基于核心技术领域的“智慧空管”发展探析

根据国际民航组织（ICAO）、国际航空运输协会（IATA）和国际机场协会（ACI）等国际组织和机构预测，在2050年之前，全球空中交通流量将保持每10～15年翻一番的增长势头。如果沿袭当前的技术手段与运行模式，未来空中交通的拥堵程度将不堪设想。如何解决有限的空域与日益增长的航班量之间的矛盾，是当前空中交通管理各参与方关切的热点，其核心在于航空器之间在确保安全前提下缩小空中间隔。在传统的基于地面监视系统（如雷达、ADS-B）的管制模式下，管制员为航空器配备的间隔值，很大程度上取决于管制员个人的工作能力。这种间隔通常是动态不确定的，不仅难以提高空中交通管理效率，而且与实际管制预期存在一定偏差。

美国国家航空航天局（NASA）专家研究发现，未来空中交通系统将由基于飞联网的分布式协同空中交通管理系统逐步取代现在使用的地基集中式空中交通管理系统。借助GPS、ADS-B、天地一体化网络及现代通信等先进技术，提出了网联运行下航空器自主间隔保持系统的概念，主动的感知天气和飞行员操作等交通环境变化，分析这些随机行为等致使当前航空器自主间隔失效的原因及其调整方向，动态生成一个修正的航空器所需间隔。中国民用航空局（以下简称“民航局”）在2016年发布的《中国民航现代化空中交通管理系统体系架构》中也提出，在空域、流量、空地配合适当的条件下，将原来由空中交通管制员承担的冲突探测和间隔保持任务部分或完全授权给飞行员承担，根据航空器自主间隔来执行。因此，该体系架构实现了空中交通的智能化科学管理，可以提高航空器安全和运行效率，对缓解日益增长的空域供需矛盾具有突出的现实意义和应用前景。

以“智慧空管”为主线，构建安全稳、效率高、智慧强、协同好的现代空中交通管理系统，是破解空域瓶颈限制、支撑民航高质量发展的金钥匙，是实现智慧民航运行场景的关键举措之一。本文将介绍当前空中交通管理系统从动态尾流间隔、基于航迹的运行、自主间隔运行等核心技术领域对“智慧空管”的探索和实践。

动态尾流间隔：提高管制运行安全和效率

碰撞间隔和尾流间隔是影响管制运行安全和效率的两个重要因素。21世纪以来，随着通信、导航、监视技术的发展，水平间隔已从程序管制条件下的数百公里缩减到了目前雷达管制条件下的几公里，大幅提升了空域利用率。我国从2007年开始实施缩小垂直间隔（RVSM）运行，将8900米至12500米高度层的垂直间隔从600米缩减到300米，进一步释放了空域资源。现行尾流间隔形成于20世纪60年代末，基于飞行实验与实际运行数据，按照最大起飞重量将机型分为若干类，然后给出不同类别组合下的最小安全间隔值。与20世纪末相比，现行尾流间隔的缩减幅度相对较小，已逐步凸显为空域容量的限制瓶颈。

先看我国民航。2015年以来，民航局空管局先后组织开展了基于RECAT（尾流间隔分类新标准）技术的缩减尾流间隔可行性研究与验证，支持中国民航大学建立飞机尾流研究中心、搭建动态尾流间隔仿真与安全评估平台、开展RECAT技术研究与推广应用工作。2019年，中国民航局发布了中国民航航空器尾流重新分类方法与间隔标准（RECAT-CN），实现了从“理论突破”“技术攻关”到“规章起草”“落地应用”的全流程覆盖。在广州白云机场、深圳宝安机场开展的RECAT-CN管制实验运行中，A350、B787等重型飞机前后机尾流间隔从7.4公里缩减到5.6公里，目前北京、上海等14个主要机场正在推广应用该技术。

再看国外民航实践。充分利用有利的气象要素，实施随气象变化的动态尾流间隔，是从根本上破解尾流对空域容量限制的关键举措。在国际民航组织第六版《全球航行计划》的WAKE-B2和WAKE-B3中，对动态尾流间隔技术进行了规划与展望；NASA于20世纪90年代末提出了尾涡间隔系统概念（AVOSS），并对相关技术进行了攻关研究和验证；美国联邦航空局（FAA）从2012年起启动了离场尾流间隔缩减（WTMD）和进场尾流间隔缩减（WTMA）项目，通过对机场近地面风场数据的精准感知与临近预测，动态缩减近距平行跑道的尾流间隔，并在休斯顿（IAH）和旧金山（SFO）机场进行了技术验证；欧盟于2010年6月启动了CROPS项目（SESAR 1P1），该项目致力于通过在侧风情况有条件地缩减进离场飞机的间隔来使跑道利用率达到最优；德国空管公司（DFS）开发了WVWS系统，用数理统计的方法对机场上空的风进行统计预测，并对进近航空器尾涡的扩散与侧向运动进行预测，以确定尾涡的具体“危害时间（Hazard Time）”。在此基础上开发了WSVBS系统，实现战术层面上的进近着陆容量提升；英国希思罗机场于2015年5月起实施基于时间的尾流间隔（TBS）运行，依据顶风数据对现行间隔标准进行动态调整。

“智慧空管”运行场景图

尾流间隔的精细化动态缩减研究具有十分重要的学术研究意义和工程应用价值，是实现中国民航现代化空管系统战略（CAAMS）和“四强空管”建设目标的重要举措之一。在2022年初发布的《智慧民航建设路线图》中提出，未来将通过对尾流间隔的静态优化与动态缩减，进一步提升空域运行容量。为实现此目标，需要研究解决气象要素演变态势的全息感知、飞机尾流危害包络的时空推演、基于激光雷达的尾流探测反演、动态间隔标准拟定与安全评估等关键问题，构筑以动态尾流间隔为主要特征的空管运行新范式，安全审慎地缩减管制间隔。

基于航迹的运行：提升管制意图的精准性

在管制意图的实现方式上，国内外目前主要采用“以扇区为单元”“以人为中心”“以语音为手段”的空中交通管制服务模式。随着空中交通规模不断扩大、复杂度不断提升，导致飞机飞行诸元变化快与人工决策慢、飞行过程不间断与扇区分块多、空地意图交互多与语音交互慢的矛盾日益突出，越来越难以支撑未来发展需求，从调配冲突到管理航迹的转变迫在眉睫。

在空地意图的战略规划管理方面，基于航迹的运行（Trajectory based operation，TBO）应运而生。基于航迹的运行是目前国际民航界普遍公认的下一代航行系统核心运行理念，是应对航空运输持续快速增长的一种革命性解决方案，打破了现有分时、分段、分头管理模式，实现空中交通从“扇区”到“全域”、从“战术”到“战略”、从“管制”到“管理”、从微观防相撞到宏观态势掌控的根本性转变。2019年3月底，中国民航在天津与广州之间成功完成了中国和亚太地区的首次初始四维航迹（i4D）演示验证，实现了飞行中该架空客A320neo飞机的飞行轨迹全程与地面保持同步。在《智慧民航建设路线图》中提出，以四维航迹全生命周期管理为基础，推进航班运行的精细化管制，实现多端协同与扩容增效，构建以航迹管理为核心的先进空管运行模式。

在飞行意图的战术实现方面，推动前沿信息科学技术与空中交通管理有机融合，借力人工智能、大数据、飞联网等使能技术，搭建基于算力的空中交通运行数字孪生平台，研制“数智管制员”，实现基于算力的态势感知、数字推演、智能决策、自主协商、精准管控，可以提高管制间隔调配的精度，实现全局、全域、全过程的间隔协同与优化，减少不必要的间隔余量，提升空中交通运行效率。放眼全球，智慧空管是互联网时代的大势所趋，数字技术在空管领域的应用将越来越广泛。民航空管唯有稳扎稳打、精准发力，奋力跑好这场事关长远、考验耐力的“马拉松”，才能有力支撑多领域民航强国建设。

自主间隔运行：构建空管运行新模式

人工智能在自动驾驶领域的成功应用，为空中交通管理发展指明了方向。构建以“自主运行”为核心的新空管运行模式，将成为打破发展瓶颈的关键。现行的管制间隔空地协同链路包括获取飞机位置、推算飞行趋势、拟定管制指令、语音交互意图、飞行员操作、飞机响应等环节。由于管制自动化系统的态势推演与辅助决策功能的智慧性不够，需要依靠管制员个体的经验和技能对飞行冲突进行预测和解脱，并通过与飞行员的语音通话进行意图交互，然后依赖飞行员的操作来实现管制意图。受限于人的经验和技能、相对低下的空地信息交互能力，致使在理解、反应、操作、监控等方面存在一定的延时和不确定性，不得不通过加大安全裕度来确保飞行安全。

为缩短管制间隔的空地协同链路，FAA和欧洲航空安全组织（EUROCONTROL）在20世纪90年代开始推行“目视间隔与目视进近”运行。在我国，民航局空管局从2008年开始在大型机场推行此技术。在气象条件满足要求时，授权飞行员在目视可见前机和地形的条件下，依靠主观判定和经验来灵活规避安全威胁，灵活掌握尾随飞行的安全间距。由于不再受现有间隔标准的约束，同时更多依赖飞行员来感知和处置，实现了飞行管控链路的优化，因此能大幅度提升机场的通行能力。但是，在双目运行中，空中交通整体运行态势依赖于飞行员的经验、技能和偏好，交通流的可预测性比较低、飞行安全隐患较多、交通流的鲁棒性较差，总体比较脆弱。

2017年5月，民航局组织协调吉祥航空、华东空管局、虹桥机场、泰雷兹公司等单位，使用吉祥航空三架A320飞机，实施了中国民航首次基于ADS-B IN技术的目视间隔进近（VSA）演示飞行，取得圆满成功。在《智慧民航建设路线图》中提出，通过推进机载 ADS-B IN技术应用实施，增强驾驶舱态势显示能力，提升目视间隔运行效果，优化飞机进近着陆的间隔管理，实现航空器自主间隔保持运行。

基于机载端态势感知的自主间隔技术是缩短空地间隔协同链路、提高间隔管控效率的关键举措。美国NASA和FAA从2004年开始开展了基于驾驶舱设备辅助的目视运行（CAVS）和 尾随飞行（ITP）技术攻关，通过机载ADS-B IN设备来接收周边飞机发送的位置信息，并在驾驶舱内导航显示仪（ND）上直观显示出周边态势信息，使得飞行员不仅可以对驾驶舱外目标进行目视观察，也可通过导航显示仪来判定空中飞行态势。从2017年开始，FAA在多个机场开展CAVS和ITP技术验证试飞，有效提高了目视运行的执行率。

展望与建议

智慧空管建设是“十四五”空管系统发展主线，是加快成为世界一流空中航行服务提供者的重要路径。按照民航局关于“智慧民航”建设的总体部署，以“数字感知、数据决策、精益管理、精心服务”为导向，着力打造现代化空管运行保障体系，构筑智慧空管产业生态，把智慧理念融入行业发展的全过程、各领域。空管系统将认真研究智慧民航建设路线图，按照智慧民航建设阶段性目标和领导小组统一部署，按时保质完成基于航迹运行、航空器尾流重新分类标准、智慧空管运行概念及典型场景示范验证等关键任务。按照统一领导、分层实施、压茬推进的原则，形成分工明确、齐抓共管的组织机制保障，加强新技术融合创新研究，丰富智慧空管应用场景。深化与外部科研单位的合作，凝聚行业内外共识、整合优势科研力量。抓住新基建和数字化转型契机，大力推进新技术和自主技术研究应用，全面提升装备国产化应用比率，推进新技术与空管运行深度融合。同时充分发挥人力、创新、财务、资产、建设等系统平台的支撑作用，提升平台资源智慧支撑能力，做好智慧空管建设的人才储备、资金保障、物资支持，强化智慧空管建设各类资源保障。

在《智慧民航建设路线图》的指引下，空管系统坚持以智慧民航为建设主线，以强安全、强效率、强智慧、强协同的“四强空管”现代化空管体系为建设目标，围绕动态尾流间隔、基于航迹的运行、自主间隔运行等重点问题进行协同攻关，构建未来空中航行系统新范式，积极参与世界空管前沿科学技术研究，提出更多原创理论，做出更多原创发现，加快实现科技自立自强，在新一轮全球空管科技竞争中赢得战略主动。智慧空管建设是支撑民航高质量发展的先决条件，也是更好满足人民群众对美好航空出行的必然要求。