空中交通智能化管理的科学与技术问题研究

空中交通正呈现大流量、强耦合、高时变特点，为保障运行的顺畅高效与安全可靠，需要发展以数字化、自主化、协同式为典型特征的空中交通智能化管理模式。本文在阐述当前及未来一段时期内空中交通管理需求背景的基础上，立足发展趋势，从交通管制、空域管理、流量控制3个方向剖析了传统空中交通管理面临的挑战，凝练了空中交通智能化管理涉及的航空器与空管基础设施相互作用机理和模式、基于可接受风险的航空器间隔空地协同控制、多要素形态非一致规则的空域运行建模优化、高密度空中交通流演化机理与拥堵传播特性等基础科学问题。研究建议，集成应用卫星互联网、大数据、数字孪生、云计算等前沿技术，从航空器、空域、管制决策、运行等方面着手构建空中交通智能化管理技术体系，从而确立新一代空中交通管理系统的技术基础。

空中交通管理简称“空管”，是支持经济社会发展的国家基础设施，所支撑的航空经济规模以及辐射带动量超过国内生产总值的17%；在“空天地”一体化航行体系的支撑下，组织管理国家空域资源、航空运输行业，同时服务航空制造、通用航空等战略新兴产业发展。我国航空运输发展迅速，预测2028年行业规模将居世界首位[1]。在此背景下，国家空域系统保持高密度飞行态势，对空管科技发展提出了严峻挑战：有人 ‒ 无人驾驶航空器混合高密度飞行成为常态，现行管制方式难以应对，新的空管规则有待建立；空管的主导因素在于人而人工保障通常超负荷运行，低效率导致的航班延误成为社会焦点，碳排放水平居高不下，新的空管技术亟待发展；城市空中运输[2]、临近空间飞行、高频率航天发射等新需求涌现，新的空管模式以及新一代空管系统装备需要突破。为积极应对未来超大规模航空市场的发展需求和相关的环境约束挑战，国际民用航空组织（ICAO）牵头发布了全球空中航行计划、航空系统组块升级计划；国际航空运输协会着眼于应用新技术改进航空服务，联合国际机场协会推出了新技术旅行新体验项目。在ICAO的统一发展框架下，航空强国提出了新一代航空运输系统（NextGen）、航空战略实施计划，欧洲空中交通管理总体规划、2050+机场计划、欧盟航空安全局（EASA）人工智能发展路线图等[3]；发布了城市空中交通纳入NextGen、欧洲单一天空空中交通管理项目（SESAR）等规划，描绘了空中交通智能化发展愿景，以适应未来新型航空器、智能航空器的规模化应用趋势。中国民用航空局空中交通管理局组织制定了中国民航空管现代化战略（2016年），作为中国版的NextGen、SESAR，引导开展机场运行、信息协同、容量优化、高效航迹等方向的规划建设，旨在加强全系统信息管理、气象信息服务、数字化情报管理等基础信息服务能力，完善数据链通信、综合导航、多元监视等基础设施，着重提升全阶段数字化管制、全国飞行流量管理等运行能力，逐步形成安全高效的空中交通管理体系。

值得指出的是，我国在空中交通管理智能化发展方面进行了规划和细化研究，但有关整体技术架构、具体发展路径尚未形成共识。本文在梳理空中交通管理新趋势及新需求的基础上，研判面临的新挑战，凝练智能化发展涉及的基础科学问题并提出技术研究重点，以期为智能化空中交通管理系统构建研究提供基础参考。