞和降落航路是建立在飞行员或航空公司地面操作员请求与空管系统组织的协同基础上。由于起飞和降落是强实时过程，航路的组织是由跑道起飞离地节点(TTF)到爬升顶点(TOC)或降落顶点(TOD)到进近初始节点(IAF)过程构成，飞行航路调整主要是基于其气象危害或应急处理需求，飞行航路调整协同过程是基于飞行员的飞行环境感知、请求和确认与空管系统构建、评估和监视。在飞行员需要帮助的条件下，航空公司地面操作员将参与起飞和降落航路调整的协同过程。

起飞和降落飞行过程一般分为阶梯起飞爬升和到达降落过程与连续起飞爬升和到达降落过程。所谓阶梯起飞爬升和到达降落过程是基于空域高度状态管理的飞行爬升和降落组织过程，是依据飞行爬升和下降空域飞行高度层的划分，建立面向飞行高度空域运行状态管理，协同飞机爬升过程组织。所谓连续起飞爬升和到达降落过程是基于飞行航迹管理的飞行爬升和降落组织过程，是依据飞机运行航迹(TBO)组织，建立面向飞机飞行航迹的运行状态管理，协同飞机爬升过程组织。

单一飞行员驾驶模式下的起飞和降落飞行过程组织是根据飞行计划，针对空域恶劣气象和风力感知环境，通过空管系统与飞行员或航空公司地面操作员协同，在座舱智能自动系统支持下提供灵活的航路选择，提前规划空域航路拥挤和恶劣气象环境的优化路径，降低在爬升最高汇集定点(TOC)和降落进近汇集点(IAF)分散和冲突，从而提升决策准确性和效率，并确保飞行的安全性。单一飞行员驾驶模式下的起飞和降落飞行过程组织架构如图9所示。

3.4 陆基航路飞行过程

陆基航路(Continental En Route)飞行过程是依据飞行计划，基于区域导航(RNAV)引导、地面雷达监视覆盖、地面通信服务支持和地面空域交通管理的长航时飞行过程。从整个飞行阶段组成来看，机场空域起飞爬升过程、到达降落过程和机场场面滑行过程对飞机飞行过程流量和效率产生很大影响，但从飞机整个飞行过程来看，由于飞机起飞和降落时间较短，这些影响对整个飞行过程占的比例有限。陆基航路飞行是长航时的。对一般大都市之间飞行来说，陆基航路飞行距离和时间远远超过机场起飞和降落过程(洋区空域飞行一般说来更长，在这里主要是讨论陆基航路飞行，洋区空域飞行在3.5节讨论)。由于陆基飞行距离和时间都比较长，而空域交通状态和气象条件是实时变化的。因此，陆基航路飞行将会遇到各种各样交通管理和气象条件，任何交通状态，如交通拥挤、冲突和偏离，任何气象条件，如雷暴、逆风和对流，都会对陆基航路飞行过程产生很大影响，从而直接影响整个飞行过程效率、成本和收益。因此，如何建立有效陆基航路飞行过程，降低空域交通环境和气象条件的影响，提升飞行能力和效率，一直是飞行过程组织研究的重要领域。

图9 SPO模式下起飞和降落飞行过程组织架构

同洋区空域飞行相比，陆基航路飞行主要特征是具有空管地面站(ATSP-SC)、通信地面站、导航地面站和地面监视雷达支持。其中，有空管地面站提供飞行扇区与进入和飞出飞行的飞机交互和管理；通信地面站提供空域和航空公司与飞机语音通信和数据链；导航地面站(如地面无线电信标机/地面测距仪)提供飞行位置和飞行引导支持能力；地面监视雷达提供飞机飞行状态和航迹监视能力。同时与洋区空域飞行一样，全球导航卫星系统(GNSS)、全球移动通信系统(海事卫星和铱星)、全球气象服务系统(气象卫星)以及星基、空基和地基增强系统等也提供对陆基航路飞行的支持和服务。

单一飞行员驾驶模式下的陆基航路飞行过程是基于飞行时间长和空域交通与航路气象实时变化的现象，针对空域的使用效率需求，在座舱智能自动系统支持下建立动态航路选择和组织的能力，支持灵活空域航路组织，消除空域交通横路拥挤，回避实时航路气象危害；针对飞行航路优化组织的需求，在座舱智能自动系统支持下建立基于用户偏好飞行航迹，优化飞行航迹，回避航路冲突和降低条件约束，增强飞行性能，提高飞行效率；针对飞行引导需求，在座舱智能自动系统支持下建立基于导航地面站(如地面无线电信标机/地面测距仪)和卫星组合导航系统，提供基于性能导航(PBN)能力，支持基于航迹引导的高精度导航路径组织，提升飞行引导能力和精度；针对飞行状态监视需求，构建基于航迹运行的飞行容限，在座舱智能自动系统支持下建立飞行状态、地面雷达和机载雷达对飞行、交通和气象的综合监视，支持飞行告警和协同飞行过程组织，提供飞行安全性和有效性；针对空域特殊使用区域(SUA)需求，在航空公司地面操作员协助下建立空域特殊使用区域(SUA)计划和协同机制，支持规避、隔离、监视和协同管理模式，有效保证空域特殊使用区域(SUA)防护要求，同时提供空域利用率。单一飞行员驾驶模式下的陆基航路飞行过程组织架构如图10所示。

图10 SPO模式下路基航路飞行过程组织架构

3.5 洋区空域飞行过程

洋区空域飞行(Oceanic Flight)主要是描述2个大陆之间的越洋飞行过程。洋区空域飞行的主要特征是：长航时飞行过程、无地面设施支持和无地貌飞行感知。洋区空域飞行的这些特征使之飞行过程具有特殊的需求和模式。

长航时飞行过程是洋区空域飞行的重要特征。前面介绍的陆基航路飞行具有长飞行时间的特征是相对起飞爬升和降落进近过程而言的。陆基航路飞行是描述内陆飞行过程，飞行时间一般为1～4 h或1～5 h，通常是在同一个国家空管系统管理的空域环境中飞行；而洋区空域飞行是描述大陆之间的海洋空域飞行过程，飞行时间一般长达到10 h左右，通常是穿越多个国家空管系统的空域。由于洋区空域飞行的长航时特征，飞行航路的气象条件和交通状况不可能保持不变，也就是同一个飞行高度和固定的飞行航路不可能提供和维持优化飞行过程。因此，在洋区空域飞行计划航路组织过程中，根据气象预报规划不同阶段的飞行高度。在飞行过程中，支持动态飞行高度调整，支持动态机动穿越和支持授权自主管理模式。

无地面设施支持是洋区空域飞行的另一重要特征。由于是在洋区空域飞行，海平面上没有地面飞行支持设施。如地面空管控制站、通信服务地面站、地面无线电信标机(VOR)、地面测距仪(DME)和地面监视雷达。除了高频通信(HF)外，飞行过程管理是建立在基于卫星的通信、导航和监视的空管系统(CNS/ATM)基础上。由于目前通信卫星(海事卫星和铱星)的通信带宽和性能限制，导航卫星的区域和完好性要求，空中主动询问应答的范围和性能条件，对洋区空域飞行组织和管理带来较大的影响。因此，洋区空域飞行组织和管理的能力和性能建立在基于卫星通信链路(SATCOM)消息传输所需通信性能(RCP)、基于导航卫星能力组织的所需导航性能(RNP)和基于卫星飞行状态传输(ADS-C)所需监视性能(RSP)综合的基础上，构建洋区空域飞行组织、引导、监视和管理过程。

无地貌飞行感知是描述洋区空域飞行的飞行员驾驶环境。已知在洋区空域飞行过程中，飞机前方和下方通常都是一片无尽的海洋，无任何地貌特征。驾驶舱显示系统只提供驾驶操作模式图，没有地貌特征的数字地图。飞行员驾驶过程中无法获取驾驶窗外视觉感知，只能通过驾驶舱显示仪表实施飞行计划和飞行任务观测，通过机载主动询问和应答完成附近空域交通环境的感知，通过完成机载导航和监视完成飞机状态的监视，通过卫星通信链路完成与空管的协同决策。因此，洋区空域飞行组织和管理能力和性能是建立在飞机机载设备的功能和性能的基础上，提供飞行员驾驶过程的感知、操作和控制能力，实现构建洋区空域飞行过程的组织和管理。

单一飞行员驾驶模式下的洋区空域飞行过程是针对洋区空域运行环境，根据洋区航路运行过程能力特征，在座舱智能自动系统支持以及航空公司地面操作员协同下建立面向洋区空域航路能力和飞行需求平衡的飞行计划组织过程，构建均衡航路负荷的飞行计划过程，提供基于能力的飞行计划组织、基于状态的飞行计划组织和基于过程的飞行计划组织，有效地平衡洋区空域飞行航路的负荷；针对洋区空域航路交通环境，根据洋区航路冲突和约束，在座舱智能自动系统支持以及航空公司地面操作员协同下建立用户偏好航路组织能力过程，支持基于用户偏好洋区空域航路规划协同组织和管理，消除航路冲突和限制，有效提升洋区空域飞行航路能力；针对洋区空域航路飞行高度交通拥挤和气象约束，根据洋区空域航路其他高度交通状态和气象条件，在座舱智能自动系统支持以及航空公司地面操作员协同下建立自主飞行高度调整机动过程，规避了原飞行高度的气象状态和航路冲突的影响，有效利用洋区空域空间能力；针对洋区空域航路飞行模式，根据洋区空域交通环境和气象条件复杂性，在座舱智能自动系统支持以及航空公司地面操作员协同下建立洋区空域的冲突自主机动穿越过程，支持洋区空域航路冲突飞行航路自主调整和运行，有效提升洋区空域飞行过程效率。单一飞行员驾驶模式下的洋区空域飞行过程组织架构如图11所示。

图11 SPO模式下洋区空域飞行过程组织架构

4 SPO远程操控演示验证系统

为了达到3.2节描述的SPO模式空地协同交互过程，SPO模式下对于飞机座舱自动系统以及操控模式相对于现有机型来说，有较大设计改动，主要包括以下2点：① 座舱中需要增加认知人机接口来实时采集飞行员身体状态数据，通过分析和功能分配确保飞行员不会由于工作负荷大而处于精神紧张状态，确保安全飞行；② 航空公司地面操作员可以远程辅助机上驾驶员完成监视等相关工作，可以减轻机上飞行员工作负荷，甚至在身体出现非正常状态时可以接替机上飞行员驾驶飞机并完成飞行。前者主要是通过在座舱中加装脑电波监测、心电监测、呼吸监测等传感器完成飞行员身体指标数据采集，后者主要是通过搭建地面管理系统，并通过空地数据链与机上座舱系统互联，可以做到下传飞行参数和视景及协同任务信息，上传控制命令和协同任务信息。本节主要针对SPO模式下，飞行员处于非正常身体状态，需要地面操作员在地面管理系统支持下完成飞机远程操控的演示和验证。

4.1 系统组成

整个远程操控演示验证系统架构如图12所示。演示验证系统由3部分组成：模拟飞机座舱、数据中转站以及地面管理系统。模拟飞机座舱对真实飞机在空中飞行时的状态进行仿真，可以接收来自数据中转站的操控数据，并在虚拟的飞行环境中产生一系列飞行仿真数据；同时还集成了真实飞机座舱上的主要显示界面和操作设备，并且加装了前视摄像头，可以接收外来数据，并在虚拟环境中飞行。模拟飞机座舱对真实飞机在空中飞行时的状态进行仿真，并将摄像头采集的数据通过数据中转站发送到地面管理系统。

数据中转站负责模拟飞机座舱与地面管理系统之间的数据通信，接收来自模拟飞机座舱的数据，经处理后转发给地面控制站和运营监控中心；接收来自地面控制站的操控信息，处理后转发给模拟飞机座舱。所有数据的收发都通过WIFI的方式完成。数据中转站在演示系统中安装在一台笔记本电脑中，数据中转站模拟的是飞机实际运营场景中的地面数据中转站，负责飞机与地面管理系统之间的通信。

地面管理系统包括2部分：地面控制站和运营监控中心。地面控制站集成了飞行员在地面的操纵设备和操控信息发送站，地面操控设备包括侧杆、油门杆、脚蹬、地面控制站显示设备、机载摄像头数据显示设备。地面控制站显示界面在一台笔记本电脑上显示，机载摄像头数据由投影仪及幕布进行显示操控信息发送站运行在一台笔记本电脑上，负责获取侧杆、油门杆、脚蹬的操纵数据并发送给数据中转站。

图12 SPO模式下远程操控演示验证系统架构

运营监控中心根据界面上飞机的监控信息对飞机进行监控，与地面控制站协作对飞机进行远程操控。运营监控中心负责对飞机的飞行计划、性能曲线、数据监控、飞行仪表等进行监控。运行界面显示在一台笔记本电脑上。运营监控中心模拟的是飞机实际运营场景中的塔台以及航空公司，在实际运营中地面控制站需要和运营监控中心协作完成对SPO飞机的远程操控驾驶。

4.2 数据通信

本文通过4G网络模拟卫星链路和空地数据链的方式建立SPO模式下远程操控通信模块完成数据通信，如图13所示。使用3台电脑分别作为操控信息发送站、数据中专站、运营监控中心，并通过蒲公英VPN进行组网，使用UDP/IP协议完成各台电脑间的通信。

操控信息发送站运行接入程序或许设备信息，包括：手柄、踏板、油门，然后发送接收到的设备数据给数据中专站。数据中转站作为空地数据中转时，接收操控信息发送站获取到的设备数据，并发送给仿真器，主要包括如下工作：

1) 初始化UDPClient，接收操控信息发送站的数据。

2) 初始化UDPClient，发送数据给模拟飞机座舱。

3) 设置远程主机，连接到操控信息发送站。

4) 设置远程主机，连接到仿真器。

5) 开启线程，实现接收操控信息发送站的设备数据，并将数据发送给仿真器。

数据中转站提供地面控制站以及运营监控中心数据中转服务时，主要完成以下工作：

1) 初始化UDPClient，获取仿真器数据。

2) 通过UDP获取仿真器数据。

3) 将UDPSend和运营监控中心联系起来。

4) 将UDPSendInstructure和操控信息发送站联系起来。

5) 开启线程，接收仿真器发出的数据并转发给操控信息发送站和运营监控中心。

6) 监听仿真器数据，接收到数据后，把数据转换成结构体。

7) 将仿真器发出的数据转发给操控信息发送站。

8) 将仿真器发出的数据转发给运营监控中心。

4.3 验证评估

为了对搭建的SPO模式下远程操控演示验证系统进行评估，邀请了中国东方航空公司波音777型机长1名、空客320型机长1名、签派员1名，实际操作SPO远程操控演示验证系统。为了进一步增加操作界面的功能性和友好性，对整个系统的功能显示界面进行了设计，如图14所示。主要包括：航路组织规划模块、飞机外部环境感知模块、飞机内部状态感知模块、视景信息管理模块和通信数据管理模块。其中：航路组织规划模块核心是飞行管理单元，其根据所上传飞行计划制定水平和垂直包线，并指挥飞行控制系统、燃油系统、引气系统、导航系统等飞机系统按照既定的飞行航路进行作动和调整；飞机外部环境感知模块主要负责感知飞机位置信息，并与通过大气数据系统、惯性参考系统、机载收发机获取的信息融合，通过数据链下传至地面控制设备；飞机内部状态感知模块采集对飞机飞行安全较为重要的状态信息，实现对货机状态的系统性感知，并通过双向数据链实现与地面控制站的交互；视景信息管理模块与通信数据管理模块相连并记录与下传视频形式的飞机前方视景信息；通信数据管理模块负责对上下传的数据进行管理与暂存，其与航路组织规划模块、飞机外部环境感知模块、飞机内部状态感知模块、视景信息管理模块相连进行机上信息的处理，与空地数据链相连对下传信息进行转发，同时其内部的校验机制也将对数据的完整性和有效性进行保障。