智能航空背景下飞机离场过程信息共享方法研究

黄 涛,张 琳

(1.沈阳航空航天大学 通用航空产业发展研究中心；2.沈阳航空航天大学 民用航空学院，辽宁 沈阳 110136)

随着民航的快速发展以及新技术的逐渐成熟和应用，航空运输系统逐步向智能化迈进。在航空运输系统中，航空器的离场管理是机场管理和空中交通管理的重要组成部分。2019年，国际民航组织(ICAO)在航空系统组块升级(ASBU)框架中对机场协同决策机制信息共享(ACIS)进行了规划[1]。目前，航空运输系统更加依赖于信息资源共享来提升运行效率[2-3]，部分国家进行了许多相关技术及工具的研发。

本文阐述了航空器离场管理的运行概念，分析航空器离场过程中存在的数据信息共享需求，得出离场信息共享的目标，并提出了遵循面向服务的体系结构(SOA)[4]的离场信息共享平台架构方案，结合目前我国航空系统的发展规划对搭建平台的关键技术进行了分析研究，基于ICAO提倡的广域信息管理(SWIM)模型构建了数据集成系统[5-7]，分析了一种为SWIM提供附加功能的信息过滤的方法——语义容器方法，以便信息更好地共享给不同类型的用户，这将有助于提高航空信息资源共享及交换效率，提升数字化管制服务品质。

1 离场过程信息共享平台建设需求

航空器的离场过程包括场面管理(SMAN)以及离场管理(DMAN)[8]。离场过程主要涉及航空器离场、机场智能管制指挥、机场应急安全管理几个方面。这些方面对信息共享平台的需求如下。

1.1 航空器离场需求分析

航空器的离场，是从撤轮档时间开始算起，经过推出、离场滑行、起飞离地、最后爬升到达离港点的整个过程。航空器作为信息共享平台的典型用户，在离场时只对一部分的信息有需求，需要从各种不同的信息源中过滤掉不相干的消息。一架航空器离场时，需要本场终端区的地理数据信息及气象信息(风向风速等)、滑行路径安排、跑道及入口分配方案、航班动态排序信息、滑行导航信息以及各时间节点的指令性信息。例如：来自航空公司的旅客登机、配载平衡、客货舱门关闭时间等一系列起飞前准备信息，来自机场管制部门的推出开车指令、滑行指令、进跑道许可、起飞许可等。信息共享平台根据用户的类型不同，过滤掉不必要的信息，仅提供用户所需的信息数据，避免信息过多引起交互界面复杂。

1.2 机场智能管制指挥需求分析

目前空管指挥系统还处于半自动化水平，空管大多采取协同决策(A-CDM)机制进行管制指挥[9]，未来空管系统的方向是协同化、智慧化。无论是目前的协同决策机制还是未来的智能指挥，信息数据的支撑都是必不可少的。

协同决策机制下的航空器离场管理系统(DMAN)通过采集航空器的计划撤轮档时间(SOBT)、航空公司或航务代理单位通过领航计划报发布的航空器预计撤轮档时间(EOBT)等航班运行信息，并根据满足航班计划、运行节点、公平性等目标及尾流限制、流量控制等约束条件的动态排序优化算法进行排序，计算出提供动态离场排序信息[10]，为管制人员决策提供支持。

智能管制指挥系统用户需要根据航空器离场管理系统的动态离场排序信息、航行通告信息、场面冲突检测信息、终端区气象信息等，结合专家库以及深度学习等方法得到管制指令[11]，向各航班发布推出开车、滑行、跑道入口等待等管制信息。其中场面冲突检测系统需要采集航空器的实时运行信息数据(跑道配置情况、航空器滑行速度)，并能够提前预判航空器的冲突[12]，且拥有冲突解脱程序的经验库和方法[13]，得到解脱方案。

1.3 机场应急安全管理需求分析

机场应急安全管理是航空器离场过程必不可少的一个保障环节[14]。机场应急安全管理需要对在机场发生的重大及突发事件进行处理，灾难及事故进行救援，对机场各单位进行调度指挥，对飞行区、跑道等终端区及围界进行全景实时监视，保证机场安全运行。通过采集终端区地理信息、识别AI全景监控系统信息、航空器实时运行信息反馈[15-16]，将收到的数据信息接入到指挥信息专家库中进行分析，并发布预警、定位等数据信息给各相关用户，方便救援人员迅速到达现场及调动各应急力量，最终生成应急事件处理方案支撑决策，还可以使用态势推演功能进行动画模拟事件处置过程，为指挥调度提供参考。

2 离场过程信息共享平台的架构

2.1 航空器离场运行概念

航空器离场运行包括场面管理、离场管理、应急安全管理。场面管理及离场管理协同运行，根据采集的停机位信息、飞行计划信息、跑道配置信息、场面运行监控信息等，以本场的跑道容量为限制，根据离场规则及智能排序算法，规划航空器的滑行路径及时间，分配跑道及出口，配置离场间隙流，建立离场航空器等待队列，形成离场预排序，并自动给出管制建议(起飞许可、加速滑行等指令)。同时根据实时运行信息反馈，不断调整离场顺序，形成动态分配及调整时隙的智能决策。应急管理是在航空器离场时遇到突发情况，通过信息共享平台，掌握航空器的运行情况，并得到相应的应急处置方案。

在实际运行过程中，航空器的进场管理与离场管理是高度耦合的过程，进离场管理之间紧密联系，并采取协同决策机制来增强信息的共享和一致性。本文暂不考虑航空器的进场问题，场面滑行、离场运行过程如图1所示。

图1 航空器场面滑行、离场运行过程

2.2 总体架构

航空器离场信息共享平台将航空器离场过程中各方面需求的信息、数据资源进行整合存储，并为各用户提供信息共享服务的平台。通过分析离场航空器、机场管制等用户的需求，并遵循面向服务的SOA架构模型，进行了离场管理信息共享平台架构设计。该平台辐射到航空器离场运行的整个过程，为航空器提供指令信息、导航信息、排序信息等，为智能空管系统提供航空情报信息、飞行计划信息、场面实时运行信息;根据排序算法及专家信息资源库提供决策，并按照用户的不同，过滤掉不必要的信息，提高机场运行效率及安全水平;为机场应急管理系统提供终端区地理位置信息、AI全景监视视频信息等,当发生应急事件时向各相关用户提供事件地理位置信息及解决方案，具体架构如图2所示。航空器离场信息共享平台分为应用层、服务层、数据层、通信层、支撑层5个层次，可以通过封装多样化服务接口来实现服务层、应用层和数据层之间的松耦合度。

图2 航空器离场信息共享平台架构

支撑层主要是信息共享平台数据信息采集的前端设施以及建设信息共享平台的必要组件。其中AI全景监视系统需要利用高清相机采集视频，得到拥有高分辨率的视频图像，通过视频拼接技术实现全景监控，采用视频增强处理器设备进行实时视频图像处理，在面对恶劣天气时仍能以最大分辨率连续记录整个场景和局部细节。气象采集系统通过采集设备采集影响航空器起降的各类因素，如能见度、风速、冰雪等。

通信层将支撑层采集的信息进行传输，将各类数据信息存储到数据仓库。空联网技术也叫天地一体化信息网络系统，是实现地空通信的保障基础，通过网络技术实现互联网络、移动通信网络和空间网络的互联互通，满足智能航空对数据信息交换共享的需求。导航信息由北斗导航系统提供，各类信息通过5G通信技术实时地发布到各用户，对一些流量控制等具有保密原因的因素采用区块链技术进行信息的共享。

数据层分为数据存储、数据汇集以及数据服务几个模块，数据存储模块包含离场过程所需决策方案的专家资源库，前端采集到的信息通过分布式存储的方式，存储到数据仓库中，数据汇集模块具有数据过滤、更新、汇聚处理等功能[17-18]，数据服务提供各用户的数据访问、数据共享、数据处理等功能。

服务层是信息共享平台能够为各类用户提供的功能，依靠各类算法的滑行路径以及时间预测安排、跑道及出口分配方案、动态离场排序方案、依靠专家资源库的智能决策方案，按照用户类型不同，提供的服务功能也不同。

应用层为各类用户的终端系统，按照离场信息共享平台的需求分为三类，一是为航空器离场时提供信息的机载智能终端，二是机场智能管制指挥系统帮助机场各个席位管制员提供决策方案，三是机场应急安全管理的可视化管理平台，应急管理人员或救援人员通过管理平台的信息及给出的处置方案及推演效果及时处理紧急情况，达到提高机场安全管理效果及运行效率的目的。

3 关键技术的应用

3.1 数字化集成系统

目前，航空系统的运行依赖多种格式、多种来源的数据信息支持，离场信息共享平台的建设也要遵循ICAO提倡的SWIM方法[19]。SWIM平台方法可以将不同类别的信息整合到数据中心，提高传输和利用效率。集成平台采用信息交换的标准模型,例如民航气象数据交换模型(WXXM)和航空信息交换模型(AIXM)等。这些模型共享一组航空特性的概念，均采用统一的XML模式进行集成，以XML作为创建、交换和分发航空数据的格式。

现阶段离场过程使用的航空信息通常是基于特定信息类型的独立系统，要想多源信息系统协同运行决策，首先要统一数据格式标准，并采取数据信息引接策略进行数据交互[20-21]。平台可采取直接从数据源系统引接数据的直连模式，或者通过转发平台将各类信号转换为统一标准格式的模式，或采用两种模式混合的方案进行数据引接。

3.2 ATS空地数据链服务

目前，中国民航空地数据链通信网络基本覆盖全国主要航路和机场空域[22]，97%民航客机的航电系统支持ATS(空中交通服务)空地数据链协议标准[23]。按管制运行实际业务需求和数字化管制服务协议支持能力，具体分为信息类和指令类服务。信息类分为飞行员请求订阅式和管制员定制发布式两种服务;指令类服务采用与话音通信相一致的电文规定内容，分为上行链路电文和下行链路电文。上行链路电文为空管地面发送给航空器的电文，下行链路电文为航空器发给空管的电文。通过空地数据链的建设，来达到信息共享平台的通信需求,为我国下一代空管运行系统提供支撑[24]。

3.3 信息过滤的语义容器方法

信息共享平台会采用标准化的信息交换模型来发布不同类型的信息，不过根据信息共享的需求分析，对于不同的用户，只需要一部分与任务相关的信息。这就需要从不同的信息源中过滤出不相关的信息，并将过滤后的信息分发给不同类型的用户。例如飞行员离场过程中仅需要相关的指令以及信息服务。

语义容器方法采用基于本体的分面信息过滤，将过滤后的信息和相关元数据打包到语义容器中[25]。通过数据库访问本体数据，为信息共享平台提供附加功能，从而便于平台的不同用户来使用过滤后的信息。通过语义容器方法的一些概念及定义，建立具备包含及过滤条件的语义容器数据库，通过信息的数据项类型以及包含层次关系来进行数据抽取，达到实现离场过程中过滤信息的目的。

4 结论

本文结合了国内外进离场运行管理系统的发展情况，分析了目前整个航空运输系统的发展趋势，针对其中的关键问题信息资源共享方法进行了研究。以智能航空的发展为基础，遵循SOA服务设计原则，提出了离场信息共享平台的架构方案，通过搭建信息共享平台的方法来实现离场过程中各类信息的共享及智能化的决策。并对平台架构方案中的一些关键技术的应用进行了分析，平台的数据整合及引接采用ICAO提倡的SWIM方法，数据信息的通信采用建设ATS空地数据链方式，数据信息的共享采用一种能够实现信息过滤这一附加功能的语义容器方法，该方法不仅能够存储历史数据，还可以采用复合容器来面对复杂类型的数据及过滤标准，可以为平台的后续开发提供基础。为推进航空器离场管理设计、提高机场管制环节的运行效率提供参考。