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SESAR对中国民航现代化空管建设的启示
来源:《中国民航报》2018-11-22 11:41:00

编者按

按照民航局局长冯正霖批示精神,11月15日,本报发表了第二期中国民航发展政策高级研修班的第一篇专题学习报告《全球航空业发展中值得关注的若干问题》,今天本报发表该班的第二篇专题学习报告,敬请关注。

新时代我国民航进入高质量发展阶段,受外部空域环境等保障资源的制约,我国民航业运行保障能力和管理水平无法适应航空业务量高速增长的需要,空管系统更是长期处于对大容量、高密度、全天候运行压力被动应对的状态,难以实现重大跨越。民航空管系统与欧洲面临的许多问题是类似的,突破发展瓶颈将会走类似的道路。在全球民航和空管系统都面临着新一轮技术变革的背景下,SESAR作为构建欧洲一体化空中交通管理体系的关键项目,对我国民航空管系统现代化建设具有多方位的启示作用和借鉴意义。而相对于引进或学习SESAR项目产生的众多创新技术,其中最重要的启示来自其项目本身的战略思路、工作模式和组织管理方式,这也是项目落地和取得实效的根本保证。

一、SESAR概述。SESAR发展沿革。欧洲国家把航空运输作为经济增长、就业和贸易的重要驱动因素,而空中交通管理又定位为航空运输保障链条上的关键环节。为保证航空业的持续性和竞争力,欧洲各国须明确如何发展高性能的空管系统。为此,1999年欧盟运输委员会理事(Transport Commissioner of the Transport Council of the European Union)Loyola de Palacio首次提出欧洲单一天空项目(Single European Sky,SES)。为实现SES树立的高层次目标 (High Level Goals),SES确立两大支柱:制度支柱(Institutional Pillar),实施欧洲空中交通管理组织管理改革;技术支柱(Technical Pillar),实施欧洲单一天空空中交通管理项目(Single European Sky ATM Research,SESAR),以实现欧洲空管系统现代化、和谐化。2008年~2016年,SESAR第一阶段(SESAR 1)实施;2017年,进入SESAR 2020阶段(SESAR 2020)。

SESAR的组织实施模式。SESAR按照定义(definition)、研发 (development)、部署 (deployment)步骤,滚动迭代实施。其中,定义阶段的核心文件是欧洲空中交通管理总体规划 (European ATM Master Plan);研发阶段的核心文件是解决方案(SESAR Solutions),每项解决方案由研发活动导出,包括运行服务和环境描述、安全绩效及互用性要求、技术规格、规章建议、安全安保评估、人因和环境绩效报告等内容;部署阶段的核心文件是面向整个欧洲单一天空项目的实施计划(ESSIP),在试点推广项目(PCP)基础上制定。

SESAR主要内容。其一,SESAR关键绩效提升领域及技术策略。SESAR以基于性能的运行概念为愿景,意在整合机场与空管网络,利用空中航行服务支持商业或任务飞行,方便和优化空域用户运行,实现欧洲更加持续和高效的航空运行。当前SESAR不断演进,通过迭代更新,逐步演进为现在的优化的空管网络服务、先进的空中交通服务、高性能机场运行和有效的航空基础设施4个关键绩效提升领域。其二,SESAR对应技术策略(Technology Vision)包括自动化、以飞行和流量为中心的网络运行、涵盖RPAS在内的所有载运工具融合、基于数字化的信息共享、系统集成和虚拟化。其三,SESAR的运行转型表现SESAR的每项解决方案,是以运行需求为驱动,也是以运行方式转型(Operational Change)为结果的。而每项运行方式转型,需要通过技术系统、程序、人员、制度(包括规章和标准)等方面的综合支撑来实现。

SESAR当前实施收效及经济收益预期。其一,SESAR当前实施收效。至SESAR 1结束,SESAR进行了超过350次的验证试验和超过3万次的试验飞行,有超过60家科研机构、超过100家企业和超过3000名空管专家参与,共计投入超过2000万工作小时,共计发布解决方案60余项、交付工业模型90余个。上述工作为重塑欧洲空域注入了新的生命力,并有效提高了空管系统的整体运行效率:更加“绿色”的航班,以优化下降剖面(Optimum Descent Profile,ODP)为例,该项目为进港航班设计了一种更高效的下降剖面,为航班燃油和碳排放带来的节约非常可观。SESAR共在欧洲9个机场进行了11467次试验飞行,燃油实际节省量为86吨,相当于减少了270吨二氧化碳排放。根据EUROCONTROL的计算,此项目可为航空公司每年节省近3400吨燃料,相当于超过10700吨的二氧化碳排放量。更强的适应能力。在英国伦敦希思罗机场,强风是航班延误的最大原因。SESAR的Time-based separation(TBS)用时间间隔代替距离间隔,以适应恶劣的天气条件。它在进港的飞机之间提供基于时间的管制间隔,用来提高机场跑道容量。TBS于2015年3月在希思罗机场施行,仅在该年11月就减少了25000分钟的延误时间。该方案作为PCP将在整个欧洲同步进行部署。更少的延误。扩展的进场管理系统(E-AMAN)可实现对进港航班的实时排序,并提前预测航路情况,将排序范围从机场周围的空域扩展到更远的航路,并通过SWIM来共享数据,从而有利于ATC之间的协调。2015年11月,该方案在希思罗机场正式实施。截至目前,希思罗机场已经将飞机平均延误时间减少了1分钟。这相当于每年少排放15000吨二氧化碳、节省4700吨燃料或400万欧元(基于2014年燃料数据)。更自由的航线网络。自由航路能为航空公司提供更多的航班计划和航线选择。2016年12月,意大利的ENAV和马耳他的MATS在BLUE MED空域内执飞了自由航路,它通过指定自由空域的进入点和出口点,为所有运营人提供飞行任何航线的能力。这将为运行在33500英尺以上的所有航班带来显著的效益,在减少燃油消耗的同时减少二氧化碳排放。更少的噪声。SESAR项目组正在研究使用地基增强系统(GBAS)辅助航空器执行进近程序,以降低进港飞机的噪声。2017年3月,德国法兰克福机场全面实施GBAS精密进近着陆,将最后进近下降梯度增大,以减少噪声。基于GBAS,SESAR项目组改进了进近程序和飞行轨迹,以减少噪声影响并提高燃油效率,同时不影响跑道容量。更安全的运行。2016年,法国巴黎夏尔·戴高乐机场安装了跑道状态灯系统,为机组人员和车辆驾驶员提供即时、准确和清晰的跑道占用状态指示。据估计,该系统可以将最严重的跑道侵入事件减少50%~70%。其二,SESAR经济收益。SESAR明确了各阶段的投资主体,即政府预算和相关技术厂商及研究机构PPP模式,对投资成本、投资周期、预期回报的时间,以及预期的收益有科学的预测。2007年~2013年,欧盟投资7亿欧元,企业、研发机构等PPP投资210亿欧元;2014年~ 2020年,欧盟投资5.85亿欧元,PPP等投资150亿欧元。SESAR项目每1欧元,对欧洲航空产出6欧元的收益。当前收益及未来收益预期,SESAR从当前至2035年,其经济收益将会逐渐超越投资成本,获得越来越大的收益空间。

二、SESAR特点及先进性分析。其一,揭示空管运行概念演进的技术路径。SESAR提出的空管运行概念演进路径与美国NextGen高度趋同,并作为主要力量孵化了ASBU未来空管运行概念。其二,SESAR的绩效提升领域、运行转型表现与ASBU高度适应。其三,对标ICAO量化绩效目标,SESAR关键绩效目标则完全从属于ICAO空中航行系统关键绩效目标,并配套给出量化的关键绩效指标。其四,强化人工智能作为技术支撑。SESAR资助了许多探索性研究项目,这些项目已经在应用人工智能来解决欧洲空中交通管理面临的各种问题,包括在不同飞行阶段增加交通流的可预测性、改善机场客流及提升系统自动化水平。利用人工智能技术实现ATM现代化,是SESAR数字化战略的核心。例如,目前机场的空中交通管制指令仍须通过语音通信传输给飞行员。自动语音识别可以将语音转换为文本,是一种可行的输入方式,像AcListant和AcListant-Strips这样的工具已经在德国杜塞尔多夫和奥地利维也纳进行了测试,试验结果显示这些工具可以帮助减少传输数据的时间,从而提高ATM的效率(每次飞行节省50升~65升燃油)。其五,打破传统边界,营造无缝脱耦环境。ICAO以全球空管一体化运行概念为驱动,提出未来空中交通管理是在协同环境中,通过设施设备和无缝(seamless)衔接服务,以安全、经济和效率为基本目标,实现对空中交通和空域的动态化、集成化管理。欧洲SESAR聚焦于空管系统。相比美国作为单一主权国家提出的NextGen计划仅体现本国意志,欧洲SESAR共有41个国家参与,其空管无缝协同的内涵更加丰富,打破机场和空管运行边界。2035年~2050年,基于性能的运行将实现在机场和空域范围内空中航行服务网络层面的“端到端”无缝衔接;实现基础设施与空管运行的脱耦(decoupling),一国的空中航行服务提供商为另一国提供“端到端”空中航行服务;打破国家边界。欧洲空域面积1150万平方公里,共有63个航路管制中心,拥有很多世界上最繁忙的空域单元。SESAR项目组正在开发持续更新的飞行信息交互系统,以提供国家之间、管制区之间持续、更新、一致的飞行信息,提升航空器交接的无缝衔接现代化水平;实现NextGen和SESAR的协调。2014年,NextGen和SESAR发布了一份联合的协调(harmonisation)文件,就两个项目的实施建立了互通当前进展情况和保障互用性(interoperability)的机制;发展大数据SWIM,打破数据孤岛边界,是实现上述目标的关键基础技术;SESAR除关注新技术的概念、研发、部署外,还关注其在运行场景中的绩效表现、新技术实施所需环境的匹配和多个新技术模块的关联,多策略并举、交叉结合使用、功能衔接、系统整合,这样才能在各种运行环境条件下发挥新技术的作用。如CDO(连续下降)这一新技术在碳排放、管制员和飞行员的负荷减轻、旅客体验方面都有很好的作用,但在繁忙机场很难实现,如该新技术与ACDM、ACC流量管理,并在扩展终端区管制范围等多项措施并举的情况下,就能实现运用,收到新技术的预期效果;拓展了ATM能力增强、技术创新收益的外延;SESAR除明确实现航空运行性能的改进外,同时也明确注重提升欧盟的经济和社会效益,并将其作为欧洲航空运输价值链的重要组成部分,而不是仅仅定位为航空运输的基础保障。ATM的能力和效率也被看成促进欧洲成为全球交通枢纽的关键,对未来ATM的高性能有着清晰的愿景。同时,也建立了政府管理机构、航空制造业、机场、军方、研发和生产企业在项目建设中的利益关联。其六,项目组织实施系统化。SESAR的项目组织实施方式更加系统化,体现在:在规划思路上突显绩效驱动,将运行概念对接为一系列可衡量的绩效提升领域;在规划方法上引入适应系统工程的“定义—研发—部署”循环迭代方法;组织管理机构、文件分层设置,条分缕析,动态更新。因此,SESAR总体规划的实施路径是滚动并迭代更新提升的,涉及所有利益相关者,代表了欧洲ATM系统在性能驱动下的发展战略,是面向机构和行业参与者、提供增量、互联互通、支持经济可持续增长的工业的领导地位。

三、SESAR对中国民航现代化空管建设的启示。首先,组织机构是关键。欧洲单一天空项目确立了两个支柱:制度支柱和技术支柱,分别用于实施组织管理改革和技术研发,对我们的组织机构确立均有借鉴作用。在体制机制改革的组织机构方面,欧盟各成员国在政治、经济、文化、科技发展水平等方面都存在差异,SESAR要在这些国家巨大差异中协调一致,需要强有力的组织机构。SESAR由欧盟委员会发起,在欧盟各成员国内部政府间得到一致认可,并将其上升到国家战略的高度给予推动,是保障该项目顺利实施的关键。目前,解决我国空管系统发展的突出问题,研究空管体制改革的发展方向,探索具有中国特色的空管道路,其涉及面之广泛已经超出空管系统乃至民航局的范畴,需要上升为国家重点战略任务,成立一个高规格的组织机构才能推动我国空管系统的跨越性发展。特别是面临长期制约空管发展的空域资源受限这一关键瓶颈,需要充分协调军方与民航发展的需要,需要解决好国防建设与民航发展之间的统筹兼顾问题。这些都不是民航部门能够解决的,甚至不是民航与空管委、军方协商能解决的。与SESAR解决差异的方式类似,促进我国空管系统跨越式发展,必须推动国家空域体制进行大刀阔斧的改革,需要一个由党和国家组建的最高组织机构发起和推动,才能打破现有利益格局,为长远发展创造条件。这是我国民航局需要重点推动和呼吁的关键工作。在技术研究的组织机构方面,SESAR是一个时间、专业、技术都跨度很大的项目。仅SESAR 1阶段,就有超过60家科研机构、100多家企业和超过3000名专家参与,进行了超过350次的验证试验和3万多次的试验飞行。多行业、多产业的共同深度参与,共同组建技术团队,也是保障项目达成目标的关键。以空客公司、泰雷兹公司等为代表的大型企业参加的产业联盟,为SESAR的技术研究提供了强有力的技术支撑。目前我国民航空管系统的发展战略,主要还是集中在空管系统内部开展研究,甚至对于中小机场的空管系统都涉及甚少,难以发挥空管整体性的系统优势。更重要的是,当面临国家政策红利、空域体制发生重大改变时,空管系统对于如何做好整体空域管理工作会面临准备不足的问题,可能错失发展良机。空管系统的跨越式发展,特别是打造“四强空管”现代化空管体系,是一个长期的深度技术研究和科技创新的过程,需要借鉴SESAR的技术团队组建模式,需要全行业、各产业链的共同参与。民航系统内部,包括局方、空管、机场、航空公司;民航系统之外,包括国家多部委、军方,以国产飞机、空管产品制造企业为代表的工业界、研究机构等,都需要直接参与战略规划研究、方案制订、技术创新和实施推广。同时,当多方参与时,像SESAR由EUROCONTROL主导一样,我国空管部门也应做好承担重大任务的带头人和组织者的准备,在空管系统发展的机遇中迎接挑战。

其次,保障措施是基础。SESAR从概念提出至今已经将近20年,一直按照既定的组织模式进行滚动迭代实施。这是一个需要长期坚持的项目,需要配套的保障措施以确保其顺利推进。中国民航空管系统的改革与发展同样需要多项保障措施,构建保障其长期稳定发展的坚实基础。其一是资金的保障。SESAR按照概念定义、技术研发、部署实施三个阶段推进,前两个阶段都需要大量资金投入,且难以实现回报。欧洲大量采用PPP的方式筹集资金,保障项目的顺利实施。我国空管系统的发展和建设规划目前仍采用全额国家资金投入的方式实施,主要集中在成熟的建设项目中,用于前瞻性研究的资金投入很少,使用上也受到严格限制,难以满足大规模研发投入的需要。借鉴SESAR的资金投入方式是一个可行的方案,能够为长期的研究和开发提供额外的资金支持。其二是研究环境的保障。目前国内很多行业存在类似的问题,开展研究急功近利,受到大量外部因素影响,难以平心静气开展科学研究,这种研究环境中的成果难以承担支撑空管系统未来长期发展的重任。在研究环境方面,应该学习SESAR项目甘于十年磨一剑的精神,着力营造科学、独立自主、不受外界干扰的研究环境,促进客观、合理、公正的研究成果出台。特别对于行业主管部门来说,应避免用行政干预和个人意志等方式干扰科学研究和战略制订;在机制上为创新成果落地提供便利条件,避免以行业监管的名义设置障碍;同步组织开展与技术推广相关的政策和制度研究,促使规章制度与新技术应用同步实施。其三是自主研发的保障。在未来空中交通管理的现代化研究方面,美国和欧洲已经走在前面。在这个大数据、网络化的科技时代,如果缺乏核心技术,必将处处受制于人。建设民航强国,“四强空管”是其中一个重要特征,核心技术必须走国产化、自主研发的道路。除了在政策上和制度上提供保障外,还需要借鉴SESAR的方式,广泛发动工业界特别是航空产业相关的大型科技企业,利用其技术能力和研发团队,实现空管发展和企业壮大双赢。

再其次,技术创新是核心。在技术能力和人才队伍上,我国并不缺乏相关的资源,与欧洲相比,目前主要缺乏的是推动有效技术创新和促进技术应用的机制和方法。其一是新空域管理方式的技术创新。欧洲单一天空计划改变了欧洲各国空中交通管理各自为政的局面,通过无缝一体化的空管运行,解决了空域使用效率低下的问题,实现了容量和效率的大幅提升。空域资源受限一直是我国民航空管系统发展面临的一大瓶颈,长期得不到根本解决。在这样的背景下,我国民航的空域管理策略一直集中在大部分资源受限条件下的管理模式,也积累了相当多的管理经验,在有限的资源条件下实现保障量的快速增长。在民航局的努力下,在国家领导人的关注下,这类影响国计民生的问题不可能久拖不决。那么,我们的空管系统就应该尽早开展全面放开空域资源的管理方式和管制方法研究,以在资源得到释放的时候,快速打开空中交通流突破的阀门。具体技术措施上可以参考SESAR的空域动态管理、自由航路空域的理念和方法,提前准备,未雨绸缪。其二是要打破行业壁垒的技术创新。SESAR以基于性能的运行为愿景,将机场整合进空管整体运行网络,在打造现代化空中交通管理体系中,信息充分共享和多系统集成是必然趋势,也是重要的改进领域。目前我国民航运行同类的问题更加严重,行业之间相互割裂,相关领域的数据缺乏互联,信息孤岛现象普遍。在高密度、大流量的空中交流需求推动下,空管行业的发展既要打破地域的边界,更要打破行业的边界,才能实现真正意义上的空管无缝一体化运行。

打造现代化空管网络,跨专业、跨行业的数据共享是基础,目前正在建设的民航通信网工程无疑为信息充分共享提供了一个传输平台。如何充分利用这个平台的强大互联功能,打造覆盖全民航的数据互联和信息共享机制,是目前面临的迫切问题。我们需要借鉴SESAR的方式,尽快制定涵盖空管、机场、航空公司等全行业的运行数据共享制度,禁止设置障碍或收费,并明确数据使用和信息共享的各种规则,从制度上保障各类运行数据和行业信息在民航内部通畅传输和分享。在信息和数据充分共享的基础上,各应用系统的研究和实施也须打破行业的壁垒,真正实现全网络的空管一体化运行。例如,目前SESAR开展的初始4D航迹运行研究项目,孤立的一个项目部署可能难以发挥实际效能,而当与CDM、AMAN/DMAN、CDPLC等技术整合组成系统化运行体系,建立多系统多部门协调联动机制时,将可以实现对整个飞行过程的整体管控和多维度管理,有效提高运行品质。其三是实现量化评估的技术创新。SESAR设立了关键绩效目标,并给出量化的指标,在滚动迭代实施过程中,通过多种验证、试验和统计分析等方法,对指标进行量化分析和评价。量化指标的制定和后续评价有利于项目实施有效性的管控,这是我国民航系统规划与建设过程中所欠缺的,特别是对于新技术应用领域,需要强化量化评估工作。中国民航空管系统的发展方面,为了保障战略规划的效能,分析评价技术创新成果应用成效,应借鉴SESAR的方法,在目标制定和成效评估中实现量化指标的突破。在开展项目战略规划阶段就需要关注其带来的实际效果或效益提升空间,重视科学预测工作,从前期论证阶段开始就组织制定具体的量化指标,以目标为导向科学制订具体研发和实施的时间计划。在项目推进过程的重要阶段,需要结合实际进展或成果,开展客观的效能评估和分析,比照前期制定的目标,以修正或优化实施方案。建立完善的项目后评估机制,将成效与目标进行逐一量化分析比对,确保项目真正实现预期目标和效能,同时应客观分析存在问题并逐一解决,建立一套在优化进程基础上的自我完善体系。

总之,放眼世界,世界面临百年未有之变革,新一轮科技革命和产业改革已经或正在改变世界航空业,新一轮空管运行概念和技术变革正在加速推进全球空管一体化、互操作和无缝衔接进程。立足国内,中国民航谋划了“一加快,两实现”发展战略,提出了“四强空管”建设目标任务。我们要善于学习、善于创新、善于借鉴,增强“四个自信”,坚定不移走出一条具有中国特色引领国际发展的空管改革之路、开放之路、发展之路,努力建成世界一流的空管服务商,为实现中华民族伟大复兴贡献民航力量、空管智慧。

责任编辑:zhichun 000
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