论文部分内容阅读
随着物联网、大数据、人工智能和5G通信等新技术的发展，智慧民航和智慧空管开始受到各航空强国的重视。
智慧民航是运用新一轮科技革命和产业变革的最新成果，分析整合民航各种信息和要素资源，最终实现对行业安全、服务、保障等进行数字化，加强其智能化效应和智慧化支撑的建设过程，是物联网、大数据、人工智能等新一代技术在民航领域的广泛应用和深度融合。
智慧空管是智慧民航的重要组成部分，可理解为是利用新一代信息技术来感知、分析、融合空中交通管理各类信息，通过广泛数据获取、深度信息融合、安全信息共享、高效协同决策，逐步提升航班运行和空中交通管理数字化、智能化水平，实现“四强空管”发展目标。同时，与下一代空中交通运行体系——基于航迹运行（TBO）进行深度融合，推进国际民航组织提出的“航空系统组块升级（ASBU）”路线图的实施，为国际民航贡献中国智慧。
按照中国民航局空管局的规划，未来将重点围绕智慧运行、智慧服务、智慧设施、智慧管理四个方面全面深化智慧空管。
智慧空管的特征
综观当前全球空中交通和新一代信息技术的趋势，智慧空管的发展呈现出四大特征。
首先，基于航迹运行是未来空管发展的核心体系。按照国际民航达成的初步共识，2035年，基于航迹运行将以航班运行全生命周期为基础，实现空中交通规则和空管服务的全过程一体化。与过去相比，基于航迹运行将可以根据飞机的性能、航班时刻、气象条件、安全要求等多种因素，综合优化航班群体的航迹，从而使飞行与空管建立共同的行进优势，大大提高协同性、精准性、安全性。針对航班拥堵延误等国际共同难点问题，需综合运用新一代信息技术和新管理思想来缓解这一难题。目前，中国电科莱斯信息和北京航空航天大学等单位在中国民航局空管局的组织下，进行了前沿研究论证。
其次，新一代信息技术将很快在空管技术发展中掀起浪潮。云计算技术可以将空管运行数据储存并部署在云端，依靠云计算可以迅速实现快速连接。大数据技术也可以将空管运行数据分析得更深入、更彻底，特别是在空管运行性能评估及性能改进上大有空间。目前，南京航空航天大学和中国电科莱斯信息等单位已就此进行了研究论证，初步提出了航班运行分析指标体系，并初步研发了多维综合数据分析功能。
第三，管制智能化将成为不可阻挡的趋势。管制智能化能将管制员从繁重的工作中解脱出来，降低出错率，提高效率。未来，空管智能技术能将地面自动化系统与飞机机载控制计算机有机融合为一个整体，发展形成天、空、地一体化的管制框架，实现数据通信取代语音通信，管制机器人逐步取代管制员。未来，精确计算将逐步取代人工计算，以智能化方式自动给出管制解决方案。目前，南京航空航天大学等单位对管制智能机器人进行了前沿研究论证，开发了空中交通管理仿真原型系统，并在民航安全评估领域进行了探索应用。
第四，航班全面深入协同智能化运行。航班的运行管理涉及多个参与主体，包括：空管、机场、航空公司、航空器制造商、气象部门等，全国航班运行要想做到安全和高效，就需要各个运行单位充分协同交互，分享信息协同决策。目前，国际民航组织提出的广义信息管理系统（SWIM）等一批技术以及工程也在抓紧推进，助力全球民航单位互联互通，协同运行。
智慧航班运行
2020年全国民航工作会议提出，2021年要推动运行数字化转型，探索构建民航数据资源融合应用生态体系，搭建民航智慧运行数字化环境。气象信息、导航信息、告警预测等信息是航班运行的重要参数，这些都要求航空公司不断提高对航班管控的及时性，通过将异常识别关口前移，早发现、早处置，最大程度降低航班运行风险，为安全运行保驾护航。
正如《中国民用航空局关于推进新型基础设施建设五年行动方案》所提到的，智慧运行就是要以航班运行为核心，以秒级管控为目标，提高行业主体间的协同运行水平和服务保障能力，打造数据流、业务流、指令流等各类资源要素有机融合的民航生态圈，实现全面感知、泛在互联、人机协同、全球共享，构建新一代航空运输系统。
根据相关规划，中国民航局空管局将逐步把大数据、人工智能、物联网等技术融合到航行技术中，实现全国空中交通的动态联合管理，全国流量的精细化管理，管制智慧的智能辅助支撑。将全面实现基于性能的导航、机场协同决策、数字化通关，在有条件地区逐步推行高级场面活动控制引导系统、数字/智慧塔台，积极开展语音识别等一批前瞻技术研发。
可以预见，大数据和人工智能等新技术的日趋成熟，将给航班运行带来多方面提升。以机场和扇区容量预测举例，2017年，麻省理工学院的空管专家、人工智能专家和气象专家等对雷雨影响下机场容量接收率的预测进行了研究论证，探索使用人工智能/机器学习的技术结合大量历史数据进行预测给出。
目前，对于雷雨期间机场容量的评估无法客观量化，一般根据值班员经验确定，其精度和客观程度不能保证。对于同一场景，不同值班人员可能会给出差异较大的不同容量值。若容量预测过小，会存在未使用容量即浪费时隙，从而导致不必要的延误和经济损失，影响航班正常性和旅客体验等;若容量预测过大，则会导致航班在扇区或机场的过量，超出管制员的工作负荷，进一步引发管制安全风险，如空中绕飞、突然发布尾流间隔或不接收流控等。
未来，随着智慧航班运行的建设推进，可预期新技术新工具将助力提升全国200多个机场和近1000个扇区的容量评估预测，进而降低全国航班总体延误率，同时也提升整个国家空域系统的航空器承载量等。新技术将充分吸收经验丰富值班主任的评估经验，同时结合航空器制造商的飞机性能数据，进行深度机器学习预测，对于同一场景，尽量避免不同值班人员可能会给出差异容量值。
智慧协同服务
在智慧服务方面，中国民航局空管局计划构建互联互通环境，实现航班、流量、气象、情报、通信导航多信息共享，推动航空公司、机场、空管深入合作，建设具有中国特色的信息系统。目前，中国空管和机场的协作已居世界领先水平，但空管和航空公司、航空器制造商的协作还有待深入。 未来，新技术日趋成熟，将给协同服务带来多方面提升。以提升航班全生命周期可预测性为例，智慧协同服务将可以为航班全生命周期智能画像，通过对航班综合多维画像挖掘计算各个重要时间节点信息，对航班进程阶段进行提前精确预测，如高精度预计落地时间、高精度空中過点时间、高质量计算起飞时间、航班目标撤轮档时间等，这些数据对机场、航空公司以及旅客等保障准备工作至关重要。
此外，智慧协同服务还将采用机器学习和数据挖掘算法，结合飞机性能数据对自动化、场面电子进程单、流量系统等系统中的航班执行数据与条件数据进行关联性分析，使对航班全生命周期的预测更精准，服务各个相关方。
智慧设施设备
根据规划，“十四五”时期是国产卫星、国产大飞机以及5G、北斗等相关技术转型升级的重要窗口期，我国智慧民航建设要特别注重国产技术的使用，形成和输出标准，同时输出技术装备，引领行业发展。
在智慧设施方面，中国民航局空管局计划统筹部署全国空管设备设施，逐步实现以自动化系统、流量管理系统、多元检测系统、地空通讯系统、星际导航系统为核心的，与高密度、大流量相匹配的现代化智能化建设，将大力推进北斗卫星系统导航运用，推进无人机、高速航空器等新型交通方式下空管智能化设备研发。
新理念新技术等要发挥作用，一般需依托相应的设施设备和信息系统来落地应用。目前，空管已初步建设或在研可赋能智慧空管的信息系统，比如安全评估、空管仿真、全国流量系统、进港管理智能工具、场面管理智能工具、智慧塔台等系统。
2021年5月19日，民航运行管理中心、民航气象中心、民航情报管理中心工程（简称“三中心工程”）正式通过行业验收。民航运行管理中心是全国空中交通管理的总指挥中心，居中协调，统揽全局。空中交通流量管理是全国空管运行的“总开关”和“前置阀”。流量管理是对空管部门、机场、航空公司的所有运行数据进行集中分析与挖掘的技术，为全国航班起飞降落排序调度和空管综合决策提供支持。以前，流量管理系统片区化，各地区分别开发自己的系统，数据不交互、不能合理地配置航班流量。而全国流量系统由中国民航局空管局统一管理，实现了全国统一标准、“一盘棋”航班调配，让民航飞机运行更为高效和安全，也能有效降低航班延误，提升机场和航空公司的运行效率以及旅客的出行感受，最终也让更多的飞机飞起来。
智慧数据管理
在智慧管理方面，中国民航局空管局规划建设机制顺畅、权责明细、运转高效、成本可控、管理科学的空管生产运行系统，特别是针对管制运行、航空气象、协同交互等海量异构数据的深度解决，实现空管的数字化管理与科学化决策。
未来，随着空管的多种信息系统和数据中心的建设完善，将承载全国航班运行多方面的数据，如航班计划、飞机航迹、气象数据、流控数据、运行规则、机场和公司协同数据等，再结合飞机性能、航空气象等数据，形成宝贵的数据矿产，助力新时代民航强国建设。
在此基础上，笔者建议对民航大数据实行更加积极的开放战略，将空管与航空公司、飞机制造商、机场等更好结合，拓展新的开放领域，提升跨单位跨行业跨国界的合作水平和层次。另外，建议充分利用相关国家政策，积极推进“一带一路”框架下的交流合作，共同把握交通和航空数字化发展新机遇。
未来可期
目前，物联网、大数据、人工智能和5G等新技术仍处于发展完善阶段，但发展迅速，其广阔的前景十分引人注目。可以预见，到2030年左右，将基本形成技术先进、开放融合、安全可靠的智慧空管技术体系框架。我国应该尽快完成智慧空管创新应用平台建设，在此平台基础上实现一批自主创新、技术先进的智能化空管产品、解决方案和对外服务，进一步提升智能化决策能力，为安全风险管控科学高效、基于航迹和性能的管制运行、世界一流的流量管理体系提供支撑，全面构建并有序运行智能化空中交通管理系统，迎接新一轮产业革命。
智慧民航是运用新一轮科技革命和产业变革的最新成果，分析整合民航各种信息和要素资源，最终实现对行业安全、服务、保障等进行数字化，加强其智能化效应和智慧化支撑的建设过程，是物联网、大数据、人工智能等新一代技术在民航领域的广泛应用和深度融合。
智慧空管是智慧民航的重要组成部分，可理解为是利用新一代信息技术来感知、分析、融合空中交通管理各类信息，通过广泛数据获取、深度信息融合、安全信息共享、高效协同决策，逐步提升航班运行和空中交通管理数字化、智能化水平，实现“四强空管”发展目标。同时，与下一代空中交通运行体系——基于航迹运行（TBO）进行深度融合，推进国际民航组织提出的“航空系统组块升级（ASBU）”路线图的实施，为国际民航贡献中国智慧。
按照中国民航局空管局的规划，未来将重点围绕智慧运行、智慧服务、智慧设施、智慧管理四个方面全面深化智慧空管。
智慧空管的特征
综观当前全球空中交通和新一代信息技术的趋势，智慧空管的发展呈现出四大特征。
首先，基于航迹运行是未来空管发展的核心体系。按照国际民航达成的初步共识，2035年，基于航迹运行将以航班运行全生命周期为基础，实现空中交通规则和空管服务的全过程一体化。与过去相比，基于航迹运行将可以根据飞机的性能、航班时刻、气象条件、安全要求等多种因素，综合优化航班群体的航迹，从而使飞行与空管建立共同的行进优势，大大提高协同性、精准性、安全性。針对航班拥堵延误等国际共同难点问题，需综合运用新一代信息技术和新管理思想来缓解这一难题。目前，中国电科莱斯信息和北京航空航天大学等单位在中国民航局空管局的组织下，进行了前沿研究论证。
其次，新一代信息技术将很快在空管技术发展中掀起浪潮。云计算技术可以将空管运行数据储存并部署在云端，依靠云计算可以迅速实现快速连接。大数据技术也可以将空管运行数据分析得更深入、更彻底，特别是在空管运行性能评估及性能改进上大有空间。目前，南京航空航天大学和中国电科莱斯信息等单位已就此进行了研究论证，初步提出了航班运行分析指标体系，并初步研发了多维综合数据分析功能。
第三，管制智能化将成为不可阻挡的趋势。管制智能化能将管制员从繁重的工作中解脱出来，降低出错率，提高效率。未来，空管智能技术能将地面自动化系统与飞机机载控制计算机有机融合为一个整体，发展形成天、空、地一体化的管制框架，实现数据通信取代语音通信，管制机器人逐步取代管制员。未来，精确计算将逐步取代人工计算，以智能化方式自动给出管制解决方案。目前，南京航空航天大学等单位对管制智能机器人进行了前沿研究论证，开发了空中交通管理仿真原型系统，并在民航安全评估领域进行了探索应用。
第四，航班全面深入协同智能化运行。航班的运行管理涉及多个参与主体，包括：空管、机场、航空公司、航空器制造商、气象部门等，全国航班运行要想做到安全和高效，就需要各个运行单位充分协同交互，分享信息协同决策。目前，国际民航组织提出的广义信息管理系统（SWIM）等一批技术以及工程也在抓紧推进，助力全球民航单位互联互通，协同运行。
智慧航班运行
2020年全国民航工作会议提出，2021年要推动运行数字化转型，探索构建民航数据资源融合应用生态体系，搭建民航智慧运行数字化环境。气象信息、导航信息、告警预测等信息是航班运行的重要参数，这些都要求航空公司不断提高对航班管控的及时性，通过将异常识别关口前移，早发现、早处置，最大程度降低航班运行风险，为安全运行保驾护航。
正如《中国民用航空局关于推进新型基础设施建设五年行动方案》所提到的，智慧运行就是要以航班运行为核心，以秒级管控为目标，提高行业主体间的协同运行水平和服务保障能力，打造数据流、业务流、指令流等各类资源要素有机融合的民航生态圈，实现全面感知、泛在互联、人机协同、全球共享，构建新一代航空运输系统。
根据相关规划，中国民航局空管局将逐步把大数据、人工智能、物联网等技术融合到航行技术中，实现全国空中交通的动态联合管理，全国流量的精细化管理，管制智慧的智能辅助支撑。将全面实现基于性能的导航、机场协同决策、数字化通关，在有条件地区逐步推行高级场面活动控制引导系统、数字/智慧塔台，积极开展语音识别等一批前瞻技术研发。
可以预见，大数据和人工智能等新技术的日趋成熟，将给航班运行带来多方面提升。以机场和扇区容量预测举例，2017年，麻省理工学院的空管专家、人工智能专家和气象专家等对雷雨影响下机场容量接收率的预测进行了研究论证，探索使用人工智能/机器学习的技术结合大量历史数据进行预测给出。
目前，对于雷雨期间机场容量的评估无法客观量化，一般根据值班员经验确定，其精度和客观程度不能保证。对于同一场景，不同值班人员可能会给出差异较大的不同容量值。若容量预测过小，会存在未使用容量即浪费时隙，从而导致不必要的延误和经济损失，影响航班正常性和旅客体验等;若容量预测过大，则会导致航班在扇区或机场的过量，超出管制员的工作负荷，进一步引发管制安全风险，如空中绕飞、突然发布尾流间隔或不接收流控等。
未来，随着智慧航班运行的建设推进，可预期新技术新工具将助力提升全国200多个机场和近1000个扇区的容量评估预测，进而降低全国航班总体延误率，同时也提升整个国家空域系统的航空器承载量等。新技术将充分吸收经验丰富值班主任的评估经验，同时结合航空器制造商的飞机性能数据，进行深度机器学习预测，对于同一场景，尽量避免不同值班人员可能会给出差异容量值。
智慧协同服务
在智慧服务方面，中国民航局空管局计划构建互联互通环境，实现航班、流量、气象、情报、通信导航多信息共享，推动航空公司、机场、空管深入合作，建设具有中国特色的信息系统。目前，中国空管和机场的协作已居世界领先水平，但空管和航空公司、航空器制造商的协作还有待深入。 未来，新技术日趋成熟，将给协同服务带来多方面提升。以提升航班全生命周期可预测性为例，智慧协同服务将可以为航班全生命周期智能画像，通过对航班综合多维画像挖掘计算各个重要时间节点信息，对航班进程阶段进行提前精确预测，如高精度预计落地时间、高精度空中過点时间、高质量计算起飞时间、航班目标撤轮档时间等，这些数据对机场、航空公司以及旅客等保障准备工作至关重要。
此外，智慧协同服务还将采用机器学习和数据挖掘算法，结合飞机性能数据对自动化、场面电子进程单、流量系统等系统中的航班执行数据与条件数据进行关联性分析，使对航班全生命周期的预测更精准，服务各个相关方。
智慧设施设备
根据规划，“十四五”时期是国产卫星、国产大飞机以及5G、北斗等相关技术转型升级的重要窗口期，我国智慧民航建设要特别注重国产技术的使用，形成和输出标准，同时输出技术装备，引领行业发展。
在智慧设施方面，中国民航局空管局计划统筹部署全国空管设备设施，逐步实现以自动化系统、流量管理系统、多元检测系统、地空通讯系统、星际导航系统为核心的，与高密度、大流量相匹配的现代化智能化建设，将大力推进北斗卫星系统导航运用，推进无人机、高速航空器等新型交通方式下空管智能化设备研发。
新理念新技术等要发挥作用，一般需依托相应的设施设备和信息系统来落地应用。目前，空管已初步建设或在研可赋能智慧空管的信息系统，比如安全评估、空管仿真、全国流量系统、进港管理智能工具、场面管理智能工具、智慧塔台等系统。
2021年5月19日，民航运行管理中心、民航气象中心、民航情报管理中心工程（简称“三中心工程”）正式通过行业验收。民航运行管理中心是全国空中交通管理的总指挥中心，居中协调，统揽全局。空中交通流量管理是全国空管运行的“总开关”和“前置阀”。流量管理是对空管部门、机场、航空公司的所有运行数据进行集中分析与挖掘的技术，为全国航班起飞降落排序调度和空管综合决策提供支持。以前，流量管理系统片区化，各地区分别开发自己的系统，数据不交互、不能合理地配置航班流量。而全国流量系统由中国民航局空管局统一管理，实现了全国统一标准、“一盘棋”航班调配，让民航飞机运行更为高效和安全，也能有效降低航班延误，提升机场和航空公司的运行效率以及旅客的出行感受，最终也让更多的飞机飞起来。
智慧数据管理
在智慧管理方面，中国民航局空管局规划建设机制顺畅、权责明细、运转高效、成本可控、管理科学的空管生产运行系统，特别是针对管制运行、航空气象、协同交互等海量异构数据的深度解决，实现空管的数字化管理与科学化决策。
未来，随着空管的多种信息系统和数据中心的建设完善，将承载全国航班运行多方面的数据，如航班计划、飞机航迹、气象数据、流控数据、运行规则、机场和公司协同数据等，再结合飞机性能、航空气象等数据，形成宝贵的数据矿产，助力新时代民航强国建设。
在此基础上，笔者建议对民航大数据实行更加积极的开放战略，将空管与航空公司、飞机制造商、机场等更好结合，拓展新的开放领域，提升跨单位跨行业跨国界的合作水平和层次。另外，建议充分利用相关国家政策，积极推进“一带一路”框架下的交流合作，共同把握交通和航空数字化发展新机遇。
未来可期
目前，物联网、大数据、人工智能和5G等新技术仍处于发展完善阶段，但发展迅速，其广阔的前景十分引人注目。可以预见，到2030年左右，将基本形成技术先进、开放融合、安全可靠的智慧空管技术体系框架。我国应该尽快完成智慧空管创新应用平台建设，在此平台基础上实现一批自主创新、技术先进的智能化空管产品、解决方案和对外服务，进一步提升智能化决策能力，为安全风险管控科学高效、基于航迹和性能的管制运行、世界一流的流量管理体系提供支撑，全面构建并有序运行智能化空中交通管理系统，迎接新一轮产业革命。