摘 要：航空器自1903年誕生至今已逾百年，航空器飛行速度、飛行距離、飛行高度都有了巨大提升。與1924年世界上第一條長距離航路上使用的燈光導航、高頻通信設備相比，今天的衛星導航、數據鏈通信同樣發生了翻天覆地的變化。這些巨大進步已經構成一部精彩的航空科學技術發展史。本文嘗試轉換觀察視角，從交通運輸角度，審視空中交通管理實踐發展歷程和學科知識、研究方法積累過程。在此基礎上，以構建學科體系為目標，探討空中交通工程學研究對象、核心概念和基本原理，總結代表性科學問題和關鍵技術架構，為進一步構建空中交通工程學科體系，指導后續研究提供理論和研究方法上的支持。
關鍵詞：空中交通管理;機場;空域;容量;組織;空中交通網絡
2006年，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中，將“新一代國家空中交通管理系統”列為優先主題。經歷15年探索和實踐，以保障飛行安全、提升效率為目標的空中交通管理系統已經實現跨越式發展，空域管理、交通流管理、間隔管理技術全面升級的同時，技術體系也逐步形成。本文以構建空中交通管理學科為目標，歸納整理現有研究工作，同時借鑒地面交通工程學理論和方法，從空中交通工程學定義、科學問題、關鍵技術梳理出發，構建學科知識體系，為后續研究奠定基礎。
1 空中交通管理概念國 際 民 航 組 織 (International CivilAviation Organization，ICAO)
空中交通服務附件(附件11，第十五版，2018年)中，將空中交通定義為：空中飛行或者機場機動區內運行的全部航空器。其中機場機動區(Maneuvering Area)是指機場內供航空器起飛、著陸和滑行的部分，但不包括停機 坪 。 機 動 區 和 停 機 坪 合 稱 為 活 動 區(Movement Area)或空側(Air Side)。ICAO《空中交通管理》(Doc 4444，第十六版，2016年)中，對空中交通管理的定義是：以安全、經濟和高效為目標，依靠各類地面和機載的設施設備的不間斷服務與協同配合，通過空中交通服務(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，對空中交通和空域進行動態和一體化管理。
在空中或者機場機動區內，飛行員按照既定的飛行計劃，在空中交通管制員(Air Traffic Controller，以下簡稱管制員)指揮下飛行，生成包括位置、高度、速度、航向、偏航角度、俯仰角度、滾轉角度等航行諸元的飛行航跡。在航空器誕生初期，飛行員主要靠目視觀察航行諸元。20世紀20年代，高度表、速度表、磁羅盤、姿態指示器、無線電定向儀等機載航行儀表及地面無線電導航臺建成后，飛行員轉而依靠儀表掌握飛行狀態，按照導航設施規劃的飛行程序和空中交通規則，在管制員指揮下，控制航空器位置、高度、速度和航向。進入21世紀后，隨著全球定位系統(Global Positioning System，GPS)等星基導航系統逐漸完善，衛星導航開始逐步取代地基設備，成為主用航空導航源。
空中交通管理過程中，管制員通過飛行員報告、雷達、廣播式自動相關監視( Automatic Dependent SurveillanceBroadcast，ADS-B)等手段和監視設備，掌握航空器位置、高度、速度等信息，然后直接對飛行員發出控制指令。按照ICAO空中交通規則，執飛儀表飛行程序(Instrument Flight Rules，IFR)的飛行員必須按照指令控制控制航空器位置、高度、速度和航向。在這一過程中，管制員事實上取代了飛行員，成為航空器行為的實際控制者。在繁忙的管制空域扇區(根據交通流特征和管制員工作量，將空域細分為多個扇區，每個扇區由一名管制員指揮)中，管制員常常需要同時指揮10架以上的航空器。空中飛行、地面指揮的空中交通管理方式，并非一蹴而就，而是經歷近百年發展演化，最終形成。
2 空中交通管理發展歷程
與火車、輪船等交通工具發展歷程類似，航空器誕生之初主要用于飛行表演。1911年前后，歐美第一批定期運輸業務開通，航空器開始成為使貨物、旅客地理位置上轉移的運輸工具，天空中真正出現了來往通達的空中交通。此后100多年，在交通量增長和航空安全壓力推動下，今天的空中交通管理系統逐漸形成。本文主要參考美國發展歷史，概述這一發展過程。
2.1 空中規則(20世紀20年代之前)
1903年12月17日，美國發明家萊特兄弟，研發成功“飛行者一號”航空器，完成人類歷史上首次可控制的、比空氣重飛行，航空時代從此來臨。航空器發明初期，公眾對飛行的狂熱，催生出歐美各大城市興建機場、組織飛行表演的熱潮。早期飛行表演中，觀眾、航空器活動不受約束，摔飛機、傷觀眾事件時有發生。1908年9月17日，萊特兄弟中的Orville Wright在飛行表演時，螺旋槳斷裂，航空器失控墜入觀眾中，1名觀眾死亡。1912年5月30日，美國西雅圖某機場飛行表演時，一名觀眾突然沖到正在起飛的航空器前方拍照，飛行員緊急避讓沖向看臺，造成觀眾2死12傷。1913年，面對嚴重的安全形勢，柏林約翰內斯塔爾(Johannisthal)機場出臺飛行表演10項規定，明確要求航空器之間、航空器與地面觀眾之間，保持足夠安全距離;要求航跡交叉的兩架航空器，右側航空器擁有“航行優先權(Right of Way)”，左側航空器必須主動避讓。這10項規定很快在歐洲各國機場流行起來。1919年，世界上第一個國際航空公約——《巴黎公約》中，為“減少重于空氣航空器相撞風險”，制 定 了 約 束 航 空 器 行 為 的 “ 空 中 規 則(Rules of Air)”，將航行優先權、避讓規則正式上升為國際標準。規則在歐洲各機場執行過程中發現，航空器起飛、降落過程中，飛行員視線受機體遮擋，無法看見后方(下方)活動航空器，無法及時做出避讓動作。這一飛行員無法克服的困難，最終導致規則執行者——管制員的誕生。
2.2 空中交通管理單位和管制員(20世紀20年代—30年代末)
為了落實空中規則，1922年，世界上第一個機場交通管制員(此后統稱為塔臺管制員)、第一個空中交通管制塔臺(簡稱塔臺)在英國倫敦Croydon機場出現[1]，其主要任務是利用指揮旗、信號燈，向起飛航空器發布起飛許可，確保起降航空器之間安全間隔。出于同一原因，1929年，美國第一名塔臺管制員Archie William League開始在圣路易斯機場指揮航空器起降。從1911年開始，鑒于航空器載重小，但速度快的特點，美國、英國、德國郵政部門開始嘗試使用航空器運輸郵件。9月9日，世界第一條定期郵政航空運輸航線在英國開通。1918年，幅員遼闊、航空運輸需求更為迫切的美國，開始建立連接東西海岸的空中郵路。1924年1月，隨著航路信標臺、應急備降場、低空通信等地面設施和機載航行設備的完善，全長4200公里，連接東西海岸，年運送1400萬封信和包裹的，跨州航路系統全線開通[2]。1925年，航空郵政法案(Air Mail Act of 1925，也稱Kelly Act)批準私人公司取代政府經營航空郵政業務，一大批航空公司就此誕生，商業航空運輸也由此起步。
20世紀30年代初，隨著波音247、DC-2等全金屬客機問世，航空旅行安全性、舒適性大大提高，旅客運輸量開始快速增長，航空運輸第一個黃金時代到來了。30年代中期，配備了專職管制員的紐約紐瓦克(Newark)機場和芝加哥機場起降高峰達到50-60架次/小時，成為美國最繁忙的航空樞紐。在機場交通管理接受管制員指揮的同時，幾千公里空中航路只能依靠飛行員自主保持交通秩序。1935年5月6日、10月7日，環球航DC-2、美聯航Boeing 247D先后在航路飛行中墜毀，航路飛行安全引起全社會關注。在多家航空公司共同推動下，1935年12月1日，全球第一個航路管制中心在紐瓦克機場成立。中心管制員負責控制航路上航空器次序和間隔，避免多機同時到達機 場 上 空 引 發 事 故 。 參 照 這 一 模 式 ，1936~1937年，芝加哥、克利夫蘭等7個航路管制中心相繼建成。
3 空中交通工程學發展歷程
空中交通工程學是為空中交通管理實踐提供理論指導的一門學科，其發展階段、研究內容，必然與當時的現實需求密不可分。與此同時，作為一門新興的學科，人們對其自身規律的認識也經歷了一個從感性到理性的發展過程。在以上兩個因素共同作用下，以美國發展為主要線索，空中交通工程學科發展經歷了以下幾個階段。
3.1 觀察運行(20世紀40年代中期之前)
20世紀30年代末，隨著波音307等增壓座艙航空器投入使用，空中旅行舒適度大大提高。美國民航業借此完成從運輸郵件到運輸旅客的轉變，旅客周轉量迅速增長。與高速發展極不相稱是，機場建設、管理非常混亂。機場跑道布局有“米”字、“A”字、“井”字型，甚至圓形。機場區域內飛行表演和定期航班，航空器與行人、車輛混行。為了保證安全、提升效率，美國航空主管部門組建的機場交通管制咨詢委員會( Committee On Airport TrafficControl)提出兩項措施：定義進場盤旋時間、進場滑行時間、過站時間、離場滑行時間、離場時間等5個觀測指標，定期統計比較各機場運行狀況，對比發現短板和整改方向;將運行中好經驗總結形成建議標準推廣使用。
在這兩項措施推動下，美國各機場設施設備標準和運行管理程序逐步接近，為統一國家標準奠定了基礎。1945年，美國第一代航路管制員，有美國空管之父美譽的Glen A. Gilbert專著《空中交通管制(Air Traffic Control)》正式出版，標志著在充分總結實踐經驗基礎上，美國空中交通管理設施設備體系、運行規章體系正式形成。1947年，世界上第一篇空中交通管理問題研究文獻問世。無線電物理大師E. G.Bowen基于澳大利亞悉尼金斯福德·史密斯機場(Kingsford-Smith Airport)運行數據，分析了航班實際落地時間分布特征和影響因素[11]。
3.2 容量與安全研究(20世紀40年代中期—90年代中期)
從1946年開始，美國逐步進入雷達管制時代。從理論上看，雷達管制下，航路飛行間隔比程序管制縮小80%以上，飛行量可以相應增長，但這一預期卻沒有實現。機場容量首先成為增長瓶頸。1945年，Glen A. Gilbert在其空管專著中，用給定時間內航空器最大起降數量表示機場容量(Capacity)。1949年11月，美國聯邦民航管理機構(Civil Aviation Association，CAA，FAA前身)提出，機場規劃時必須考慮容量問題。在標定機場容量同時，1953年CAA 在 《 空 中 交 通 管 制 系 統 運 行( Operation of The Air Traffic ControlSystem)》文件中，首次提出交通流控制(Flow Control)規則：當管制區內IFR航空數量將超過所能安全管理的容量，計劃進入區域航空器需要延誤時，可以啟動流量控制程序，增加航空器進入扇區和到達機場的間距。在政府支持下，容量、延誤、流量控制等運行實踐中率先暴露的問題，很快成為空中交通管理研究關注點。
3.3 認識空中交通管理體系(20世紀90年代中期—21世紀初)
20世紀80年代，伴隨飛行量快速增長、空域結構日趨復雜，空中交通管理組織規模持續擴大，管理難度持續增加。與此同時，航空公司和旅客對運行限制、航班延誤抱怨越來越多。在空中交通管理中引入新理念、新技術已經成為各方共識。1997年，FAA推出“自由飛行”計劃。該計劃雖然推進不利，但政府主導、大力推動的空管系統整體升級計劃，還是極大帶動了學科發展，對空中交通管理問題全面研究由此起步。
4 空中交通工程學
4.1 定義及研究對象從道路工程學科派生出來的交通工程學科，將人、車、路作為最主要的研究對象，研究內容包括交通特性分析技術、交通調查方法、交通流理論、道路通行能力分析技術、道路交通系統規劃理論和方法[51]。參照這一定義和交通工程學前期研究，空中交通工程學將人、機、域之間相互作用關系，作為最主要的研究對象，通過研究各要素相互間內在作用規律及其最佳配合，建立空中交通規劃、設計、運行控制和管理理論方法，以及有關設施、裝備、法律和法規等，使空中交通更加安全、高效、低碳、環境協調。
4.1.1 人-機-域“人”是指航空交通運輸活動直接參與者，包括管制員、航空器駕駛員(以下簡稱飛行員，Pilot)、飛行簽派員(以下簡稱簽派員，Flight Dispatcher)、機場運行指揮員等，這些交通管理人員共同對航空運輸的全過程實施管理。中國民用航空局( Civil Aviation Administrator of China ，CAAC)要求飛行員、管制員、簽派員持執照上崗。機場運行指揮員必須滿足國家職業技能標準。在如圖1所示的空中交通管理概念中，除被授權或者面臨緊急情況，飛行員必須按照管制員指令執行;簽派員主要負責航班起飛前航跡規劃;機場運行指揮員則負責機坪以內的交通指揮，機場之間的空中交通活動完全由管制員控制。因此，本文將主要探討研究管制員行為。
“機”主要指按照ICAO規則運行、從事旅客和貨物運輸的比空氣重的、固定翼航空器(Aircraft)。ICAO體系中，將這一類航空器及其承運的運輸任務統稱為航班(Flight)。達到目的地機場、運輸任務結束后，航班結束(也稱為飛行計劃關閉)，承運航空器轉而承擔其他運輸任務，變為“另一個”航班。航班是整個航空運輸體系的核心，編制班期時刻表、飛行準備、飛行實施、飛行總結的組織實施流程十分嚴密，各個環節均由專職單位、按照既定的工作程序實施，并接受監管。涉及國外大型樞紐機場的航班計劃，則需要由國際航空運輸協會(International Air TransportAssociation ，IATA)出面組織協調。
交通工程評職知識：交通工程類核心期刊
5 總結
學科是相對獨立的知識體系 [170]。同一學科下的知識，不僅有著相同或者類似的認識范圍和實踐對象，更兼具相通的問題研究和知識創造方法論[171]。伴隨航空運輸發展起來的空中交通工程，由于其獨特的三維運行方式、地面管控模式，已經開始出現既有別于航空科學與技術學科飛行力學與飛行控制問題，也不同于公路、鐵路、船舶、管道運輸交通管理方式的交叉學科特征。本文提出，空中交通工程學是研究人、機、域之間相互作用關系的科學。圍繞安全、高效、低碳三大管控目標，已經形成了空中交通管理系統復雜性建模、空中交通管理組織與協同模式、空中交通管理系統安全風險演化與防范機理等3類有待深入認識的科學問題，和空域扇區分析與設計優化、機場容量評估與場面擁擠管理、網絡交通流分析與管理、進場交通組織與管理、建立間隔與沖突管理等5類仍在研究中的關鍵技術問題。在世界各國專家、學者共同努力下，上述科學、技術問題研究不僅取得初具規模，而且在解決安全風險管控、交通擁擠疏導等重大現實問題中發揮了不可替代的作用。進入21世紀以來，隨著TBO這一全新運行方式的推出，這一作用將更加明顯。
作為一門年輕的交叉學科，空中交通工程學還有很多問題有待深入：該領域問題研究和知識創造方法論是什么?航空器單機、群、流行為模型是否存在統一的基礎理論?能否在天氣等隨機擾動作用下，建立全空域、全流程航空器精確控制方法?融入無人機運輸、亞軌道飛行、太空交通管理之后，更加靈活、先進的運行與管控方式是什么……大量新問題持續涌現，既體現了空中交通工程學科旺盛的生命力，更為學科創新發展指明了方向。
參 考 文 獻
[1] Colb@xtra.co.nz. Croydon Airport 1915 to1959[EB/OL]. (2018-03-15) [2018-05-07].
[2] 金綺. 美國民航從送信到運客的嬗變[J]. 大飛機, 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：趙嶷飛*，王夢琦
相關閱讀
