Tatjana Boli? *, Paul Ravenhill

? 2021 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company This is an open access article under the CC BY-NC-ND license(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

內(nèi)部市場中人員和貨物的自由流動(dòng)是歐盟（EU）社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的基石，因?yàn)榱鲃?dòng)性確保了各成員國的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和領(lǐng)土疑聚力?？罩薪煌ü芾恚ˋTM）是航空運(yùn)輸模式機(jī)動(dòng)性的保證，它匯集了所需的空中和地面功能，旨在確保飛機(jī)在各個(gè)運(yùn)行階段內(nèi)的安全和高效移動(dòng)[1]。在歐洲，空中交通管理是由各國的空中航行服務(wù)提供商（ANSP）在本國境內(nèi)提供的。在整個(gè)歐洲范圍內(nèi)，這些國家的空中交通管理系統(tǒng)接入歐洲空中航行安全組織網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)構(gòu)，旨在增大交通流、提高交通的可預(yù)測性和擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，其中的網(wǎng)絡(luò)包括歐盟和非歐盟國家?。

為了了解歐洲當(dāng)前（以及未來）的空中交通管理研究環(huán)境，有必要簡要地回顧過去并展望未來的發(fā)展。圖 1描述了由于空域容量不足而導(dǎo)致的交通流和航路延誤的演變情況，以及過去30年中對重大延誤作出的主要對策。20世紀(jì)80年代末的延誤問題?[2]（本文中未述及）促使歐洲空中航行安全組織在其內(nèi)部成立了中央流量管理小組??（CFMU），以及成功地實(shí)施了“縮小垂直間隔”和基本區(qū)域?qū)Ш?，提高了空域容量?0世紀(jì)90年代末，航班延誤問題達(dá)到了高峰，由此管理人員提出了“歐洲單一天空”倡議，并于2004年發(fā)布了首個(gè)相關(guān)法規(guī)?！皻W洲單一天空”倡議旨在改革歐洲空中交通管理的架構(gòu)，在歐洲范圍內(nèi)（而非地區(qū)范圍內(nèi)）解決問題并通過立法手段滿足未來的空域容量和安全需求。到了21世紀(jì)初期，空中交通擁擠和延誤問題仍在加劇。在不久的將來，將不可避免地發(fā)生延誤危機(jī)。與此同時(shí)，決策者和利益相關(guān)方也不相信存在著可以解決該問題的技術(shù)方案。在這一形勢下，歐洲單一天空空中交通管理研究（SESAR）項(xiàng)目于2008年誕生。SESAR以“歐洲單一天空”第二個(gè)立法計(jì)劃為基礎(chǔ)，并成為五大支柱之一：

·第一支柱以規(guī)范ANSP的行為為基礎(chǔ)，通過行為監(jiān)督強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)管理功能；

·第二支柱通過歐洲航空安全局（EASA）建立了一體化安全架構(gòu)；

·第三支柱通過SESAR項(xiàng)目確定、開發(fā)和部署提高空中交通管理性能所需的技術(shù)和程序，從而提供新的空中交通管理技術(shù)；

·第四支柱加強(qiáng)了機(jī)場交通容量管理，使之匹配航空運(yùn)輸能力；

·第五支柱確保各種變化能夠?yàn)檫\(yùn)行人員所接受，從而解決了人的問題。

“歐洲單一天空”及其五大支柱營造了有利環(huán)境，在分離管理的環(huán)境下，這一方案加快了研究、開發(fā)和部署的進(jìn)程。盡管如此，在2018年，仍然發(fā)生了多起重大延誤事件。空域結(jié)構(gòu)研究（AAS）[3]在SESAR聯(lián)合執(zhí)行體（JU）研究結(jié)果的基礎(chǔ)上確定了解決方案并明確其實(shí)施模式，希望解決容量和需求失衡的問題，從而為探索新的范式和研究方向奠定基礎(chǔ)。

雖然這些舉措可以應(yīng)對重大延誤情況，但由于經(jīng)濟(jì)和自然災(zāi)害導(dǎo)致空域容量的減少使得空中交通管理的實(shí)際變革存在著限制。如圖2 [4]所示，最近的災(zāi)害（迄今為止對歐洲空中交通影響最大的災(zāi)害）是2019年的新冠肺炎疫情。

空域容量未能滿足交通流增大的需求是延誤的原因，而延誤反過來也激發(fā)了某些應(yīng)對措施。那些不可預(yù)見的外部事件，使得交通流減少，從而降低延誤的發(fā)生，而這導(dǎo)致決策者需要重新調(diào)整應(yīng)對措施的優(yōu)先級。

以圖1和圖2中提到的事件和應(yīng)對措施為背景，我們將介紹和分析我們的主題：SESAR項(xiàng)目及其成果、實(shí)施情況和未來的發(fā)展方向。

圖1. 歐洲地區(qū)交通流和延誤的演變，以及導(dǎo)致延誤降低的關(guān)鍵事件。來源：EUROCONTROL traffic and delay statistics。

圖2. 2020年歐洲的日交通變化量。

2. 歐洲單一天空空中交通管理研究

為了解決日益嚴(yán)峻的空中交通延誤問題以及滿足新型空中交通管理解決方案的需求?ATM solution represents a change in the way ATM is performed. ATM solutions are new operational concepts, procedures and relevant technologies.，在歐洲單一天空空中交通管理研究定義階段（具體見下文）圓滿結(jié)束后，歐洲理事會(huì)第219/2007號(hào)條例正式啟動(dòng)了SESAR項(xiàng)目[5]。該條例提出了一項(xiàng)重要目標(biāo)，即整合和協(xié)調(diào)歐盟以往分散的、各自為戰(zhàn)的研發(fā)活動(dòng)，避免重復(fù)的研發(fā)（R&D）活動(dòng)。

因此，雖然整個(gè)歐洲和歐洲各個(gè)國家都在同時(shí)開展重要的空中交通管理研發(fā)工作，但在如何進(jìn)一步發(fā)展（即從較低的技術(shù)準(zhǔn)備水平升級到較高的技術(shù)準(zhǔn)備水平）并最終實(shí)施研究成果方面決策者沒有共同的計(jì)劃。此外，關(guān)于如何對整體網(wǎng)絡(luò)情況改進(jìn)（非偏重于局部改進(jìn)）的問題，就更加不確定了。從某種意義上說，由于空中交通管理研究工作是分散的，因此對于未來歐洲空中交通管理也將是彼此相爭而缺乏共性的。

因此，為了促使所有的歐洲空中交通管理研究工作朝著一個(gè)共同的目標(biāo)前進(jìn)，第219/2007號(hào)條例[5]提出了SESAR項(xiàng)目的三個(gè)階段，每個(gè)階段分別由不同的團(tuán)體領(lǐng)導(dǎo)。

·“定義階段”由SESAR集團(tuán)負(fù)責(zé)（2005—2008年）?The Consortium was led by EUROCONTROL and consisted of 30 members and 20 sub-contractors. It was financed by the European Commission and EUROCONTROL.，目標(biāo)是到2008年時(shí)出臺(tái)歐洲空中交通管理總體規(guī)劃（MP）。該總體規(guī)劃旨在為歐洲的空中交通管理解決方案提出一份研究、開發(fā)和部署計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)“歐洲單一天空”的目標(biāo)。

·在“開發(fā)階段”，需要開發(fā)和驗(yàn)證所需的空中交通管理解決方案。這一階段的工作由SESAR聯(lián)合執(zhí)行體負(fù)責(zé)（2008—2013年）。該組織是根據(jù)本條例建立的一個(gè)公私合作的組織。

·在“部署階段”，將大規(guī)模推出和實(shí)施經(jīng)過驗(yàn)證的空中交通管理解決方案（2014—2020年）。

在首個(gè)總體規(guī)劃[6]交付后，定義階段完成。這份規(guī)劃納入了空中交通管理研究中。例如，SESAR的運(yùn)行概念和表現(xiàn)框架就是在EPISODE 3項(xiàng)目的基礎(chǔ)上制定的[7]；EMMA項(xiàng)目[8,9]提出了第一個(gè)先進(jìn)表面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（A-SMGCS）解決方案；SESAR遠(yuǎn)程塔臺(tái)解決方案是基于ART項(xiàng)目[10]提出的；SWIM-SUIT項(xiàng)目[11]則是目前廣域信息管理（SWIM）解決方案的前身。

2009年歐盟理事會(huì)批準(zhǔn)了該總體規(guī)劃[12]并借此表達(dá)了對歐盟成員國在這一方向上開展空中交通管理研究的支持。隨后理事會(huì)將該總體規(guī)劃轉(zhuǎn)交給了SESAR聯(lián)合執(zhí)行體作為研發(fā)活動(dòng)計(jì)劃。SESAR聯(lián)合執(zhí)行體負(fù)責(zé)根據(jù)最新的發(fā)展、優(yōu)先級研究工作和部署路線圖來更新該總體規(guī)劃，在此過程中SESAR JU將咨詢所有的利益相關(guān)方（即ANSP、航空公司、機(jī)場、軍方等）。

正如SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的基礎(chǔ)條例中所述，研發(fā)（以及部署計(jì)劃）過于樂觀。到2013年（預(yù)計(jì)結(jié)束開發(fā)階段的這一年）只有一部分總體規(guī)劃中的解決方案經(jīng)過了驗(yàn)證并準(zhǔn)備進(jìn)入開發(fā)階段。此外，2008年的經(jīng)濟(jì)蕭條和2010年的火山爆發(fā)（圖1）也嚴(yán)重影響到了研發(fā)工作的優(yōu)先級。在2014年，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的工作延期[13]至2024年。

在空中交通管理研發(fā)中，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體同時(shí)獲得了公共資金（即歐盟資金和歐洲空中航行安全組織的實(shí)物資助）和私人資金。歐洲委員會(huì)和歐洲空中航行安全組織均為資助單位，提供了近三分之二的研發(fā)預(yù)算，剩下三分之一的預(yù)算則來自于SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的成員單位。經(jīng)過2014年的擴(kuò)員，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體現(xiàn)有19家成員單位（代表37家公司）。研發(fā)經(jīng)費(fèi)以有限募集和公開募集兩種方式籌得。有限募集的經(jīng)費(fèi)主要提供給SESAR聯(lián)合執(zhí)行體成員單位的空中交通管理解決方案的成熟化和驗(yàn)證工作。探索性的、低成熟度的研究工作和一些規(guī)模非常大的演示工作則采用公開募集的方式。由于歐盟的資助來自于“地平線2020計(jì)劃”（H2020）的資金，一切有資格參加H2020的研究項(xiàng)目都可在H2020的規(guī)則下參與研究（有關(guān)SESAR聯(lián)合執(zhí)行體成員單位、管理、資金來源和募集等的詳細(xì)信息，請見參考文獻(xiàn) [14,15]）。

到2013年時(shí)，已有部分空中交通管理解決方案成熟，并且，要實(shí)現(xiàn)空中交通管理現(xiàn)代化和“歐洲天空一體化”的目標(biāo)，最快捷的途徑就是及時(shí)、協(xié)調(diào)和同步地部署這些解決方案。因此，在2013年時(shí)，管理者啟動(dòng)了SESAR部署管理方功能[16]。具體而言，部署管理方的職責(zé)是管理共同項(xiàng)目的實(shí)施[17]。共同項(xiàng)目包括了由SESAR聯(lián)合執(zhí)行體提供的、成熟的空中交通管理解決方案。這是歐洲空中交通管理網(wǎng)絡(luò)“實(shí)現(xiàn)必要的業(yè)務(wù)變革”[17]所需的解決方案，并且解決方案需要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)和同步實(shí)施。部署工作由“連接歐洲基金”（CEF）項(xiàng)目提供資金，目的是在歐洲范圍內(nèi)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

按照最初的設(shè)想，SESAR項(xiàng)目應(yīng)遵循從定義到部署的線性路線。如今，空中交通管理現(xiàn)代化需要持續(xù)的生命周期。SESAR聯(lián)合執(zhí)行體負(fù)責(zé)開展研發(fā)活動(dòng)并更新總體規(guī)劃以應(yīng)對不斷變化的外部條件（如歐盟政策和經(jīng)濟(jì)的變化）或出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)（如無人機(jī)和空中交通管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型）。每隔幾年，管理者就會(huì)征求各航空利益相關(guān)方的意見，以期找出差距，在此基礎(chǔ)上確定研究和創(chuàng)新需求并調(diào)整部署戰(zhàn)略。在總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體開展研究、開發(fā)和驗(yàn)證活動(dòng)，SESAR部署管理方負(fù)責(zé)組織實(shí)施通用項(xiàng)目（即選擇成熟的空中交通管理解決方案）。最新的第四版總體規(guī)劃[18]考慮到了交通量的穩(wěn)步增長、日益嚴(yán)重的環(huán)境問題以及新興的新型航空器（即無人機(jī)和高空航空器）。

迄今為止，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體的工作計(jì)劃已成功驗(yàn)證了63個(gè)空中交通管理解決方案[19]，還有79個(gè)解決方案正在準(zhǔn)備中并將在未來幾年內(nèi)交付。這些解決方案包括：成熟化未來概念的關(guān)鍵推動(dòng)因素，如遠(yuǎn)程塔臺(tái)、分離時(shí)間和延期到達(dá)管理[進(jìn)港排序輔助決策系統(tǒng)（AMAN）]；以及虛擬中心、改進(jìn)的航空氣象（MET）信息和完整廣域信息管理（SWIM）（正在準(zhǔn)備中）。每一個(gè)解決方案都涉及業(yè)務(wù)、安全、性能、人的行為等方面以及標(biāo)準(zhǔn)化材料。SESAR解決方案已應(yīng)用在歐洲的300多個(gè)地點(diǎn)，而共同項(xiàng)目的實(shí)施工作也正在繼續(xù)進(jìn)行（見參考文獻(xiàn)[20]中有關(guān)部署監(jiān)控的內(nèi)容）。盡管如此，在部署策略方面仍有改善的空間，歐洲審計(jì)院報(bào)告[21]指出：“我們認(rèn)為，歐盟以共同項(xiàng)目形式進(jìn)行的管理干預(yù)可以帶來附加價(jià)值。但我們也發(fā)現(xiàn)，歐盟提供的空中交通管理現(xiàn)代化資金在很大程度上是不必要的，資金的管理也存在著一些問題。”該報(bào)告認(rèn)可了及時(shí)、協(xié)調(diào)、同步部署解決方案對現(xiàn)代化的價(jià)值，但也指出，資金的管理需要專注于轉(zhuǎn)型解決方案而不是局部改進(jìn)。

3. 歐洲空中交通管理現(xiàn)代化的未來發(fā)展

最新的總體規(guī)劃列出了三大挑戰(zhàn)：一是交通流需求與現(xiàn)有空中交通管理空域容量不匹配；二是亟需更加嚴(yán)肅地對待環(huán)境問題；三是空間領(lǐng)域中新參與者的增多。在管理日益增加的各類空中交通容量方面，歐洲的空中交通管理基礎(chǔ)設(shè)施容量已經(jīng)達(dá)到了極限。據(jù)預(yù)測，在未來17年內(nèi)，常規(guī)航空運(yùn)輸量將增加50%，而累計(jì)延誤的風(fēng)險(xiǎn)將達(dá)到目前的15倍[4]。

這種增長引發(fā)了人們對于環(huán)境和健康的擔(dān)憂，而這也是歐盟在《歐洲綠色新政》中做出的承諾[22]。從本質(zhì)而言，空中交通管理在減少航空排放方面的措施是有限的。憑借充足的空域容量和靈活性，可使飛機(jī)安全地飛行在環(huán)境優(yōu)化的軌跡上，從而減少排放。

此外，新型航空器，如極低空無人機(jī)、軍用中高空長航時(shí)無人機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)空中巴士、超高空（FL600+）作業(yè)飛機(jī)、下一代超聲速飛機(jī)和電推進(jìn)飛機(jī)等，都需要考慮到，并將其納入傳統(tǒng)的空中交通管理中來?；谶@些挑戰(zhàn)，管理者提出了“關(guān)于歐洲空域未來結(jié)構(gòu)的建議”[3]（即AAS）。這一提案以SESAR空中交通管理解決方案（記錄于總體方案）為基礎(chǔ)，與一項(xiàng)新的目標(biāo)結(jié)合。根據(jù)該目標(biāo)，未來將采用轉(zhuǎn)型技術(shù)并加快使用數(shù)字化技術(shù)，以增強(qiáng)自動(dòng)化和虛擬化。

未來的研究項(xiàng)目也需要指向更高的目標(biāo)。我們需要克服各國空中交通管理系統(tǒng)帶來的困難和不足，并建立新的、以服務(wù)為導(dǎo)向的空中交通管理架構(gòu)。二者有何區(qū)別？目前，各個(gè)ANSP都擁有航空服務(wù)所需的所有需求，即通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、空中交通和空中交通管理數(shù)據(jù)服務(wù)，這些服務(wù)都緊密地集成在了傳統(tǒng)的空中交通管理系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)通過不同的空中交通管理接口標(biāo)準(zhǔn)連接，導(dǎo)致其交互操作性有限、維護(hù)成本高并難以實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

在以服務(wù)為導(dǎo)向的架構(gòu)中，這些緊密集成的服務(wù)將分解為獨(dú)立運(yùn)行的服務(wù)，并可以在任何地方運(yùn)行。借助于數(shù)字手段，可以將信息服務(wù)的提供與執(zhí)行信息服務(wù)的物理硬件彼此分離，從而實(shí)現(xiàn)空中交通管理服務(wù)的虛擬化。虛擬中心這一概念較為靈活。一個(gè)虛擬中心可由一個(gè)或多個(gè)空中交通服務(wù)裝置（目前的ANSP）組成。這些裝置使用一個(gè)或多個(gè)空中交通管理數(shù)據(jù)服務(wù)提供商遠(yuǎn)程提供的空中交通管理數(shù)據(jù)服務(wù)。由此，可以在任何位置上提供空中航行服務(wù)而不受國家領(lǐng)域的限制。

如要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究的重點(diǎn)必須放在虛擬架構(gòu)的少數(shù)突破性技術(shù)上。此外，也需要著力研究監(jiān)管問題，包括：

·允許成員國在其領(lǐng)空內(nèi)靈活改變對空中航行服務(wù)的責(zé)任；

·高度自動(dòng)化系統(tǒng)的認(rèn)證和批準(zhǔn)；

·管制員培訓(xùn)和認(rèn)證的變革；

·轉(zhuǎn)型后空中交通管理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)監(jiān)管方面的變革。

新的架構(gòu)是一種框架。為了實(shí)現(xiàn)這一架構(gòu)，需要各個(gè)組織高度協(xié)調(diào)，并執(zhí)行共同商定的服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施原則。架構(gòu)一旦建立，將允許系統(tǒng)的不同部分根據(jù)當(dāng)?shù)匦枨笠圆煌乃俣劝l(fā)展，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)層面上的整體一致性。

截至撰寫本文時(shí)，全球空中交通管理價(jià)值鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)——航空公司、機(jī)場、ANSP及其供應(yīng)商——才剛剛開始從新冠肺炎疫情造成的停滯中逐漸恢復(fù)。由于交通流急劇降低（例如，在4月和5月的某些時(shí)期，歐盟的交通流降低了90%），短期內(nèi)的需求不再是交通能力提升。在短期內(nèi)，工作重點(diǎn)在于盡可能以節(jié)約成本和可持續(xù)的方式管理減量的交通。然而，目前的情況并不會(huì)改變長期目標(biāo)，即對空中交通管理進(jìn)行廣泛轉(zhuǎn)型，提供具有成本效益的服務(wù)，以支持可持續(xù)航空發(fā)展和采用現(xiàn)代技術(shù)的新型航空器。這次危機(jī)表明了我們需要構(gòu)建一個(gè)可持續(xù)的、可擴(kuò)展的并且有彈性的空中交通管理系統(tǒng)。如要以節(jié)省成本的方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，總體規(guī)劃和“關(guān)于歐洲空域未來架構(gòu)的建議”仍然是最有效的方式。

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The authors declare the following financial interests/personal relationships which may be considered as potential competing interests: Tatjana Boli? is a member of SESAR JU’s Scientific Committee and she works on exploratory research projects funded by SESAR JU. Paul Ravenhill occasionally works on research projects funded by SESAR JU.