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特朗普的“眼中钉”,智能空联网是什么?

特朗普的“眼中钉”,智能空联网是什么?

随着人工智能的兴起,航空亦将步入智能时代,然而由于航空是一种专业性极强且产业链又很长的小众产业,因此其智能化与其它产业相比显得有些迟缓拖沓...

随着人工智能的兴起,航空亦将步入智能时代,然而由于航空是一种专业性极强且产业链又很长的小众产业,因此其智能化与其它产业相比显得有些迟缓拖沓。为了有利于其智能化的快速发展,有必要对其实现路径及未来前景进行客观的分析阐述。Gdcesmc

智能航空是智能技术与航空系统的有机结合,其本质是利用高新技术对传统航空运行系统进行改造,形成的一种信息化、智能化、集成化、人性化的新型航空运行系统,旨在减轻交通负荷以及环境污染,保障交通安全以及提高运行效率。智能航空日益受到各国的重视,将成为未来航空的发展方向。Gdcesmc

一、智能航空的结构组成

1.从产业链的角度来看,智能航空可以贯穿于生产和服务两个产业链

(1)从生产产业链的角度Gdcesmc

智能航空的结构可以分为航空器终端设备的生产和网络设备的生产,还可以分为硬件的生产和软件的生产。要实现智能航空,首先,航空器必须实现智能飞行。现今的很多飞机都装配有自动驾驶仪。自动驾驶就是让机载设备按设定的程序自主驾驶航空器飞行,但机载设备不能判断该驾驶行为是否安全合理,且驾驶者可随时切断自动驾驶改为人工驾驶。而智能飞行是在自动驾驶基础上,让机载设备具有根据飞行任务及飞行情报(大数据)等选择适宜的航行诸元等数据自主飞行的能力,正常情况下驾驶者只能对航行诸元等数据在一定范围内进行适量调整,无法将航行诸元等数据改为对本次飞行任务明显不利的状态。Gdcesmc

然而机载设备对航行诸元等数据的适宜与否是不可自知的,需由大量的飞行情报(大数据)等来支撑,同时要辅以复杂的计算来判断。这些只能由航管系统(云计算)来实现。只有实现了航管系统智能化和地空网络互联,智能航空才能实现。Gdcesmc

当航管系统的智能化和地空网络互联完成后,便可及时收集所有相关飞行情报并进行计算分析,实时向各航空器发出正确的航行指令,让所有航空器都按部就班地及时按指令选择航行诸元等数据。这种能为智能航空地空互联提供支撑的网络可称其为 “空联网”。Gdcesmc

在智能航空中,其难点和重点是 “空联网”的建设,它是智能航空的主体支撑,其软件是主体的灵魂。通过它们,航空器飞行才能实现全面的智能化。Gdcesmc

(2)从服务产业链的角度Gdcesmc

从服务产业链的角度,智能航空包括两方面内容。Gdcesmc

信息综合服务:指加工与处理来自不同领域与渠道的综合信息,这是最基础也是最重要的工作,需要航空相关部门提供统一标准体系下的包括气象、机场、空管、飞机等数据与服务支撑。Gdcesmc

安装、维护及网络运营:主要是指为保障对综合信息的加工与服务所需要的软硬件的安装、维护及正常运行,要求产品要质量稳定、性能可靠,有备用方案可备应急处理。Gdcesmc

2.从运行结构的角度看,可分为智能空联网和智能飞行终端

智能空联网用于收集和处理各种飞行情报,之后将内容发送给相关航空器,并进行飞行调配指挥;智能航空器根据智能空联网发送的飞行情报和调配指令调整或保持飞行状态。Gdcesmc

智能飞行终端是指在空中参与飞行的具有智能信息接受与反馈的系统,它直接作用于航空器并助其完成飞行任务。 Gdcesmc

3.智能航空与非智能航空的主要区别

随着科技的进步,自动化技术在航空领域正在快速发展,其中出现较早且较成熟的是航空器自动驾驶技术。近些年,航空监视系统的自动化技术亦得到重视而有了较大改进,主要体现在一二次雷达系统、自动相关监视系统、多点定位系统及防相撞系统等。然而以上诸系统的功能均属于信息搜集汇总范畴,不能自主管控运行航空活动,最后的管控操作还必须由人工来完成。从另一个角度分析,最后的管控操作工作也是无法使用自动化的,因为操作之前必须进行智能化的分析判断,这一环节自动化是无法实现的,只能是人工或将系统升级为人工智能后来完成。众所周知,人工智能在完成某些重复性信息加工处理的事务性工作方面的能力远远大于人类,例如人工需一个小时才能写好的新闻报道用人工智能只要几分钟就能完成。根据近些年人工智能在各领域的发展现状可预知,航空运行管理一旦实现智能化,将使航空活动的安全和效率得到大大提升。Gdcesmc

如果把目视飞行比作蒸汽机火车,把导航台引导飞行比作内燃机火车,把使用监视系统的卫星导航飞行比作电力机车火车,那智能航空飞行就是进入了高铁和磁悬浮时代;如果站在通信的角度那就分别对应的是电报+人工电话、程控电话+呼机、功能手机以及现今的智能移动互联。Gdcesmc

二、智能航空的基本原理与功能

智能航空的基本原理是:基于大量的数据信息,在有关航空设备的终端上实现对航空器飞行的智能控制(见图),其基本作用体现在提高航空器的安全性、飞行效率与利用率,提高机场的使用效率,提高空域和航路航线的利用率,让人们出行更加便利快捷等几个方面,其中有些功能与作用有特殊性,包括反劫持、自由飞、防相撞和处特情。Gdcesmc

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1.反劫持

由于飞行人员和航管指挥人员的有关工作都已被人工智能所替代,所以对航空器实施劫持的行为将被技术手段制止而难以实施。Gdcesmc

目前的航空活动是航管设备传输、显示航行信息,对航管人员进行一定提示,之后由航管人员指挥飞行人员驾驶航空器飞行;而智能航空是航管系统和航空器都已智能化,航管系统根据所掌握的各种飞行情报分析计算出每架航空器各个时段的最佳航行诸元等数据,之后将运算结果以数据链的形式传输至各航空器的智能飞行系统,令其按要求锁定航行诸元等数据和人工调整范围,从而达到安全、高效、顺畅、便捷飞行的目的。Gdcesmc

用通俗的语言讲,智能航空其实就是用具有人工智能的航管系统去指挥具有人工智能的航空器,而飞行人员和航管指挥人员只是机器设备的监护者和最后的特情处置者。因此任何人都几乎无法实现对航空器的劫持。一旦实现了智能航空,类似于发生在2001年9月11日的美国“911”事件、2014年3月8日的“马航370”事件及2015年3月24日的“德翼航空4U9525”坠机事件等将不可能再次发生。Gdcesmc

2.自由飞

由于智能航空可以接受、反馈并掌握所有飞行情报,所以完全可以实现自由飞行。Gdcesmc

在智能航空的条件下,由于智能航管系统可以随时掌握所有飞行情报,了解各空域和起降场的信息,因此可以根据各空域、起降场及航空器的情况随时调整各航空器的飞行计划,使其在避免飞行冲突的前提下实现最大限度的自由飞行。从而选择最佳航线,实现安全和经济效益的综合最大化,同时还可减少环境污染。Gdcesmc

将该功能移植于机场道面的智能管理还可实现飞机的自主智能滑行,功能将优于目前启用的北京大兴国际机场的灯光引导滑行方式。Gdcesmc

3.防相撞

由于智能航空掌握了全面的飞行情报,进而可消除一般情况下产生的飞行冲突,所以几乎可消除产生相撞的诱因。Gdcesmc

传统的防相撞系统对各航空器之间的相互关系是不掌控的,只是当两架航空器的距离间隔小于一定数值时才开始工作,是一种被动的防相撞系统。而智能航空系统由于掌握了大量准确的飞行情报,可以预先计算出各航空器间可能出现的冲突点,并提前进行调配化解,因此正常情况下可以消除相撞的诱因。Gdcesmc

将该功能移植于机场道面的智能管理还可预防跑道入侵,避免机场道面上的各种相撞事故。如果该功能得以实现,类似于2016年发生在上海虹桥机场的10.11事件和1977年3月27日的“特内里费”空难也完全可以避免。Gdcesmc

4.处特情

只要智能航空系统掌握了所有特情处置预案,完全可以及时正确地处理各种空中特情。Gdcesmc

由于人工智能不受心理因素的影响,所以只要使其全面掌握空中特情,就能及时选择最合理方案及时准确处理。同时,地面各有关保障系统也可被唤起进入特情处理的保障状态,以确保出现特情的航空器安全着陆。这将使处理类似于发生在2018年5月14日的“川航3U8633”航班特情事件变得比较简单容易。Gdcesmc

三、智能航空技术的实现方法和步骤

根据当今航空、通信、监视、网络和人工智能等技术的发展现状,智能航空所需的硬件系统已基本具备,后期主要是进行物理安装、连接和调试等工作,重点和难点是软件方面的研发,尤其是空联网软件的研发。软件研发时,为了安全起见和节约成本,首先应开发出模拟软件,用模拟软件发现和排除实用软件在应用时可能出现的问题,之后根据模拟软件研发实用软件,实用软件研发出来后先用无人机系统在小范围内试用,之后在有人机通用航空活动和货运航空中试用,最后推广至航班飞行等所有航空活动,而且使用过程中还必须先期辅以人工操作配合人工智能双系统共用,然后逐渐走向完全人工智能化。Gdcesmc

智能航空的软件主要分为航空器的智能驾驶系统和航管部门的智能航管系统,智能驾驶系统是对自动驾驶系统的升级,运行时的主要职责是收发有关信息并根据飞行计划和收到的信息自主驾驶航空器飞行,因此相对容易。难点是智能航管系统,航管工作牵扯的面广,涉及的专业庞杂,是整个航空运行体系中最综合的枢纽系统,因此在软件研发时最好采用由简入繁、先条块后汇总的方式逐级研发。Gdcesmc

1.智能航管系统的研发方式与步骤

(1)智能静态调配航管系统Gdcesmc

预先调配是航管工作的先期工作,其主要内容和步骤为汇总飞行计划及其它飞行情报,进行地图作业,找出飞行冲突点并进行飞行调配,将调配方案通报至各有关部门。因此,软件研发时应根据飞行调配原则及相关要求在航管系统内建立一套运算模型,运行时将飞行计划及其它飞行情报等信息输入该航管系统,令其进行地图作业、找出飞行冲突点并进行飞行调配,之后航管人员便可将调配方案通报至各有关部门,预先调配就此实现智能化。我们可称这种由航管系统自主完成的预先调配系统为“智能静态调配航管系统”。“智能静态调配航管系统”可完全避免人工调配所出现的差错,同时提高工作效率、降低航管人员的劳动强度。Gdcesmc

(2)智能静态航管系统Gdcesmc

在各航空单位的航管通信设施建设完备、通信网络形成后,调配方案的通报将由“智能静态调配航管系统”自主完成,此时系统已升级为“智能静态航管系统”,可进一步减少人工差错,同时进一步提高工作效率、降低相关人员的劳动强度。Gdcesmc

(3)智能调配航管系统Gdcesmc

飞行计划实施时,“智能静态航管系统”根据各航空器的航行诸元等动态信息及其它飞行情报,实时计算出调配指挥方案及数据,并及时提供给相关航管指挥人员,此时系统已升级为“智能调配航管系统”,航管指挥人员按照“智能调配航管系统”的提示对所辖航空器实施指挥(语音或信令),以使航空器安全、高效、顺畅地飞行,同时降低航管指挥人员的差错率和劳动强度。目前北京大兴国际机场已在本场基本实现了该功能。Gdcesmc

(4)智能指挥航管系统Gdcesmc

当“智能调配航管系统”与航空器之间建立起完备的通信数据链后,“智能调配航管系统”将会自主把动态调配指挥方案及数据传输至相关航空器,用以提示、指挥飞行人员,飞行人员可根据机载设备收到的指令和提示操纵航空器,此时系统已升级为“智能指挥航管系统”。采用“智能指挥航管系统”可避免无线通话时的相互干扰,提高指挥通信效率,缩短通信频道占用时间,进一步降低航管指挥人员和飞行人员的劳动强度,使航空器飞行更加安全、高效、顺畅。Gdcesmc

2.智能航管与智能驾驶结合而成的智能航空

航空器的机载设备完全升级到智能化后,机载设备每次收到“智能指挥航管系统”传来的飞行情报等信息后,会自主将航空器调整到“智能指挥航管系统”所要求的飞行状态,同时对飞行状态的人工调整范围进行锁定,使飞行人员无法超范围操纵航空器,从而达到智能飞行的目的,最终实现智能航空。Gdcesmc

3.智能航空中的特情处置

在人工飞行与人工航管的情况下,当发生飞行特情时,飞行人员和航管人员可根据具体情况采取果断措施进行处置,我们可根据以往的经验为智能驾驶系统和智能航管系统设计出特情处置模型,使航空器和航管系统具有一定的特情处置能力,同时设定发生飞行特情时航空器可自动解除锁定,以使飞行人员能够操纵航空器,从而确保飞行安全。Gdcesmc

四、智能航空的发展潜力

从物体可移动形式的角度看,地表是平面的,空域是立体的,因此空域的可开发潜能远远大于地表,但在人工智能出现之前,其开发潜能被大大制约,随着人工智能的出现,空域将被充分利用。由此可见,智能航空的发展空间极为广阔,潜力主要体现在以下方面。Gdcesmc

1.航空器智能化水平的提高空间巨大

目前的航空活动是人工和自动化兼有的状态,从未有人工智能涉猎其中,可以说还是人工智能的处女地,所以智能航空的可开发潜能将极为巨大。Gdcesmc

2.智能航空已经列入全球航空发展目标

随着全球航空界对航空智能化的重视,各种有利于智能航空发展的法规政策也会相继出台,这将是智能航空发展的有力推手。此前中国民航局已于2019年5月14日发布了《促进民用无人驾驶航空发展的指导意见(征求意见稿)》。Gdcesmc

3.信息化手段应用范围的不断拓展、5G等技术的突破为智能航空的发展提供有力的支撑

随着万物互联时代的到来,各种信息将成爆炸式增长,特别是随着5G等技术的突破,万物互联的方式将更为多样,信息传递的速度将更为快捷,这必将成为航空智能化有力的系统支撑。Gdcesmc

五、智能航空条件下通用航空业态形式展望

1.村村通模式

除了作业航空,通用航空未来的另一主要市场应是解决人与物的流动,尤其是解决最后几公里人流和物流的问题。如果城市的每个街区和村庄都有直升机坪,再加上布局合理的机场,人们运货和出行使用无人驾驶智能航空器就像在城市里乘坐网约车一样便捷,这个市场将会极为巨大,而且竞争对手极少,尤其适合于水乡和山岳地区,以及海岛国家和地区。Gdcesmc

2.体系化、生态化模式

随着航空科技水平的进步与提高,同时由于工农业生产等方面的需要,无人机的发展现已呈蓬勃之势,但由于管理技术手段的滞后,且未能进入有人机的航空管制系统,其飞行的无序乱象日益明显,有时甚至会危及到有人机航空和其他地面活动的安全,同时也不利于其自身飞行的安全。Gdcesmc

如果能够将无人机的管控工作纳入有人机的航管系统,实现统一管控,将有可能杜绝其无序飞行的乱象,大大减少各种飞行安全隐患。Gdcesmc

然而就目前的航管技术手段来看,还不能实现对有人机与无人机的统一管控,因为它们的管控手段属于两种完全不同的平台,且无法兼容,只有将两种平台升级为可兼容状态方能实现。只有实现了空联网才能使无人机并入有人机的航管系统,实现无人机航空的智能化,最终实现有人机与无人机在同一航管平台下的智能化,在确保飞行安全的情况下提高工作效率。Gdcesmc

六、智能空战

一旦航空融入人工智能,下一代战机可能也就有了基本的雏形,未来空战时,非人工智能的一方遇到人工智能的一方,将可能使“贝卡谷”空战的一幕再现。Gdcesmc

七、智能航空发展中的问题

智能航空的实现是建立在现有物理科学极限以内,航空设备和系统没有任何设计缺陷基础之上的,它不是超物理行为和航空设计缺陷的弥补,只是航空安全和效率提高的解决方案,是人类在航空安全和效率提高方面的有力帮手,可以接近、等同甚至超越人工手动操作,但不可能解决类似于波音737max8的坠机等所有问题,更不会出现超自然力,有些问题还要不断完善。Gdcesmc

1.信息的来源与处理

要求及时准确全面,目前还有很大差距,需要全面梳理、重点突破。Gdcesmc

2.航空器的生产与应用

航空器的智能化设计生产与适航要有一个周期,同时还要接受实践的检验,因此要早下手早准备,高起点高要求。Gdcesmc

3.法规相对滞后

航空智能化是未来的发展方向也是新生事物,相关法规尚属空白,没有现成的法律依据,因此运行中可能会出现各种难以操作的问题。Gdcesmc

以上问题有硬件的也有软件和法规方面的,硬件的问题相对容易,只要将现有的硬件系统连接、整合升级,问题就可基本解决,难点主要是软件和法规,由于牵扯的面较广,涉及的专业庞杂,而系统运行时外部因素又全为动态,牵一发而动全身,稍有不慎就会危及飞行安全,所以软件研发和法规制定时一定要多部门协同联动,考虑问题必须全面、深入、周到、细致、严密、精准、谨慎。Gdcesmc

八、智能航空发展展望

1.网络化和智能化是航空业的未来方向

纵观历史,人类文明的进步总是伴随着生产力的提高而不断向前发展着。当今世界,大数据、云计算、万物互联、人工智能等已成为经济的转型点和新的增长点,虽然它们不能直接生产产品,但由于它们的介入却可使生产变得更加高效、节能、环保、灵活,极大地提高了劳动生产率。Gdcesmc

随着第四次工业革命的到来,网络化和人工智能已成为很多产业发展的方向。在交通运输领域,车联网也已日渐成形,而作为高科技产业的航空业,其所有航空活动目前却还在人工操作下缓步慢行。回顾这些年一些产业的变故——胶片拍摄让位于数码拍摄,模拟通信逐渐被数字智能通信所取代,这些无不是先进战胜落后的结果。由此,可以预见智能航空也必将成为航空业的未来。Gdcesmc

2.发展智能航空是国家的使命与需要

智能航空的应用主要体现在民用市场,但是在军民融合背景下,发展智能航空是提高民用航空市场的效率以及空域利用的最佳方式,它能整合相关资源实现效益最大化,而战时又可迅速根据需要进行整合转换,大大提升潜能。Gdcesmc

3.融合发展,建立标准,引领未来

放眼世界,哪个国家抓住了发展机遇哪个国家就能快速发展,成为世界强国,哪个国家错过发展机遇,则必然衰退。对于企业,机遇的把握更是事关生死,柯达、摩托罗拉的衰与苹果、三星和华为的兴就是最好的例证。Gdcesmc

如今,网络化与智能化方兴未艾,而航空业在此却一片空白。由此,也给相关企业留下了众多机会,哪家企业抓住了这次机会哪家企业就有可能实现一次大发展。Gdcesmc

企业界有这样一句话:“三流企业做产品,二流企业做品牌,一流企业做标准,顶流企业做生态”。如果哪家企业掌握了智能飞行与智能航管技术,将现今的人工航空变为基于空联网的智能航空,并使之成为国际行业标准甚至构成航空生态,将会有绝对的话语权,甚至形成市场垄断。Gdcesmc

站在国家的高度看,哪个国家掌握的核心技术和行业标准多,哪个国家所获得的利益就会越多,也会更加安全。Gdcesmc

原标题:《基于空联网的智能航空思考》,首发于《中国民用航空》1月期。本文由作者 授权发布     责编:Elaine LinGdcesmc

*国际电子商情对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。Gdcesmc

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