——智慧空管建设
民航局空管局技术中心
一、 “一带一路”沿线国家航空运输一体化信息协同环境支撑技术与应用示范
（一）背景
“一带一路”沿线国家航空运输业正处于发展阶段，但沿线国家普遍面临基础设施薄弱、跨地区协同困难、航空资源管理落后等难题，难以有效保证飞行安全和效率，制约了区域的经济发展。随着“一带一路”战略及“空中丝绸之路”沿线国家航空发展战略的逐步实施，极大带动沿线国家经济发展，同时必将为区域民航运输发展带来更大的市场空间和发展机遇。
面对跨地区、复杂环境下的航空运输问题，本项目重点研究航空运输信息协同环境构建方法与技术，突破基于“网—云—端”模式的信息协同体系构建、航空安全领域的跨域信息交换、跨国界分布式航空信息服务、跨区域航班运行态势感知与监控、长航程航班轨迹协同规划与协商等关键技术，构建分布式航空运输信息协同环境跨国界验证平台，研制广域航班运行态势监控系统、长航程航班跨区域协同运行系统，其验证节点如图1所示，实现“一带一路”沿线国家航空运输信息的综合管理与服务。
图1 “一带一路”航空运输一体化信息协同环境示范验证节点
针对当前航空运输领域“点到点”连接为主的信息交换存在的弊端，民航局空管局技术中心承担的航空运输一体化信息智能服务技术研究主要面向服务架构下的航空信息管理新方法，建立支持“一带一路”沿线航空运输一体化运行的信息服务新机制（图2），解决应用系统灵活接入、数据精准获取、信息可信共享等问题，为各参与方提供及时、准确及定制化的运行信息。
图2航空运输一体化信息协同环境体制框架
根据“一带一路”沿线不同国家/类型航空用户信息需求的差异性，从空中交通参与方工作职责和业务流程入手，结合不同国家/地区的运行特点、运行概念发展趋势，研究基于用户角色与任务特征的信息行为建模方法，建立用户—任务—事件—信息之间的多维度映射关系，实现用户个性化信息需求的精准感知，构建支持适应用户需求的航空信息服务架构。通过构建和应用服务描述概念模型提升信息服务发现的准确性，基于知识图谱与语义理解的信息搜索技术，形成从语义理解的角度分析和处理检索请求的能力，建立资源优化选择与结果融合机制，实现分布式架构下的准确信息获取；分析跨国界环境下航空信息服务架构的特点，从网络、服务和数据等层面识别航空运输信息跨域交换过程中潜在的安全风险，综合网络节点的物理特性、应用等级、用户权限、适用环境等要素，建立完善的用户身份认证与授权机制，防止外部用户的非法访问；采用信息完整性验证技术保证数据的跨域传输安全，建立网络安全态势感知与评估模型，实现航空运输信息服务的安全可控。
（三）意义及未来前景
本项目与东非、德国等国家在航空运输管理领域展开深入合作，开展“一带一路”大区域多个飞行情报区之间的航空信息有效协同示范验证，推动区域互联互通，打通“空中丝绸之路”，对提升“一带一路”沿线国家航空运输服务水平、推动我国产品与技术向国际市场推广具有重要的现实意义。同时，该项目有助于推进我国合作共赢的主张，提高“一带一路”合作水平与效率，提升国家的国际软实力和影响力，切实落实“一带一路”峰会精神与政府间合作备忘录的要求，是对“一带一路”倡议的重要支撑。
“一带一路”沿线国家大多为航空业发展欠发达地区，空管基础设施相对薄弱。通过项目建设，进一步完善、丰富我国航空运输领域产品线，建立起区域航空产业发展的新模式，将我国航空运行管理理念、技术和产品推广至“一带一路”沿线国家，带动发展中国家航空体系建设。同时，还可提升我国空管产品的国际竞争力，创造自主知名品牌。未来5—10年，预计可实现收入规模达15—20亿元人民币。预计远期，我国空管产品占国际空管市场25—30%份额，实现与法国泰雷兹、西班牙英德拉等国际大公司同台竞技。
二、民航空管集成塔台系统
（一）背景
为提升塔台管制工作的信息化、智能化水平，推进“智慧交通”在民航空管领域的应用，自2017年起，民航局空管局技术中心联合中国电子科技集团公司第二十八研究所、中国民用航空华东地区空中交通管理局、中国民用航空中南地区空中交通管理局开展了下一代智能数字空管塔台技术研究。项目从塔台管制的“全面感知”、“高度互联”、“多方协同”、“广泛共享”的智慧化需求出发，针对现有空管塔台多系统孤立运行、功能冗余、设备繁多、接口标准不一导致的信息分散、设备集约化程度低、感知协同难等问题，攻坚克难，采用多种创新性技术手段，整合集成空管塔台监视、航班计划、航空气象、航行情报、飞行流量等多元关键信息，构建了塔台管制智能化监控平台，实现了空管塔台“管制信息处理集中化、设备配置集约化、态势告警联动化、监控指挥一体化”，保障了机场场面航空器安全、有序、高效运行，降低了塔台管制员工作负荷，有力推动了“智慧空管”的建设和发展。
“集成塔台系统开发与示范”项目在研究塔台管制运行流程的基础上，考虑了场面复杂环境和运行规则，面向场面航空器运行冲突预警及解脱、管制员运行态势掌控不明及“错、忘、漏”等问题，攻克了基于模糊匹配及智能学习的机场环境信息数字化显示技术，实现了机场动态环境信息与塔台工作界面相融合的可视化展现；提出基于管制意图与态势情景相结合的场面运行风险防控技术，给出风险消解措施及提示，有效实现了场面运行风险预警防控，减轻了管制员的工作负荷，提升了安全和效率。
（二）系统创新点
1. 基于TOGAF架构理念的塔台系统集成框架设计
针对塔台设备繁多、空间有限、功能冗余、信息关联集成度低等问题，对整个塔台管制业务的数据流及业务流进行梳理、构建、定制、输出，框定了系统基线。采用TOGAF架构设计理念重构系统框架，围绕塔台管制内外因素，构建物理、数据、应用三个视图，研制了以安全管制为前提、以高度适配型功能为主体、以标准化规程为支撑的组件化模块。通过The Open Group的标准TOGAF架构框架，以构建块的方式输出和管理成果，模块化的松耦合设计模式实现塔台管制需求的业务与技术的灵活配置。在物理层面上实现各类资源的配置化管理，满足多需求建设需要。将技术要素与管理要素协同设计，从根本上提高了塔台业务系统的应用水平，推动了业务模式的创新，节约了建设成本，为全面的数字转型设计奠定基础。
2. 与其他空管系统信息交换接口规范化应用
塔台管制作为整体空管服务保障的核心节点，与相邻管制单位、机场保障运行单位之间的协同交互日益增多，之前系统间点对点、杂乱无章、效率低下的信息交互方式已远不能满足要求。通过本课题研究及建立集成塔台系统，梳理提炼出塔台系统与管制自动化、机场业务、流量管理、协同决策等系统在飞行数据交互、管制移交、停机位分配、灯光控制、流控信息和放行信息发布等方面的交互接口及内容。信息交互是集成式塔台管制的基底，塔台管制服务信息系统接口交互规范定义了一种全新的可涵盖塔台、机场、航空公司等业务主体的多种类型的交互数据格式和接口交互标准，实现了系统间的互联互通，改善了信息分散、平台独立的现状，极大的提高了运行效率。
3. 基于模糊匹配及智能学习的机场环境信息数字化集成显示技术
针对机场运行必须关注的气象、动态情报等环境信息不能直接在塔台工作屏幕上图示化直观展现问题，提出了基于历史运行结果智能分析学习的环境信息数字化技术，研制了以机场场面运行图为背景的层次性控制显示手段，实现了机场动态环境信息与塔台工作界面相融合的可视化展现，其识别匹配率达80%以上，减轻了管制员的脑力工作。数字化集成显示技术为管制员提供智慧大脑，结合数字孪生技术，构建多级数据闭环赋能体系，实现精细化场面地图与机场环境数字信息的叠加，通过信息的精准感知、数据实时分析、智能化告警等手段，为管制员智能决策、运筹帷幄的管制指挥提供帮助。
4. 基于管制意图与态势情景相结合的场面运行风险防控技术
针对仅依靠场面监视信息判断场面冲突，未结合管制员意图信息的现状，研究提出了管制意图与态势情景相结合的场面运行风险防控技术。该技术基于管制指令等意图以及精确位置及趋势信息，考虑场面环境状况和运行规则，进行信息关联并快速智能判断，给出预警、告警信息，并提供具体的风险消解措施或提示，实现管制意图与态势运行情景关联结合的场面运行风险预警防控。该技术通过内置的冲突检测算法对场面机动区内活动目标间的冲突进行预警，同时利用电子进程单感知管制员的意图信息。通过将两种信息综合研判后给出预警，辅助管制员进行日常管制，如图3所示。
图3 集成塔台智能化场面运行风险防控功能
（三）系统总体解决方案
集成塔台系统以提高机场飞行区交通安全、顺畅需求为牵引，围绕塔台管制许可放行、地面、塔台管制席位间协调指挥难、信息共享难、设备集约化水平低等重大技术瓶颈问题，在指挥控制、计算机科学、信息科学等理论方法支持下，首创提出塔台管制一体化集成框架，创新性突破基于模糊匹配及智能学习的机场环境信息数字化集成显示技术，攻克基于管制意图与态势情景相结合的场面运行风险防控技术，制定塔台管制系统标准规范，形成集成塔台系统产品，在北京大兴国际机场等国家级重大工程中推广应用，提高了塔台管制的安全性，提升了机场飞行区交通运行的顺畅度。
项目着眼于塔台管制业务要求及行业发展规划，基于塔台管制运行流程，采用新架构从物理、数据、应用三个层面构建了信息化的集成框架，形成一体化、集成式塔台管制系统解决方案，减少设备、优化管制流程，从根本上降低管制负荷，提高运行效率。集成塔台系统以塔台管制业务为主线，覆盖塔台各运行流程，将各系统的功能重新整合，装载建设一体化的塔台管制工作平台。
集成塔台系统展示如图4所示。首先，集成塔台系统从物理设备层面进行集成，改变之前各自独立的设备平台，减少冗余设备；其次，集成塔台系统通过梳理塔台管制所需信息，从信息源头分类考虑，建立统一信息中转平台，采用数据对接的方式获取系统应用所需信息，并进行信息集成；最后，集成塔台系统立足塔台管制业务流程，从减少重复操作、优化流程角度进行功能集成，采用模块化功能组块，用于支撑不同规模的塔台管制工作。集成塔台系统以塔台管制业务为主线，覆盖塔台管制运行全流程，将高级场面活动引导与控制、电子进程单、数字空管放行、数字自动化航站信息通播、管制综合信息显示系统等各类塔台信息系统进行深度有机融合，通过为各类管制工作席位提供差异化、高效集成的界面显示信息，支撑塔台管制运行。
图4 集成塔台系统展示
（四）系统实际应用效果
目前，集成塔台系统已成功应用于北京大兴（图5）、南京禄口、兰州中川等机场塔台，实现了设备集成、功能集成、信息集成的塔台管制系统新模式。据统计，系统实现了18类信息的集成及异构系统的交互，相比于传统塔台运行系统，智能安全告警类别增加10%，信息集成度提高30%，设备数量减少50%，有效解决了塔台管制信息化、数字化、自动化及智能化技术应用的难题，提升了空管运行的安全和效率。
图5 集成塔台系统在北京大兴机场的应用
