智能航空背景下飛機(jī)離場(chǎng)過(guò)程信息共享方法研究

黃 濤,張 琳

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

隨著民航的快速發(fā)展以及新技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用，航空運(yùn)輸系統(tǒng)逐步向智能化邁進(jìn)。在航空運(yùn)輸系統(tǒng)中，航空器的離場(chǎng)管理是機(jī)場(chǎng)管理和空中交通管理的重要組成部分。2019年，國(guó)際民航組織(ICAO)在航空系統(tǒng)組塊升級(jí)(ASBU)框架中對(duì)機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策機(jī)制信息共享(ACIS)進(jìn)行了規(guī)劃[1]。目前，航空運(yùn)輸系統(tǒng)更加依賴于信息資源共享來(lái)提升運(yùn)行效率[2-3]，部分國(guó)家進(jìn)行了許多相關(guān)技術(shù)及工具的研發(fā)。

本文闡述了航空器離場(chǎng)管理的運(yùn)行概念，分析航空器離場(chǎng)過(guò)程中存在的數(shù)據(jù)信息共享需求，得出離場(chǎng)信息共享的目標(biāo)，并提出了遵循面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)[4]的離場(chǎng)信息共享平臺(tái)架構(gòu)方案，結(jié)合目前我國(guó)航空系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃對(duì)搭建平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，基于ICAO提倡的廣域信息管理(SWIM)模型構(gòu)建了數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)[5-7]，分析了一種為SWIM提供附加功能的信息過(guò)濾的方法——語(yǔ)義容器方法，以便信息更好地共享給不同類型的用戶，這將有助于提高航空信息資源共享及交換效率，提升數(shù)字化管制服務(wù)品質(zhì)。

1 離場(chǎng)過(guò)程信息共享平臺(tái)建設(shè)需求

航空器的離場(chǎng)過(guò)程包括場(chǎng)面管理(SMAN)以及離場(chǎng)管理(DMAN)[8]。離場(chǎng)過(guò)程主要涉及航空器離場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)智能管制指揮、機(jī)場(chǎng)應(yīng)急安全管理幾個(gè)方面。這些方面對(duì)信息共享平臺(tái)的需求如下。

1.1 航空器離場(chǎng)需求分析

航空器的離場(chǎng)，是從撤輪檔時(shí)間開(kāi)始算起，經(jīng)過(guò)推出、離場(chǎng)滑行、起飛離地、最后爬升到達(dá)離港點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程。航空器作為信息共享平臺(tái)的典型用戶，在離場(chǎng)時(shí)只對(duì)一部分的信息有需求，需要從各種不同的信息源中過(guò)濾掉不相干的消息。一架航空器離場(chǎng)時(shí)，需要本場(chǎng)終端區(qū)的地理數(shù)據(jù)信息及氣象信息(風(fēng)向風(fēng)速等)、滑行路徑安排、跑道及入口分配方案、航班動(dòng)態(tài)排序信息、滑行導(dǎo)航信息以及各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的指令性信息。例如：來(lái)自航空公司的旅客登機(jī)、配載平衡、客貨艙門關(guān)閉時(shí)間等一系列起飛前準(zhǔn)備信息，來(lái)自機(jī)場(chǎng)管制部門的推出開(kāi)車指令、滑行指令、進(jìn)跑道許可、起飛許可等。信息共享平臺(tái)根據(jù)用戶的類型不同，過(guò)濾掉不必要的信息，僅提供用戶所需的信息數(shù)據(jù)，避免信息過(guò)多引起交互界面復(fù)雜。

1.2 機(jī)場(chǎng)智能管制指揮需求分析

目前空管指揮系統(tǒng)還處于半自動(dòng)化水平，空管大多采取協(xié)同決策(A-CDM)機(jī)制進(jìn)行管制指揮[9]，未來(lái)空管系統(tǒng)的方向是協(xié)同化、智慧化。無(wú)論是目前的協(xié)同決策機(jī)制還是未來(lái)的智能指揮，信息數(shù)據(jù)的支撐都是必不可少的。

協(xié)同決策機(jī)制下的航空器離場(chǎng)管理系統(tǒng)(DMAN)通過(guò)采集航空器的計(jì)劃撤輪檔時(shí)間(SOBT)、航空公司或航務(wù)代理單位通過(guò)領(lǐng)航計(jì)劃報(bào)發(fā)布的航空器預(yù)計(jì)撤輪檔時(shí)間(EOBT)等航班運(yùn)行信息，并根據(jù)滿足航班計(jì)劃、運(yùn)行節(jié)點(diǎn)、公平性等目標(biāo)及尾流限制、流量控制等約束條件的動(dòng)態(tài)排序優(yōu)化算法進(jìn)行排序，計(jì)算出提供動(dòng)態(tài)離場(chǎng)排序信息[10]，為管制人員決策提供支持。

智能管制指揮系統(tǒng)用戶需要根據(jù)航空器離場(chǎng)管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)離場(chǎng)排序信息、航行通告信息、場(chǎng)面沖突檢測(cè)信息、終端區(qū)氣象信息等，結(jié)合專家?guī)煲约吧疃葘W(xué)習(xí)等方法得到管制指令[11]，向各航班發(fā)布推出開(kāi)車、滑行、跑道入口等待等管制信息。其中場(chǎng)面沖突檢測(cè)系統(tǒng)需要采集航空器的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息數(shù)據(jù)(跑道配置情況、航空器滑行速度)，并能夠提前預(yù)判航空器的沖突[12]，且擁有沖突解脫程序的經(jīng)驗(yàn)庫(kù)和方法[13]，得到解脫方案。

1.3 機(jī)場(chǎng)應(yīng)急安全管理需求分析

機(jī)場(chǎng)應(yīng)急安全管理是航空器離場(chǎng)過(guò)程必不可少的一個(gè)保障環(huán)節(jié)[14]。機(jī)場(chǎng)應(yīng)急安全管理需要對(duì)在機(jī)場(chǎng)發(fā)生的重大及突發(fā)事件進(jìn)行處理，災(zāi)難及事故進(jìn)行救援，對(duì)機(jī)場(chǎng)各單位進(jìn)行調(diào)度指揮，對(duì)飛行區(qū)、跑道等終端區(qū)及圍界進(jìn)行全景實(shí)時(shí)監(jiān)視，保證機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行。通過(guò)采集終端區(qū)地理信息、識(shí)別AI全景監(jiān)控系統(tǒng)信息、航空器實(shí)時(shí)運(yùn)行信息反饋[15-16]，將收到的數(shù)據(jù)信息接入到指揮信息專家?guī)熘羞M(jìn)行分析，并發(fā)布預(yù)警、定位等數(shù)據(jù)信息給各相關(guān)用戶，方便救援人員迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)及調(diào)動(dòng)各應(yīng)急力量，最終生成應(yīng)急事件處理方案支撐決策，還可以使用態(tài)勢(shì)推演功能進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬事件處置過(guò)程，為指揮調(diào)度提供參考。

2 離場(chǎng)過(guò)程信息共享平臺(tái)的架構(gòu)

2.1 航空器離場(chǎng)運(yùn)行概念

航空器離場(chǎng)運(yùn)行包括場(chǎng)面管理、離場(chǎng)管理、應(yīng)急安全管理。場(chǎng)面管理及離場(chǎng)管理協(xié)同運(yùn)行，根據(jù)采集的停機(jī)位信息、飛行計(jì)劃信息、跑道配置信息、場(chǎng)面運(yùn)行監(jiān)控信息等，以本場(chǎng)的跑道容量為限制，根據(jù)離場(chǎng)規(guī)則及智能排序算法，規(guī)劃航空器的滑行路徑及時(shí)間，分配跑道及出口，配置離場(chǎng)間隙流，建立離場(chǎng)航空器等待隊(duì)列，形成離場(chǎng)預(yù)排序，并自動(dòng)給出管制建議(起飛許可、加速滑行等指令)。同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息反饋，不斷調(diào)整離場(chǎng)順序，形成動(dòng)態(tài)分配及調(diào)整時(shí)隙的智能決策。應(yīng)急管理是在航空器離場(chǎng)時(shí)遇到突發(fā)情況，通過(guò)信息共享平臺(tái)，掌握航空器的運(yùn)行情況，并得到相應(yīng)的應(yīng)急處置方案。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，航空器的進(jìn)場(chǎng)管理與離場(chǎng)管理是高度耦合的過(guò)程，進(jìn)離場(chǎng)管理之間緊密聯(lián)系，并采取協(xié)同決策機(jī)制來(lái)增強(qiáng)信息的共享和一致性。本文暫不考慮航空器的進(jìn)場(chǎng)問(wèn)題，場(chǎng)面滑行、離場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程如圖1所示。

圖1 航空器場(chǎng)面滑行、離場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程

2.2 總體架構(gòu)

航空器離場(chǎng)信息共享平臺(tái)將航空器離場(chǎng)過(guò)程中各方面需求的信息、數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合存儲(chǔ)，并為各用戶提供信息共享服務(wù)的平臺(tái)。通過(guò)分析離場(chǎng)航空器、機(jī)場(chǎng)管制等用戶的需求，并遵循面向服務(wù)的SOA架構(gòu)模型，進(jìn)行了離場(chǎng)管理信息共享平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)輻射到航空器離場(chǎng)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程，為航空器提供指令信息、導(dǎo)航信息、排序信息等，為智能空管系統(tǒng)提供航空情報(bào)信息、飛行計(jì)劃信息、場(chǎng)面實(shí)時(shí)運(yùn)行信息;根據(jù)排序算法及專家信息資源庫(kù)提供決策，并按照用戶的不同，過(guò)濾掉不必要的信息，提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率及安全水平;為機(jī)場(chǎng)應(yīng)急管理系統(tǒng)提供終端區(qū)地理位置信息、AI全景監(jiān)視視頻信息等,當(dāng)發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)向各相關(guān)用戶提供事件地理位置信息及解決方案，具體架構(gòu)如圖2所示。航空器離場(chǎng)信息共享平臺(tái)分為應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、通信層、支撐層5個(gè)層次，可以通過(guò)封裝多樣化服務(wù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間的松耦合度。

圖2 航空器離場(chǎng)信息共享平臺(tái)架構(gòu)

支撐層主要是信息共享平臺(tái)數(shù)據(jù)信息采集的前端設(shè)施以及建設(shè)信息共享平臺(tái)的必要組件。其中AI全景監(jiān)視系統(tǒng)需要利用高清相機(jī)采集視頻，得到擁有高分辨率的視頻圖像，通過(guò)視頻拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控，采用視頻增強(qiáng)處理器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻圖像處理，在面對(duì)惡劣天氣時(shí)仍能以最大分辨率連續(xù)記錄整個(gè)場(chǎng)景和局部細(xì)節(jié)。氣象采集系統(tǒng)通過(guò)采集設(shè)備采集影響航空器起降的各類因素，如能見(jiàn)度、風(fēng)速、冰雪等。

通信層將支撐層采集的信息進(jìn)行傳輸，將各類數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)?？章?lián)網(wǎng)技術(shù)也叫天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)地空通信的保障基礎(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，滿足智能航空對(duì)數(shù)據(jù)信息交換共享的需求。導(dǎo)航信息由北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供，各類信息通過(guò)5G通信技術(shù)實(shí)時(shí)地發(fā)布到各用戶，對(duì)一些流量控制等具有保密原因的因素采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行信息的共享。

數(shù)據(jù)層分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)匯集以及數(shù)據(jù)服務(wù)幾個(gè)模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包含離場(chǎng)過(guò)程所需決策方案的專家資源庫(kù)，前端采集到的信息通過(guò)分布式存儲(chǔ)的方式，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，數(shù)據(jù)匯集模塊具有數(shù)據(jù)過(guò)濾、更新、匯聚處理等功能[17-18]，數(shù)據(jù)服務(wù)提供各用戶的數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)處理等功能。

服務(wù)層是信息共享平臺(tái)能夠?yàn)楦黝愑脩籼峁┑墓δ?，依靠各類算法的滑行路徑以及時(shí)間預(yù)測(cè)安排、跑道及出口分配方案、動(dòng)態(tài)離場(chǎng)排序方案、依靠專家資源庫(kù)的智能決策方案，按照用戶類型不同，提供的服務(wù)功能也不同。

應(yīng)用層為各類用戶的終端系統(tǒng)，按照離場(chǎng)信息共享平臺(tái)的需求分為三類，一是為航空器離場(chǎng)時(shí)提供信息的機(jī)載智能終端，二是機(jī)場(chǎng)智能管制指揮系統(tǒng)幫助機(jī)場(chǎng)各個(gè)席位管制員提供決策方案，三是機(jī)場(chǎng)應(yīng)急安全管理的可視化管理平臺(tái)，應(yīng)急管理人員或救援人員通過(guò)管理平臺(tái)的信息及給出的處置方案及推演效果及時(shí)處理緊急情況，達(dá)到提高機(jī)場(chǎng)安全管理效果及運(yùn)行效率的目的。

3 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

3.1 數(shù)字化集成系統(tǒng)

目前，航空系統(tǒng)的運(yùn)行依賴多種格式、多種來(lái)源的數(shù)據(jù)信息支持，離場(chǎng)信息共享平臺(tái)的建設(shè)也要遵循ICAO提倡的SWIM方法[19]。SWIM平臺(tái)方法可以將不同類別的信息整合到數(shù)據(jù)中心，提高傳輸和利用效率。集成平臺(tái)采用信息交換的標(biāo)準(zhǔn)模型,例如民航氣象數(shù)據(jù)交換模型(WXXM)和航空信息交換模型(AIXM)等。這些模型共享一組航空特性的概念，均采用統(tǒng)一的XML模式進(jìn)行集成，以XML作為創(chuàng)建、交換和分發(fā)航空數(shù)據(jù)的格式。

現(xiàn)階段離場(chǎng)過(guò)程使用的航空信息通常是基于特定信息類型的獨(dú)立系統(tǒng)，要想多源信息系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行決策，首先要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，并采取數(shù)據(jù)信息引接策略進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[20-21]。平臺(tái)可采取直接從數(shù)據(jù)源系統(tǒng)引接數(shù)據(jù)的直連模式，或者通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)將各類信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)格式的模式，或采用兩種模式混合的方案進(jìn)行數(shù)據(jù)引接。

3.2 ATS空地?cái)?shù)據(jù)鏈服務(wù)

目前，中國(guó)民航空地?cái)?shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋全國(guó)主要航路和機(jī)場(chǎng)空域[22]，97%民航客機(jī)的航電系統(tǒng)支持ATS(空中交通服務(wù))空地?cái)?shù)據(jù)鏈協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[23]。按管制運(yùn)行實(shí)際業(yè)務(wù)需求和數(shù)字化管制服務(wù)協(xié)議支持能力，具體分為信息類和指令類服務(wù)。信息類分為飛行員請(qǐng)求訂閱式和管制員定制發(fā)布式兩種服務(wù);指令類服務(wù)采用與話音通信相一致的電文規(guī)定內(nèi)容，分為上行鏈路電文和下行鏈路電文。上行鏈路電文為空管地面發(fā)送給航空器的電文，下行鏈路電文為航空器發(fā)給空管的電文。通過(guò)空地?cái)?shù)據(jù)鏈的建設(shè)，來(lái)達(dá)到信息共享平臺(tái)的通信需求,為我國(guó)下一代空管運(yùn)行系統(tǒng)提供支撐[24]。

3.3 信息過(guò)濾的語(yǔ)義容器方法

信息共享平臺(tái)會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息交換模型來(lái)發(fā)布不同類型的信息，不過(guò)根據(jù)信息共享的需求分析，對(duì)于不同的用戶，只需要一部分與任務(wù)相關(guān)的信息。這就需要從不同的信息源中過(guò)濾出不相關(guān)的信息，并將過(guò)濾后的信息分發(fā)給不同類型的用戶。例如飛行員離場(chǎng)過(guò)程中僅需要相關(guān)的指令以及信息服務(wù)。

語(yǔ)義容器方法采用基于本體的分面信息過(guò)濾，將過(guò)濾后的信息和相關(guān)元數(shù)據(jù)打包到語(yǔ)義容器中[25]。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)本體數(shù)據(jù)，為信息共享平臺(tái)提供附加功能，從而便于平臺(tái)的不同用戶來(lái)使用過(guò)濾后的信息。通過(guò)語(yǔ)義容器方法的一些概念及定義，建立具備包含及過(guò)濾條件的語(yǔ)義容器數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)信息的數(shù)據(jù)項(xiàng)類型以及包含層次關(guān)系來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，達(dá)到實(shí)現(xiàn)離場(chǎng)過(guò)程中過(guò)濾信息的目的。

4 結(jié)論

本文結(jié)合了國(guó)內(nèi)外進(jìn)離場(chǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)的發(fā)展情況，分析了目前整個(gè)航空運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)其中的關(guān)鍵問(wèn)題信息資源共享方法進(jìn)行了研究。以智能航空的發(fā)展為基礎(chǔ)，遵循SOA服務(wù)設(shè)計(jì)原則，提出了離場(chǎng)信息共享平臺(tái)的架構(gòu)方案，通過(guò)搭建信息共享平臺(tái)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)離場(chǎng)過(guò)程中各類信息的共享及智能化的決策。并對(duì)平臺(tái)架構(gòu)方案中的一些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，平臺(tái)的數(shù)據(jù)整合及引接采用ICAO提倡的SWIM方法，數(shù)據(jù)信息的通信采用建設(shè)ATS空地?cái)?shù)據(jù)鏈方式，數(shù)據(jù)信息的共享采用一種能夠?qū)崿F(xiàn)信息過(guò)濾這一附加功能的語(yǔ)義容器方法，該方法不僅能夠存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，還可以采用復(fù)合容器來(lái)面對(duì)復(fù)雜類型的數(shù)據(jù)及過(guò)濾標(biāo)準(zhǔn)，可以為平臺(tái)的后續(xù)開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。為推進(jìn)航空器離場(chǎng)管理設(shè)計(jì)、提高機(jī)場(chǎng)管制環(huán)節(jié)的運(yùn)行效率提供參考。