粤港澳大湾区航空智联解决方案初探
摘要：粤港澳大湾区内民航单位众多，粤港澳三地空管、公司及机场等单位均有各自的信息化系统为运行决策提供依据和工具，拥有多个专业门类、多个管理领域的数据类型，发展潜力巨大。笔者对粤港澳大湾区航空数据互联和信息化情况进行了调研，归纳了大湾区航空智联一体化发展存在的问题，提出了通过“一朵云”和“一张网”实现“以网络为中心”的运行概念，以及构建航空数据中心、搭建数据服务平台、推进大数据应用的实施建议。
一、航空信息互联现状及问题
粤港澳大湾区机场密度高，旅客吞吐量及航班起降量已位于全球著名湾区机场群前列，湾区内聚集了规模大、实力强的众多民航单位，如民航中南空管局、南方航空集团、广东省机场集团、深圳机场股份公司、香港民航处、澳门机场等，各家单位均有各自的信息化系统为自身运行决策提供依据和工具。
中南空管局对基础设备设施、数据、应用及网络安全等四方面进行模块化规划设计，以信息化为驱动力，大幅度提高中南空管的整体安全水平和运行效率；南方航空公司智慧化建设着眼点在于提高旅客服务能力和提升航班安全运行效率；白云机场和深圳机场全力推进“未来机场”（智慧机场）信息化项目建设，更好地满足广大旅客美好出行需求；香港机场管理局大力推动人工智能和云计算方面的应用，香港民航处也已着手进行大数据分析实验及SWIM验证相关工作。大湾区各民航单位在大数据分析和应用方面已具备一定综合基础，拥有多个专业门类、多个管理领域、丰富多样的数据类型，发展潜力巨大。
但大湾区航空信息化及航空大数据一体化协同发展机制尚未建立完善，单位之间大数据整体建设基础薄弱、缺乏顶层设计和统筹规划、规范与标准建设滞后，创新应用领域不广等问题也逐步凸显，主要存在以下几个问题：
（一）信息管理基础尚显薄弱
尽管目前大湾区内各民航单位数据资源比较丰富，数据种类多样，但缺乏统一管理，数据质量与准确性不高，数据采集处理的自动化程度较低，数据集成与应用管理平台尚未建立，数据应用与分析能力薄弱，没有形成快速集成、集中存储、综合分析的航空大数据汇聚与应用整合。
（二）组织机制尚未完善
大湾区航空数据智联是一个系统工程，涉及面广、研究层次深，能对大湾区民航安全运行产生深远影响。目前各单位尚未完善与之配套的组织机制，尚未厘清大数据发展与信息化建设的功能与定位。大湾区航空大数据一体化协同发展机制、数据交互和数据服务协同发展机制等尚有待建立。
（三）数据共享机制尚未实现
目前大湾区民航参与单位在信息化建设过程中已相互引接或整合了一部分业务系统的数据接口，信息交互与表示有了一定的基础，但系统内部仍缺乏各专业、各领域信息系统和公共数据的互联开放格局，未明确各单位数据共享的范围边界和使用方式，未厘清数据管理及共享的义务与权利，未实现基于大数据视野下大湾区民航全局信息资源的互联互通与共享交互。同时因港澳等特殊的空域管理体制与涉密要求，未能提高在社会公共服务层面上的数据开放，没能在一个安全可靠的数据管理平台上实现统一、标准地开放目录，数据红利未能充分释放。
（四）大数据应用范围尚显局限
目前，大数据在空管、机场、航空公司的协同决策中未能充分发挥作用，大湾区航空数据对运行保障支撑作用不高，在丰富安全管理手段、改进民航运行方式、提升流量管理水平、优化空域划设结构、提高航班运行效率、合理布局设备设施、改善气象情报服务水平上还有很大发挥空间。特别是尚未综合利用大湾区民航大数据，开发出满足公众出行需要、透明度高、针对强的应用产品。
二、大湾区航空智联解决思路
空管是航空运行的数据中枢，具有巨量实时的数据基础，通过构建互连互通的信息网络基础设施，可以满足大湾区内不同空管单位、航空公司及机场对数据交互和应用共享的需求。所以大湾区航空智联和数据协助的立足点，应是以空管为中心，打造大湾区航空数据“一朵云”，构建以空管数据为核心的基于云计算的大数据中心，全面提升湾区航空信息化数据服务能力；完善大湾区信息基础“一张网”，编织一张覆盖大湾区所有利益相关方的数据传输网络，实现及时的信息交换和数据通信。
通过“一朵云”、“一张网”，实现“以网络为中心”（NCO）的运行概念（如图1），集成各相关方的运行信息，并提供数据信息融合服务，为各相关方共享情景提供手段，例如空域、气象、设备设施等。且按照广域信息管理（SWIM）管理理念，被授权的用户可以提供、发现和使用及时准确的航空运行信息，如气象、监视、定位、导航、时钟、情报及地理信息等。
通过基于网络为中心运行的企业服务，可以搭建信息共享平台，提供给可信任的航空相关方来显著地缩短决策周期及改进情景获知，从而增强决策能力。
上述概念可以通过推进粤港澳航空数据中心为根基的设施建设基础上，部署数据服务平台，并后续推进一系列的大数据应用来实现。
（一）部署大湾区航空数据中心
大湾区航空数据中心定位为大湾区内各民航参与单位的公共信息化基础设施，与各单位机构的信息化系统实现安全可靠的网络互联（如图2），交互航空运行所需的数据，并生产面向大湾区航空一体化运行的大数据应用。
航空数据中心采用云计算架构，实现物理服务器的动态伸缩，平台资源的动态伸缩，分布式的高可用服务保障，统一的安全管理，集中的日志管理，以及综合的系统监控，为各业务模块提供全面的支撑。
在硬件设施及云计算平台基础上，还需要配套统一的大数据平台，部署航空数据采集工具、数据加工工具、数据资源治理和编目工具、数据开发工具等基础组件，为粤港澳航空大数据服务提供基础设施支撑。航空数据中心设计应理念满足SWIM指导要求，如图3所示，它是以共享数据为核心的基础设施。
粤港澳航空数据中心需要结合广域信息管理（SWIM）技术的发展，在不同单位间、不同业务系统间建立大湾区航空数据服务平台，为民航SWIM提供数据交换和信息共享支持，提供安全、有效、及时的数据共享和交换服务。
大湾区航空信息共享平台可以围绕安全、效率、成本、自助服务、多租户的目标来进行建设，定位在粤港澳航空数据中心之上，提供大湾区空管及民航各参与单位生产及管理数据交互服务，为大湾区各管制、机场、航空公司、通航等各民航单位提供数据服务，它应能满足以下几个方面的需求：
1.满足数据交互共享需求
民航生产数据和运行数据是大湾区航空运行的核心和基础，关系到整个大湾区空中交通管理的安全和稳定。当前各类生产管理信息由不同的民航参与单位、各业务部门管理和维护，系统建设的时间、建设水平、放开程度均不相同。各单位内部系统之间数据交互为定制模式、系统与系统之间为紧耦合关系，造成大湾区航空数据无法充分共享。同时，各单位生产系统对数据开放的承载能力不同，独自提供数据服务的能力较弱。比如，大湾区各机场、航空公司、空军等单位对空管自动化系统的综合航迹信息数据共享有强烈的需求，但自动化系统为空管安全核心系统，由其提供大范围的信息共享将对系统稳定运行带来安全隐患。
航空数据服务平台可以采用总线脱耦SOA架构，应用之间的集成标准化，且相互解耦互不影响，保障了信息的唯一性和开放性。
2.满足业务定制化需求
大湾区民航相关方众多，各单位信息数据源分属不同系统，数据格式不统一，且系统建设地理位置分散，存在大量信息孤岛。
通过航空数据中心将各业务数据进行整合，集中汇聚在一个统一的数据池中，在底层拉通数据的关联关系。并在数据整合过程中，对数据内容进行分类、抽取、转换，由大湾区航空数据服务平台提供更多定制化的业务应用。
例如对大湾区动态飞行计划、扇区容量信息、流控信息、情报信息、气象信息、跑道利用信息、机场资源分配信息进行数据整合，抽取各类信息中的关键字段，进行数值标定和数据关联，并通过仿真模型配合内存计算分析，模拟大湾区各关键区域流量预计结果，最后为管制人员和相关单位提供流控建议。
3.满足民航数据服务需求
在数据时代，大湾区民航系统正进入多个单位、多级部门协同运行的阶段，在大湾区民航数据服务中，需结合空管、机场和航空公司等相关方的业务需求，提供针对性的数据服务。例如为通航用户提供飞行动态、电报、航情、气象等数据产品，为机场及航空公司用户提供协同放行统一信息交互平台，可涉及机场场面全流程作业内容（如除冰进程、地服进程），以减少旅客舱内等待时间，提高机场资源利用率。
4.数据服务内容
从数据服务角度出发，可提供的空中交通管理相关主题交互内容如下：
飞行管制主题包括：综合航迹数据、动态飞行计划、进场排序信息。
地面管制主题包括：场面综合航迹信息、离场排序信息。
管制决策主题包括：统一飞行计划信息、飞行计划动态信息、飞行动态综合信息、流控及空域容量信息、协同放行信息（TOBT、COBT等）、塔台放行信息。
气象业务主题包括：气象实况报文及产品、气象预报报文及产品、重要天气及本场告警通知、气象会商视频讲解。
情报业务主题包括：情报航路航线信息、情报台站运行信息。
其他民航参与单位的主题交互内容如下：机场资源分配信息、停机位信息、A-CDM信息、旅客服务信息、航空公司飞行计划信息、机场航班信息、港澳机场临时计划调整信息等。
由于大湾区民航单位缺乏一个统一的基础数据分析平台为上下游的各类统计分析、监管报送、信息管理等各类系统提供数据和算法，导致大湾区内的民航运行管理缺乏高效的、基于数据的决策支持。因此有必要将大湾区民航参与单位在业务过程中产生的信息收集、整理、加工，成为可利用的数据资产，结合具体的民航业务场景、在大数据时代形成新的竞争优势，实现空管、航空公司、机场集团与香港、澳门民航数据共享，以大湾区级的大数据应用提升空域资源利用、航路航线优化与运行模式优化，为打造成为“创新、协调、绿色、开放、共享”的大湾区民航发展目标提供强大技术动力支撑。
大数据应用需要将各类业务数据有效整合，集中汇聚到一个统一平台，再发掘数据之间的关联性、对数据内容进行分类整合，提高数据应用价值，结合统计分析技术为大湾区机场群提供安全管理、流量管理、人员管理、空域管理等方面的算法支持，以提升大湾区航空运行质量，快速满足用户的多样需求，同时也有效降低运行风险。
通过大湾区航空数据中心和航空数据服务平台的构建，与数据相关的任何服务都能够发生在一个集中化的位置，如聚合、数据质量管理、数据清洗等，然后再将数据提供给不同的系统和用户，而无需再考虑这些数据来自于哪些数据源。在此基础上可以提供各类航空大数据应用，为空域流量管理、业务容量分析、监管报送、态势监控等提供数据智能，为民航参与者的经营管理提供全面的大数据决策支持。根据大湾区面临的重点热点问题，可以优先推进以下5方面的大数据应用：
1.空域航路评估
依据大湾区历史航班航迹数据，统计并预测航线流量，判别冲突多发/繁忙地区，评估大湾区航路设计合理性。建立空域使用评价指标体系，评估空域使用率，优化大湾区空域结构。
通过空管大数据的信息资源，联动分析数年间高、中、低三个高度层次内飞行流量及机场地面移动流量的变化情况，探索出空地一体化的最佳方案。利用大数据信息为建立空域系统、统一规划终端区空域结构、实施标准化空域划分分类、扩大低空空域开放、推进通用航空持续发展等工作提供坚实的数据基础与分析依据。
探索航路布局信息，完善大湾区及亚太地区航路分布，并根据北美、欧洲、东南亚和南亚的交通需求，通过大数据挖掘能力，增强干线航路网的衔接能力，为增辟关键航路点、增加航路对外开放程度提供数据方案。
2.流量预测推演
统计和分析大湾区空域交通流量的时空分布规律，形成基于历史经验统计的流量时空特征，实现区域级的流量预测。如基于协同决策的大湾区次日流量预告管理子系统：提供相关航空公司提交次日计划统一核对、对次日流量需求进行预测和发布。
3.大数据气象预报
基于共享的大湾区气象数据，分析珠三角天气条件对空管保障能力和航班运行的影响。
4.挖掘提升通航服务能力
利用大数据关联分析能力，分析现有通用航空服务保障过程中需要提升的服务内容，挖掘潜在价值，不断推出符合通用航空公司、机场、企业等需求的增值产品。并通过大数据技术，分析通用航空服务站、通用航空通信导航监视点、通用航空情报信息服务平台、通用航空气象采集与分析平台之间的资源关系，优化综合资源的布局，促进通用航空服务体系向纵深化方向发展。
5.基于航班四维航迹预测的前期研究
建立基于航班四维航迹预测的数据库，分析空域运行环境数据、航迹数据、航段飞行时间数据、机型性能数据等，实现基于四维航迹的风险模式管理与预测。针对飞行热点和冲突易发区域，进行空域结构和航班分布的复杂性分析，基于分析结果，结合高度动态和定制化的航行情报，多元化的气象集合预报服务，形成基于四维航迹的风险模式分析与预测。
在呈现形式上，航空大数据应用可针对空管和各民航单位实际需求，分为报表应用和多维分析应用，通过分析展现和报表工具提供实时态势展示和离线BI分析。
其中，实时态势展示涵盖飞行动态展示、场面动态展示、气象产品展示、航路航线展示、航班飞行架次统计、空管运行KPI指标展示及流控放行展示等。实时态势展示满足多内容叠加，且具备视图图层管理，真正做到大湾区民航运行一张图，实现大湾区CDM系统信息互联互通、提升态势监控和预测精度和易用性、具备测试实施机场到港航班时隙分配的能力。
另外，非实时分析展示包括容量评估展示、流量决策方针展示、各机场本场起降推演展示、安全态势评估展示等，可为大湾区民航业务的规划、运行、监管带来强大的数据和图表支持,如图5所示。
三、结束语
大湾区航空参与单位存在着多元、异构、海量的数据信息，其蕴含的丰富价值亟待挖掘和利用。本文建议通过部署航空数据中心、构建完善的数据交互和共享机制和推进大数据典型应用等措施，有望能彻底解决大湾区航空智联一体化发展存在的问题，是提升大湾区民航安全、效率与效益的重要手段，也是实现大湾区民航信息化和智能化的重要途径，有利于促进大湾区机场群一体化发展、提升大湾区机场群服务水平和安全保障能力，从而提升大湾区民航运行整体保障水平。
