空中交通管制智能化指挥的探索与研究

曹烨琇

摘  要：本文介绍了空中交通管制智能化指挥中冲突探测及解脱方案的研究，提出了冲突预判、建立冲突解脱程序经验库和方法的设计，基于建立分布式并行计算架构，搭建了研究仿真平台。通过引入计算机智能辅助决策，能有效降低管制指挥人员的工作压力、人力资源成本及空管运行的人为风险。同时可以充分利用空域与机场资源，为航空器节约能耗等运营成本。

关键詞：飞行冲突;冲突解脱;规则库

中图分类号：TP399     文献标识码：A

1   引言（Introduction）

现阶段，空管指挥系统只是达到了“半自动化”水平。例如，管制自动化系统，并非真正实现了“自动化”，而仅仅是完成了监视数据、飞行计划等数据的自动化处理，实际的管理指挥还得依赖管理员的操作[1]。因此，空管系统自动化的水平还有待进一步发展提升。

未来空管系统的方向是协同化、精细化、智慧化。协同化是指空管运行将更强调空管内部、军地空管之间，以及与航空公司、机场等之间的协同运行;精细化是指实现对空中交通未来运行状态（包括气象）的精准预测和航班运行的准确控制与定时到达;智慧化是指将互联网、大数据、人工智能与空管传统技术和设施设备实现深度融合，促进智慧空管的发展。

2   研究的必要性（Research necessity）

近年来，面对现代航空业的持续迅猛发展，以及空中流量的飞速增长，以人脑计算为主制定管制指挥方案的运行方式早已暴露出运行上的短板与弊端：

（1）由于管制员无意识的“错忘漏”导致班机小于规定安全间隔的管制不安全事件，已成为制约空管安全运行非常重要的原因之一。由于管制员的情绪和技术内在特有的不稳定性与不确定性，加之与各类外部因素的交织叠加，进一步放大诱因，增加了不安全事件发生的概率。

（2）当面临某一个扇区内航班密度不断增加的情况，管制员会更多地将精力集中在管制运行的个别关键环节，而不可避免的减弱或是忽略了对于其他运行环节的关注度。导致了基于管制员自身判断与调配能力所提供的管制服务质量逐步呈现下行趋势。这恰与流量的增长形成反比。

（3）在目前的人员结构中，管制员与管制员之间确实也存在着技能与素质的个体差异，同时伴随着各类人的生理因素的周期波动，使得管制服务无法长时间内维持在相对固定的尺度与标准之内，所提供的管制服务水准的波动也会进一步加大空地协同配合的难度，造成整体管制运行效率降低。

放眼当今世界，随着计算机技术的快速发展，大数据与云计算以其优越性和先进性在多个工业领域得到广泛的应用，取得了巨大的成效。这为计算机智能化及其相关技术在空中交通管制领域应用的可行性创造了条件。

3   关键技术研究（Key technology research）

目前国内空中交通管制系统主要基于二次雷达数据处理，着重于短期冲突探测与冲突自动告警。由于并未实现由系统自动给出飞行矛盾调配方案和飞行指挥指令以及飞行冲突解脱程序，系统智能化程度有待进一步提升。无论是国外民航强国还是我国国内，在基于多源、异构、跨界数据的管制智能化系统研发，以及直接应用于一线管制运行的成型产品方面，尚无典型案例，这也是亟待突破的技术空白地带。具体需要实现以下几个关键技术的研究：

（1）实现提前预判航空器飞行冲突。

（2）建立冲突解脱程序经验库和方法，给出合理解脱方案。

（3）建立分布式并行计算架构的系统结构，保证系统时效性。

3.1   提前预判航空器飞行冲突

建立航路、航线模型，考虑扇区内的所有航空器，提前预测某一扇区内航空器之间和将要进入某一扇区的航空器之间的飞行冲突，合理安排起飞时刻和进入某一扇区的时间，预先给出所有航空器进入某一扇区的预计上升和下降的高度和时间，实现提前避免航空器之间飞行冲突的目的，对某一扇区内所有航空器之间的飞行冲突进行探测，自动预先给出每个管制扇区内每架航空器的飞行高度，供管制人员参考。

根据实际存在的航路、航线、飞行高度、航班航迹、飞行速度、机场、扇区、管制区等信息，并按照业务需求，建立GIS模型。利用该GIS模型两机进行冲突检测。

首先引入一个关于飞机标准保护区的概念。根据标准间隔要求，在终端区范围内，为保证安全，两架航空器的水平间隔应大于3Nm，同时竖直间隔应大于1000ft。在远离终端区的航路上，两架航空器的水平间隔应扩大至5Nm。因此可以想象一个高1000ft，半径为3Nm或5Nm的圆柱体作为飞机的保护区域，如图1所示，在这个飞机保护区内禁止其他飞机进入。如果一架航空器进去另一架航空器的保护区域，则认为存在潜在冲突。

将亟待进行冲突探测解脱的区域分割为若干个如下图2所示的4D空间-时间的网格。而同时，每个网格单元的大小按照标准尺寸进行设定，即终端区内水平方向3Nm，竖直方向1000ft，远离终端区的航路上，水平方向5Nm。之后每条航迹都对应到设定好的相应的4D网格中，之后对航迹进行两两比较。如果一个网格单元同时被不同的航空器航迹所占用，或者一个网格单元的相邻网格被其他航空器的航迹所占用，则判定存在潜在冲突[2]。

已知上述的航空器间的间隔标准，但是如果逐一对所有航迹进行点对点的冲突探测会是一项非常浩大的工程。为了减小探测阶段的复杂性，会采取封装航空器航迹的方法以加快系统冲突探测的速度。第一步是将航空器航迹按照其航向划分为若干个航段，将每个航段封装进入一个边界框内。之后对所有封装好的航迹进行探测，探测不同的航迹间是否存在交汇。最后，如果对于不同航空器的航迹间的边界框存在交汇，则再对交汇的方格内的航空器的航迹进行点对点的冲突探测。以图3为例，航空器a和航空器b的两个边界框存在交汇，则对交汇的两个边界框内的航路点进行冲突探测。若交汇边界框内的航路点同时满足空间和时间上的冲突条件，则判断存在潜在冲突。