中国电科莱斯子集团空中交通管理系统与技术国家重点实验室常务副主任 严勇杰

 

数字化转型下空域精细化管理关键技术研究

 

严勇杰:尊敬的各位领导、各位专家上午好,刚才汪祝君厅长是对江苏省空域的精细化管理从管理和政策的角度对未来的发展做的一个规划,下面我是从技术角度谈一下我们的空域精细化管理未来应该是怎样的发展思路。

我的汇报分为四个方面,首先介绍空域精细化管理大的发展背景。

从1999年近20年以来我国的航空运输进入了快速的发展,可预测的是“十三五”期间航空运输总量的增长速度将达到9.3%左右。在快速增长的情况下,必然带来发展和现有资源之间的矛盾:首先就是飞行量快速增长和空域资源的有限性之间的矛盾。而这个矛盾已经成为制约我国航空发展的最基本的矛盾和要素;其次,随着航空运输量的增加,空中交通资源的复杂性也越来越复杂,安全管制员必然带来更大的工作负担,为了减少管制员的工作负荷,现在基本上通过不断地扩大系统,不断的划分散区减少管制员管制的责任。在这种情况下,未来还在持续发展,是不是可以不断通过扩展系统来消减管制员的工作负荷与航班增加之间的矛盾?我觉得这个可能也不是有效的解决办法;第三个目前整个航空系统还是比较脆弱的系统,目前遇到恶劣天气以及重大活动的情况下,航班的飞行能力、恢复的能力还是比较弱的,有任何一点问题必然带来整个航空运输网络出现瘫痪或者是拥堵情况。特别是其中提到的最基本的矛盾就是空域资源和飞行量增长之间的矛盾,必然是我们要持续解决的关键问题。

以长三角为例,我们在长三角以300公里为半径的圆的范围之内,目前拥有了22个民用机场,13个军用机场,也就是占了全国1/9的空域承担全国飞行量30%,在这样繁忙的情况下必然带来长三角地区在空域的精细化管理和飞行量总量之间的矛盾,而其中最突出的是三个方面:首先是资源,有限的空域资源难以满足目前航班运输总量的需求;第二,空域结构性的矛盾突出,现有的空域结构是在建国初期当时的航班运输总量的情况下所进行的,后来是在原来的空域结构基础上不断地进行修补。目前随着航班运输总量的增长,现在的空域结构和航班运输总量之间的适应性也在逐渐降低;第三个现有的军民航之间包括军民航内部和民航内部的信息化手段的支撑能力明显不足,现在军民航之间大多还是通过电话、传真进行空域信息的交换以及空域使用的协商。针对这三个问题,从国家来说目前也在开展相应的研究,要解决面这些空域的管理上的矛盾,所以2017年空管委办公室牵头成立空管体制改革总体设计和空域结构调整优化专班,开展空域研究改革的相关工作。马凯副总理在2017年在南京主持召开空管委第二十一次全体大会上确定在长三角地区开展空域精细化管理的改革试点。也就是说从国家层面包括东部战区包括华东空管局的整个层面都在积极推进长三角地区空域的精细化管理改革。

在技术层面,再谈一下空域精细化管理是怎样的技术体系。核心的目的是要对当前的空域运行的主要问题与痛点从技术层面进行解决,恰逢目前空管进行数字化的转型工作,我们的空域管理也必定由现在的传统的管理方式向未来的基于数字化的精细化管理转变。随着云计算、人工智能、大数据、物联网等新兴技术的快速发展,我们必然可以通过围绕打破现有的空域结构僵局以及实现空域灵活使用为目标,通过新技术的应用构建统一的空管运行管理平台,从空域态势的感知到空域运行的分析,到智能决策的支持三个不同的层面,支持我们建立对军民航的协同认知以及协同决策能力,从而打造未来军民航空域协同管控的新格局。

从概念内涵来说,我们认为,未来的空域精细化管理从技术层面应该包含两个层面:首先利用现有的基于地理空间三维重构的技术建立无缝无叠的多分辨率球面网格系统,就是对现有的空域表征方式进行改变,改变传统的是以经纬度描述目前的空域结构,从未来的以数字化的方式基于地理信息三格的技术描述未来空域的结构。在这个基础上,我们实现对通导监控、航空公司各类信息的统一组织管理,实现信息分层次的展现,将空域信息从基础的空域结构层面进行重新组织和管理,在这个基础上,进一步实现空域智能化的计算决策和性能可度量评估。

从大的体系架构来说,我们在2019年5月民航的发展论坛上进一步提出了关于未来二分pk10络信息体系的初步设想,空域管理是二分pk10络信息体系的重要组成部分,我们当时提出三层的网络信息体系架构。首先以未来的一体化资源网为支撑,构建空域的精细化管理的基础网络;中间层面通过现在的云平台以及大数据资源等相关技术实现对未来空域信息的统一管理、统一服务、统一建模,对其中所涉及的空域相关基础数据、环境数据、计划数据、流量数据等相关信息进行统一的表征,最终支持顶层的两大运行管理的决策:一个是运行服务平台,一个是运行的评估平台,运行评估平台作为运行服务平台的数字孪生,提供更好的评估以及推演能力。

它的主要任务我们概括的一下,应该从信息数据开始分为五个方面:首先是对空域的数值表征。以空域的数字化转型为目标,对空域资源进行数字化的重组和描述,目前要将连续空域转换为可数值表征的多颗粒度的离散网格结构,刚才提到以传统的经纬度来描述,点线面的空域描述方式转变为未来的基于数字编码的数值三格的模式表征,这样的好处以无法用数字化描述的空域资源数字化之后为后面的计算决策提供基础,从而打破现有的空域固化结构的瓶颈,实现空域结构模式的转变。

第二个主要任务是对空域统一认知。基于刚才的空域统一标识体系,构建以三个编码为主健的空域信息交互模型,以云平台、数据挖掘为技术手段,实现各相关方之间的信息服务集成、以及军民航空域态势的统一认知,未来通航用户之间能够实现对空域态势的统一认知。

第三个主要技术任务是实现空域的协同使用。有了军民航对空域的统一认知之后,可以开展对于军民航协同管制机制与流程研究,建设军民航信息化支撑手段,打通军民协同壁垒,实现军民协同管制全过程的信息化流转,这就是为未来的空域灵活使用提供决策服务的平台。

第四个就是构建一个空域智能决策的手段。我们在统筹军民航空域需求的基础上,以空域的栅格网格模型为数字底座,引入人工智能技术,开展军民协同的空域智能化决策研究,形成管制全程的可计算决策能力,改变传统依靠人工决策方式,提高管制效率。

最后是对空域仿真评估。目前的仿真是对现实的运行是脱钩的,现实的推演和当前的决策是脱钩的。针对这一现状问题我们开展空域运行数字孪生技术研究,主要是在数字空间完成物理实体的全 生命周期的映射,真实反映对于未来军民航容量等决策的评估,从而推动未来决策的优化。

能力特征概括为四个方面:一个是空间重组,数字底座;第二个是数据归一,多元集成以编码为主键,数据为属性实现对空域未来的信息的集成;第三个是数字全程,智能反馈,就是通过数字化的空域描述实现未来的整个的智能决策;最后是统一认知,协同运行,通过人 机之间的协同,通过军民航之间的协同统一构建未来我们的协同决策的平台。

第三方面简单汇报目前我们研究的进展。

首先针对空域数值表征这个主要任务,目前我们已经开展了数字空域建模技术的研究,采用栅格模型对于空域进行离散化的剖分和数字化编码,从物理空间映射为数字矩阵,物理对象映射为数据信息,转变为数字化模型之后可以推拓扑关系、编码转化、位置运算进行数字化的转化,实现空域全域任何位置的数字化表征。数字空域建模实现的不仅是空域数值化表征,更是打破了传统的空域固化结构,由粗放式专项精细化,为军民航统一认知和协同可计算决策提供数字底座。

第二个研究进展就是数字信息交互模型的研究,就是以数字编码为主健,图中所式对于空间数据和时间数据我们认为它是一个基础的模型,对于气象流量管制的作为属性信息这样构建一个空域的信息交互模型,实现空域任意状态下的栅格编码。

第三个针对空域协同使用的主要任务,目前我们开展的军民航空域协商流程研究,以数字空域和数字信息交互模型为纽带,打通军民航之间数字化的信息交互壁垒,实现军民航空域按需分配,这有是从军民航空域的需求建构到数字化的建模到最后信息化统一的发布,构建一个流程。以数字空域为基础设施军民航空域协商流程,不仅要建立信息化协商机制,需要实现数字化协商。

第四是对于刚才提到的空域智能决策的主要任务,目前开展了空域智能化辅助决策现在的基础研究,主要通过人工智能和生物学习等相关技术,基于刚才说的数字化空域网络模型实现对于空域管理全过程的可计算决策。空域智能化辅助决策摆脱了传统的人工作业模式,以数字化形式根治与空域管理全流程,为军民航提供精细化的空域资源分配能力。

最后一个是空域运行仿真技术。目前开展了空域运行仿真技术研究,设计了基于时序离散事件仿真算法。空域的运行仿真技术最终目的在于实现对物理空间的数字化映射,形成完全一致的孪生结构,从而实现空域管理的实时反馈与动态优化。

我们配合华东空管局以及东部战区在长三角开展了试点工作,我们部署的8个民航空管分局站以及2个东部战区的管制分区进行了部署,系统运行三个月,目前信息交互达到了18409次,申请、发布临时航线3621批次,等待空域5104批次,绕飞空域4425批次,这些数据改变了传统的以电话和传真为手段的交互方式,有力支撑长三角地区空域运行效能的提升。

未来的建议。

第一个就是建立长三角区域协作平台。面向未来长三角世界级机场群的建设和交通一体化运行需求,我们会在试点成果的基础上进一步纳入军局地等多方要素,打造覆盖长三角地区三省一市空中交通的一体化框架。第二个打造一体化的运行业务系统。以我们作为牵头单位进一步发挥我们的技术优势,打造未来军航、民航以及通航一体化运行业务系统,为长三角地区空域资源统一管理、多方协同决策以及机场群联合运行提供技术支持。

我的汇报就到这里,谢谢各位专家。

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