朱永文 ，陳志杰 *，蒲釩 ，王琦

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

一、前言

空中交通管理簡稱“空管”，是支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的國家基礎(chǔ)設(shè)施，所支撐的航空經(jīng)濟(jì)規(guī)模以及輻射帶動(dòng)量超過國內(nèi)生產(chǎn)總值的17%；在“空天地”一體化航行體系的支撐下，組織管理國家空域資源、航空運(yùn)輸行業(yè)，同時(shí)服務(wù)航空制造、通用航空等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國航空運(yùn)輸發(fā)展迅速，預(yù)測(cè)2028 年行業(yè)規(guī)模將居世界首位[1]。在此背景下，國家空域系統(tǒng)保持高密度飛行態(tài)勢(shì)，對(duì)空管科技發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：有人 - 無人駕駛航空器混合高密度飛行成為常態(tài)，現(xiàn)行管制方式難以應(yīng)對(duì)，新的空管規(guī)則有待建立；空管的主導(dǎo)因素在于人而人工保障通常超負(fù)荷運(yùn)行，低效率導(dǎo)致的航班延誤成為社會(huì)焦點(diǎn)，碳排放水平居高不下，新的空管技術(shù)亟待發(fā)展；城市空中運(yùn)輸[2]、臨近空間飛行、高頻率航天發(fā)射等新需求涌現(xiàn)，新的空管模式以及新一代空管系統(tǒng)裝備需要突破。

為積極應(yīng)對(duì)未來超大規(guī)模航空市場(chǎng)的發(fā)展需求和相關(guān)的環(huán)境約束挑戰(zhàn)，國際民用航空組織（ICAO）牽頭發(fā)布了全球空中航行計(jì)劃、航空系統(tǒng)組塊升級(jí)計(jì)劃；國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)著眼于應(yīng)用新技術(shù)改進(jìn)航空服務(wù)，聯(lián)合國際機(jī)場(chǎng)協(xié)會(huì)推出了新技術(shù)旅行新體驗(yàn)項(xiàng)目。在ICAO的統(tǒng)一發(fā)展框架下，航空強(qiáng)國提出了新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)（NextGen）、航空戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃，歐洲空中交通管理總體規(guī)劃、2050+機(jī)場(chǎng)計(jì)劃、歐盟航空安全局（EASA）人工智能發(fā)展路線圖等[3]；發(fā)布了城市空中交通納入NextGen、歐洲單一天空空中交通管理項(xiàng)目（SESAR）等規(guī)劃，描繪了空中交通智能化發(fā)展愿景，以適應(yīng)未來新型航空器、智能航空器的規(guī)模化應(yīng)用趨勢(shì)。中國民用航空局空中交通管理局組織制定了中國民航空管現(xiàn)代化戰(zhàn)略（2016 年），作為中國版的NextGen、SESAR，引導(dǎo)開展機(jī)場(chǎng)運(yùn)行、信息協(xié)同、容量優(yōu)化、高效航跡等方向的規(guī)劃建設(shè)，旨在加強(qiáng)全系統(tǒng)信息管理、氣象信息服務(wù)、數(shù)字化情報(bào)管理等基礎(chǔ)信息服務(wù)能力，完善數(shù)據(jù)鏈通信、綜合導(dǎo)航、多元監(jiān)視等基礎(chǔ)設(shè)施，著重提升全階段數(shù)字化管制、全國飛行流量管理等運(yùn)行能力，逐步形成安全高效的空中交通管理體系。

值得指出的是，我國在空中交通管理智能化發(fā)展方面進(jìn)行了規(guī)劃和細(xì)化研究，但有關(guān)整體技術(shù)架構(gòu)、具體發(fā)展路徑尚未形成共識(shí)。本文在梳理空中交通管理新趨勢(shì)及新需求的基礎(chǔ)上，研判面臨的新挑戰(zhàn)，凝練智能化發(fā)展涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題并提出技術(shù)研究重點(diǎn)，以期為智能化空中交通管理系統(tǒng)構(gòu)建研究提供基礎(chǔ)參考。

二、空中交通管理的新趨勢(shì)、新需求與新挑戰(zhàn)

作為空地一體航行系統(tǒng)的核心，空中交通管理細(xì)分為三方面：面向飛行活動(dòng)實(shí)施統(tǒng)一監(jiān)督、管理和控制的交通管制，面向結(jié)構(gòu)、兼顧軍 / 民航用空需求、統(tǒng)籌空域規(guī)劃使用的空域管理，面向交通群服務(wù)空中交通安全有序、快捷流通的流量控制。未來的空中交通將廣泛應(yīng)用人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、傳感網(wǎng)等新興技術(shù)，依托空間基礎(chǔ)設(shè)施，形成安全、高效、協(xié)同、綠色以及人享其行、物優(yōu)于流的應(yīng)用能力（見圖1）；建立全場(chǎng)景數(shù)字化處理、智能化支撐的空中交通新模式，支持便捷品質(zhì)的大眾出行、綜合立體交通體系建設(shè)，保障持續(xù)服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵能力。

圖1 空中交通智能化運(yùn)行概念場(chǎng)景

（一）運(yùn)行場(chǎng)景從單一運(yùn)輸航行轉(zhuǎn)向多元異構(gòu)飛行

1. 綠色智能的空中交通自主化飛行

隨著智能態(tài)勢(shì)感知、自主飛行控制、電推進(jìn)及清潔能源等技術(shù)趨于成熟，空中飛行朝著智能自主方向發(fā)展。羅蘭·貝格國際管理咨詢公司預(yù)測(cè)，2050 年全球?qū)⒂?.8×104架智能航空器用于空中出租、機(jī)場(chǎng)班車、城際航班等服務(wù)。智能航空器依據(jù)申報(bào)的飛行計(jì)劃，自主進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知；按照空域使用狀態(tài)、周邊飛行態(tài)勢(shì)以及氣象情況，自主進(jìn)行飛行路徑規(guī)劃；在最佳路徑條件下自適應(yīng)調(diào)整飛行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)與其他航空器、航路航線網(wǎng)絡(luò)、航空基礎(chǔ)設(shè)施、空管系統(tǒng)、地面車輛之間的一體化協(xié)同管理。

2. 安全便捷的空管個(gè)性化定制服務(wù)

根據(jù)EASA 預(yù)測(cè)[3]，到2050 年歐洲需要保障2.5×108架次航空飛行，航空器類型包括有人駕駛航空器、形態(tài)各異的無人駕駛航空器；運(yùn)行場(chǎng)景涵蓋中高空客貨運(yùn)輸、低空空中城鐵、空中出租、城市物流、集中監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)中繼、邊防巡邏等。航空器起飛 / 降落形式多樣，飛行速度及剖面分布不均，空域保持和被監(jiān)視能力差異明顯；空中交通用戶類型多樣，如個(gè)人、物流運(yùn)營企業(yè)、航空公司、數(shù)據(jù)服務(wù)商等。面向多元化用空需求，應(yīng)綜合運(yùn)用狀態(tài)全面感知、多智能體協(xié)同決策[4]、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交通智能控制與調(diào)度等技術(shù)，優(yōu)化空中交通服務(wù)流程；提供不同等級(jí)、形式、內(nèi)容，體現(xiàn)差異化與個(gè)性化的服務(wù)，提升人員與貨物運(yùn)輸?shù)牧鲿承砸约胺?wù)保障的可靠性；最終構(gòu)建空中交通出行智能化服務(wù)體系[4]，具備協(xié)同聯(lián)動(dòng)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、精準(zhǔn)調(diào)控能力。

3. 耦合交織的空天飛行器跨域運(yùn)行

臨近空間飛行器特別是可重復(fù)使用空天往返載具的發(fā)展，使得臨近空間飛行頻次明顯增加；中高空有人 / 無人共域運(yùn)行趨勢(shì)明顯，無人機(jī)應(yīng)用向諸多領(lǐng)域深入拓展；低空城市空中交通業(yè)態(tài)孕育，空中出租、空中巴士、空中物流所需的載人 / 載貨飛行穿梭[5]。例如，2030 年前美國商業(yè)臨近空間飛行的航班數(shù)量將為660 架/年，約有4×104架低空物流無人機(jī)提供5×108次快遞服務(wù)、2.3×104架城市無人機(jī)提供7.4×108人次載客飛行[5]；2035年歐洲城市空中交通方面，150 m 以下超低空無人機(jī)飛行量將超過3.5×108h，飛行距離達(dá)1.7×1010km[6]。在從低空到臨近空間的廣闊空域內(nèi)，隨著航空器飛行在空間上向超低空、遠(yuǎn)邊疆延伸，在應(yīng)用上向多樣化場(chǎng)景、復(fù)雜運(yùn)行轉(zhuǎn)變，多尺度、多維度、全方位的空中交通管理“挖潛增效”亟待開展。

（二）空中交通管理應(yīng)滿足傳統(tǒng)與未來相疊加的復(fù)合需求

1. 高集成度空管基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及運(yùn)行

通過空中與地面道路、軌道、水運(yùn)交通的一體設(shè)計(jì)，構(gòu)建線上線下融合集成、全流程引導(dǎo)、無感化出行、零距離換乘、精準(zhǔn)快捷中轉(zhuǎn)、投送無縫銜接的綜合立體交通運(yùn)輸體系，是我國綜合立體交通規(guī)劃的核心內(nèi)容。聚焦到空中交通管理，即建設(shè)“空天地”一體化的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，集空域、性能、氣象、飛行情報(bào)于一體的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；按照統(tǒng)一、兼容的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行規(guī)范，形成以空中交通信息中心為分布式節(jié)點(diǎn)，向外輻射至飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)、設(shè)施等終端并確?；ヂ?lián)互通，多要素融合、可視化感知、一體化協(xié)同的空管運(yùn)行新模式。

2. 海量復(fù)雜空管數(shù)據(jù)信息的管理及應(yīng)用

空中交通管理的動(dòng) / 靜態(tài)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著歷史經(jīng)驗(yàn)、當(dāng)前現(xiàn)狀、未來預(yù)測(cè)的潛在信息，具有體量龐大、時(shí)效不一、異構(gòu)多源等特點(diǎn)。為適應(yīng)差異化、多樣性的未來空中交通新模式發(fā)展要求，空管業(yè)務(wù)各方需依照業(yè)務(wù)流程、支撐條件、職責(zé)要求，針對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息管理與應(yīng)用開展彈性調(diào)整、敏捷適變、有效聚合。通過飛行器、信息系統(tǒng)、管理運(yùn)行中數(shù)據(jù)信息的流轉(zhuǎn)、共享與應(yīng)用，為高密度飛行條件下航空器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[7]、協(xié)同引導(dǎo)、沖突精準(zhǔn)探測(cè)與智能解脫[8]等業(yè)務(wù)需求提供跨層級(jí) / 跨部門 / 跨系統(tǒng)的同場(chǎng)景感知、一體化管理、無縫隙銜接解決方案。

3. 新一代空管運(yùn)行概念的迅速推廣與實(shí)施

隨著航空器性能的提升，以雷達(dá)與程序管制為主體的傳統(tǒng)空管運(yùn)行模式逐漸不能滿足應(yīng)用需求，表現(xiàn)為航班延誤與取消現(xiàn)象越來越嚴(yán)重、航空碳排放量越來越高。相應(yīng)地，以數(shù)字化、智能化、自主協(xié)同為特點(diǎn)的第四代空中交通管理運(yùn)行模式逐步成型：① 建設(shè)數(shù)字化空管系統(tǒng)，支持多元用戶的用空按需適配，開展空域資源定量化調(diào)度、容流自適應(yīng)匹配、運(yùn)行精細(xì)化控制；② 發(fā)展智能化決策技術(shù)，突破人在回路的空管能力上限，開展空管大數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)構(gòu)化知識(shí)圖譜建立、最優(yōu)決策模型求解；③ 提升自主協(xié)同水平，突破地面集中式空管模式的局限性，構(gòu)建分布式態(tài)勢(shì)感知、風(fēng)險(xiǎn)研判、協(xié)同決策能力，實(shí)現(xiàn)末端邏輯閉環(huán)。

（三）傳統(tǒng)空中交通管理面臨的諸多挑戰(zhàn)

1. 交通管制模式轉(zhuǎn)變

當(dāng)前的交通管制以人與人之間的話音通信為主要手段，將管制員的決策意圖傳遞給飛行員，進(jìn)行沖突消解與交通引導(dǎo)。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的指揮模式難以適應(yīng)多種強(qiáng)耦合約束并存的無沖突交通航跡運(yùn)行需求。推動(dòng)交通管制模式從飛行員 - 管制員意圖交互轉(zhuǎn)向基于數(shù)據(jù)鏈的自主意圖協(xié)商，建立機(jī)載航電與地面管制站之間、機(jī)器對(duì)機(jī)器的空地自主意圖協(xié)商決策模式，才能為大幅提升交通管制運(yùn)行效率提供支撐。

2. 空域管理模式轉(zhuǎn)變

當(dāng)前的空域管理依據(jù)長期積累的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，開展戰(zhàn)略層面的幾何結(jié)構(gòu)規(guī)劃與優(yōu)化調(diào)整，導(dǎo)致空域固定使用、利用率受限，難以滿足未來強(qiáng)時(shí)變的空中交通態(tài)勢(shì)演化需求。推動(dòng)空域管理模式從固定劃分管理使用轉(zhuǎn)向基于性能的柔性變結(jié)構(gòu)管理，擴(kuò)展空域管理模型維度；從航空器角度建立基于性能的所需空域基礎(chǔ)模型，才能為實(shí)現(xiàn)空域變結(jié)構(gòu)柔性使用筑牢基礎(chǔ)。

3. 流量控制模式轉(zhuǎn)變

當(dāng)前的流量控制采用人在回路、以地面分散節(jié)點(diǎn)為中心的控制模式，難以應(yīng)對(duì)未來大流量交通流全局優(yōu)化調(diào)控“一控就死、一放就堵”的癥結(jié)問題。推動(dòng)流量控制模式從處置操作依賴地面且人在回路轉(zhuǎn)向基于航跡協(xié)同的智慧調(diào)配，建立以航跡為基礎(chǔ)、空域與流量協(xié)同的一體化決策模式，才能為解決高密度、異質(zhì)化飛行流量的精細(xì)調(diào)控難題提供支持（見圖2）。

圖2 空中交通智能化總體架構(gòu)圖

三、空中交通智能化管理的基礎(chǔ)科學(xué)問題

為了適應(yīng)空中交通管理發(fā)展的新趨勢(shì)，亟需轉(zhuǎn)變以人為中心、地面集中式的空中交通粗放管理舊模式，盡快實(shí)現(xiàn)自主化、智能化、自動(dòng)化的空中航行管控體系升級(jí)。構(gòu)建新一代空中交通智能化管理技術(shù)體系，核心關(guān)鍵在于以空地協(xié)同空中交通自主決策為代表的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，突出表現(xiàn)在4個(gè)基礎(chǔ)問題。

（一）航空器與空管基礎(chǔ)設(shè)施相互作用機(jī)理和模式問題

明確航空基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)性能的分布規(guī)律，是提高復(fù)雜環(huán)境與高密度飛行條件下航空運(yùn)輸系統(tǒng)整體性能的先決條件，也是航空運(yùn)輸領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。相關(guān)研究的基本思路為：在實(shí)時(shí)可靠的全時(shí)空交通運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，疊加航空運(yùn)輸通信、導(dǎo)航、監(jiān)視的空管性能保障要素并進(jìn)行定向增強(qiáng)；利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新興技術(shù)，在信息空間內(nèi)開展航空器自主安全控制、航空器 - 空管基礎(chǔ)設(shè)施相互作用機(jī)理的數(shù)字化重構(gòu)；實(shí)現(xiàn)人 - 航空器 - 空管基礎(chǔ)設(shè)施在同一情景下的一體化集成管理，為空中交通管理新概念、新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)提供充分的驗(yàn)證條件。

（二）基于可接受風(fēng)險(xiǎn)的航空器間隔空地協(xié)同控制問題

交通態(tài)勢(shì)涵蓋多個(gè)認(rèn)知層面，如物理域飛行動(dòng)態(tài)、信息域演化趨勢(shì)、認(rèn)知域交通復(fù)雜性等。開展交通態(tài)勢(shì)綜合感知與安全風(fēng)險(xiǎn)綜合監(jiān)測(cè)，拓展交通管制決策彈性適用的對(duì)象范圍，對(duì)管制系統(tǒng)裝備自動(dòng)化能力等級(jí)提升具有重要意義?；诳山邮茱L(fēng)險(xiǎn)的航空器間隔空地協(xié)同控制，表現(xiàn)為基于數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建空地航跡協(xié)商與同步機(jī)制，實(shí)時(shí)融合并處理來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的多來源、多維度、多模態(tài)、動(dòng) / 靜態(tài)的空管數(shù)據(jù)，形成空中交通多尺度、多粒度、多角度的態(tài)勢(shì)在線刻畫與演化預(yù)測(cè)能力；發(fā)展面向機(jī)場(chǎng)、終端區(qū)、航路的交通航跡間隔動(dòng)態(tài)控制與沖突解脫決策方法，形成支持航跡運(yùn)行的空地協(xié)同管制新模式。

（三）多要素形態(tài)非一致規(guī)則的空域運(yùn)行建模優(yōu)化問題

當(dāng)前的空域運(yùn)行研究多采用經(jīng)典的簡化建模方法，即根據(jù)航空器交通行為與空域運(yùn)行的基本規(guī)律，提取并保留影響較大的若干要素，通過數(shù)值模擬方式進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)；以概率分布的形式對(duì)交通隨機(jī)性進(jìn)行建模，以模糊隸屬度函數(shù)抽象管制員行為的不確定性與環(huán)境因子。上述方法可對(duì)空域運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行一定程度上的降維還原，但無法反映未來空中交通的高密度特性，因而需對(duì)空域進(jìn)行更高維度的量化評(píng)估、立體設(shè)計(jì)、精細(xì)管控。多尺度空間（機(jī)場(chǎng)+終端區(qū)+高空航路網(wǎng)）、多尺度時(shí)間（以年為單位的戰(zhàn)略管理+以小時(shí)為單位的預(yù)戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃+以分鐘為單位的戰(zhàn)術(shù)控制）的高維時(shí)空變量與通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象等因素相疊加，使得數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、非一致規(guī)則的空域動(dòng)態(tài)建模問題成為全時(shí)空交通管理優(yōu)化的前提和基礎(chǔ)。

（四）高密度空中交通流演化機(jī)理與擁堵傳播特性問題

大規(guī)模對(duì)象的交通運(yùn)行具有強(qiáng)的耦合關(guān)聯(lián)、嵌套影響、級(jí)聯(lián)傳導(dǎo)等特性。深入理解交通擁堵形成的內(nèi)在機(jī)理、復(fù)雜交通涌現(xiàn)現(xiàn)象的生成原理，進(jìn)而導(dǎo)出交通運(yùn)行穩(wěn)定性的非一致性判別準(zhǔn)則，是高密度交通流量控制方向的熱點(diǎn)研究問題。相關(guān)研究有助于提升高密度航班流量全局精細(xì)調(diào)度智能決策水平，基本思路為：對(duì)空中交通流進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)建模分析，明晰交通需求變化規(guī)律與航路網(wǎng)幾何構(gòu)型間的作用機(jī)理；探明外在環(huán)境不可抗擾動(dòng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定條件下的交通流運(yùn)行平穩(wěn)度、恢復(fù)時(shí)間、傳播范圍等因素，支持開展飛行流量多主體分布式協(xié)同管理。

四、空中交通智能化管理的技術(shù)研究重點(diǎn)

構(gòu)建空中交通智能化管理技術(shù)體系，是解決上述基礎(chǔ)科學(xué)問題的客觀路徑，主要涉及航空器、空域、管制決策、運(yùn)行四方面。

（一）智能互聯(lián)航空器技術(shù)

傳統(tǒng)的空中交通管理以地面管制中心為核心節(jié)點(diǎn)，結(jié)合通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)管制范圍內(nèi)的用空對(duì)象進(jìn)行集中式管理；航空器作為被管理方，技術(shù)發(fā)展側(cè)重于單體機(jī)能提升，突出表現(xiàn)在飛行器總體方案、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、先進(jìn)復(fù)合材料等方面?？罩薪煌ㄟ\(yùn)輸總量不斷增長，新型航空器也帶來更為復(fù)雜的用空需求；構(gòu)建以“智能互聯(lián)航空器自主飛行”為核心，星 - 空 - 地緊密互聯(lián)、空地協(xié)同的新型空中交通運(yùn)行模式，也使航空器在空中交通管理中的角色不再局限于末端被動(dòng)接收節(jié)點(diǎn)，成為打破空中交通智能化發(fā)展瓶頸的要素。借助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的的通信優(yōu)勢(shì)，將顯著提升航空器互聯(lián)互通能力與智能化水平。例如，航空器承擔(dān)傳感器的角色，實(shí)時(shí)共享當(dāng)前所處位置的氣象信息、向航空公司實(shí)時(shí)傳輸自身機(jī)械系統(tǒng)故障信息；承擔(dān)執(zhí)行器的角色，對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的四維航跡進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、對(duì)可能遭遇的風(fēng)險(xiǎn)氣象進(jìn)行研判[9]；承擔(dān)控制器的角色，參與空中交通管制的協(xié)議與商定。

突破智能互聯(lián)航空器技術(shù)，以下方面是研究重點(diǎn)。① 基于多層網(wǎng)絡(luò)、空地一致的空中交通態(tài)勢(shì)感知研究。依托移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展空事衛(wèi)星雙向通信、大規(guī)模衛(wèi)星組網(wǎng)高速通信等技術(shù)，提供全域覆蓋的實(shí)時(shí)回傳、多元豐富的空中飛行相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星 -航空器 - 地面間的同步互聯(lián)。從航空器機(jī)載航電系統(tǒng)、地面數(shù)字化管制系統(tǒng)角度著手，在實(shí)時(shí) / 定時(shí)數(shù)據(jù)信息交互的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多元異構(gòu)數(shù)據(jù)聚合處理與智能認(rèn)知算法，構(gòu)建完整透明、空地一致、實(shí)時(shí)更新的空中交通精準(zhǔn)空域圖像刻畫能力，解決空中交通監(jiān)視有“態(tài)”無“勢(shì)”問題。② 基于空地態(tài)勢(shì)共享的協(xié)同交通自主運(yùn)行模式研究?？罩薪煌ā盁o約束”“自主運(yùn)行”的前提是飛行過程中無沖突的航跡規(guī)劃以及精準(zhǔn)可控的航跡跟蹤控制，需要航空器具備實(shí)時(shí)精準(zhǔn)碰撞風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、末端協(xié)同避讓、自主間隔保持、智能協(xié)同決策等能力。重點(diǎn)突破不完備信息條件下的定位與導(dǎo)航重構(gòu)技術(shù)，基于一致時(shí)間基準(zhǔn)的多源信息融合處理來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星拒止或低衛(wèi)星導(dǎo)航受限條件下的精確制導(dǎo)。優(yōu)先發(fā)展非一致規(guī)則的高密度交通控制、面向共域運(yùn)行的異構(gòu)航空器飛行間隔保持、基于飛行環(huán)境精準(zhǔn)感知的交通群自主協(xié)同運(yùn)行等技術(shù)[10]。構(gòu)建星 - 空 - 地緊密聯(lián)接的航空器信息網(wǎng)絡(luò)、態(tài)勢(shì)一致感知條件下的空地一體協(xié)商基礎(chǔ)環(huán)境，為空中交通管理智能化發(fā)展提供技術(shù)支撐（見圖3）。

圖3 航空器智能互聯(lián)示意圖

（二）低空數(shù)字空域管理技術(shù)

低空經(jīng)濟(jì)源于航空大眾化的發(fā)展需求、新興技術(shù)的成熟應(yīng)用，是具備改變未來城市規(guī)劃、城鄉(xiāng)關(guān)系的潛力產(chǎn)業(yè)；市區(qū)到遠(yuǎn)郊的民航機(jī)場(chǎng)擺渡、空中出租車、鄰近城市航班等應(yīng)用，將是打開城市空中運(yùn)輸市場(chǎng)的重要方式。隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，低空飛行的航空器比例構(gòu)成變化明顯，無人機(jī)數(shù)量已多于有人機(jī)。不同于高空，低空空域與地形地貌緊密相連，環(huán)境結(jié)構(gòu)、障礙物分布成為低空飛行的重要關(guān)注因素；低空處于大氣活動(dòng)頻繁區(qū)域，低空氣象變化隨機(jī)性大，對(duì)目視飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重影響。現(xiàn)行的空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)手段，很難用于低空目標(biāo)；以飛行服務(wù)站為中心、服務(wù)有人機(jī)為主、自成體系的空管方式，難以應(yīng)對(duì)低空復(fù)雜多樣的交通管理需求[10]。為適應(yīng)未來低空高密度有人 / 無人混合、城市空中運(yùn)輸、多型異構(gòu)航空器的發(fā)展，需以低空飛行空間在數(shù)字信息空間上的映射與重構(gòu)為基礎(chǔ)，基于所需性能的低空空域管理技術(shù)支持[11]，構(gòu)建面向新經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)的低空空中交通管理新體系（見圖4），為實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)一體、低空“自由飛行”確立理論基礎(chǔ)[12]。

圖4 低空數(shù)字空域管理示意圖

突破低空數(shù)字空域管理技術(shù)，以下方面是研究重點(diǎn)。① 低空空域的多維度數(shù)字優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。搭建多維度基礎(chǔ)數(shù)字架構(gòu)，涵蓋時(shí)空框架、性能與氣象等，對(duì)建 / 構(gòu)筑物、障礙物、可用通信導(dǎo)航監(jiān)視資源、低空飛行狀態(tài)信息、風(fēng)與溫度信息等進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表征與管理；發(fā)展基于網(wǎng)格空域體的低空空域與交通活動(dòng)狀態(tài)描述方法，將低空空域資源作為類似地面道路的交通資源，進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化配置[7]。② 低空運(yùn)行的多層級(jí)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究。未來低空空域必然采用分層管理模式，對(duì)大批量、高密度無人機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行高效組織與安全管理，成為相關(guān)空管的核心問題[13]。在低空飛行安全間隔標(biāo)準(zhǔn)制定方面，建立基于數(shù)字網(wǎng)格的安全風(fēng)險(xiǎn)表征模型，覆蓋有人機(jī)與無人機(jī)、無人機(jī)與無人機(jī)、小型航空器與樓宇障礙物、低空航空器與地面車輛 / 人群等應(yīng)用對(duì)象；發(fā)展基于交通復(fù)雜度、設(shè)備性能的融合運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)定各類場(chǎng)景、不同保障條件下飛行安全間隔的最低標(biāo)準(zhǔn)值，支持建立基于風(fēng)險(xiǎn)的低空空中交通監(jiān)管規(guī)則體系。③ 城市無人機(jī)垂直飛行剖面預(yù)測(cè)與管理方法研究[14]。建立城市無人機(jī)數(shù)字孿生環(huán)境，覆蓋局域態(tài)勢(shì)感知、全要素表達(dá)、協(xié)同計(jì)算、分布式運(yùn)行場(chǎng)景；建立基于實(shí)際數(shù)據(jù)的飛行剖面預(yù)測(cè)模型，與基于歷史航跡數(shù)據(jù)的聚類分析相結(jié)合，形成飛行軌跡序列并擬合各類無人機(jī)的飛行高度和距離，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成無人機(jī)（后續(xù)的）飛行剖面；形成城市無人機(jī)低空飛行剖面分析、行為預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)智能判斷能力，支持開展基于飛行剖面預(yù)測(cè)的城市無人機(jī)管理[15]。

（三）基于大數(shù)據(jù)的分布式智能協(xié)同決策技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，有關(guān)決策理論與方法變化顯著，如從靜態(tài)決策到動(dòng)態(tài)決策、從集中式?jīng)Q策到多主體協(xié)同決策、從基于經(jīng)驗(yàn)的人工分析決策到基于量化計(jì)算的自主決策。在以大數(shù)據(jù)為代表的信息技術(shù)引領(lǐng)下，數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)展成為繼實(shí)驗(yàn)科學(xué)、理論科學(xué)、計(jì)算科學(xué)之后的新科學(xué)范式。目前，基于大數(shù)據(jù)的智能協(xié)同決策是決策應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。空中交通運(yùn)輸是信息化程度和運(yùn)行復(fù)雜度均較高的領(lǐng)域，隨著民用航空、軍事航空、通用航空的發(fā)展，尤其是無人機(jī)飛行、臨近空間往返飛行趨于頻繁，空中交通態(tài)勢(shì)認(rèn)知及預(yù)測(cè)的復(fù)雜度顯著增加。利用大數(shù)據(jù)、智能決策的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，挖掘并分析空中交通歷史積累的大量數(shù)字資產(chǎn)所蘊(yùn)藏的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與內(nèi)在聯(lián)系，抽取重要節(jié)點(diǎn)與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集，形成結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系，從而為現(xiàn)實(shí)問題求解、未來最優(yōu)判斷提供可信依據(jù)。構(gòu)建從數(shù)據(jù)到知識(shí)、從知識(shí)到?jīng)Q策的空中交通大數(shù)據(jù)智能計(jì)算范式，形成基于數(shù)據(jù)的多主體智能協(xié)同決策新方法，滿足不確定性、動(dòng)態(tài)性、全局性、關(guān)聯(lián)性等客觀需求，支持提升空中交通態(tài)勢(shì)綜合認(rèn)知與智能決策能力。

突破基于大數(shù)據(jù)的分布式智能協(xié)同決策技術(shù)，以下方面是研究重點(diǎn)（見圖5）。① 基于多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的態(tài)勢(shì)綜合評(píng)估與預(yù)測(cè)研究。圍繞算法增強(qiáng)的異構(gòu)信息處理、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的事件關(guān)聯(lián)推理、人機(jī)融合的態(tài)勢(shì)聚焦生成、平行仿真的局勢(shì)推演預(yù)測(cè)等方向，發(fā)展基于數(shù)字孿生的機(jī)場(chǎng)群 - 終端區(qū) - 航路航線交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)全景感知、面向空域配置優(yōu)化的交通復(fù)雜度演化預(yù)測(cè)、基于AI 的意圖識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)研判等技術(shù)。② 流量與空域數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能匹配技術(shù)研究。針對(duì)空中交通流量、空域容量等典型的多主體參與、全域數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能調(diào)控決策問題，探索構(gòu)建云 - 邊 - 端協(xié)同的技術(shù)體系架構(gòu)，利用分布式AI 對(duì)多層級(jí)（全國 - 區(qū)域 - 機(jī)場(chǎng)）、多時(shí)段（戰(zhàn)略 - 預(yù)戰(zhàn)術(shù) - 戰(zhàn)術(shù)）飛行流量進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)和預(yù)警；建立包括空管、機(jī)場(chǎng)、空域用戶在內(nèi)的多方協(xié)同決策機(jī)制，通過協(xié)同決策解決飛行流量與空域容量的全局最優(yōu)適配管理問題。③ 面向智能機(jī)場(chǎng)的機(jī)坪車 - 機(jī) - 路混合交通群智能優(yōu)化方法研究。支持機(jī)坪車輛、無人機(jī)、航空器協(xié)同感知與自主避讓，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器決策的機(jī)坪保障資源動(dòng)態(tài)配置、作業(yè)車輛 / 無人機(jī)最優(yōu)動(dòng)態(tài)調(diào)度、場(chǎng)面滑行路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃、場(chǎng)面燈光引導(dǎo)智能控制、多端聯(lián)運(yùn)資源智能協(xié)同調(diào)度[16]。④ 面向航空器的健康監(jiān)測(cè)與智能預(yù)判方法研究。針對(duì)航空器機(jī)載航電系統(tǒng)，發(fā)展群智能協(xié)同感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空器健康狀態(tài)的自主深度認(rèn)知。針對(duì)地面運(yùn)行控制中心，采用數(shù)字孿生技術(shù)重構(gòu)航空器全息健康態(tài)勢(shì)評(píng)估與預(yù)測(cè)能力，支持運(yùn)行控制部門實(shí)施全維度、高沉浸感的航空器健康監(jiān)控[17]。⑤ 基于云 - 邊 - 端的航空器自主感知與協(xié)同避撞技術(shù)研究。應(yīng)用云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，發(fā)揮云端數(shù)據(jù)與計(jì)算支撐末端載體方面的高精度感知、協(xié)同避撞能力，支持邊 - 端智能體單元基于一致場(chǎng)景并通過協(xié)同決策來解決混合交通系統(tǒng)的交通管控問題。

圖5 基于大數(shù)據(jù)的多主體智能協(xié)同決策技術(shù)

（四）基于航跡的智能代理監(jiān)督技術(shù)

基于航跡運(yùn)行綜合數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、綜合監(jiān)視、協(xié)同決策等方面的技術(shù)突破，在航空器、航空公司、管制部門之間建立基于一致認(rèn)知的空地協(xié)同空中交通運(yùn)行控制環(huán)境。在航空器起飛至降落的全過程中，利用數(shù)據(jù)鏈等通信方式，通過航跡規(guī)劃與更新、航跡預(yù)測(cè)與優(yōu)化、航跡協(xié)商與執(zhí)行，開展四維航跡動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)共享、協(xié)商與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)飛行活動(dòng)全過程“可見、可控、可達(dá)”?；诤桔E運(yùn)行以“門對(duì)門”“機(jī)器對(duì)機(jī)器”方式，將自動(dòng)化技術(shù)及算法引入空管全流程，降低因人工參與而帶來的精細(xì)化與復(fù)雜度限制，增強(qiáng)航空器飛行交通管控與空域使用的可預(yù)測(cè)性、安全性、靈活性，驅(qū)動(dòng)管制運(yùn)行從“人在回路中”并以人為主的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)向“人在回路上”的智能代理監(jiān)督新模式。

突破基于航跡的智能代理監(jiān)督技術(shù)，以下方面是研究重點(diǎn)（見圖6）。① 面向全域無沖突航跡管理的智能代理監(jiān)督技術(shù)研究。發(fā)展面向空管、航空公司、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行主體的知識(shí)表示框架、協(xié)同決策與控制等技術(shù)，構(gòu)建群體智能空間的服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，支持飛行前自主四維航跡協(xié)同規(guī)劃與放行，飛行中面向大規(guī)模四維航跡集的空中交通態(tài)勢(shì)評(píng)估、預(yù)測(cè)及自主決策[18]。建立全球空中交通流量管理平臺(tái)，研究洲際飛行四維航跡預(yù)測(cè)、控制算法與模型，超大規(guī)模航跡高效協(xié)同的多智能體模型及高效算法，支持基于全球四維航跡的協(xié)同管理。② 基于航跡的無人機(jī)群協(xié)同運(yùn)行技術(shù)研究。從基于多智能體的航跡協(xié)同控制、基于四維航跡的無人機(jī)自主間隔保持等方面著手，將無人機(jī)納入對(duì)象管理節(jié)點(diǎn)[19]；以感知復(fù)雜環(huán)境下多智能體、執(zhí)行航跡運(yùn)行為出發(fā)點(diǎn)，研究多智能體任務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，提升多智能體防撞編隊(duì)魯棒控制、基于事件驅(qū)動(dòng)的防碰撞多智能體編隊(duì)控制、基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的多智能體航跡優(yōu)化控制技術(shù)。發(fā)展協(xié)作多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，設(shè)計(jì)速度調(diào)解算法，實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)飛行沖突解脫任務(wù)的自主決策；研究擬合算法、一致性編隊(duì)算法、多無人機(jī)協(xié)同精細(xì)化作業(yè)控制方法，實(shí)現(xiàn)角色切換與協(xié)調(diào)避撞機(jī)制[20]。③ 基于航跡運(yùn)行的智能空中交通管理研究。針對(duì)空域結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的容量動(dòng)態(tài)，發(fā)展四維飛行時(shí)的調(diào)解策略、路徑重規(guī)劃決策方法。在無人機(jī)自主間隔保持方面，應(yīng)用基于自主運(yùn)行、航跡運(yùn)行的新一代空中交通管理運(yùn)行模態(tài)，發(fā)展基于數(shù)字孿生的區(qū)域無人機(jī)運(yùn)行態(tài)勢(shì)全景感知、面向交通復(fù)雜性的空域協(xié)同優(yōu)化、基于四維航跡的空域場(chǎng)面交通一體化管理[21]等技術(shù)，提升四維航跡精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)尾流間隔監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)縮減、機(jī)載自主間隔管理[22]、空地協(xié)同間隔管理、航空氣象精細(xì)化預(yù)報(bào)等的水平。

圖6 基于航跡的智能代理監(jiān)督示意圖

五、結(jié)語

本文著眼未來空中交通管理系統(tǒng)升級(jí)需求，梳理了傳統(tǒng)空中交通管理在3個(gè)細(xì)分方向上亟待推進(jìn)的轉(zhuǎn)變，論證提出了空中航行空管新體系構(gòu)建對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)科學(xué)問題，進(jìn)一步研判了空中交通智能化管理技術(shù)架構(gòu)及其重點(diǎn)研究方向。空中交通智能化管理領(lǐng)域的研究工作在國內(nèi)外均處于起步階段，一些研究尚處理論探索階段，甚至部分方向存在理論空白；如能在變局之中抓住契機(jī)，適時(shí)甚至超前布局關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，或?qū)⒄紦?jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，獲得未來空管國際標(biāo)準(zhǔn)制定方面的主動(dòng)權(quán)，爭取空中交通國際事務(wù)協(xié)商方面的話語權(quán)。

為此建議從四方面著手布局：① 采取技術(shù)研發(fā)行動(dòng)，基于AI 革新空管系統(tǒng)，提升空域分層治理能力[23]；② 圍繞“先進(jìn)空中運(yùn)輸”布局專項(xiàng)，著力解決自動(dòng)駕駛、智慧座艙、高能量電池、軟件化航電、數(shù)字化交通管制等瓶頸環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)；③ 研究城市低空空域開放的政策舉措，適度開展區(qū)域性、城鄉(xiāng)一體的通用航空與無人機(jī)監(jiān)管設(shè)施建設(shè)，解決先進(jìn)空中交通模式涉及的空域資源使用問題；④ 制定基于先進(jìn)空中交通模式的通用航空發(fā)展規(guī)劃，提出數(shù)字低空系統(tǒng)發(fā)展路線圖和能力生成階段步驟，覆蓋行業(yè)監(jiān)管、空域管理、飛行服務(wù)、交通規(guī)劃、治安管理等環(huán)節(jié)，促進(jìn)先進(jìn)空中運(yùn)輸設(shè)施發(fā)展。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:October 27, 2022;Revised date:December 25, 2022

Corresponding author:Chen Zhijie is a research fellow from Key Laboratory of National Airspace Technology, and a member of Chinese Academy of Engineering. His major research field is air traffic management system technology. Email: zj-chen@vip.sina.com

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Strategic Research on the Intelligent Development of Air Traffic in China” (2022-XBZD-04)