欧洲空中交通管理研究及未来发展

工程7（2021）448研究航空运输中的新方法-透视SESAR：欧洲空中交通管理研究的过去、现在和未来Tatjana Bolic 'a，Paul Ravenhillba威斯敏斯特大学，伦敦NW1 5LS，英国bThink Research Ltd.，Poole BH 12 1ED，英国阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年6月12日修订2020年8月4日接受2021年3月3日网上发售保留字：SESAR空中交通管理（ATM）单一欧洲天空ATM研发ATM解决方案部署A B S T R A C T欧洲单一天空空中交通管理（ATM）研究（SESAR）项目是欧盟委员会单一欧洲天空倡议的技术平台，旨在实现ATM的现代化在这里，我们描述的过程中建立SESAR和项目的主要部分：研究和开发（R D）的一部分，这是由SESAR联合事业;部署的一部分，这是由SESAR部署经理管理;和欧洲ATM的总体规划，收集和制定的R D和部署的需求。最新的欧洲ATM总体规划是在当前疫情之前通过的由于大流行造成的空中交通的巨大损失，以及航空业复苏的速度，将需要重新确定优先事项，但已经建立的主要因素-特别是那些支持环境的因素-仍然有效。©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍内部市场内人员和货物的自由流动是欧盟社会和经济的基石，流动性确保了成员国的经济，社会和领土凝聚力。空中交通管理（ATM）是空中交通管理的一部分，它包括欧洲的空中交通管理由国家空中导航服务提供商（ANSP）在其国家边界内提供。在欧洲，这些国家的ATM系统与EUROCONTROL的网络管理器互连为了了解欧洲当前（和未来）的ATM研究环境，有必要简要回顾一下过去和不久的将来。图1描述了由于空域容量不足而导致的交通和航路延误的演变，以及过去三十年来对极端延误的主要应对措施。的20世纪80年代后期的延迟[2]（此处未描述）促使欧洲航空控制中心内的中央流量管理单元yy（CFMU）的20世纪90年代后期的延迟高峰导致了单一欧洲天空（SES）倡议，第一个立法方案于2004年交付。SES的目标是改革欧洲空中交通管理体系结构，解决欧洲而不是地方层面的问题，并提供一种独立的方法来满足未来的容量和安全需求。在21世纪初，航空交通和随之而来的延误继续增加，延误危机在不久的将来似乎不可避免，该领域的政策制定者和利益相关者对解决该问题所需的技术解决方案缺乏信心。这种情况促使2008年成立了单一欧洲天空ATM研究（SESAR）计划。随着第二套社会经济地位立法的通过，社会经济地位和责任被确认为五大支柱之一第一个支柱是通过性能监测和加强网络管理功能来规范ANSP的性能。*通讯作者。电子邮件地址：t. westminster.ac.uk（T。 Bolic'）.y欧管组织是一个政府间组织，有41个成员国，两个国家签署了《全面协定》。1988年，20%的交通和1989年的25%的交通主要由于基础设施拥挤而延误，见参考文献。[2]的文件。yy提供整个欧洲的空中交通流量管理，现在是网络管理器的核心部分，更名为网络管理器运营中心。https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.08.0232095-8099/©2021 THE COMEORS.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/eng●T. Bolic和P. 拉文希尔工程7（2021）448449●●●Fig. 1.欧洲交通和延误的演变，以及减少延误的关键对策。资料来源：EUROCONTROL交通和延误统计。第二个支柱是通过欧洲航空安全局建立单一的安全框架。第三支柱通过SESAR项目提供新的ATM技术，定义、开发和部署提高ATM性能所需的技术和程序。第四个支柱是管理机场容量，使其与航空运输能力保持一致第五个支柱涉及人的方面，确保业务人员能够接受这些变化SES及其五大支柱创造了一个环境，使研究、开发和部署能够在支离破碎的欧洲环境中尽可能快地进行。然而，重大延误于二零一八年再次出现 。空域架构研究 （ AAS ） [3] 根据 SESAR 联合承诺（JU）的研究结果确定了潜在的解决方案，并描述了其实施模式，虽然这些行动是对重大延误的回应，但由于经济和自然灾害导致空中交通经常减少，空中交通如图2[4]所示，最新的灾难-也是迄今为止对欧洲空中交通影响最严重的灾难-是2019年冠状病毒病（COVID-19）大流行。交通量增长而空中交通能力没有同样的增长造成延误，这反过来又刺激了某些反应。外部-通常是不可预见的-事件减少了交通，从而减少了延误，往往导致重新安排先前确定的反应的优先次序。图1A和图1B中描绘的事件和响应。图1和图2是介绍和分析我们的主要主题的背景：SESAR项目及其结果、实现和未来方向。2. SESAR为了应对日益增长的空中交通延误和对新的ATM解决方案y的需求，并 在成 功 完 成SESAR 定 义阶 段 （ 解释 如 下 ）后 ， 欧 洲理 事 会 第2004/2005号条例建立219/2007[5]。该法规的重要目标是因此，虽然欧洲在欧洲和国家一级都在进行重大的空中交通管理研究和发展，但没有关于如何进一步发展的共同计划（即，从较低到较高的技术准备水平），并最终实施有前途的研究成果。此外，更不清楚如何支持旨在提高整体网络性能的解决方案，而不是改变局部改进。从某种意义上说，分散的ATM研究工作正在创造一个竞争，而不是共同的，对未来欧洲ATM的看法。因此，为了协调所有欧洲ATM研究以实现共同目标，该法规[5]描述了SESAR项目的三个阶段，每个阶段由不同的实体领导：定义阶段由SESAR联盟（2005-2008）执行，目标是在2008年该MP的目的是为欧洲的ATM解决方案制定研究、开发和部署计划，以实现SES的性能目标。开发阶段涉及所需ATM解决方案的开发和验证，并由SESAR JU管理，SESAR JU是根据该法规建立的这一阶段最初计划从2008年持续到2013年。在部署阶段，将大规模生产和实施经验证的ATM解决方案;这一阶段计划在2014年至2020年进行。定义阶段随着第一个MP的交付而结束[6]，该MP考虑了以前的ATM研究。例如，SESAR操作概念和性能框架改编自EPISODE 3项目[7]; EMMA项目[8，9]提供了第一个先进的表面运动制导和控制系统（A-SMGCS）解决方案; SESAR远程塔解决方案的基础来自ART项目[10]; SWIM- SUIT项目[11]提出了当前全系统信息管理（SWIM）解决方案的前身欧盟理事会于2009年批准了MP[12]，从而表达了欧盟成员国对ATM研究方向的支持MP被转移到SESARJU作为&研发活动的计划，SESAR JU负责更新MP的新发展，研究优先事项和部署路线图，咨询所有利益相关者（即，ANSP、航空公司、机场、军队等）在这个过程中。SESAR JU成立条例中规定的研发（和部署计划）最终过于乐观;到2013年，即计划关闭开发阶段的那一年，MP中描述的解决方案只有一部分得到验证，并准备转移到开发阶段。此外，2008年的经济衰退和2010年发生的火山爆发（图1）。 1）对R& D优先事项产生了重要影响。2014年，SESAR JU被延长[13]至2024年。SESAR JU将公共资金（即，欧盟基金和EUROCONTROL实物捐助 ） 和 用 于 ATM 研 发 的 私 人 基 金 。 欧 盟 委 员 会 （ EC ） 和EUROCONTROL是创始成员，提供了约三分之二的研发预算，而剩下的三分之一则由SESAR JU成员负责。目前的SESAR JU有19名成员（代表37家公司），这是2014年招募成员的结果。研发资金通过限制性和公开征集筹集限制yATM解决方案代表了ATM执行方式的变化空中交通管理解决方案是新的业务概念、程序和相关技术。该集团由欧管牵头，由30个成员和20个分包商组成。该项目由欧洲联盟委员会和欧管组织资助。●●●●T. Bolic和P. 拉文希尔工程7（2021）448450图二、2020年欧洲网络的每日流量变化电话涵盖成熟和验证的ATM解决方案，专门为SESAR JU成员提供。探索性的、低成熟度的研究和一些非常大的示范是通过公开电话来满足的。由于欧盟委员会的捐款来自地平线2020（H2020）基金，根据H2020规则，所有有资格参加H2020研究计划的实体都可以参与（有关SESAR JU成员资格，治理，资金来源和呼吁的更多详细信息，请参阅参考文献。[14、15]）。由于一些ATM解决方案在2013年之前已经准备就绪，并且实现ATM现代化和SES性能目标的最快途径在于及时、协调和同步部署这些解决方案，因此SESAR部署管理器功能于2013年建立[16]。特别是，部署经理的职责是管理CommonProjects的实现[17]。共同项目包括SESARJU提供的成熟的ATM解决方案，这些解决方案被认为是欧洲ATM网络“实现必要的运营变革”[17]所必需的部署工作由连接欧洲基金供资，目的是在欧洲一级进行基础设施投资。在其成立之初，SESAR项目的设想是遵循从定义到部署的线性路径。现在很明显，ATM现代化需要一个连续的生命周期。SESAR JU执行研发活动并更新MP。这些更新对于应对不断变化的外部条件是必要的，例如欧盟政策和经济的变化，或者新挑战的出现，例如无人机和ATM的数字化转型。每隔几年，所有航空利益相关者都会被咨询，找出差距，在此基础上确定研究和创新需求，调整部署战略。根据MP，SESAR JU继续进行研究、开发和验证活动，SESAR部署经理组织实施公共项目（即， 选择成熟的ATM解决方案）。最新的第四版MP[18]考虑到了稳定的交通增长预测，日益增长的环境问题和新兴的新型空中交通工具（即，无人机和高空飞行器）。到目前为止，SESAR JU工作计划已经成功验证了63个ATM解决方案[19]，还有79个解决方案在未来几年内交付。这些解决方案包括成熟的未来概念的关键推动因素，如来自成熟解决方案的远程塔台、基于时间的分离和扩展到达管理（AMAN）;以及来自管道中解决方案的虚拟中心、改进的航空气象（MET）信息和完整的SWIM。每个解决方案都有业务、安全、性能和人因绩效案例以及支持标准化的材料作为支持。SESAR解决方案已在欧洲300多个地点部署，通用项目的实施仍在继续（参见参考文献10.1）。[20]用于部署监测）。然而，部署战略仍有改进的空间，正如欧洲审计院然而，我们也发现，欧盟支持ATM现代化的资金在很大程度上是不必要的，而且资金的管理受到一些缺陷的影响。”该报告3. 欧洲ATM现代化的未来在最新的MP中列出的三个主要挑战是：第一，交通需求与可用ATM容量之间的不匹配;第二，需要更认真地解决环境问题;第三，空域新进入者的出现。欧洲空中交通管理基础设施在管理日益增加的各种空中交通量方面的能力已接近极限。据预测，未来17年，传统航空交通量将增加50%，延误的风险将是目前的15倍[4]。这种增长引发了环境和健康问题，因为欧盟致力于欧洲绿色协议[22]。就其性质而言，空中交通管理在减少航空排放方面的行动范围有限：它可以通过提供足够的容量和灵活性来促进减排，使飞机能够安全地飞行环境优化的轨迹。此外，新型飞行器--如超低空无人机、军用中高空长航时无人机系统、自动空中出租车、超高空（FL 600+）运营飞机、下一代超音速飞机和电动飞机--需要考虑并融入传统空中交通管理。这些挑战促使了“欧洲空域未来架构建议”（AAS）的产生该提案基于SESAR ATM解决方案（在MP中描述），与需要转型技术和更快部署数字引擎的新环境交织在一起，以支持增强的自动化和虚拟化。未来的研究计划需要瞄准更高的目标我们需要克服由定制的国家ATM系统引起的问题和效率低下，以支持新的面向服务的ATM架构。这两者有什么区别目前，每个ANSP都拥有提供空中导航服务（ANS）所需的所有资产，即通信和导航、监视、空中交通和ATM数据服务，这些服务在内部紧密集成。T. Bolic和P. 拉文希尔工程7（2021）448451传统ATM系统然后，这些系统通过一系列特定于ATM的定制接口标准进行连接，导致有限的互操作性、高维护成本以及难以实现新系统的广泛部署。面向服务的体系结构将允许将这些紧密集成的服务解耦为独立操作的服务，然后可以从任何地方运行这些服务。使用数字手段，可以将信息服务提供与执行信息服务的物理硬件分离，从而实现ATM服务的虚拟化。虚拟中心可以是灵活的概念。虚拟中心可以由一个或多个空中交通服务单元（当前的ANSP）组成，这些空中交通服务单元使用由一个或多个ATM数据服务提供商远程提供的ATM数据服务。因此，ANS可以在任何地理位置上提供，而不是受到州边界的限制。为了实现这一愿景，研究必须集中在少数突破性技术上，这些技术将实现这一虚拟基础架构。此外，需要对监管问题进行大量研究，因为这一概念涉及许多监管问题，包括：允许成员国在其空域内对ANS采用动态责任变更;高度自动化系统的认证和批准;控制器培训和许可证的变更;转变后的ATM系统的经济调节变化。新的架构是一个框架，其实现需要高度协调，并以共同商定的服务和基础设施原则为基础。一旦建立，它将允许系统的不同部分根据当地需要以不同的速度发展，同时保持网络一级的整体一致性。在撰写本文时，全球ATM价值链的所有部分-即航空公司，机场，ANSP及其制造商-刚刚开始慢慢摆脱COVID-19大流行造成的停滞。随着业务量的这种急剧减少（例如，在4月和5月的某些日子，欧盟的产量下降了90%），实现短期产能增长的紧迫性可能已经降低。重新规划是必要的。短期的重点可能是尽可能以成本效益和可持续的方式管理减少的流量。然而，目前的情况并没有改变ATM广泛转型的长期优先事项，以提供具有成本效益的服务，支持可持续航空和使用现代技术的新型航空器。如果说有什么不同的话，那就是这场危机表明，我们需要一个可持续、可扩展和有弹性的ATM系统，这确实需要进行设想中的转型。《蒙特利尔议定书》和《原子吸收法》仍然是欧洲以具有成本效益的方式实现这一目标的最可行的办法。遵守道德操守准则作者声明以下经济利益/个人关系可能被视为潜在的竞争利益：Tatjana Bolic是SESAR JU科学委员会的成员Paul Ravenhill偶尔会参与SESAR JU资助的研究项目。引用[1] 欧洲议会、欧洲联盟理事会欧洲议会和理事会2004年3月10日第549/ 2004号条例（EC），斯特拉斯堡：欧洲议会，欧洲联盟理事会; 2004年。[2] 欧洲共同体委员会空中交通管理-解放欧洲空域白皮书。布鲁塞尔：欧洲共同体委员会，1996年。[3] SESAR联合承诺。关于欧洲空域未来架构的建议。布鲁塞尔：SESAR联合承诺;2019年。[4] 欧管组织。每日交通变化状态[互联网]。布鲁塞尔：EUROCONTROL; 2020 [引用 于 2020 年 12 月 2 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ： https ： //www.eurocontrol.int/Economics/DailyTrafficVariation-States.html网站。[5] 欧洲联盟理事会。2007年2月27日关于建立开发新一代欧洲空中交通管理系统联合企业的斯特拉斯堡：欧洲联盟理事会; 2007年。[6] SESAR Consortium.欧洲空中交通管理总计划。布鲁塞尔：SESAR联盟; 2009年。[7] 欧盟委员会CORDIS。单一欧洲天空执行支持通过验证[互联网].布鲁塞尔：欧盟委员会CORDIS; 2010年8月31日[引用于2020年12月2日]。可从以下网址获得：https://cordis.europa.eu/project/id/37106。[8] 欧 盟委 员会CORDIS 。 A-SMGCS 欧 洲机 场运 行 管理 布 鲁塞 尔： 欧 盟 委员 会CORDIS;2008 年 9 月 19 日 [ 引 用 于 2020 年 12 月 2 日 ] 。 可 从https://cordis.europa.eu/project/id/503192/it获得。[9] 欧盟委员会CORDIS。A-SMGCS的欧洲机场运行管理，第2部分[互联网]。布鲁塞尔：欧盟委员会CORDIS; 2008年4月[引用于2020年12月]。可从以下网址获得：https://cordis.europa.eu/project/id/503522[10] 欧盟委员会CORDIS。先进的远程塔-艺术[互联网]。布鲁塞尔：欧盟委员会CORDIS; 2008 年 3 月 [ 引 用 于 2020 年 12 月 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://cordis.europa.eu/project/id/37179[11] 欧盟委员会CORDIS。全系统信息管理-由创新技术支持[因特网]。布鲁塞尔：欧盟 委员 会 CORDIS; 2008 年3 月 [引 用于 2020 年 12 月 ]。 可 从 以下 网 址获 得 ：https://cordis.europa.eu/project/id/36990[12] 欧洲联盟理事会。理事会关于赞同欧洲空中交通管理总计划的决议。斯特拉斯堡：欧洲联盟理事会; 2009年。[13] 欧洲联盟理事会。2014年6月16日第721/2014号理事会条例（EU）修订了第219/2007号条例（EC），关于建立联合承诺以开发新一代欧洲空中交通管理系统（SESAR），并将联合承诺延长至2024年（与EEA相关的文本）。斯特拉斯堡：欧洲联盟理事会; 2014年。[14] Ravenhill P，Bolic T.在地平线2020下运作的SESAR联合承诺（2014- 2016）的中期评估。卢森堡：欧盟出版物办公室; 2017年。[15] Ravenhill P，Bolic T. SESAR联合承诺（2014- 2016年）的最终评估2017年。[16] 欧盟委员会。欧盟委员会2013年5月3日第409/2013号实施条例，关于共同项目的定义，建立治理和确定支持实施欧洲空中交通管理总体计划的激励措施（与欧洲经济区相关的文本）。布鲁塞尔：欧盟委员会; 2013年。[17] 欧盟委员会。欧盟委员会2014年6月27日第716/2014号实施条例，关于建立支持实施欧洲空中交通管理总体计划的试点共同项目（与欧洲经济区相关的文本）。布鲁塞尔：欧盟委员会; 2014年。[18] SESAR联合承诺。欧洲ATM总体规划，欧洲航空基础设施数字化，高管观点。布鲁塞尔：SESAR联盟; 2019年。[19] SESAR联合承诺。SESAR解决方案目录2019. 第3版布鲁塞尔：SESAR联盟; 2019年。[20] 欧洲航空管制局，SESAR。eATM门户部署视图-实施目标（监控）[互联网]。布鲁 塞 尔 ： EUROCONTROL; 2020 Nov [ 引 用 于 2020 Dec 2] 。 可 查 阅 ：https://www.atmmasterplan.eu/depl/essip_objectives/monitoring。[21] 欧洲审计法院。欧盟对空中交通管理现代化的监管增加了价值，但资金在很大程度上是不必要的。卢森堡：欧洲审计法院;2019年。[22] 欧盟委员会。欧盟委员会与欧洲议会、欧洲理事会、欧洲理事会、欧洲经济和社会委员会以及地区委员会的沟通：欧洲绿色协议。布鲁塞尔：欧盟委员会;2019年。●●●●