黃 濤,張 琳

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

隨著民航的快速發(fā)展以及新技術的逐漸成熟和應用，航空運輸系統(tǒng)逐步向智能化邁進。在航空運輸系統(tǒng)中，航空器的離場管理是機場管理和空中交通管理的重要組成部分。2019年，國際民航組織(ICAO)在航空系統(tǒng)組塊升級(ASBU)框架中對機場協(xié)同決策機制信息共享(ACIS)進行了規(guī)劃[1]。目前，航空運輸系統(tǒng)更加依賴于信息資源共享來提升運行效率[2-3]，部分國家進行了許多相關技術及工具的研發(fā)。

本文闡述了航空器離場管理的運行概念，分析航空器離場過程中存在的數(shù)據(jù)信息共享需求，得出離場信息共享的目標，并提出了遵循面向服務的體系結(jié)構(gòu)(SOA)[4]的離場信息共享平臺架構(gòu)方案，結(jié)合目前我國航空系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃對搭建平臺的關鍵技術進行了分析研究，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濾的方法——語義容器方法，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)字化管制服務品質(zhì)。

1 離場過程信息共享平臺建設需求

航空器的離場過程包括場面管理(SMAN)以及離場管理(DMAN)[8]。離場過程主要涉及航空器離場、機場智能管制指揮、機場應急安全管理幾個方面。這些方面對信息共享平臺的需求如下。

1.1 航空器離場需求分析

航空器的離場，是從撤輪檔時間開始算起，經(jīng)過推出、離場滑行、起飛離地、最后爬升到達離港點的整個過程。航空器作為信息共享平臺的典型用戶，在離場時只對一部分的信息有需求，需要從各種不同的信息源中過濾掉不相干的消息。一架航空器離場時，需要本場終端區(qū)的地理數(shù)據(jù)信息及氣象信息(風向風速等)、滑行路徑安排、跑道及入口分配方案、航班動態(tài)排序信息、滑行導航信息以及各時間節(jié)點的指令性信息。例如：來自航空公司的旅客登機、配載平衡、客貨艙門關閉時間等一系列起飛前準備信息，來自機場管制部門的推出開車指令、滑行指令、進跑道許可、起飛許可等。信息共享平臺根據(jù)用戶的類型不同，過濾掉不必要的信息，僅提供用戶所需的信息數(shù)據(jù)，避免信息過多引起交互界面復雜。

1.2 機場智能管制指揮需求分析

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

協(xié)同決策機制下的航空器離場管理系統(tǒng)(DMAN)通過采集航空器的計劃撤輪檔時間(SOBT)、航空公司或航務代理單位通過領航計劃報發(fā)布的航空器預計撤輪檔時間(EOBT)等航班運行信息，并根據(jù)滿足航班計劃、運行節(jié)點、公平性等目標及尾流限制、流量控制等約束條件的動態(tài)排序優(yōu)化算法進行排序，計算出提供動態(tài)離場排序信息[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)航空器離場管理系統(tǒng)的動態(tài)離場排序信息、航行通告信息、場面沖突檢測信息、終端區(qū)氣象信息等，結(jié)合專家?guī)煲约吧疃葘W習等方法得到管制指令[11]，向各航班發(fā)布推出開車、滑行、跑道入口等待等管制信息。其中場面沖突檢測系統(tǒng)需要采集航空器的實時運行信息數(shù)據(jù)(跑道配置情況、航空器滑行速度)，并能夠提前預判航空器的沖突[12]，且擁有沖突解脫程序的經(jīng)驗庫和方法[13]，得到解脫方案。

1.3 機場應急安全管理需求分析

機場應急安全管理是航空器離場過程必不可少的一個保障環(huán)節(jié)[14]。機場應急安全管理需要對在機場發(fā)生的重大及突發(fā)事件進行處理，災難及事故進行救援，對機場各單位進行調(diào)度指揮，對飛行區(qū)、跑道等終端區(qū)及圍界進行全景實時監(jiān)視，保證機場安全運行。通過采集終端區(qū)地理信息、識別AI全景監(jiān)控系統(tǒng)信息、航空器實時運行信息反饋[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行分析，并發(fā)布預警、定位等數(shù)據(jù)信息給各相關用戶，方便救援人員迅速到達現(xiàn)場及調(diào)動各應急力量，最終生成應急事件處理方案支撐決策，還可以使用態(tài)勢推演功能進行動畫模擬事件處置過程，為指揮調(diào)度提供參考。

2 離場過程信息共享平臺的架構(gòu)

2.1 航空器離場運行概念

航空器離場運行包括場面管理、離場管理、應急安全管理。場面管理及離場管理協(xié)同運行，根據(jù)采集的停機位信息、飛行計劃信息、跑道配置信息、場面運行監(jiān)控信息等，以本場的跑道容量為限制，根據(jù)離場規(guī)則及智能排序算法，規(guī)劃航空器的滑行路徑及時間，分配跑道及出口，配置離場間隙流，建立離場航空器等待隊列，形成離場預排序，并自動給出管制建議(起飛許可、加速滑行等指令)。同時根據(jù)實時運行信息反饋，不斷調(diào)整離場順序，形成動態(tài)分配及調(diào)整時隙的智能決策。應急管理是在航空器離場時遇到突發(fā)情況，通過信息共享平臺，掌握航空器的運行情況，并得到相應的應急處置方案。

在實際運行過程中，航空器的進場管理與離場管理是高度耦合的過程，進離場管理之間緊密聯(lián)系，并采取協(xié)同決策機制來增強信息的共享和一致性。本文暫不考慮航空器的進場問題，場面滑行、離場運行過程如圖1所示。

圖1 航空器場面滑行、離場運行過程

2.2 總體架構(gòu)

航空器離場信息共享平臺將航空器離場過程中各方面需求的信息、數(shù)據(jù)資源進行整合存儲，并為各用戶提供信息共享服務的平臺。通過分析離場航空器、機場管制等用戶的需求，并遵循面向服務的SOA架構(gòu)模型，進行了離場管理信息共享平臺架構(gòu)設計。該平臺輻射到航空器離場運行的整個過程，為航空器提供指令信息、導航信息、排序信息等，為智能空管系統(tǒng)提供航空情報信息、飛行計劃信息、場面實時運行信息;根據(jù)排序算法及專家信息資源庫提供決策，并按照用戶的不同，過濾掉不必要的信息，提高機場運行效率及安全水平;為機場應急管理系統(tǒng)提供終端區(qū)地理位置信息、AI全景監(jiān)視視頻信息等,當發(fā)生應急事件時向各相關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。航空器離場信息共享平臺分為應用層、服務層、數(shù)據(jù)層、通信層、支撐層5個層次，可以通過封裝多樣化服務接口來實現(xiàn)服務層、應用層和數(shù)據(jù)層之間的松耦合度。

圖2 航空器離場信息共享平臺架構(gòu)

支撐層主要是信息共享平臺數(shù)據(jù)信息采集的前端設施以及建設信息共享平臺的必要組件。其中AI全景監(jiān)視系統(tǒng)需要利用高清相機采集視頻，得到擁有高分辨率的視頻圖像，通過視頻拼接技術實現(xiàn)全景監(jiān)控，采用視頻增強處理器設備進行實時視頻圖像處理，在面對惡劣天氣時仍能以最大分辨率連續(xù)記錄整個場景和局部細節(jié)。氣象采集系統(tǒng)通過采集設備采集影響航空器起降的各類因素，如能見度、風速、冰雪等。

通信層將支撐層采集的信息進行傳輸，將各類數(shù)據(jù)信息存儲到數(shù)據(jù)倉庫?？章?lián)網(wǎng)技術也叫天地一體化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，是實現(xiàn)地空通信的保障基礎，通過網(wǎng)絡技術實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡和空間網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，滿足智能航空對數(shù)據(jù)信息交換共享的需求。導航信息由北斗導航系統(tǒng)提供，各類信息通過5G通信技術實時地發(fā)布到各用戶，對一些流量控制等具有保密原因的因素采用區(qū)塊鏈技術進行信息的共享。

數(shù)據(jù)層分為數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)匯集以及數(shù)據(jù)服務幾個模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊包含離場過程所需決策方案的專家資源庫，前端采集到的信息通過分布式存儲的方式，存儲到數(shù)據(jù)倉庫中，數(shù)據(jù)匯集模塊具有數(shù)據(jù)過濾、更新、匯聚處理等功能[17-18]，數(shù)據(jù)服務提供各用戶的數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)處理等功能。

服務層是信息共享平臺能夠為各類用戶提供的功能，依靠各類算法的滑行路徑以及時間預測安排、跑道及出口分配方案、動態(tài)離場排序方案、依靠專家資源庫的智能決策方案，按照用戶類型不同，提供的服務功能也不同。

應用層為各類用戶的終端系統(tǒng)，按照離場信息共享平臺的需求分為三類，一是為航空器離場時提供信息的機載智能終端，二是機場智能管制指揮系統(tǒng)幫助機場各個席位管制員提供決策方案，三是機場應急安全管理的可視化管理平臺，應急管理人員或救援人員通過管理平臺的信息及給出的處置方案及推演效果及時處理緊急情況，達到提高機場安全管理效果及運行效率的目的。

3 關鍵技術的應用

3.1 數(shù)字化集成系統(tǒng)

目前，航空系統(tǒng)的運行依賴多種格式、多種來源的數(shù)據(jù)信息支持，離場信息共享平臺的建設也要遵循ICAO提倡的SWIM方法[19]。SWIM平臺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。集成平臺采用信息交換的標準模型,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)階段離場過程使用的航空信息通常是基于特定信息類型的獨立系統(tǒng)，要想多源信息系統(tǒng)協(xié)同運行決策，首先要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式標準，并采取數(shù)據(jù)信息引接策略進行數(shù)據(jù)交互[20-21]。平臺可采取直接從數(shù)據(jù)源系統(tǒng)引接數(shù)據(jù)的直連模式，或者通過轉(zhuǎn)發(fā)平臺將各類信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準格式的模式，或采用兩種模式混合的方案進行數(shù)據(jù)引接。

3.2 ATS空地數(shù)據(jù)鏈服務

目前，中國民航空地數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡基本覆蓋全國主要航路和機場空域[22]，97%民航客機的航電系統(tǒng)支持ATS(空中交通服務)空地數(shù)據(jù)鏈協(xié)議標準[23]。按管制運行實際業(yè)務需求和數(shù)字化管制服務協(xié)議支持能力，具體分為信息類和指令類服務。信息類分為飛行員請求訂閱式和管制員定制發(fā)布式兩種服務;指令類服務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。通過空地數(shù)據(jù)鏈的建設，來達到信息共享平臺的通信需求,為我國下一代空管運行系統(tǒng)提供支撐[24]。

3.3 信息過濾的語義容器方法

信息共享平臺會采用標準化的信息交換模型來發(fā)布不同類型的信息，不過根據(jù)信息共享的需求分析，對于不同的用戶，只需要一部分與任務相關的信息。這就需要從不同的信息源中過濾出不相關的信息，并將過濾后的信息分發(fā)給不同類型的用戶。例如飛行員離場過程中僅需要相關的指令以及信息服務。

語義容器方法采用基于本體的分面信息過濾，將過濾后的信息和相關元數(shù)據(jù)打包到語義容器中[25]。通過數(shù)據(jù)庫訪問本體數(shù)據(jù)，為信息共享平臺提供附加功能，從而便于平臺的不同用戶來使用過濾后的信息。通過語義容器方法的一些概念及定義，建立具備包含及過濾條件的語義容器數(shù)據(jù)庫，通過信息的數(shù)據(jù)項類型以及包含層次關系來進行數(shù)據(jù)抽取，達到實現(xiàn)離場過程中過濾信息的目的。

4 結(jié)論

本文結(jié)合了國內(nèi)外進離場運行管理系統(tǒng)的發(fā)展情況，分析了目前整個航空運輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，針對其中的關鍵問題信息資源共享方法進行了研究。以智能航空的發(fā)展為基礎，遵循SOA服務設計原則，提出了離場信息共享平臺的架構(gòu)方案，通過搭建信息共享平臺的方法來實現(xiàn)離場過程中各類信息的共享及智能化的決策。并對平臺架構(gòu)方案中的一些關鍵技術的應用進行了分析，平臺的數(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ATS空地數(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)信息過濾這一附加功能的語義容器方法，該方法不僅能夠存儲歷史數(shù)據(jù)，還可以采用復合容器來面對復雜類型的數(shù)據(jù)及過濾標準，可以為平臺的后續(xù)開發(fā)提供基礎。為推進航空器離場管理設計、提高機場管制環(huán)節(jié)的運行效率提供參考。