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下一代航空运输系统的愿景与计划
×工程7(2021)427意见和评论美国下一代航空运输系统:愿景、成就和未来方向约瑟夫·波斯特美国联邦航空管理局系统工程和集成代理主任1. 介绍美国联邦航空管理局(FAA)管理着世界上最大的该系统控制大约50 000航班每天覆盖几乎7.61 107平方公里,相当于地球 确保这些航班的安全,同时保持高效率和低延误,是一个持续的挑战。为了解决人们对空中交通预期增长的担忧,利用新技术的能力来增强服务,并适应新的空域用户类别(如商业空间和无人机运营商),FAA及其合作伙伴已经开始了一项名为下一代空中运输系统(NextGen)的现代化工作。下一代编码-通过广泛的改进,通信,导航,监视和空中交通管理(ATM)自动化系统。NextGen还包括许多程序改进利用新技术和先进的ATM科学。2. NextGen愿景和计划为了应对严重的拥堵和相关的延误,FAA在2004年概述了其对NextGen的愿景[1]。NextGen旨在增加空域系统容量,提高飞行效率,增加系统可预测性,增加访问,并提高系统弹性,同时保持或提高航空运输的安全性。虽然该计划有许多特点,但其关键方面是基于卫星的监视和导航、数字通信、信息交换、ATM决策支持助手(如基于时间的人工智能工具)和新的尾流分离标准。FAA的NextGen计划在国家空域系统(NAS)的企业架构(EA)中进行了描述。我们的架构模型是美国国防部架构框架版本1.5的修改版本[2]。 根据国际标准化组织的说法,NAS EA是服务的分层表示操作和包括NAS的系统,并且通过描述各种NAS元件之间的关系的一组视图来然后,我们的规划过程描述了该架构将如何从其当前状态发展到期望的这些计划的出发点是FAA服务层次结构,它描述了FAA的核心服务及其组成能力。这些服务是时不变的(尽管随着FAA任务的发展,可能会定期发生变化),并且与解决方案无关。一系列服务路线图描述了将NAS从当前状态发展到未来NextGen状态的策略这些服务路线图描述了NextGen愿景中所捕获的目前有65项运营改进描述了NextGen。NAS部门实施计划(总结在NextGen实施计划中)将这些运营改进分解为开发、集成和实施所需新功能所需的离散步骤或增量,并确定其相关资本投资[4]。最后,EA基础设施路线图说明了系统部署、投资和重大收购的关键决策点的进展[5]。NextGen的许多改进都是功能独立的。例如,在最后进近时改变尾流分离最小值,在功能上与帮助航路管制员的自动化工具不同。因此,许多改进可以独立设计和实施。然而,虽然这些职能可能是独立的,但所产生的业务影响可能是相互关联的。例如,由于容量和延迟之间的非线性关系,多个容量相关的改进将非线性地影响系统性能。因此,我们使用系统范围的模型来分析同步改进的影响,并确定投资的优先级。对于不独立的功能,例如控制交通流量(或基于时间的管理)的不同方法,模型和人在回路(HITL)模拟用于在整个开发生命周期中验证新概念。例如,FAA正在进行的实验https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.05.0262095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engJ. 邮政工程7(2021)427428●为了评估终端空域,测量可以涉及同时工作的六个途中控制器和八个终端控制器,以及两个交通管理员和飞行员。3. 商业案例我们在2010年完成了NextGen的第一个商业案例,并在2017年进行了更新[6]。本商业案例反映了与各种NextGen投资的成本和收益相关的现金流这些成本包括FAA主要基础设施投资的资本成本、维持这些投资和程序修改的运营成本以及运营商成本(例如,为飞机配备新的航空电子设备)。由于FAA必须将所有利益相关者纳入成本/收益计算,因此收益包括运营商、乘客、政府和整个社会的收益。企划案中的具体惠益类别如下:内部FAA成本节约减少乘客旅行时间减少飞机运营费用增加定期航班减少二氧化碳排放减少事故造成的伤亡和飞机损失。如前所述,NAS性能的耦合、非线性性质意味着必须将计划的效益作为一个整体来计算,而不是将其作为各个组成部分的总和来计算在可能的程度上,联邦航空局的下一代商业案例符合这一条件,并采取了一种综合的方法来模拟系统范围的NAS的系统范围的数学模型被用来估计整个计划的好处,并考虑到系统内的相互依赖性和非线性。虽然联邦航空局出于这个原因,在需要时,通过FAA项目办公室进行的详细、离散的研究,对模型提供的效益进行了评估。我们估计2007年至2030年期间NextGen的总成本为350亿美元:FAA为220亿美元,运营商为130亿美元。FAA在2007年至2019年期间已经花费了82亿我们估计,到2030年,总收益约为1000亿美元。到目前为止,我们估计超过20种能力已经以行业和社会利益的形式积累了73亿美元,如下所示:节省燃油12亿美元其他飞机运营成本节省15亿节省42亿美元的乘客旅行时间4亿美元的安全。通常情况下,成本是前期负担的,而大多数收益是在生命周期的后期积累的。空中交通延误往往随着交通量的增加而呈几何级数同样地,由于容量的提高而节省的延迟,以及因此与下一代相关的好处,随着时间的推移呈几何级数增长。4. 迄今为止的执行情况以下是迄今为止已经实现的一些NextGen功能的示例监视-联邦航空局已全面部署了一个约630个陆基自动相关监视-广播(ADS-B)收发器的网络。这些收发器接收来自飞机的全球定位系统(GPS)衍生的位置广播(称为“ADS-B Out”),为空中交通管制员提供更精确和及时的信息。它们还用于向飞机传输天气、空域和交通信息,以供显示在驾驶舱里飞行员可以在显示器上看到附近的其他飞机(称为“ADS-B In”),从而大大提高了安全性,特别是对于通用航空运营。自2020年1月1日起,在美国大部分管制空域运行的飞机都必须使用ADS-B发射机。导航-使用GPS导航改善了飞行操作,大大提高了安全性、机场访问和飞行效率。FAA已经公布了超过17000个区域导航(RNAV)仪表进近程序最小值(一个程序可以包括几个最小值,每个最小值对应一种特定的飞机能力),其中大约4500个程序利用天基增稳系统提供类似仪表着陆系统的性能。此外,还有685个必要的导航性能(RNP)进近程序。RNP在驾驶舱和特殊机组人员培训中纳入了监控和警报功能,以确保飞机符合极其严格的精度要求。FAA已经发布了大约1000个RNAV到达/离开程序和大约270条RNAV航线。最后,联邦航空局已经完成了八个通信-FAA目前正在使用甚高频数据链(VDL)模式2实施管制员飞行员数据链通信(CPDLC)。该系统目前在62个机场提供离境许可。最近,这些能力也在印第安纳波利斯、堪萨斯城和华盛顿地区控制中心投入使用,2020年还将有8个中心建成。航路服务包括频率和高度分配、改航和高度表设置。信息管理-联邦航空局已经实施了一个数字数据和信息共享系统,称为“系统范围信息管理”(SWIM)。通过SWIM,FAA内部和外部的用户都可以订阅他们所需的数据,并以标准化、文档化的格式使用信息。SWIM降低了集成信息系统的成本,并大大增加了信息的访问自动化-作为NextGen的一部分,一些自动化和决策支持系统正在得到增强。值得注意的是,基于时间的流量管理(TBFM)系统已经得到了一些改进,该系统用于计量进入繁忙机场的流量。“航路离港能力”功能用于将从外围机场的离港安排到枢纽机场的航路到达流中。“综合离港/到达能力”允许塔台管制员以电子方式机场容量-FAA一直在努力通过程序和技术手段提高机场的有效容量。我们与美国国家航空航天局(NASA)、国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization)和其他机构合作,制定了新颖的同跑道尾流分离标准,从而提高了许多机场的吞吐量。联邦航空局还能够修改近距离平行跑道的分离标准。最后,联邦航空局已经能够通过程序修改、增加跑道能见度传感器、增强飞行视觉系统和平视显示器的组合来降低升限和能见度最小值。向卫星技术的过渡需要几年时间。美国机队由20多万架飞机组成,包括●●●●●●●●●●J. 邮政工程7(2021)427429●约4400架飞机由定期航空公司运营[7]。美国联邦航空局在2008年发布了一项规定,要求在大多数管制空域运行的飞机在所有FAA自动化系统现在都可以使用ADS-B数据作为监视的主要来源,雷达继续用作次要来源。几乎所有的航空运输机现在都配备了RNAV系统;可以使用GPS的通用航空飞机的数量尚不清楚。5. 挑战正如人们所预期的那样,NextGen所设想的新的和改进的功能的实施毫无疑问,最大的挑战是如何使公众接受新的区域导航到达、进近和由于社区噪音问题(无论是真实的还是感知的),FAA现在公布新程序的能力非常有限。事实上,在某些情况下,联邦航空局不得不放弃新实施的程序,遵循有利于社区的法院裁决。新的程序可以在不同的街区移动飞行路径,虽然这可能不会增加噪音暴露,但还有一个问题是,RNAV程序可能比使用陆地导航辅助设备的传统程序更集中噪声。飞机技术的改进将继续在降低噪音方面做出努力;我们已经看到暴露于显著噪音的人数减少在65分贝昼夜水平等值线内然而,这些改进需要很长时间才能进入根据波音公司最近,联邦航空局制定了新的社区参与战略,希望能为所有利益相关者带来更多的相互理解和有益的运营商采用新的NextGen相关航空电子设备仍然是一个问题。ADS-B设备授权于2020年1月1日生效几年前,人们不能保证运营商会遵守这一规则。航空公司作出了积极的回应,并遵守了最后期限,但许多其他航空公司(特别是军用和公共服务飞机)还没有遵守飞机和机组人员无法执行RNP程序仍然是个问题,飞行管理系统处理转弯、垂直导航和所需到达时间(RTA)功能的方式不一致也是个问题。飞机航空电子设备套件无法处理CPDLC消息最近已成为一个重要问题。混合的设备和不一致的航空电子设备性能导致空中交通管制设施无法采用新功能的情况。为了解决设备问题,核心清单包括:ADS-B Out使用VDL模式2的CPDLC,具有按下加载RNP 0.3具有半径定位和耦合垂直导航功能用于弹性操作的惯性参考单元。还有一个补充清单,增加了12个项目。FAA已要求NAC与其他利益相关者团体(包括飞机和设备制造商以及区域航空公司)讨论这些清单,并提出鼓励采用MCL的建议。最后,虽然自动化改进是NextGen的关键要素,但由于缺乏自动化支持,一些功能的使用有限。例如,RNP进近程序没有得到更多使用的原因之一是由于缺乏终端自动化来帮助管制员管理混合机队。此外,TBFM的使用没有增加的原因之一是,帮助管制员操纵飞机以遵守其计量时间表的工具尚未部署。6. 未来方向美国联邦航空局有几个尚未实现的NextGen功能,这些功能将被充分开发和部署,其中一些将解决上述挑战。FAA通过NAC与工业界合作这些优先事项每年在联合执行计划中公布,目前分为五个组合:多跑道运行(MRO)、数据通信、地面和数据共享、基于性能的导航(PBN)和东北走廊改进。任何能够直接增加机场吞吐量的改进往往具有最高的回报,因为拥挤机场的跑道基础设施往往是对整个系统性能最具约束力的约束。通过在这些机场修建新跑道来增加容量的机会很小;因此,改变程序和改进管制员工具势在必行。MRO的工作重点是统一的尾流湍流(CWT)分离标准,该标准协调了所有机场的新的同跑道标准。迄今为止,CWT标准已在五个地点实施。在接下来的两年里,FAA预计将在另外12个机场实施这些标准数据通信方案已在62个机场和3个途中中心实施了CPDLC在剩余的17个途中中心完成CPDLC的实施是一个高度优先事项。2020年,FAA将开始部署新的塔台(即,地面)自动化平台,TFDM将在我们的空中交通控制塔中实施电子简易机场,将地面操作与TBFM完全集成,并提供起飞队列管理能力,以限制地面拥堵FAA丹佛、拉斯维加斯和佛罗里达大都会项目将在未来两年完成。此外,FAA正在实施基于RNP(EoR)的概念。EoR允许在终端空域中对采用RNP进近程序的飞机减小雷达间隔最小值这可以导致更短的顺风交通模式段,节省燃料和时间,并减少噪音暴露。美国东北部是美国最拥挤的机场和空域的所在地,包括纽约大都会地区。计划对该地区进行各种改进,包括初步的基于故障的操作(TBO)。TBO是NextGen的一个关键概念,它是一种ATM方法,通过使用基于时间的管理、空中和地面系统之间的信息交换以及飞机在时间和空间中精确飞行的能力,来战略性地美国联邦航空局希望在未来十年内通过对TBFM系统以及途中和终端自动化平台的一系列升级来全面实施TBOTBO的第一阶段,称为初始TBO,正在东北部开发在短期内,FAA将实施以下改进措施[9]:通过改进计量参数和扩大范围以包括更多的区域控制中心来改进和评估到达费城国际机场(PHL)的空中计量;从八个区域控制中心实施PHL到达的起飞前调度;●●●●●J. 邮政工程7(2021)427430增强起飞前改航/空中改航能力,以实现飞机特定的改航。根据从这些TBO努力中获得的经验,揭示了以下重要方面:管制员必须对TBO的目标有透彻的理解,因为TBO影响管制员的工作量和执行的功能,所以TBO要成功;对于多跑道机场(如PHL),算法必须解决所有主要机场配置;自动化算法必须在非标称条件下工作,例如在对流天气期间;以及必须考虑需求的不确定性,特别是近距离偏离(难以估计仪表定位到达时间)。除了近期的NAC优先事项外,FAA还继续探索ADS-B在飞行间隔管理(FIT)等应用中的应用。同步提供了另一种确保与TBFM调度时间精确一致的方法。在系统完全部署后,FAA还将增强途中CPDLC的能力,例如,通过添加新的信息来更好地控制飞机轨迹。NextGen是在近20年前构思的,当时人工智能(AI)和机器学习(ML)还没有取得突破。因此,NextGen不包含AI/ML的任何方面。尽管如此,NextGen和相关的FAA数据共享计划(即,SWIM)、企业信息管理和大数据分析为ATM中的AI/ML应用奠定了基础。FAA和NASA多年来一直在研究AI/ML在交通流管理中的应用。 最近,人们对使用AI/ML将无人机系统和城市空中机动性集成到空中空间中产生了浓厚的兴趣。FAA也在研究AI/ML在网络安全中的应用这些技术为进一步提高ATM的安全性、效率、环境影响和成本效益带来了巨大的希望。引用[1] 联合规划和发展办公室。下一代航空运输系统综合计划。华盛顿特区:联合规划和发展办公室,2004年。[2] 国防部。国防部体系结构框架1.5版,第一卷:定义和指南。Architecture2007;I(Apr):1-46.[3] ISO/IEC/IEEE 42010:系统和软件工程-体系结构描述。国际组织。日内瓦:国际标准化组织; 2011年。[4] 联邦航空管理局。NextGen实施计划2018-19 [互联网]。华盛顿特区:联邦航空管理局;2019年[引用于2020年2月12日 ]。可查阅:https://www.faa.gov/nextgen/media/NextGen_Implementation_Plan-2018-19.pdf。[5] 联邦航空管理局。NAS企业架构:基础架构路线图14.0版[Internet]。华盛顿特区:联邦航空管理局; 2020年1月[引用于2020年2月12日]。可从以下网址获得www.faa.gov/nextgen/media/NAS_Infrastructure_Roadmaps_v14.pdf:[6] 联邦航空管理局。根据NAS报告的未来,更新下一代航空运输系统的商业案例[互联网]。华盛顿特区:联邦航空管理局; 2016年7月[2020年2月12日]。可查阅:https://www.faa.gov/nextgen/media/BusinessCaseForNextGen-2016.pdf。[7] 联邦航空管理局。FAA航空航天预测:2020- 2040财政年度[互联网]。华盛顿特区 : 联 邦 航 空 管 理 局 ; 2020 年 3 月 [ 引 用 于 2020 年 2 月 12 日 ] 。 可 查 阅 :https://www.faa.gov/data_research/aviation/aerospace_forecasts/。[8] 波音公司商用车市场展望2019-2038 [互联网]。芝加哥:波音公司; 2019年9月[引用2020年2月12日]。可查阅:http://www.boeing.com/commercial/market/commercial-market-outlook/。[9] 联邦航空管理局。NextGen咨询委员会NextGen优先事项联合实施计划CY 2019 -2021 [互联网]。华盛顿特区:联邦航空管理局; 2019年6月[引用2020年3月29日]。可查阅:https://www.faa.gov/nextgen/library/media/NACNextGenPrioritiesJoint-ImplementationPlanCY2019-2021.pdf。●●●●●
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