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空中交通工程学理论内涵与关键科学技术问题

时间:2022年05月12日 所属分类:经济论文 点击次数:

摘 要:航空器自1903年诞生至今已逾百年,航空器飞行速度、飞行距离、飞行高度都有了巨大提升。与1924年世界上第一条长距离航路上使用的灯光导航、高频通信设备相比,今天的卫星导航、数据链通信同样发生了翻天覆地的变化。这些巨大进步已经构成一部精彩的航空科学技术

  摘 要:航空器自1903年诞生至今已逾百年,航空器飞行速度、飞行距离、飞行高度都有了巨大提升。与1924年世界上第一条长距离航路上使用的灯光导航、高频通信设备相比,今天的卫星导航、数据链通信同样发生了翻天覆地的变化。这些巨大进步已经构成一部精彩的航空科学技术发展史。本文尝试转换观察视角,从交通运输角度,审视空中交通管理实践发展历程和学科知识、研究方法积累过程。在此基础上,以构建学科体系为目标,探讨空中交通工程学研究对象、核心概念和基本原理,总结代表性科学问题和关键技术架构,为进一步构建空中交通工程学科体系,指导后续研究提供理论和研究方法上的支持。

  关键词:空中交通管理;机场;空域;容量;组织;空中交通网络

空中交通工程

  2006年,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中,将“新一代国家空中交通管理系统”列为优先主题。经历15年探索和实践,以保障飞行安全、提升效率为目标的空中交通管理系统已经实现跨越式发展,空域管理、交通流管理、间隔管理技术全面升级的同时,技术体系也逐步形成。本文以构建空中交通管理学科为目标,归纳整理现有研究工作,同时借鉴地面交通工程学理论和方法,从空中交通工程学定义、科学问题、关键技术梳理出发,构建学科知识体系,为后续研究奠定基础。

  1 空中交通管理概念国 际 民 航 组 织 (International CivilAviation Organization,ICAO)

  空中交通服务附件(附件11,第十五版,2018年)中,将空中交通定义为:空中飞行或者机场机动区内运行的全部航空器。其中机场机动区(Maneuvering Area)是指机场内供航空器起飞、着陆和滑行的部分,但不包括停机 坪 。 机 动 区 和 停 机 坪 合 称 为 活 动 区(Movement Area)或空侧(Air Side)。ICAO《空中交通管理》(Doc 4444,第十六版,2016年)中,对空中交通管理的定义是:以安全、经济和高效为目标,依靠各类地面和机载的设施设备的不间断服务与协同配合,通过空中交通服务(AirTraffic Service,ATS)、空域管理(AirspaceManagement,ASM)和空中交通流量管理(Air Traffic Flow Management,ATFM)等方式,对空中交通和空域进行动态和一体化管理。

  在空中或者机场机动区内,飞行员按照既定的飞行计划,在空中交通管制员(Air Traffic Controller,以下简称管制员)指挥下飞行,生成包括位置、高度、速度、航向、偏航角度、俯仰角度、滚转角度等航行诸元的飞行航迹。在航空器诞生初期,飞行员主要靠目视观察航行诸元。20世纪20年代,高度表、速度表、磁罗盘、姿态指示器、无线电定向仪等机载航行仪表及地面无线电导航台建成后,飞行员转而依靠仪表掌握飞行状态,按照导航设施规划的飞行程序和空中交通规则,在管制员指挥下,控制航空器位置、高度、速度和航向。进入21世纪后,随着全球定位系统(Global Positioning System,GPS)等星基导航系统逐渐完善,卫星导航开始逐步取代地基设备,成为主用航空导航源。

  空中交通管理过程中,管制员通过飞行员报告、雷达、广播式自动相关监视( Automatic Dependent SurveillanceBroadcast,ADS-B)等手段和监视设备,掌握航空器位置、高度、速度等信息,然后直接对飞行员发出控制指令。按照ICAO空中交通规则,执飞仪表飞行程序(Instrument Flight Rules,IFR)的飞行员必须按照指令控制控制航空器位置、高度、速度和航向。在这一过程中,管制员事实上取代了飞行员,成为航空器行为的实际控制者。在繁忙的管制空域扇区(根据交通流特征和管制员工作量,将空域细分为多个扇区,每个扇区由一名管制员指挥)中,管制员常常需要同时指挥10架以上的航空器。空中飞行、地面指挥的空中交通管理方式,并非一蹴而就,而是经历近百年发展演化,最终形成。

  2 空中交通管理发展历程

  与火车、轮船等交通工具发展历程类似,航空器诞生之初主要用于飞行表演。1911年前后,欧美第一批定期运输业务开通,航空器开始成为使货物、旅客地理位置上转移的运输工具,天空中真正出现了来往通达的空中交通。此后100多年,在交通量增长和航空安全压力推动下,今天的空中交通管理系统逐渐形成。本文主要参考美国发展历史,概述这一发展过程。

  2.1 空中规则(20世纪20年代之前)

  1903年12月17日,美国发明家莱特兄弟,研发成功“飞行者一号”航空器,完成人类历史上首次可控制的、比空气重飞行,航空时代从此来临。航空器发明初期,公众对飞行的狂热,催生出欧美各大城市兴建机场、组织飞行表演的热潮。早期飞行表演中,观众、航空器活动不受约束,摔飞机、伤观众事件时有发生。1908年9月17日,莱特兄弟中的Orville Wright在飞行表演时,螺旋桨断裂,航空器失控坠入观众中,1名观众死亡。1912年5月30日,美国西雅图某机场飞行表演时,一名观众突然冲到正在起飞的航空器前方拍照,飞行员紧急避让冲向看台,造成观众2死12伤。1913年,面对严重的安全形势,柏林约翰内斯塔尔(Johannisthal)机场出台飞行表演10项规定,明确要求航空器之间、航空器与地面观众之间,保持足够安全距离;要求航迹交叉的两架航空器,右侧航空器拥有“航行优先权(Right of Way)”,左侧航空器必须主动避让。这10项规定很快在欧洲各国机场流行起来。1919年,世界上第一个国际航空公约——《巴黎公约》中,为“减少重于空气航空器相撞风险”,制 定 了 约 束 航 空 器 行 为 的 “ 空 中 规 则(Rules of Air)”,将航行优先权、避让规则正式上升为国际标准。规则在欧洲各机场执行过程中发现,航空器起飞、降落过程中,飞行员视线受机体遮挡,无法看见后方(下方)活动航空器,无法及时做出避让动作。这一飞行员无法克服的困难,最终导致规则执行者——管制员的诞生。

  2.2 空中交通管理单位和管制员(20世纪20年代—30年代末)

  为了落实空中规则,1922年,世界上第一个机场交通管制员(此后统称为塔台管制员)、第一个空中交通管制塔台(简称塔台)在英国伦敦Croydon机场出现[1],其主要任务是利用指挥旗、信号灯,向起飞航空器发布起飞许可,确保起降航空器之间安全间隔。出于同一原因,1929年,美国第一名塔台管制员Archie William League开始在圣路易斯机场指挥航空器起降。从1911年开始,鉴于航空器载重小,但速度快的特点,美国、英国、德国邮政部门开始尝试使用航空器运输邮件。9月9日,世界第一条定期邮政航空运输航线在英国开通。1918年,幅员辽阔、航空运输需求更为迫切的美国,开始建立连接东西海岸的空中邮路。1924年1月,随着航路信标台、应急备降场、低空通信等地面设施和机载航行设备的完善,全长4200公里,连接东西海岸,年运送1400万封信和包裹的,跨州航路系统全线开通[2]。1925年,航空邮政法案(Air Mail Act of 1925,也称Kelly Act)批准私人公司取代政府经营航空邮政业务,一大批航空公司就此诞生,商业航空运输也由此起步。

  20世纪30年代初,随着波音247、DC-2等全金属客机问世,航空旅行安全性、舒适性大大提高,旅客运输量开始快速增长,航空运输第一个黄金时代到来了。30年代中期,配备了专职管制员的纽约纽瓦克(Newark)机场和芝加哥机场起降高峰达到50-60架次/小时,成为美国最繁忙的航空枢纽。在机场交通管理接受管制员指挥的同时,几千公里空中航路只能依靠飞行员自主保持交通秩序。1935年5月6日、10月7日,环球航DC-2、美联航Boeing 247D先后在航路飞行中坠毁,航路飞行安全引起全社会关注。在多家航空公司共同推动下,1935年12月1日,全球第一个航路管制中心在纽瓦克机场成立。中心管制员负责控制航路上航空器次序和间隔,避免多机同时到达机 场 上 空 引 发 事 故 。 参 照 这 一 模 式 ,1936~1937年,芝加哥、克利夫兰等7个航路管制中心相继建成。

  3 空中交通工程学发展历程

  空中交通工程学是为空中交通管理实践提供理论指导的一门学科,其发展阶段、研究内容,必然与当时的现实需求密不可分。与此同时,作为一门新兴的学科,人们对其自身规律的认识也经历了一个从感性到理性的发展过程。在以上两个因素共同作用下,以美国发展为主要线索,空中交通工程学科发展经历了以下几个阶段。

  3.1 观察运行(20世纪40年代中期之前)

  20世纪30年代末,随着波音307等增压座舱航空器投入使用,空中旅行舒适度大大提高。美国民航业借此完成从运输邮件到运输旅客的转变,旅客周转量迅速增长。与高速发展极不相称是,机场建设、管理非常混乱。机场跑道布局有“米”字、“A”字、“井”字型,甚至圆形。机场区域内飞行表演和定期航班,航空器与行人、车辆混行。为了保证安全、提升效率,美国航空主管部门组建的机场交通管制咨询委员会( Committee On Airport TrafficControl)提出两项措施:定义进场盘旋时间、进场滑行时间、过站时间、离场滑行时间、离场时间等5个观测指标,定期统计比较各机场运行状况,对比发现短板和整改方向;将运行中好经验总结形成建议标准推广使用。

  在这两项措施推动下,美国各机场设施设备标准和运行管理程序逐步接近,为统一国家标准奠定了基础。1945年,美国第一代航路管制员,有美国空管之父美誉的Glen A. Gilbert专著《空中交通管制(Air Traffic Control)》正式出版,标志着在充分总结实践经验基础上,美国空中交通管理设施设备体系、运行规章体系正式形成。1947年,世界上第一篇空中交通管理问题研究文献问世。无线电物理大师E. G.Bowen基于澳大利亚悉尼金斯福德·史密斯机场(Kingsford-Smith Airport)运行数据,分析了航班实际落地时间分布特征和影响因素[11]。

  3.2 容量与安全研究(20世纪40年代中期—90年代中期)

  从1946年开始,美国逐步进入雷达管制时代。从理论上看,雷达管制下,航路飞行间隔比程序管制缩小80%以上,飞行量可以相应增长,但这一预期却没有实现。机场容量首先成为增长瓶颈。1945年,Glen A. Gilbert在其空管专著中,用给定时间内航空器最大起降数量表示机场容量(Capacity)。1949年11月,美国联邦民航管理机构(Civil Aviation Association,CAA,FAA前身)提出,机场规划时必须考虑容量问题。在标定机场容量同时,1953年CAA 在 《 空 中 交 通 管 制 系 统 运 行( Operation of The Air Traffic ControlSystem)》文件中,首次提出交通流控制(Flow Control)规则:当管制区内IFR航空数量将超过所能安全管理的容量,计划进入区域航空器需要延误时,可以启动流量控制程序,增加航空器进入扇区和到达机场的间距。在政府支持下,容量、延误、流量控制等运行实践中率先暴露的问题,很快成为空中交通管理研究关注点。

  3.3 认识空中交通管理体系(20世纪90年代中期—21世纪初)

  20世纪80年代,伴随飞行量快速增长、空域结构日趋复杂,空中交通管理组织规模持续扩大,管理难度持续增加。与此同时,航空公司和旅客对运行限制、航班延误抱怨越来越多。在空中交通管理中引入新理念、新技术已经成为各方共识。1997年,FAA推出“自由飞行”计划。该计划虽然推进不利,但政府主导、大力推动的空管系统整体升级计划,还是极大带动了学科发展,对空中交通管理问题全面研究由此起步。

  4 空中交通工程学

  4.1 定义及研究对象从道路工程学科派生出来的交通工程学科,将人、车、路作为最主要的研究对象,研究内容包括交通特性分析技术、交通调查方法、交通流理论、道路通行能力分析技术、道路交通系统规划理论和方法[51]。参照这一定义和交通工程学前期研究,空中交通工程学将人、机、域之间相互作用关系,作为最主要的研究对象,通过研究各要素相互间内在作用规律及其最佳配合,建立空中交通规划、设计、运行控制和管理理论方法,以及有关设施、装备、法律和法规等,使空中交通更加安全、高效、低碳、环境协调。

  4.1.1 人-机-域“人”是指航空交通运输活动直接参与者,包括管制员、航空器驾驶员(以下简称飞行员,Pilot)、飞行签派员(以下简称签派员,Flight Dispatcher)、机场运行指挥员等,这些交通管理人员共同对航空运输的全过程实施管理。中国民用航空局( Civil Aviation Administrator of China ,CAAC)要求飞行员、管制员、签派员持执照上岗。机场运行指挥员必须满足国家职业技能标准。在如图1所示的空中交通管理概念中,除被授权或者面临紧急情况,飞行员必须按照管制员指令执行;签派员主要负责航班起飞前航迹规划;机场运行指挥员则负责机坪以内的交通指挥,机场之间的空中交通活动完全由管制员控制。因此,本文将主要探讨研究管制员行为。

  “机”主要指按照ICAO规则运行、从事旅客和货物运输的比空气重的、固定翼航空器(Aircraft)。ICAO体系中,将这一类航空器及其承运的运输任务统称为航班(Flight)。达到目的地机场、运输任务结束后,航班结束(也称为飞行计划关闭),承运航空器转而承担其他运输任务,变为“另一个”航班。航班是整个航空运输体系的核心,编制班期时刻表、飞行准备、飞行实施、飞行总结的组织实施流程十分严密,各个环节均由专职单位、按照既定的工作程序实施,并接受监管。涉及国外大型枢纽机场的航班计划,则需要由国际航空运输协会(International Air TransportAssociation ,IATA)出面组织协调。

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  5 总结

  学科是相对独立的知识体系 [170]。同一学科下的知识,不仅有着相同或者类似的认识范围和实践对象,更兼具相通的问题研究和知识创造方法论[171]。伴随航空运输发展起来的空中交通工程,由于其独特的三维运行方式、地面管控模式,已经开始出现既有别于航空科学与技术学科飞行力学与飞行控制问题,也不同于公路、铁路、船舶、管道运输交通管理方式的交叉学科特征。本文提出,空中交通工程学是研究人、机、域之间相互作用关系的科学。围绕安全、高效、低碳三大管控目标,已经形成了空中交通管理系统复杂性建模、空中交通管理组织与协同模式、空中交通管理系统安全风险演化与防范机理等3类有待深入认识的科学问题,和空域扇区分析与设计优化、机场容量评估与场面拥挤管理、网络交通流分析与管理、进场交通组织与管理、建立间隔与冲突管理等5类仍在研究中的关键技术问题。在世界各国专家、学者共同努力下,上述科学、技术问题研究不仅取得初具规模,而且在解决安全风险管控、交通拥挤疏导等重大现实问题中发挥了不可替代的作用。进入21世纪以来,随着TBO这一全新运行方式的推出,这一作用将更加明显。

  作为一门年轻的交叉学科,空中交通工程学还有很多问题有待深入:该领域问题研究和知识创造方法论是什么?航空器单机、群、流行为模型是否存在统一的基础理论?能否在天气等随机扰动作用下,建立全空域、全流程航空器精确控制方法?融入无人机运输、亚轨道飞行、太空交通管理之后,更加灵活、先进的运行与管控方式是什么……大量新问题持续涌现,既体现了空中交通工程学科旺盛的生命力,更为学科创新发展指明了方向。

  参 考 文 献

  [1] Colb@xtra.co.nz. Croydon Airport 1915 to1959[EB/OL]. (2018-03-15) [2018-05-07].

  [2] 金绮. 美国民航从送信到运客的嬗变[J]. 大飞机, 2017, 07(No.037): 76-78.JIN Q. The evolution of American Civil Aviationfrom sending letters to transporting passengers[J].Jetliner. 2017, 07(No.037): 76-78 (in Chinese).

  [3] NOLAN M S . Fundamentals of Air TrafficControl[M]. 5th Edition. Lakewood : DelmarCengage LearingDelmar Cengage Learning ,2010: 19-22.

  [4] PHILIPP W, GAINCHE F. Air traffic flowmanagement in Europe[M]. 1st Edition. Berlin :Springer , 1994: 64-106.

  [5] Office of Inspector General, U.S. Department ofTransportation. Audit Report: AdvanceAutomation System, Federal AviationAdministration[R].Washington, DC, USA: DOTOIG, 1998.

  作者:赵嶷飞*,王梦琦