朱永文 ，陳志杰 ，蒲釩 ，王家隆

（1.國(guó)家空域技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；2.國(guó)家空管科技自主創(chuàng)新基地，北京100028）

一、前言

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界科技發(fā)展呈現(xiàn)新的態(tài)勢(shì)和特征：傳統(tǒng)學(xué)科持續(xù)發(fā)展，學(xué)科交叉融合加速，新興學(xué)科不斷涌現(xiàn)，前沿領(lǐng)域不斷延伸。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革為空中交通管理領(lǐng)域發(fā)展帶來(lái)了更多可能。以智能為特征的群體性技術(shù)革命，使傳統(tǒng)意義范疇下的不同領(lǐng)域技術(shù)融合再創(chuàng)新呈現(xiàn)常態(tài)化發(fā)展趨勢(shì)；航空裝備信息化的階段性提升以及智能對(duì)抗時(shí)代的到來(lái)，驅(qū)使交通空域管理、戰(zhàn)場(chǎng)空域管制的組織形態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，為新型管理理論方法和系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)建提供了頂層牽引。

基于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、協(xié)同決策、多維時(shí)空綜合等技術(shù)應(yīng)用特征，建立大聯(lián)接、大數(shù)據(jù)、大協(xié)同模式的空域管理創(chuàng)新范式，必將對(duì)靜態(tài)分割管理、固定使用、容量受限、效率不高、脆弱性高的傳統(tǒng)空域管理模式與方法帶來(lái)根本性的改變，進(jìn)而拓展建立空天地一體化的時(shí)空動(dòng)態(tài)高效管理架構(gòu)，全面提升交通空域管理、戰(zhàn)場(chǎng)空域管制能力，支撐空中智能交通、智能空戰(zhàn)管控新時(shí)代的到來(lái) [1]。

本文從空中交通管理的發(fā)展及需求出發(fā)，梳理傳統(tǒng)空域管理措施在當(dāng)前環(huán)境下面臨的系列問(wèn)題，凝練空域管理新方法需研究的基礎(chǔ)問(wèn)題，由此剖析數(shù)字化空域技術(shù)的基本概念與關(guān)鍵技術(shù)，以期為新形勢(shì)下的空域管理提供思路方法。

二、空中交通管理發(fā)展現(xiàn)狀

（一）空中交通管理技術(shù)發(fā)展歷程

根據(jù)國(guó)際民用航空組織（ICAO）的定義，空中交通管理指確保航空器在所有階段安全和高效的空基/地基功能系統(tǒng)綜合，分為空中交通服務(wù)、空域管理、交通流量管理以及航空通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等；保障空中交通管理所需的基本要求，如防止航空器在地面或空中相撞、加速空中交通流、維護(hù)空中交通秩序等。

空中交通管理技術(shù)主要經(jīng)歷了5個(gè)階段。①航空起始階段，通信、監(jiān)視依賴(lài)目視，導(dǎo)航采用信號(hào)燈、信號(hào)旗，飛行過(guò)程中完全依靠地標(biāo)飛行；②自1934年起，無(wú)線電通信逐步得到廣泛應(yīng)用，承擔(dān)了飛機(jī)通信、導(dǎo)航、監(jiān)視的功能，在飛行過(guò)程中建立了程序管制模式；③1945—1988年，雷達(dá)和二次雷達(dá)逐步應(yīng)用于航空領(lǐng)域，對(duì)于飛機(jī)的監(jiān)視和管制轉(zhuǎn)由雷達(dá)實(shí)施，飛機(jī)開(kāi)始依靠?jī)x表飛行；④1989—2012年，全球飛行和洲際飛行興起，衛(wèi)星導(dǎo)航逐步在航空領(lǐng)域獲得應(yīng)用，對(duì)飛機(jī)開(kāi)始實(shí)行基于數(shù)據(jù)鏈的數(shù)字化管制、基于衛(wèi)星導(dǎo)航的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，空管系統(tǒng)功能趨向綜合化；⑤自2013年起，航空通信技術(shù)由窄帶通信過(guò)渡至寬帶通信網(wǎng)，導(dǎo)航技術(shù)從衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航向多元綜合導(dǎo)航融合增強(qiáng)模式發(fā)展，監(jiān)視技術(shù)也由單一雷達(dá)監(jiān)視向多體制（如二次雷達(dá)、自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視、多點(diǎn)定位等）的綜合監(jiān)視過(guò)渡，空域系統(tǒng)及其容量、可靠性、完好性、可用性得到進(jìn)一步提高。

（二）空中交通管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

ICAO在全面整合各國(guó)需求，區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)（RNAV）、所需導(dǎo)航性能（RNP）運(yùn)行實(shí)踐與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了基于性能的導(dǎo)航（PBN）新型運(yùn)行概念；將航空器的機(jī)載設(shè)備能力與衛(wèi)星導(dǎo)航及其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，涵蓋航路、終端區(qū)、進(jìn)近著陸的所有飛行階段，綜合性提出性能要求，據(jù)此構(gòu)建更為精確和安全的飛行方法、更高效的空中交通管理模式。

ICAO為了提升航空通信和監(jiān)視性能，提出了基于性能的通信和監(jiān)視（PBCS）運(yùn)行概念；建立了地面設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、機(jī)載設(shè)備性能、管制員和機(jī)組通信交互與響應(yīng)等諸多環(huán)節(jié)應(yīng)用所需的通信性能（RCP）以及所需監(jiān)視性能（RSP）規(guī)范，確保航空通信和監(jiān)視能力滿足相應(yīng)要求。

在單一歐洲天空空中交通管理研究計(jì)劃（SESAR）中，制定了SESAR 2020研究與創(chuàng)新項(xiàng)目框架，開(kāi)展航空及其基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化改造。該項(xiàng)目框架由SESAR聯(lián)合事業(yè)組織發(fā)起，包括29個(gè)新型探索性項(xiàng)目（與無(wú)人機(jī)作業(yè)相關(guān)的人工智能（AI）、多式聯(lián)運(yùn)和通用高度基準(zhǔn)也被納入），致力于跑道吞吐量改善、綜合地面管理、機(jī)場(chǎng)安全網(wǎng)、機(jī)場(chǎng)管理、遠(yuǎn)程塔臺(tái)等相關(guān)技術(shù)提升。

（三）我國(guó)空域資源使用現(xiàn)狀

我國(guó)空域面積約為1.007×107km2；截至2016年10月底，非民航主用空域面積約為2.60×106km2，約占全國(guó)空域面積的26%（按實(shí)際投影計(jì)算面積，航路按實(shí)際寬度計(jì)算空域面積）；民航主用空域面積約為2.66×106km2，約占全國(guó)空域面積的26%；兩類(lèi)重疊使用空域面積約為5.30×105km2，約占全國(guó)空域面積的5%；其余未被有效利用的空域面積約為5.34×106km2，約占全國(guó)空域面積的53%。

此外，我國(guó)從保護(hù)重要目標(biāo)和飛行安全的角度考慮，劃設(shè)了2個(gè)空中禁區(qū)、1個(gè)臨時(shí)空中禁區(qū)，19個(gè)空中危險(xiǎn)區(qū)、43個(gè)臨時(shí)空中危險(xiǎn)區(qū)，199個(gè)空中限制區(qū)；根據(jù)人工影響天氣的需求，設(shè)置了超過(guò)1.0×104個(gè)對(duì)空射擊和氣象氣球施放點(diǎn)。

三、空域管理傳統(tǒng)方法面臨的困境

（一）空域固定劃分管理困境

傳統(tǒng)空域管理屬于基于需求和規(guī)則的規(guī)范化空域管理業(yè)務(wù)模式，主要采用空間分割的固定劃分管理方式，根據(jù)航空器飛行空管準(zhǔn)入要求，細(xì)分不同種類(lèi)空域，進(jìn)行有針對(duì)性的運(yùn)行管理與控制 [2]；具體包括空域劃設(shè)調(diào)整程序、運(yùn)行保障設(shè)施建設(shè)、使用審批及對(duì)社會(huì)公眾開(kāi)放條件等。這種管理模式在飛行總量較少時(shí)能很好地保證各類(lèi)空域使用的安全性，但隨著空中交通量、飛行器種類(lèi)的增加，相應(yīng)運(yùn)行效率快速下降。尤其是隨著航空器、地面運(yùn)行保障系統(tǒng)自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提升，上述弊端更為突出：因空管設(shè)備性能達(dá)不到要求，部分飛行器被隔離或不允許進(jìn)入特定空域，造成不同空域飛行密度的嚴(yán)重不均衡。

繼續(xù)分割管理空域，既不能更大效能地發(fā)揮航空自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，也限制了空中交通飛行的靈活自由度。應(yīng)針對(duì)飛行需求并結(jié)合最佳路徑理念，將固定劃分管理的空域重新整合為一體化的連續(xù)空間，動(dòng)態(tài)供給空域使用，解決固定劃分空域使用效率偏低的問(wèn)題。

（二）高密度飛行復(fù)雜管制難題

空中交通密度隨著航空普及化呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，大城市周邊空域逐漸形成空中交通高密度區(qū)，傳統(tǒng)以管制員為中心的調(diào)配控制模式難以滿足需求。高密度飛行空域的安全高效管控，需要精細(xì)確定交通管制扇區(qū)結(jié)構(gòu)、精準(zhǔn)測(cè)算空域及扇區(qū)容量、精密供給空中交通空域使用；圍繞空中交通流的分合關(guān)系及疏密程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化空域使用邊界，保持空域容量與空中交通需求的適配性，滿足規(guī)定的空中交通安全等級(jí)要求；準(zhǔn)確探測(cè)識(shí)別空中交通運(yùn)行沖突，重點(diǎn)從戰(zhàn)略層面、預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)層面來(lái)有效化解高密度飛行沖突消解涉及的級(jí)聯(lián)效應(yīng)問(wèn)題，綜合考慮空域與交通流量一體化協(xié)同控制問(wèn)題。

在戰(zhàn)略層面靈活設(shè)計(jì)空域結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空中交通運(yùn)行盡量按照預(yù)先規(guī)劃或飛行員意圖實(shí)施，盡可能減小大范圍氣象擾動(dòng)對(duì)交通運(yùn)行的干擾，最大限度地實(shí)現(xiàn)空中交通高效運(yùn)行控制，提高節(jié)能環(huán)保收益。對(duì)此，亟需發(fā)展新型空域管理控制模式，修正技術(shù)架構(gòu)、重構(gòu)技術(shù)原理、發(fā)展技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助生成空中交通調(diào)配控制策略，提高交通管制自動(dòng)化程度與應(yīng)用效能。

（三）聯(lián)合作戰(zhàn)空域管理難題

在平時(shí)，空中交通管理對(duì)象主要是受控的航空器；而聯(lián)合作戰(zhàn)空域的管理對(duì)象，除受控航空器外，還包括不受控彈道型火炮、無(wú)人駕駛航空器、運(yùn)載火箭、再入飛行器、受控彈道型臨近空間飛行器等。大尺度空間內(nèi)復(fù)雜異構(gòu)對(duì)象的空域管理是世界性難題，若處理不當(dāng)將導(dǎo)致空中作戰(zhàn)進(jìn)程控制遲緩、空域使用沖突及空中作戰(zhàn)管制安全事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響聯(lián)合作戰(zhàn)的效率與效果。

隨著現(xiàn)代武器裝備性能的提高，低空域、高邊疆的聯(lián)合作戰(zhàn)管制面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：一方面，低空域與地表、天氣影響緊密關(guān)聯(lián)，航空基礎(chǔ)設(shè)施的電磁信號(hào)覆蓋不充分、地表障礙物多、地形遮蔽大，使得相關(guān)區(qū)域成為進(jìn)攻突擊航線的主要規(guī)劃區(qū)域；另一方面，高邊疆區(qū)域，尤其臨近空間正日益成為航空航天裝備的拓展使用區(qū)域，亟需將以臨近空間為主體的高邊疆納入作戰(zhàn)空域管理，為調(diào)配航天發(fā)射、飛行器再入、臨近空間力量抵達(dá)、飛行器空間感知-避撞等提供保障。目前相關(guān)領(lǐng)域研究尚處于起步階段，與現(xiàn)實(shí)需求存在明顯差距。

四、空域管理新方法構(gòu)建的基礎(chǔ)問(wèn)題

空域與交通流量的自適應(yīng)協(xié)同管控是未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)。無(wú)論是平時(shí)空域管理，還是戰(zhàn)場(chǎng)空域管制，都需要在滿足所需安全等級(jí)要求的同時(shí)，降低空中飛行或空域使用的相互干擾，提升空域使用效能和空中交通效率 [2]。這就決定了空域管理的原理、方法、技術(shù)對(duì)于平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)具有共通性，通過(guò)調(diào)整相關(guān)模型方法的參數(shù)及適當(dāng)?shù)募s束條件，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)方法的互用。

（一）空域管理連續(xù)性空間復(fù)雜位置關(guān)系計(jì)算

從已有研究來(lái)看，空域與交通流量自適應(yīng)管理通常建立在地理空間離散網(wǎng)格化空域剖分的基礎(chǔ)上：利用空域離散化方法，將連續(xù)空域細(xì)分成數(shù)量眾多的基本空域體單元；單元既可作為空中交通運(yùn)行數(shù)據(jù)組織管理的空間索引，也可作為空中交通位置跟蹤定位的基準(zhǔn)，還可作為各類(lèi)不同需求的空域組成要素；借助基本網(wǎng)格空域體，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)功能空域的動(dòng)態(tài)配置與組合。

空域離散化具有空間基準(zhǔn)定位與計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建網(wǎng)格空域單元、建立剖分模型、定義編碼及規(guī)則，成為發(fā)展新一代空域系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。據(jù)此研究連續(xù)空間復(fù)雜位置關(guān)系索引建模與定義，建立適用于不同需求、平時(shí)/戰(zhàn)時(shí)一體的網(wǎng)格空域單元編碼規(guī)則，圍繞空間位置關(guān)系的度量計(jì)算、數(shù)據(jù)組織與索引，構(gòu)建與平時(shí)/戰(zhàn)時(shí)空域管理、交通流量管理相適應(yīng)的空域組織結(jié)構(gòu)框架，成為領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，也是亟待優(yōu)先解決的問(wèn)題。

（二）電磁信號(hào)空域分布及可用性、完好性計(jì)算

在空域管理中，需對(duì)保障航空運(yùn)行的通信導(dǎo)航、雷達(dá)監(jiān)視等電子信息系統(tǒng)的空域性能分布進(jìn)行有效測(cè)算，旨在確立開(kāi)展空域依據(jù)性能的分級(jí)分類(lèi)管理基礎(chǔ)，為有效確定空域運(yùn)行的性能等級(jí)、實(shí)施結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供支撐。

然而，空域（尤其低空空域）中存在電磁信號(hào)的地形遮蔽、多徑、干擾等影響，使得相同頻段電磁信號(hào)受到交疊互擾、多站電磁信號(hào)面臨聯(lián)合定位與探測(cè)等問(wèn)題與需求；同時(shí)，航空通信導(dǎo)航與監(jiān)視的可用性、完好性指標(biāo)測(cè)算等，都是建立在大量累積數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)才能得出結(jié)論。因此，可利用網(wǎng)格空域單元編碼索引的數(shù)據(jù)組織模型，在網(wǎng)格空域剖分的基礎(chǔ)上，分析測(cè)算電磁信號(hào)空域分布并進(jìn)行可視化、統(tǒng)計(jì)累積數(shù)據(jù)，建立不同于常規(guī)連續(xù)空間的電磁信號(hào)計(jì)算模型，將之作為構(gòu)建數(shù)字化空域系統(tǒng)的重要支撐方法，由此構(gòu)成空域性能可視化研究的技術(shù)基礎(chǔ)。

（三）空中交通異構(gòu)多源信息大數(shù)據(jù)分析挖掘

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，智能空中交通管理技術(shù)進(jìn)入了新發(fā)展階段，需要解決從多源異構(gòu)的實(shí)時(shí)海量信息中挖掘面向空中交通運(yùn)行改善的信息要素、知識(shí)資源等關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前空中交通管理中的人、航空器、空域3個(gè)構(gòu)成因素之間是非線性關(guān)系，存在強(qiáng)耦合的相互影響，兼具智能的人因特征，由此帶來(lái)了檢測(cè)和預(yù)測(cè)的困難。

將數(shù)據(jù)方法應(yīng)用到空中交通管理，可在不能完全獲取內(nèi)部機(jī)理、難以建立交通流精確動(dòng)力學(xué)模型的狀態(tài)下，利用實(shí)際的離線與在線數(shù)據(jù)分析來(lái)理解交通規(guī)律與交通模式；在此基礎(chǔ)上制定管理控制策略，完成空中交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)的精確感知和智能化調(diào)控；最終綜合航空電子、機(jī)載通信單元、智能一體化終端、人機(jī)功效協(xié)同融合等，全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化空域系統(tǒng)。

（四）大規(guī)模空中運(yùn)動(dòng)對(duì)象戰(zhàn)略沖突識(shí)別

空中交通位置可由空域網(wǎng)格單元的編碼確定，也可通過(guò)地理空間的經(jīng)度、緯度、高度來(lái)確定；兩者是一致的，僅在定義的空間分辨率方面存在差異，只要位置精度適應(yīng)研究問(wèn)題的需要即可。大規(guī)模對(duì)象的空中運(yùn)動(dòng)沖突探測(cè)與解脫，對(duì)應(yīng)于位置點(diǎn)的空間關(guān)系與時(shí)變過(guò)程。

在空域離散化的基礎(chǔ)上，針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜運(yùn)動(dòng)對(duì)象，構(gòu)建飛行沖突或空域使用沖突快速識(shí)別算法，確保算法的有效性及魯棒性，這是需要深入研究的問(wèn)題。對(duì)飛行沖突解脫而言，級(jí)聯(lián)效應(yīng)化解及調(diào)配算法的有效性驗(yàn)證成為空中交通管理領(lǐng)域長(zhǎng)期研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)性問(wèn)題。當(dāng)空中交通規(guī)模增加到一定程度后，這一問(wèn)題的處理更為復(fù)雜，因此需要基于全新的空域組織架構(gòu)來(lái)研究新型高效算法。

（五）空域使用復(fù)雜性安全態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

安全等級(jí)不降低是空中交通管理、戰(zhàn)場(chǎng)空域管制的核心要求，但動(dòng)態(tài)監(jiān)控大尺度空間的安全性、測(cè)度空中交通和空域復(fù)雜度并將之控制在規(guī)定門(mén)限內(nèi)，都是尚待研究的問(wèn)題。當(dāng)前廣泛采用動(dòng)態(tài)密度、管制員工作負(fù)荷、空中交通航跡混合性程度等方式，建立空域復(fù)雜度模型；面對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)空域管制需求，選取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)指標(biāo)、建立適用的復(fù)雜度模型，是待研究的重要內(nèi)容。此外，鑒于安全性受諸多因素影響，明確影響指標(biāo)、建立指標(biāo)的主次因分析方法，也是研究難點(diǎn)。

（六）空域運(yùn)行控制多主體協(xié)同信息可靠交換

空域靈活使用，涉及多用戶主體的空域資源計(jì)劃占用、（使用完畢后）快速釋放以及相關(guān)信息在各用戶主體之間的共享，這是盤(pán)活空域資源的核心關(guān)鍵。協(xié)同決策是解決這類(lèi)問(wèn)題的重點(diǎn)方向。

在空域運(yùn)行協(xié)同控制的基礎(chǔ)研究方面，需對(duì)離散網(wǎng)格空域單元編碼之后的空域信息多主體傳輸共享的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，建立基于編碼的空域空間唯一標(biāo)識(shí)和定位；研究對(duì)多主體之間高效協(xié)同決策發(fā)起、決策生成、決策應(yīng)用以及動(dòng)態(tài)調(diào)整跟蹤、效果評(píng)估等內(nèi)容，制定有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)同原理方法，實(shí)現(xiàn)具有時(shí)效性的空域運(yùn)行高效協(xié)同決策。

五、數(shù)字化空域系統(tǒng)

基于上述研究背景與現(xiàn)實(shí)需求，結(jié)合以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的信息技術(shù)加速代際躍遷發(fā)展態(tài)勢(shì)，空域管理領(lǐng)域的技術(shù)路線將有深刻調(diào)整。在這一背景下，我們提出了數(shù)字化空域系統(tǒng)概念，將為高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI等變革性技術(shù)在空域管理領(lǐng)域的應(yīng)用打牢方法基礎(chǔ)。

數(shù)字化空域系統(tǒng)從信息物理系統(tǒng)理念出發(fā)，以空域在計(jì)算機(jī)空間內(nèi)的數(shù)字化建模與可視化重構(gòu)為基礎(chǔ)，圍繞飛行空域的動(dòng)態(tài)配置使用，將空域管理、交通管制、機(jī)場(chǎng)、航空器、航空單位等航空要素有效聯(lián)接；建立一套體系性的計(jì)算模型方法，改善并提升空域感知、沖突識(shí)別、動(dòng)態(tài)控制、信息共享的集成化與自動(dòng)化水平，優(yōu)化并整合空域與交通流量、空域與交通管制的協(xié)同管理效能，全面提高空中交通與作戰(zhàn)的空域管理實(shí)時(shí)性及響應(yīng)能力。

（一）數(shù)字化空域的基本理念

究其本質(zhì)，數(shù)字化空域指利用數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)信息空間內(nèi)完成對(duì)物理飛行空間的數(shù)字化重構(gòu)，開(kāi)展空中交通空域結(jié)構(gòu)、飛行路徑或者戰(zhàn)場(chǎng)空域結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)空間劃分的計(jì)算機(jī)建模重現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)在虛擬空間中映射管理實(shí)際對(duì)象空域使用的全生命過(guò)程。

數(shù)字化空域的發(fā)展重點(diǎn)有：①空域的可視化分析，在可視化空域使用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，建立空域系統(tǒng)“一張圖”，精準(zhǔn)掌握全部空域的實(shí)時(shí)使用分配與建設(shè)情況，為基于一致認(rèn)知的空域動(dòng)態(tài)管理配置提供支撐；②空域的可度量處理，發(fā)展空域管理時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立全新的空域性能、狀態(tài)、評(píng)估計(jì)算方法，測(cè)度全空域的交通性能，為開(kāi)展交通流量、管制及作戰(zhàn)空域使用奠定基礎(chǔ)；③空域的可計(jì)算決策，發(fā)展一套基于數(shù)字化空域的計(jì)算決策模型，為開(kāi)展空域與交通流量、空域與交通管制的協(xié)同管理控制提供基礎(chǔ)能力，也可支持基于模型算法的空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運(yùn)行控制。

（二）數(shù)字化空域系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.數(shù)字網(wǎng)格空域離散建模技術(shù)與編碼體系

當(dāng)前，面向空域管理的空間位置基準(zhǔn)多采用平面地圖，既可在平面地圖上切分出規(guī)則或不規(guī)則的區(qū)域，也可根據(jù)航路航線網(wǎng)與飛行空域結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面地圖分區(qū)。依據(jù)飛行密度，分析大尺度范圍的空中交通流源端與目的端，研究交通航跡與飛行路徑的數(shù)據(jù)挖掘、地圖匹配、航跡模式識(shí)別等，為開(kāi)展基于交通流量管理的空域優(yōu)化與配置提供支持。然而，實(shí)際空中交通都是分層并在立體空間內(nèi)進(jìn)行的，空域管理僅以平面位置進(jìn)行空間劃分使用，與現(xiàn)實(shí)情況有所脫節(jié)，難以針對(duì)高密度飛行進(jìn)行高效的空域動(dòng)態(tài)管理。對(duì)此，需要從全空域和全球視角，開(kāi)展數(shù)字網(wǎng)格空域離散建模，剖分網(wǎng)格基本空域體；針對(duì)空域管理的需求特點(diǎn)，建立一套基于數(shù)字網(wǎng)格空域的編碼體系（見(jiàn)圖1）。數(shù)字空域的離散建模過(guò)程，涉及空域結(jié)構(gòu)剖分與屬性表達(dá)、交通特征提取、航跡數(shù)據(jù)飛行挖掘三方面。其中，數(shù)字網(wǎng)格空域剖分可靜態(tài)或動(dòng)態(tài)劃分為具有特定大小的網(wǎng)格基本空域體，體現(xiàn)了遞歸特性、空間位置關(guān)系隱含特性。

圖1 空域離散建模技術(shù)與編碼示意圖

劃分網(wǎng)格基本空域體的難點(diǎn)在于，高空骨干航路、中低空進(jìn)離場(chǎng)銜接航線、支線與機(jī)場(chǎng)飛行程序以及其他特殊使用空域、軍事空域等不同屬性參數(shù)均需反映在網(wǎng)格中。如果網(wǎng)格基本空域體尺寸過(guò)大，則劃分的區(qū)域可能包含過(guò)多的空域?qū)傩院吞匦裕辉谕痪W(wǎng)格中包含過(guò)多的空中交通或飛行信息，不同空域飛行狀態(tài)可能會(huì)混淆，導(dǎo)致網(wǎng)格基本空域體無(wú)法較為真實(shí)地反映網(wǎng)格內(nèi)的空中交通與飛行狀態(tài)。如果網(wǎng)格尺寸過(guò)小，飛機(jī)航跡數(shù)據(jù)的采樣過(guò)程會(huì)出現(xiàn)連續(xù)航跡的偏移或跳躍問(wèn)題，還可能在一些時(shí)間段中出現(xiàn)多數(shù)網(wǎng)格內(nèi)航跡樣本嚴(yán)重不足的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致計(jì)算效率快速下降。因此，數(shù)字網(wǎng)格空域離散建模核心在于，通過(guò)理論分析確定在空域管理的不同應(yīng)用中所采用的網(wǎng)格尺度，尺度容限范圍等，體現(xiàn)問(wèn)題解決效果與計(jì)算效率之間的平衡 [3]。

將數(shù)字網(wǎng)格空域作為空中交通運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的時(shí)空位置基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)海量飛機(jī)航跡數(shù)據(jù)的運(yùn)用轉(zhuǎn)變：由匹配到航路航線與飛行空域的傳統(tǒng)方式，切換至基于網(wǎng)格的統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)值計(jì)算，從而不依賴(lài)于矢量復(fù)雜航路航線與飛行空域地圖；由此利用飛行實(shí)時(shí)與歷史航跡數(shù)據(jù)，高效準(zhǔn)確地識(shí)別空中交通擁堵情況并對(duì)航跡預(yù)測(cè)時(shí)間進(jìn)行可信估計(jì)。基于此，在構(gòu)建數(shù)字網(wǎng)格空域模型的同時(shí)，圍繞空中交通管理的時(shí)空大數(shù)據(jù)問(wèn)題，研究建立數(shù)字網(wǎng)格空域編碼體系、數(shù)據(jù)管理技術(shù)架構(gòu)，為快速開(kāi)展空域數(shù)值計(jì)算提供支撐。通過(guò)數(shù)字網(wǎng)格空域的空中交通數(shù)據(jù)管理并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，可為開(kāi)展空域優(yōu)化配置、動(dòng)態(tài)管理、運(yùn)行控制等提供決策支撐，為基于電子信息新技術(shù)的應(yīng)用、新型數(shù)字化空域系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。

相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)主要包括三方面。①數(shù)字網(wǎng)格空域中的空中交通運(yùn)行狀態(tài)判別，以網(wǎng)格內(nèi)特定時(shí)間段的空中交通航跡數(shù)據(jù)為對(duì)象，建立交通運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)，通過(guò)聚類(lèi)方法對(duì)空中交通運(yùn)行狀態(tài)和特性進(jìn)行剖析，掌握不同時(shí)間、空間、航路航線、飛行空域結(jié)構(gòu)下的交通運(yùn)行狀態(tài)。②數(shù)字網(wǎng)格空域中的空中交通擁堵識(shí)別，解析網(wǎng)格所包含的交通運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建網(wǎng)格靜態(tài)與動(dòng)態(tài)交通特征模型，形成基于數(shù)字網(wǎng)格空域的空中交通時(shí)空運(yùn)行場(chǎng)景，準(zhǔn)確識(shí)別交通擁堵?tīng)顟B(tài)。③數(shù)字網(wǎng)格空域中的空中交通航跡預(yù)測(cè)，提取交通起始點(diǎn)與終止點(diǎn)之間的有效路徑，通過(guò)網(wǎng)格集合表征航路航線與飛行路徑，利用交通歷史大數(shù)據(jù)分析結(jié)論及可能性，進(jìn)一步建立空中交通航跡的可信預(yù)測(cè)、網(wǎng)格到達(dá)時(shí)間估計(jì)等。

2.數(shù)字網(wǎng)格空域優(yōu)化配置模型算法

在傳統(tǒng)上，空中交通管理優(yōu)化問(wèn)題主要涉及交通流量?jī)?yōu)化、機(jī)場(chǎng)終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)排序、空域結(jié)構(gòu)與交通路徑配置優(yōu)化等。對(duì)這些優(yōu)化問(wèn)題的研究，較多采用最優(yōu)化理論與方法、現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)、AI優(yōu)化算法等；然而相關(guān)研究仍未建立基于完整體系且具有拓展性的方法，難以應(yīng)對(duì)空中交通飛行全過(guò)程的優(yōu)化需求。此外，空中交通管理優(yōu)化多為NP-Hard類(lèi)問(wèn)題，大多利用啟發(fā)式方法在解空間內(nèi)進(jìn)行搜索以尋求次優(yōu)解。建立數(shù)字網(wǎng)格空域后，可將空中交通優(yōu)化、空域配置、交通路徑設(shè)計(jì)等轉(zhuǎn)換為在離散數(shù)字網(wǎng)格空間內(nèi)的搜索與組合優(yōu)化問(wèn)題，從而為最優(yōu)化理論方法、智能優(yōu)化算法等在空域管理中的應(yīng)用提供了可能性 [4]。數(shù)字網(wǎng)格空域的優(yōu)化配置過(guò)程（見(jiàn)圖2）如下：首先在特定網(wǎng)格內(nèi)按照飛入、飛出兩種模式對(duì)交通流分類(lèi)；然后評(píng)價(jià)各空域網(wǎng)格內(nèi)的管制工作負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，區(qū)分標(biāo)識(shí)需要優(yōu)化的網(wǎng)格空域；最后通過(guò)尋優(yōu)計(jì)算來(lái)優(yōu)化配置空域網(wǎng)格。

圖2 數(shù)字網(wǎng)格空域優(yōu)化配置示意圖

相關(guān)研究?jī)?nèi)容主要包括四方面。①機(jī)場(chǎng)終端區(qū)航線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題，依據(jù)機(jī)場(chǎng)飛行量與測(cè)算所得空域容量的比對(duì)結(jié)果，利用網(wǎng)格空域本身的時(shí)空基準(zhǔn)對(duì)空中交通進(jìn)行間隔處理，依據(jù)交通流的方向需求，實(shí)施路徑優(yōu)化分析與計(jì)算；確定高效的空中交通路徑優(yōu)化終端區(qū)航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少飛機(jī)在終端區(qū)內(nèi)滯留時(shí)間，緩解地面延誤，減輕管制員工作負(fù)荷，提高終端區(qū)空域容量和飛行安全與效率。②管制扇區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題，基于數(shù)字網(wǎng)格空域的聚合方法，參照空中交通運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將管制負(fù)荷分布到網(wǎng)格空域；依據(jù)管制負(fù)荷均衡性、航路航線結(jié)構(gòu)，實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)的尋優(yōu)計(jì)算與分析并獲得問(wèn)題的優(yōu)化解。③大尺度空間范圍的航路航線網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，涉及空中交通運(yùn)行的全局性，核心是綜合考慮空中禁區(qū)、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)以及軍事空域、航路空域之間存在的交通耦合因素，構(gòu)建包含空中交通需求、空域容量、飛行時(shí)空分布均衡性、飛行非直線系數(shù)、經(jīng)濟(jì)節(jié)約與環(huán)保、航空器飛行性能等參數(shù)在內(nèi)的優(yōu)化模型并進(jìn)行復(fù)雜問(wèn)題求解；需要進(jìn)一步考慮航路航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、隨機(jī)交通流在網(wǎng)絡(luò)上流動(dòng)的通暢性、抗氣象或設(shè)施故障的擾動(dòng)能力等，將全局空中交通運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)、流量、流率分布到網(wǎng)格空域中，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化參數(shù)，開(kāi)展空中交通大尺度空間運(yùn)行仿真分析，形成問(wèn)題分析結(jié)論和方案。④作戰(zhàn)空域配置優(yōu)化，戰(zhàn)時(shí)空域中存在多種非受控類(lèi)導(dǎo)彈、火炮、電磁干擾等，根據(jù)作戰(zhàn)需求來(lái)動(dòng)態(tài)優(yōu)化并調(diào)配非受控類(lèi)武器與受控類(lèi)航空器之間的空域沖突，成為技術(shù)挑戰(zhàn)；通過(guò)數(shù)字網(wǎng)格空域的時(shí)空位置基準(zhǔn)控制，利用網(wǎng)格空域的離散特性，將不同種類(lèi)管制對(duì)象控制在不同網(wǎng)格空域內(nèi)，對(duì)網(wǎng)格空域進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合控制以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)空域的優(yōu)化配置。

3.數(shù)字網(wǎng)格空域精細(xì)管理與協(xié)同控制方法

空中交通正由低密度向高密度發(fā)展，時(shí)空分布的不均衡性愈發(fā)明顯；新型航空器，如小型噴氣機(jī)、無(wú)人機(jī)、商業(yè)運(yùn)載火箭、臨機(jī)空間飛行器等的用空需求不斷增加，簡(jiǎn)單依靠對(duì)空中交通流的限控量處理這一傳統(tǒng)做法已不再適用。亟需構(gòu)建管理更為精細(xì)的自適應(yīng)空域系統(tǒng)，采用協(xié)同控制方法，將航空參與者一體化集成運(yùn)行；建立更為先進(jìn)的模型算法并用于決策分析，支持提升空中交通管理的魯棒性和動(dòng)態(tài)特性。

數(shù)字網(wǎng)格空域，將空域沖突控制從連續(xù)航跡方程組求解問(wèn)題轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字網(wǎng)格空間的概率預(yù)測(cè)控制計(jì)算問(wèn)題，為大規(guī)模對(duì)象的協(xié)同控制提供了可能性。開(kāi)展微觀空域體的航跡預(yù)測(cè)與宏觀交通流量分布的一體化管理，構(gòu)建基于網(wǎng)格的交通流量管理方法，為空域的精細(xì)控制提供先決條件，為改變空域固定劃設(shè)管理提供重要支撐；實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)格基準(zhǔn)的管制引導(dǎo)、空域告警、目標(biāo)指示能力，發(fā)展基于網(wǎng)格的空域管理指令機(jī)載航行系統(tǒng) [5]。數(shù)字網(wǎng)格空域精細(xì)管理與協(xié)同控制過(guò)程（見(jiàn)圖3），首先按照當(dāng)前空域劃分方式來(lái)評(píng)估分析空域的流量密度，然后以網(wǎng)格的形式進(jìn)行流量密集程度表征，再依據(jù)數(shù)字空域的編碼體系將流量分配到數(shù)字網(wǎng)格空域中；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格方式的空域調(diào)配使用，緩解空域流量集中問(wèn)題。

圖3 數(shù)字網(wǎng)格空域精細(xì)管理與協(xié)同控制示意圖

開(kāi)發(fā)基于數(shù)字網(wǎng)格空域的空中交通管理模型，離不開(kāi)運(yùn)籌學(xué)、制導(dǎo)與控制，系統(tǒng)工程、天氣預(yù)測(cè)、軟件工程等學(xué)科的支撐，涉及新算法構(gòu)建、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用等。傳統(tǒng)上對(duì)交通流量管理的研究，集中于開(kāi)發(fā)飛機(jī)運(yùn)行的開(kāi)環(huán)調(diào)度策略；系統(tǒng)中的每一架飛機(jī)在所有時(shí)刻的位置，都需要通過(guò)求解大規(guī)模整數(shù)規(guī)劃模型獲得。這類(lèi)做法很難刻畫(huà)高密度飛機(jī)調(diào)度問(wèn)題（萬(wàn)架次/天），一般不易處理系統(tǒng)中的不確定性；以天氣影響（驅(qū)動(dòng)調(diào)度計(jì)劃持續(xù)調(diào)整的最大干擾源）為典型，提前數(shù)小時(shí)對(duì)天氣進(jìn)行精確預(yù)報(bào)才能滿足開(kāi)環(huán)交通流量管理需要，而這超出了天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展水平。

聚合流量模型（也稱(chēng)歐拉模型）可用于交通流量管理協(xié)同決策框架的制定。美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)已在理論層面驗(yàn)證了歐拉模型的應(yīng)用可行性。歐拉模型表明，空中交通管理方法與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制之間具有很強(qiáng)的相似性，對(duì)空域系統(tǒng)進(jìn)行離散化，將連續(xù)交通流模型（流體模型）轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的狀態(tài)方程模型；無(wú)需采用偏微分方程描述空中交通流的流動(dòng)狀態(tài)，在不失問(wèn)題本質(zhì)特性的前提下，建立簡(jiǎn)化的問(wèn)題求解策略。

相關(guān)研究?jī)?nèi)容主要包括四方面。①建立基于網(wǎng)格的交通流量模型，引入數(shù)字網(wǎng)格的空域關(guān)系解耦方法，對(duì)大規(guī)模交通流量管理優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行降維處理，通過(guò)網(wǎng)格的鏈接關(guān)系建立交通路徑，優(yōu)化空域資源使用。②基于網(wǎng)格的空域動(dòng)態(tài)管理，通過(guò)模型優(yōu)化計(jì)算來(lái)組織數(shù)字網(wǎng)格并映射到物理飛行空域，實(shí)現(xiàn)對(duì)空域的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格化管理與資源調(diào)配。③基于網(wǎng)格的空域運(yùn)行控制，數(shù)字網(wǎng)格既是飛行的基本空域體，也是飛行空間位置的參考基準(zhǔn)，可作為飛行控制的空域邊界，通過(guò)模型優(yōu)化計(jì)算來(lái)聯(lián)合處理數(shù)字網(wǎng)格空域與航空器飛行航跡，實(shí)現(xiàn)空域與交通管制的協(xié)同。④基于網(wǎng)格的作戰(zhàn)空域協(xié)同控制，與平時(shí)空中交通管理類(lèi)似，戰(zhàn)時(shí)在增加非受控類(lèi)對(duì)象空域使用管理的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型優(yōu)化計(jì)算為作戰(zhàn)空域高效運(yùn)行決策提供支撐，防止空中相撞、誤擊誤傷，提升空域資源使用效率。

六、對(duì)策建議

（一）制定國(guó)家空域系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，統(tǒng)籌實(shí)施“軍民航”空管基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

建議以國(guó)家空域系統(tǒng)建設(shè)為牽引，把握國(guó)家空天基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展趨勢(shì)，穩(wěn)步提升現(xiàn)有空管設(shè)施的保障能力；適時(shí)制定國(guó)家空域系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，明晰階段劃分及發(fā)展目標(biāo)；部署實(shí)施重大科技項(xiàng)目，針對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、高/低軌衛(wèi)星通信的空管應(yīng)用需求，精準(zhǔn)提升我國(guó)新一代空管設(shè)施技術(shù)水平、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定能力。

協(xié)調(diào)并統(tǒng)籌“軍民航”空管設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)總體規(guī)劃的實(shí)施力度，摸清當(dāng)前“軍民航”空管設(shè)施建設(shè)、運(yùn)行存在的問(wèn)題；注重民用技術(shù)在軍航領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，促進(jìn)軍航空管設(shè)施的技術(shù)升級(jí)與能力提升，適應(yīng)未來(lái)統(tǒng)一管制的發(fā)展趨勢(shì)。

（二）完善科技創(chuàng)新環(huán)境，建設(shè)國(guó)家空域系統(tǒng)科技創(chuàng)新平臺(tái)

建議研究制定空管系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化政策體系，設(shè)立空管科技創(chuàng)新基金，建設(shè)空管科技創(chuàng)新平臺(tái)，開(kāi)展重大科研項(xiàng)目的論證與實(shí)施、新技術(shù)準(zhǔn)入測(cè)試等。增強(qiáng)領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力，逐步提升我國(guó)在國(guó)際空管標(biāo)準(zhǔn)制定方面的話語(yǔ)權(quán)；制定軍機(jī)空管適航審定規(guī)范，對(duì)照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，加快構(gòu)建軍民應(yīng)用結(jié)合的空管技術(shù)體系。

梳理空管設(shè)施建設(shè)的自主可控攻關(guān)重點(diǎn)，降低關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品“斷供”風(fēng)險(xiǎn)。建議設(shè)立國(guó)家空域系統(tǒng)基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)，支持建立空管自主可控裝備體系；設(shè)立無(wú)人機(jī)空域安全進(jìn)入技術(shù)攻關(guān)專(zhuān)項(xiàng)，促進(jìn)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展；開(kāi)展數(shù)字化空域系統(tǒng)建設(shè)，制定技術(shù)發(fā)展路線，全面提升我國(guó)空域系統(tǒng)容量，盡快解決空域資源使用緊張問(wèn)題。

（三）加強(qiáng)空管科技創(chuàng)新工作的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和資源整合，完善科研創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃

建議從技術(shù)政策、人員配置、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、方案實(shí)施等方面完善相關(guān)管理機(jī)制，協(xié)調(diào)運(yùn)行單位參與科研產(chǎn)品的需求分析、技術(shù)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證、示范運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)科研成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

加強(qiáng)空管科技創(chuàng)新的政策支持力度，建立多元化、多渠道的科技投入機(jī)制，合理保持空管科研資源的投入力度；鼓勵(lì)建立組合型科研資金投入與管理模式，提升科研產(chǎn)出效率。優(yōu)化空管人才結(jié)構(gòu)和職業(yè)發(fā)展路徑，可利用科研成果推廣產(chǎn)生的效益，激勵(lì)科研機(jī)構(gòu)、科技人員深化工作，形成良性循環(huán)。