美国发布关于加强空中交通的国家计划（下）

 

 

2020年7月中旬，美国国家科学、工程与医学院发布了《加强空中交通国家蓝图》研究报告，将“城市空中交通”概念拓展为“先进空中交通”，制定了先进空中交通的愿景，评估了先进空中交通的潜在效益和挑战，提出了美国在该领域保持领先地位的建议。

 

报告共分五章。第1章是先进空中交通的介绍。提出了先进空中交通的概念及其发展如何适应美国航空的持续发展历史。第2章描述了空中交通的愿景，包括空中交通必须体现的基本特征，并结合第1章，发展和讨论了空中交通的总体愿景。第3章讨论了如何创建一个环境，让初始运营商可以与联邦机构合作开发市场。第4章详细介绍了安全可靠的先进空中交通网络的关键发展，以及先进空中交通需要对自动化飞机、网络安全和应急管理的安全分析工具进行重大研究。第2、3、4章识别了实现这一愿景的障碍，并考虑了企业投资对先进空中交通系统的影响，以及NASA如何促进这些努力。最后，第5章提出了实施先进空中交通的途径。讨论了如何通过克服制度障碍，建立公私合作伙伴关系，以及在国家空域发展和部署先进空中交通飞行器，实现先进空中交通的愿景。作者对该报告摘要进行了编译，分为上下两篇，本文为下篇。

 

 

 

七、公众接受的重要性

虽然航空器认证与空域系统的集成具有一定挑战性，但还需要考虑其他障碍。公众对先进空中交通，特别在噪声方面和心理上的接受程度，是和安全性一样面临的最大挑战之一。如果不能解决这些问题，可能会阻碍先进空中交通的实现。来自飞机和其他交通工具的噪声问题比较复杂，涉及声学、人类对噪声的生理体验，以及听众对噪声来源和噪声对他们的影响的心理感知。在过去的一个世纪里，对这一领域进行了大量的研究，并取得了与现代航空相关的研究成果。早期运营可能对大众产生的噪声影响不太强烈（如在乡村地区进行的少量运营），而产生的积极社会影响较为强烈(如紧急医疗服务、搜索和救援、救灾)。这些应用可以成为学习和改进低噪声运行的有价值的测试平台，并积极塑造公众对该技术的正面看法。

 

建议：应开展研究，以量化和减轻由于不同类型的先进空中交通运营产生的噪声对公众造成的困扰，包括心理、声学和健康方面的影响。NASA应该促进相关政府机构之间的合作，包括FAA、DoD、美国国立卫生研究院、学术界、州和地方政府、行业、原始设备制造商、运营商和非营利组织之间的协作，按优先次序进行研究，合理分配责任。研究应在2年内完成。

 

建议：NASA应该促进与其他相关政府机构（FAA，商务部和环境保护局）以及行业（原始设备制造商、运营商以及学术界和非营利组织）之间的合作，开展基于情景的研究，评估先进空中交通及其相关基础设施的社会影响（例如，隐私，入侵，公共卫生和福利，透明度，环境，不平等）。这些研究应建议优先考虑最大公共利益的实施途径。

 

八、NASA国家行动

NASA国家行动（以前称为“大挑战”）计划旨在通过对候选运营概念和场景的综合验证，来提高先进空中交通安全性并加快可扩展性。该目标由五个主要目标支持：加速认证和批准；制定飞行程序指南；评估通信、导航和监视权衡空间；验证空域运营管理架构；表征飞行器噪声。鉴于新进入者和企业投资给先进的空中交通发展带来了很多机会，NASA基于核心参与者—航空工业界的反馈而不断完善国家运营计划是值得称赞的（也是必不可少的）。

 

NASA国家行动的优先任务之一是开拓研究、系统和运营概念，以便在国家空域系统中实现先进空中交通能力。这是使所有人受益的关键推动因素，因为它将有助于提高监管机构明确系统架构、运营和监管的要求。NASA国家行动的目的是推动这些目标的实现，但其内容设置和时间表导致很多公司不能或不愿参加。NASA在“国家行动”计划中的另一项成果是，针对先进空中交通数据、最佳实践和资源，以及对整个美国业内人士都有价值的其他结果。如果这些资产得到有效的捕获和传播，可以加速整个行业的发展，并促进美国在航空航天领域的持续领先地位。

 

建议:NASA应与工业界合作，继续发展和加强国家行动计划，并将其学习成果发展为正式的最佳实践、工具、资源和培训计划，供所有美国利益相关者使用。

 

九、测试、仿真和网络安全

仅依赖传统的测试和仿真不足以确保复杂的软件密集型自主系统（如先进空中交通）的安全性。传统的危害分析和安全工程建模和分析工具不足以评估和认证这种复杂的系统。NASA与FAA合作，可以为先进空中交通开发团体提供培训，有助于他们了解有关测试和仿真之外的新方法的需求。

 

建议：与FAA合作，NASA应该支持研究新的、更强大的安全分析工具，这些工具目前被广泛应用于软件密集型的先进系统。

 

当前的网络安全方法依靠威胁分析，保持难以逾越的边界，并主要关注信息安全，对于由自动化系统执行的对安全至关重要的运营的先进空中交通任务而言是不够的。当前的适航硬件和软件网络安全技术无法适应先进空中交通平台。NASA已开始对复杂的自主系统领域进行研究，包括利用其他机构进行的与网络安全相关的调查。委员会认为这是一项重要的研究。

 

建议：NASA应该为先进空中交通系统进行网络安全方面的研究和开发。

 

NASA没有制定标准的权限，这属于FAA的职权范围。然而，NASA验证了一些技术，这些技术随后被纳入认证政策或标准，而这些技术又被FAA采用。

 

建议：与FAA认证专家合作，NASA应开发潜在的软件和硬件认证技术和指南，以确认和验证复杂软件和硬件的性能，包括不确定性功能。NASA对证明性能方法的研究将为FAA提供有价值的投入，包括咨询通告的材料，以帮助申请人进行认证过程。

 

十、应急管理

考虑到飞行器日运行数量增加，飞行员训练渠道不断减少的趋势，应急管理的自主性将成为先进空中交通的重要组成部分。应急管理是指管理、减少或消除由于与飞机运行相关的异常事件而给人员、财产或其他飞机造成意外风险的能力。将完善的应急管理程序转化为自主运行，将为短期内的突发事件管理提供丰富的基线能力。可以结合使用现有的和新兴的认证实践对这些过程进行认证，以确保它们可以安全地、正确地启动和执行。可以使用基于软件的评估工具来严格评估自主权，以进行明确的确定性应急管理，以减少使用当今认证实践所需的人力和成本。

 

需要进行实时数据处理，以便在未确认和不符合既定程序的应急管理案件中，能够有适当的自主感知、决策和行动结果。在这种情况下，飞行员，尤其是没有经验的飞行员，也需要实时接收数据，并实时调整他们对情况的理解和决策。在自动驾驶或飞行员必须实时学习时，不能保证做出正确的反应，但是学习和行动比停止飞行更有可能提供更好的生存或恢复机会。

 

先进空中交通通常依赖于各种实时数据源（例如天气和风）来检测和避免、交通协调以及获取数据更新。网络弹性，即在一个或多个数据链或服务器连接丢失或损坏的情况下，飞行器或本地飞行器组仍能安全地继续飞行的能力，是先进空中交通应急管理的重要组成部分。

 

建议：NASA应进行自主性应急管理的研究、开发和测试，以支持安全先进空中交通能力。

 

十一、飞行测试资源

先进空中交通的一个关键是，能够实现先前的飞机不能实现的新应用。对于这些新应用最有效的运行细节尚不清楚，目前缺乏合适的飞行测试能力。无人飞机必须在特殊条件下进行测试，在大多数情况下，需要在专用的试验场内进行飞行测试，或者在某些情况下，需要在受限的空域内进行飞行测试。对测试的这种需求意味着公司需要进行扩展测试和开发的地点，可以持续不断地进入空域，进入和改造地面基础设施，以支持飞行测试场景和应用开发，总之需要易于进入试验场且在试验场内方便工作。

 

建议：NASA应与FAA协调，分配设施资源、空域和监管设施，以建立持续飞行测试能力，支持以下各项的快速发展：

 

﹡飞行器；

 

﹡飞行运营规程；

 

﹡监视和通信技术网络；

 

﹡空中交通管理系统，利用无人驾驶飞机系统进行交通管理的构建与借鉴；

 

﹡全系统管理系统；

 

﹡降噪技术和操作；

 

﹡各种应用专用的地面基础设施。

 

此飞行测试能力的设计应使行业能够更快地对其平台/应用进行创新和商业化。这项工作可以基于现有试验场计划的进度和资产。

 

 

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图 2 贝尔Nexus飞机概念图

 

十二、直升机场和垂直起降机场

由于对公共设施的监管要求不明确，新建直升机场、垂直起降机场或其他地面基础设施耗资巨大且复杂。美国有成千上万未充分利用的机场和大片废弃的房地产，可以被服务供应商改造使用。虽然许多新型空中交通飞行器不需要跑道，但它们可以从这些机场和直升机场已经存在的分区、基础设施和空域法规中受益。FAA正通过一份正式的信息征询书征求业界意见，为垂直起降机场设计制定标准。支持UAM系统的基础设施将包括垂直起降机场、机库和维修区，以及相关的充电/加油基础设施。垂直起降机场是允许垂直起降飞机起飞和着陆的设施。因为目前设想的很多飞机可能不搭载人员,体积比大多数直升机小，并可能只带少量的货物,因此，这些机场可能没有直升机场那么大，结构也不像直升机场那么坚固,尽管它们可能会对基础设施提出其他如充电要求。一个健壮的UAM系统将包括多个垂直起降机场，服务于一个大都市地区。因此，UAM基础设施必须是分布式的，而不是集中式的。

 

公私合作协议可用于促进大都市地区分布式UAM基础设施的增长，同时使这种基础设施成为来自不同公司的不同类型飞行器的通用载体。这将促进UAM系统的竞争和创新。

 

建议：应建立公私合作伙伴关系，促进在虚拟环境中实施先进空中交通，定义交通系统和基础设施要求的近期能力。该虚拟环境应对物理飞行和运营测试进行补充。应由NASA与FAA合作，并在FAA与其他相关机构、行业（即原始设备制造商和运营商）以及标准制定机构之间协调职责分配。例如，该小组可以专注于为先进空中交通基础设施部署制定指导方针和征求意见。

 

需求增长的速度将超过任何适应和增长以满足需求的单一空域系统设计能力，尤其是在由公共部门单独监管的情况下。因此，能够并动员私营部门创新性能更高的空域管理技术至关重要，这在一定程度上是可以实现的，因为公共部门领导了系统拓扑和协议、数据格式和数据交换标准的研究，这些研究定义了更广泛的系统，并为私营部门参与者确定了创新的目标。

 

先进空中交通的数据交换在内容、大小和实时更新要求方面多种多样。检测、避免和分离保证应用需要一个通用的地理空间框架来更新飞机状态，并传达意图和空中交通管制指令。

 

目前没有一个公共实体有权建立和管理航空数据交换的数据标准。随着先进空中交通技术和运营的发展，成立这样一个小组将有利于数据内容和格式的创建和发展。

 

建议:由NASA、工业界、学术界和标准开发组织组成的工作小组应该优先研究协议、数据格式和数据交换标准，这些将在地理空间实时系统中支持先进空中交通飞行器，支持跨国家空域系统的关键安全运营。目的是使所开发的工具将提供必要的清晰度，以催化和使工业上的系统组件商业化。

 

 

 

（航空工业发展中心 孙友师 王妙香）