單一飛行員駕駛模式技術

王淼，肖剛，王國慶

上海交通大學 航空航天學院，上海 200240

自20世紀50年代，大型民機客機和大型運輸機通常配置多達5個飛行駕駛乘員：主駕駛(機長)(Captain)、副駕駛(First Pilot)、飛行工程師(Flight Engineer)、導航員(Navigator)和無線電操作員(Radio Operator)。多駕駛乘員模式是通過分工協同完成飛機運行任務組織與飛行過程管理。隨著通信和導航技術和設備的發展，由于機長和副駕駛直接管理通信和導航任務，飛行工程師負責飛機系統任務和故障監視與維護，形成3乘員飛行駕駛模式。隨著飛機玻璃座艙綜合顯示和系統綜合技術發展，支持飛行獨立感知和綜合操作能力，形成雙乘員駕駛模式。

雙乘員駕駛模式[1]是當前針對多駕駛乘員綜合和減員的有效方式，也是目前民用運輸客機主要采用的駕駛模式。雙乘員駕駛相對過去的多乘員駕駛模式而言，其主要特征是建立了駕駛與導航一體化，減少了駕駛乘員的配置，降低了駕駛決策的時間，同時避免了飛行駕駛決策單點故障問題。在雙乘員駕駛模式中，主駕駛(機長)負責飛行環境的識別、飛行狀態的管控、飛行模式組織和飛行任務的決策。副駕駛負責飛行環境的監視、飛行狀態的審查、飛行模式掌握和飛行任務的輔助。即在飛行過程中，主駕駛負責飛行的感知、組織與管理，副駕駛負責飛行監視、支持和在特定許可下有條件負責飛行管理和控制。

多駕駛乘員雖然有效地減輕飛行員獨立操作負荷，降低飛行員專業知識范圍要求，但直接增加飛行乘員數量和成本(工資、培訓和基礎設施)，增加了飛機駕駛艙乘員空間需求，同時還增加了支持駕駛艙乘員的操作和協同設備。另外，更重要的是在多乘員協同駕駛過程，由于多乘員協同過程存在認知缺陷、思維偏離和操作不一致性，直接影響飛行駕駛決策和飛行過程組織的性能、效率和有效性，并對飛行安全產生一定的影響。

單一飛行員駕駛(Single Pilot Operation, SPO)模式[2]是美國FAA、歐洲EASA適航關注的重要領域，特別是美國NASA一直持續和深入進行研究，系統提出單一飛行員駕駛模式概念和運行架構，提出了面向飛行過程和條件與飛行員生理和行為的正常和非正常模式，構建了飛機飛行員、機載自動處理系統和地面航空公司操作員協同模式和運行操作組織，為單一飛行員駕駛模式技術發展奠定了基礎。

單一飛行員駕駛模式在滿足當前商用飛機雙乘員駕駛模式功能和安全性條件下減少了飛行員數量，提升經濟性[3]；減少駕駛艙資源配置，縮小了駕駛艙空間和減輕飛機重量；同時消除了飛行員決策沖突，提高了決策效率和縮短響應時間。隨著技術進步和發展，減少飛行駕駛乘員是民機降低運行成本和提升飛行駕駛效率的重要發展途徑。

美國NASA持續和深入進行單一飛行員駕駛模式研究，通過空域系統研究項目(Airspace Systems Program)[2]，系統提出單一飛行員駕駛模式概念和運行模式，建立了單一飛行員駕駛模式運行目標和原理，并針對多乘員駕駛模式、人與人交叉檢驗的確認模式提出主題專家、人在環實驗和環境條件約束的人機協同決策方法，明確了飛行員、駕駛艙自動化系統和地面操作員的角色和責任，建立單一飛行員駕駛模式飛行過程感知、組織和決策模式，提供了復雜飛行環境決策的人與人、人與自動處理系統的交互和處理模式，覆蓋了多乘員駕駛基于獨立知識、感知和認知的交互協同決策能力。

單一飛行員駕駛模式需要對飛行員工作負擔進行評估研究[4-7]，確保單一飛行員駕駛模式下能達到不高于雙乘員駕駛模式下飛行員駕駛壓力和負擔，從而確保飛行的安全性[8-10]。同時，還需要從認知角度對飛機駕駛艙進行布局設計，從而確保駕駛艙智能自動系統可以有效支撐飛行員工作[11-16]及其有效性評估[17-19]。

單一飛行員駕駛模式主要研究內容是采用單一飛行員駕駛模式，覆蓋雙乘員駕駛模式的駕駛操縱效率和品質，實現駕駛乘員最少化，消除飛行環境認識分歧和飛行任務組織決策沖突，減少飛行駕駛響應時間，建立航空公司操作員、地面空管控制員和飛機飛行員一體化協同模式，實現基于飛行計劃需求、基于空域交通、基于飛行狀態的空地飛行過程協同管理。

中國雖然在新一代商用飛機技術研究方面就有一定的進展，但研究目標主要集中在傳統飛機系統、能力和性能研究的基礎上[20]，與當前國內與世界先進飛行相比主要集中在能力和性能存在的差距方面，未開展商用飛機單一飛行員駕駛模式人-機知識和認知協同技術等面向下一代航空前沿技術的研究。

1 單一飛行員駕駛模式描述

1.1 SPO組織架構

飛行機組成員在民用航空運輸中有著非常重要的作用，需要依靠自己的能力來應對不斷變化的飛行環境和條件，作出合理的決策，操縱飛機并安全地完成飛行任務。飛行過程中，如果機組工作量與成員數量不匹配，可能會造成飛行員注意力不集中、懈怠任務的情況，嚴重時還可能造成機毀人亡的航空事故。CCAR 25部[21]及其附錄規定了針對最小飛行機組條款的適航要求。“最小飛行機組”是指在飛行駕駛艙的設備配置、布局等都已確定的情況下，機組成員沒有過度的注意力集中或者感覺到疲勞，并安全完成飛行任務時所需要的最小編制人數。長期以來，該條款被認為是民機駕駛艙人為因素問題的首要條款。

在目前的雙乘員駕駛模式下，雖然兩者都具備駕駛飛機的能力，但只有一人作為主駕駛，負責飛機飛行操作，即駕駛飛行員(Pilot Flying)，按照飛行計劃并實時監控飛行路徑和偏離情況駕駛飛機；另一位是非駕駛飛行員(Pilot not Flying)，負責協助主駕駛完成導航、通信、監視等工作，緩解主駕駛的飛行壓力；當主駕駛處于非正常狀態時，可以替代主駕駛完成駕駛飛行。因此，在雙乘員駕駛模式下，兩者通過語言、神態、肢體動作等方式相互溝通、合作安全完成飛行任務。CCAR 25部[21]中要求“最小飛行機組”應不少于2名飛行員，但作為駕駛飛行員的主駕駛只能有1名，不能2人同時駕駛飛機。這就表明在CCAR 25部中已經隱含了可以允許單一飛行員駕駛設計的主要元素。

單一飛行員駕駛模式是面向雙乘員駕駛飛行能力和安全性等級需求，通過建立飛行員+駕駛艙自動化系統+地面航空公司操控員協同模式。其主要運行思路為：① 確定飛行條件和模式，即針對飛行規范條件和非規范條件，建立飛行員+智能自動系統+地面操作員的責任和飛行能力，覆蓋雙乘員駕駛飛行過程環境；② 確定飛行員能力和狀態，即針對單一飛行員正常能力范圍和行為與非正常能力和行為，建立飛行員+駕駛艙自動化系統+地面操作員協同飛行員健康和行為管理，覆蓋雙乘員駕駛飛行操作模式；③ 確定人-機協同模式，其主要目的是針對人(飛行員)的知識和思維與機器的規則和邏輯，建立飛行員+駕駛艙自動化系統+地面操作員協同模式，覆蓋雙乘員駕駛獨立檢驗與確認能力；④ 確定單點故障狀態，其主要目的是根據飛行規范和不規范與飛行員能力正常和不正常狀態，建立飛行員+智能自動系統+地面操作員協同故障識別，覆蓋雙乘員駕駛過程單點故障處理能力。SPO模式組織架構圖如圖1所示。

單一飛行員駕駛模式的目標是針對飛行過程組織需求，根據飛行環境條件，依據飛行員能力狀態，構建飛行員標稱駕駛與飛行員正常能力條件、飛行員非標稱駕駛與飛行員正常能力條件、飛行員標稱駕駛與飛行員非正常能力條件以及飛行員非標稱駕駛與飛行員非正常能力條件4種模式，通過飛行員+駕駛艙自動化系統+地面航空公司操控員飛行駕駛協同模式，實現從起飛機場到目的機場飛行過程組織，覆蓋所有飛行階段、飛行環境、氣象條件、機場要求和系統能力與狀態，滿足雙乘員駕駛決策能力、效率和有效性需求，實現單一飛行員駕駛模式成本、可信性和安全性目標[22]。

SPO模式下雖然機上只有機長一名飛行員，但在駕駛艙自動系統中認知人機接口以及功能分配等智能分系統支持下，完成對機長注意力、疲勞度實時感知與功能分配，可以確保機長不會處于注意力不集中和疲勞狀態。同時，由于機上只有一名飛行員，其身體出現異常狀態的概率為10-6，而雙乘員駕駛模式下飛行員都處于異常狀態的概率為10-9。因此，SPO模式下可以通過地面操作員(包括遠程飛行員)在空地鏈路支持下以及駕駛艙自動系統支持下完成遠程飛行操作，可以確保安全完成飛行任務。

圖1 SPO模式組織架構

1.2 空地協同架構

單一飛行員駕駛模式有別于雙乘員駕駛模式的主要特點是建立在空地交聯的規劃-控制的系統組織模式之上的。由于機上沒有了副駕駛作為主駕駛備份，在飛行員處于非正常能力條件下，需要依靠駕駛艙自動化系統和地面操作員協同完成飛行。此時，在空地數據鏈路正常的條件下，地面操作員對飛機的安全飛行負全責。地面操作員通過操控臺實現遠程飛行任務規劃、組織和管理，有效地提升飛行運行和處理能力，實現地面飛行組織與管理；空中機載自動系統可以實現飛行環境信息采集、飛行狀態組織和飛行操作執行，以及飛行信息感知、飛行狀態組織和飛行系統管理，從而降低機載設備對飛行員操控的能力需求；空地數據鏈提供高速數據傳輸，可以提升空地協同能力，從而支持飛行環境感知和飛行任務決策能力。SPO模式下飛機-地面操作員協同架構如圖2所示。

SPO模式下的航空公司地面操作員與雙乘員駕駛模式下的地面簽派員不同，不僅需要完成簽派工作，還需要針對機上單一駕駛飛行員身體狀態和駕駛規范協助飛行員完成安全飛行。在機上單一飛行員處于非正常身體狀態時可以遠程作為“副駕駛”駕駛飛機，確保安全飛行。根據具體的工作職責，單一飛行員駕駛模式下的地面操作員可以分為以下4類[23]，如圖3所示。

1) 遠程飛行員，在機上單一駕駛飛行員不在崗位上(去洗手間)或者身體處于非正常狀態下，代替機上飛行員遠程駕駛飛機，在機載自動系統協助下遠程駕駛飛機完成飛行任務。

2) 港口飛行員可以不具備遠程駕駛能力，在機上單一駕駛飛行員專注于駕駛飛機完成場面運行、滑行、起飛、進近、降落時，協助機上飛行員完成監視、告警等任務；如果機上飛行員處于非正常狀態時，需要遠程飛行員參與，完成遠程駕駛。港口飛行員也可以具備遠程駕駛能力，當機上飛行員處于非正常狀態時，在機載自動系統協助下遠程駕駛飛機完成飛行任務。

圖2 飛機-地面操作員協同系統架構

圖3 SPO模式下地面操作員角色

3) 混合地面操作員是在現有航空公司簽派員的基礎上，還可以協助機上單一駕駛飛行員完成監視、飛行計劃更改等任務。為了降低航空公司成本，混合地面操作員在機上飛行員處于健康狀態以及標稱駕駛下，可最多同時協助多架飛機。因此，混合地面操作員不具備遠程駕駛能力，如果有單一駕駛飛行員需要遠程協助，混合地面操作員將專注于這一架飛機，并且角色轉換為專一地面操作員。

4) 專一地面操作員是在單一駕駛飛行員處于非標稱駕駛或者緊急事務處理(發動機失效、液壓失效、嚴酷氣象條件等)，機上飛行員工作負擔加重，需要一對一協助飛行員完成飛行任務；如果飛行員精神極度緊張，失去正常駕駛能力時，可以在駕駛艙自動系統支持下，遠程控制飛機并安全完成飛行。

在單一飛行員駕駛模式下，地面操作員在地面控制臺的支持下，將完成以下功能：

1) 地面控制臺任務規劃與空中機載信息組織協同。地面控制臺和空中機載控制系統根據飛行任務規劃，建立飛行任務組織、運行和管理通用共享信息平臺，支持飛行任務需求；根據飛行任務構成，建立飛行環境、條件和狀態通用共享信息平臺，支持飛行任務組織；根據飛行任務的運行，建立飛行管理、通信、監視通用共享信息平臺，支持飛行任務管理。

2) 地面控制臺任務運行管理與空中機載飛行狀態組織綜合。地面控制臺和空中機載控制系統根據飛行環境狀態，建立飛行任務、能力和目標通用共享信息平臺，確定任務處理需求，支持任務選擇決策；根據任務運行狀態，建立飛行任務運行、性能和結果通用共享信息平臺，確定任務運行性能，支持任務控制決策；根據任務處理狀態，建立飛行功能類型、能力和品質通用共享信息平臺，確定功能處理過程，支持任務處理決策。

3) 信息共享平臺與飛行任務需求決策。地面控制臺和空中機載控制系統根據信息平臺共享能力，建立飛行任務需求、任務組織和任務決策模式，確定決策與飛行使命的適應性；根據信息平臺覆蓋能力，建立飛行任務需求、任務組織和任務決策范圍，確定決策與飛行環境需求的適應性；根據信息平臺組織能力，建立飛行任務需求、任務組織和任務決策效率，確定決策與飛行目標需求的適應性。

2 單一飛行員駕駛模式的協同交互

2.1 雙乘員駕駛模式下的協同交互

已知飛行管理是飛機飛行員、空中交通管制(ATM)系統空管員和航空公司簽派員(簡稱飛機-空管-航空公司)協同管理過程。其中，航空公司是飛機使用方，負責飛行計劃組織；空管系統是空域管理方，負責空域交通和飛機航路管理；飛行員是飛機的操作方，負責面向飛行計劃和許可的駕駛。因此，建立什么樣的飛機-空管-航空公司協同模式，既符合各方的需求，又滿足各方的利益，同時還可得到各方當前處理功能和服務的能力支持，是飛行過程組織和管理首要解決的問題。

飛機-空管-航空公司協同模式提供自動飛行運行、飛行性能、飛行狀態、飛行航跡和航路氣象信息交換功能，支持飛機飛行管理系統飛行組織、空管系統空域航路組織和航空公司運營控制(AOC)飛行計劃組織，提供精確地飛行航跡預計和評估，支持飛行環境的態勢評估，提升飛行過程決策能力。

在飛機-空管-航空公司協同模式中，飛機部分由飛行管理系統(FMS)、座艙顯示系統(Cockpit Display System)和通信系統(Communication System)構成，其中，飛行管理系統負責提供飛機橫向、縱向和垂直位置、飛行意向和飛行航跡等參數；空管部分由空管自動處理系統(Automation System)、交通流量管理(TFM)和扇區控制站(ATSP-CS)構成，其中，空管自動處理系統負責飛行航跡預計、航路氣象預測和飛行航跡決策，交通流量管理負責飛行航路沖突分析、飛行航路分配和空域流量管理，扇區地面站負責飛行命令與許可交互、空/地通信管理和扇區控制。雙乘員駕駛模式下的飛機-空管-航空公司協同模式系統架構如圖4所示。

飛機-空管-航空公司協同模式的目標是協同組織和管理飛機的飛行過程，如圖4所示。其飛機的飛行過程建立在三方通信和管理的基礎上。飛機-空管-航空公司協同模式通過空/地數據鏈和地/地數據鏈實現它們之間的交聯，根據系統的功能和要求定義它們之間的通信消息和類型。空/地數據鏈是建立在地面空管系統空管員與飛機飛行員數據通信鏈路(CPDLC)和自動相關監視廣播(ADS-B)數據鏈的基礎上，支持上傳消息(Uplink Messages)、下傳消息(Downlink Messages)和自由格式消息(Free Messages)。地/地數據鏈是地面航空通信網絡(ATN)，支持航空空中交通服務(ATSP)的所有的功能。其中，FMS通過CPDLC自動下傳和接收飛行信息，如飛行狀態、飛行意向和航路氣象數據等參數，以及空中測量的航路氣象數據，加載地面航空公司和空管上傳的數據。ADS-B給地面和空域臨近飛機傳輸飛機費飛行狀態和飛行意向數據，支持飛行決策系統。空管系統自動加載和處理航空公司傳輸的飛行計劃請求信息，通過決策系統實現飛行航跡依據和改進，并通過飛機通信尋址與報告系統(ACARS)數據鏈將飛機發送的氣象數據與地面預報的氣象數據綜合，完成航路氣象預測，并提供向飛行員通知(NOTAM)服務。

圖4 飛機-空管-航空公司協同系統架構

飛機-空管-航空公司協同模式可以提升空管系統飛機飛行航跡的依據能力和空域交通態勢，增強了空域交通排序、調度和航路計劃調整，提高潛在飛行沖突檢測、評估和解決能力，有利于減少飛機飛行間隔緩沖以及提高空域利用率。同時，飛機-空管-航空公司協同模式通過空域氣象信息數據交換，可以改進現有飛機FMS預測能力，增強飛行過程和飛行航跡意向符合性。另外，自動信息交換和加載不僅可以提升系統決策和處理效率，也可以減少飛行員、空管員和航空公司操作員的工作負荷。

2.2 單一飛行員駕駛模式下的協同交互

單一飛行員駕駛模式的重要目標和前提是覆蓋雙乘員駕駛模式的飛行操縱過程和安全能力保障。已知雙乘員駕駛模式一個重要的特征是人-人交互決策模式，即主駕駛和副駕駛獨立感知和認知交互決策；而單一飛行員駕駛模式重要特征是人-機交互決策模式，即單一飛行員的能力和認知與機器(智能設備)的規則和邏輯交互決策。同時，SPO模式下飛行員存在標稱和非標稱駕駛，以及正常能力和非正常能力駕駛。

飛行員按照標稱(Nominal)/非標稱(Off-Nominal)駕駛是描述飛行員操作過程結果與飛行許可的符合性和飛行員操作過程狀態與飛行操作需求的符合性，是描述飛行過程中飛行員操作過程非邏輯和故障操作狀態。如飛行操作輸出的航跡與航跡預測(含誤差容限)的符合性、飛行員飛行過程操作與飛行包線的符合性。正常(Healthy)/非正常(Incapacitated)駕駛能力是描述飛行員在飛行過程中自身身體條件是否可以達到操控飛機的能力。如在飛行過程中飛行員發病或離崗(去洗手間)過程。

在飛行員具備正常能力和標稱駕駛的條件下，地面操作員只配合飛行員完成相關監視任務即可，地面操作員通常可以同時監視多架飛機。在非標稱駕駛下，地面操作員根據復雜程度，協助飛行員完成操作，極端情況下一對一完成。當飛行員不具備正常駕駛能力時，由地面操作員將通過地面網絡與空管系統進行交互，并與駕駛艙自動化系統協同完成飛行任務。

因此，單一飛行員駕駛模式針對復雜的飛行條件(標稱和非標稱駕駛)，依據變化的單一飛行員能力(正常和非正常)，建立飛行員的知識和認知空間與機器的規則與邏輯空域通過交互推演(智能化)，構建覆蓋雙乘員駕駛模式飛行過程組織和能力，并保證飛行性能和安全。因此，建立人-機交互決策能力且覆蓋人-人交互決策模式是單一飛行員駕駛模式核心技術，如圖5所示。

由于SPO模式下機上僅有一名飛行員，并且是機上唯一掌控飛機飛行的操作員，機上飛行員的駕駛能力以及身體狀態對于安全飛行十分重要。通過智能化機載設備可以對飛行員駕駛規范進行實時監控，判斷是否處于標稱駕駛狀態；同時，通過認知人機接口(Cognitive Human-Machine Interface)對飛行員身體狀態進行實時監控，判斷飛行員是否處于身體正常狀態。針對飛行員駕駛規范以及身體狀態，SPO模式下可以動態分配加上飛行員執行的功能，必要時可以調整飛機的掌控權，確保安全飛行，如圖6所示。

當機上單一駕駛飛行員身體處于健康狀態，并按照標稱駕駛完成飛行操作時，機長在駕駛艙自動系統輔助下掌控飛機。此時，地面操作員角色為混合地面操作員，其在地面自動系統協助下，負責監視、簽派等工作，可最多同時協助20架飛機飛行。

當機上單一駕駛飛行員身體處于健康狀態，但由于特殊原因(例如，單發失效、液壓故障、嚴酷天氣等)飛行員操控處于非標稱駕駛，需要地面操作員提供協助完成安全飛行。此時，地面操作員角色為專一地面操作員，對飛機提供一對一協助，之前按照混合地面操作員同時協助的飛機將移交給其他地面操作員處理。此時的地面操作員角色為被協助飛機的“遠程副駕駛”。但此時仍由機上單一駕駛飛行員在駕駛艙自動系統輔助下掌控飛機。

當機上單一駕駛飛行員身體處于非正常狀態，但飛機還處于標稱駕駛狀態下時，機長不再負責掌控飛機；此時，地面操作員角色為遠程飛行員，其在駕駛艙自動系統執行自動控制程序協助下掌控飛機，并對飛機飛行安全負責。

當機上單一駕駛飛行員身體處于非正常狀態，飛機同時還處于非標稱駕駛狀態下時，機長同樣不再負責掌控飛機；此時，地面操作員角色為遠程飛行員，其在駕駛艙自動系統執行自動控制程序協助下掌控飛機，但需要結合非標稱駕駛的原因來判斷飛行安全負責權。如果空/地鏈路通訊不暢時，地面操作員無法正常掌控飛機，不對飛機飛行安全負責。此時，飛機將在座艙自動系統按照緊急著陸規劃(Emergency Landing Planner)執行自動程序，自動完成緊急著陸。

圖5 SPO協同系統架構

圖6 SPO空地操作授權

3 單一飛行員駕駛模式的飛行過程組織

飛行過程組織是飛行管理基本活動組織。飛行過程組織是基于用戶飛行需求、空域交通環境和飛機飛行狀態的綜合過程組織。已知飛行過程管理是基于飛行計劃需求，根據空域交通管理，依據飛行狀態的綜合管理過程。其中，航空公司負責飛行使用需求，建立和調整飛行計劃，提供飛行航路氣象狀態，監視飛機航跡和應急過程；空管系統負責空域交通管理，監視飛機當前飛行狀態，評估飛機飛行航路計劃，提供飛行許可管理；飛行員負責飛行計劃識別、飛行環境感知、飛行任務組織和飛行操縱控制過程。也就是說，飛行過程組織是建立航空公司、空管系統和飛行員協同飛行管理的基礎上，形成的飛行過程活動。

因此，對于單一飛行員駕駛模式下的飛行過程來說，飛行過程是一組基于飛行計劃組織、面向飛機應用目標，針對當前空域交通環境，依據飛機自身能力，通過飛行員、空管系統和航空公司地面操作員三方協同管理，滿足三方需求的一系列飛行應用活動組織。航空電子系統[24-25]針對飛行過程組織和管理的需求，通過構建飛機使命的飛行計劃組織，提供飛行目標的飛行引導能力，從而建立飛行環境的條件限制、確立飛行狀態的能力組織構型、組建整個飛行綜合條件的飛行過程，最終形成支持飛行過程各個利益方——飛機、空管和航空公司協同組織與管理模式。

3.1 飛行計劃與動態飛行計劃

已知任何飛行過程都是有計劃的，或者說所有的飛行過程組織和管理都是建立在飛行計劃組織、執行和管理的基礎上。飛行計劃主要任務是：① 確定了飛行的使命，包括飛行航程、客載和商載、飛行航線、飛行時間；② 明確了飛行的目標，包括起飛機場、降落機場、起飛時間、飛行距離；③ 確 定了飛行的條件，包括飛行航路、飛行管理數據庫、水平/垂直引導、導航模式；④ 組建了飛行的模式，包括飛行路徑、飛行性能、航跡預測、計劃管理。

單一飛行員駕駛模式下的飛行過程組織與管理是在飛行計劃的基礎上，根據飛行空域交通管理，依據飛行航路氣象條件，針對飛行計劃運行狀態和適應能力，通過飛行員、空管員和航空公司地面操作員三方協同，實現基于飛行計劃的飛行過程組織和管理。

已知任何計劃都是事先定義的，也就是說，飛行計劃是在建立飛行過程組織和運行之前，是建立在空域交通環境和航路氣象條件以及飛行能力和性能預期的基礎上。由于空域交通環境和航路氣象條件以及飛行能力都是實時動態變化的，這種實時動態變化在任何時刻都可能造成原飛行計劃不適應，必須在飛行過程進行實時飛行計劃修改和調整才能滿足當前有效和安全飛行過程要求。這就是說，飛行計劃是飛行組織的基礎，動態飛行計劃是飛行管理的保障。SPO模式下的飛行計劃管理由機上飛行員發出指令，航空公司地面操作員應該根據飛機飛行過程實時情況，并結合機上飛行員駕駛情況(標稱/非標稱駕駛)和身體情況(正常/非正常駕駛)按需協助飛行員完成飛行計劃動態調整，確保飛行的安全性。單一飛行員駕駛模式下飛行計劃與動態飛行計劃組織架構如圖7所示。

3.2 機場場面運行過程

機場場面運行是飛機飛行階段重要的組成部分。在飛行基礎設施組成中，如航線、空域、衛星和機場等，機場資源(終端空域)能力和場面運行有效性是飛機飛行過程組織和飛行過程運行的核心能力與重要組成部分。特別是大都市高密度起飛和降落機場，機場場面運行能力、效率、確定性和安全性不僅影響飛機自身的目標需求，同時影響整個區域的運輸能力和效率。因此，機場場面運行組織和管理一直受到特別的關注。

隨著飛行運輸能力的高速發展，特別是對于大都市高密度起降機場，機場場面的交通環境復雜性急劇增加，直接影響機場場面運行能力、效率和安全性。這種影響主要反映在以下幾個方面：① 由于機場場面獨立運動載體急劇增加，直接導致機場跑道入侵的概率增加，機場場面滑行沖突增大，飛機滑行過程時間增長，飛機滑行效率降低；② 由于機場場面獨立運動載體獨立性和多樣性，飛機滑行的確定性和可預測性降低，滑行過程啟停增多，增加了滑行燃油和排放，增大了對機場空域環境的影響；③ 由于機載旅客擺渡車輛、行李車輛、加油車輛、應急車輛的獨立運行過程，大大增加機場場面滑行的擁擠，限制了飛機滑行的效率；④ 由于機場惡劣氣象條件的運行需求，如大霧、霧霾和低能見度，限定了飛機滑行過程，增加了飛機滑行間隔，降低了機場起飛調度能力；⑤ 由 于傳統的非一體化和有限的機場場面環境管理模式，如飛行員自主滑行管理模式，基于視覺飛機滑行監控能力，基于滑行許可的機場跑道排序組織，基于起飛許可的機場跑道運行狀態，以及獨立的機場到達和起飛管理，大大增加了飛機滑行沖突可能性，增加了機場場面交通環境復雜性，降低了機場場面運行效率和安全性。因此，必須在單一飛行員駕駛模式基礎上建立機場場面交通運行和管理能力，以滿足航空高速發展的需求。

圖7 SPO模式下飛行計劃與動態飛行計劃組織架構

機場場面運行管理是根據機場場面交通環境，針對機場獨立運動載體的目標需求，依據機場活動區域能力狀態，面向機場交通運行組織，提升機場場面運行能力、效率和安全性，實現機場場面運行滿足空域流量組織最大化要求。在單一飛行員駕駛模式下，可依靠座艙智能自動系統與機場場面管理軟件通信協同完成場面管理，同時航空公司地面操作員在地面配合機長完成場面監視等任務；如遇到特殊情況，例如跑道入侵，協同飛行員完成相關操作。單一飛行員駕駛模式下的機場場面運行管理組織架構如圖8所示。

3.3 起飛和降落飛行過程

起飛和降落飛行過程是飛機進入航線飛行和進入終端到達的過程，是飛機飛行狀態調整和交通環境管理最為重要的階段，也是飛行燃油消耗和安全性影響最大的階段。起飛和降落過程是不僅對飛行航路組織、飛機運行效率和終端空域交通管理提出了強烈的需求，同時對飛機飛行計劃目標、終端交通流量和機場運行效率產生很大的影響。特別對于大都市高密度起飛和降落機場，起飛和降落能力對機場吞吐率、跑道利用效率和過程安全性都具有非常大的影響。因此，起飛和降落運行組織和管理是單一飛行員駕駛模式下飛機飛行過程最為關注的飛行階段。

起飛和降落飛行過程的目標是根據飛機的飛行計劃需求，提供靈活飛行航路選擇，支持用戶偏好請求，提供動態環境適應，滿足實時飛行環境變化，支持惡劣氣象回避，消除起飛和到達飛行航路擁擠，降低機場空域交通流量飽和，建立更加靈活、精確和面向用戶(飛行員)意愿的起飛與降落航路，支持安全保證的靈活和有效起飛和降落過程。

依據美國下一代空管系統計劃(NextGen)和歐洲單一天空計劃(SESAR)，新一代單一飛行員駕駛模式下的起飛和降落飛行過程需要支持連續爬升和連續下降過程。即建立連續爬升和連續降落過程組織與管理，通過智能自動系統減少單一飛行員操作負擔，減少階梯爬升和降落過程的盤旋等待，支持空域能力最大化，提升起飛和降落航路的效率，降低了燃油和排放。同時，新一代單一飛行員駕駛模式下的起飛和降落過程支持起飛過程和降落過程與機場場面管理綜合。即通過座艙智能自動系統達到起飛過程與機場場面管理的綜合，通過與航路臨近空域空管站同步，消除進入飛行航路沖突，建立更加平滑的起飛過程，提升爬升過程流量和效率；通過座艙智能自動系統達到降落過程與機場場面管理的綜合，即通過場面交通跟蹤和控制，提供了更加靈活的跑道使用平衡，支持優化機場場面和機場空域資源分配，降低飛行降落跑道占用時間，提升起飛運行靈活性和降落效率。

圖8 SPO模式下機場場面運行管理組織架構

單一飛行員駕駛模式下的起飛和降落飛行過程是基于航空公司地面操作員或飛行員的請求，通過與空管系統的協同，建立飛行目標、飛行環境和空域交通相互平衡的飛行航跡需求組織。起飛和降落航路是建立在飛行員或航空公司地面操作員請求與空管系統組織的協同基礎上。由于起飛和降落是強實時過程，航路的組織是由跑道起飛離地節點(TTF)到爬升頂點(TOC)或降落頂點(TOD)到進近初始節點(IAF)過程構成，飛行航路調整主要是基于其氣象危害或應急處理需求，飛行航路調整協同過程是基于飛行員的飛行環境感知、請求和確認與空管系統構建、評估和監視。在飛行員需要幫助的條件下，航空公司地面操作員將參與起飛和降落航路調整的協同過程。

起飛和降落飛行過程一般分為階梯起飛爬升和到達降落過程與連續起飛爬升和到達降落過程。所謂階梯起飛爬升和到達降落過程是基于空域高度狀態管理的飛行爬升和降落組織過程，是依據飛行爬升和下降空域飛行高度層的劃分，建立面向飛行高度空域運行狀態管理，協同飛機爬升過程組織。所謂連續起飛爬升和到達降落過程是基于飛行航跡管理的飛行爬升和降落組織過程，是依據飛機運行航跡(TBO)組織，建立面向飛機飛行航跡的運行狀態管理，協同飛機爬升過程組織。

單一飛行員駕駛模式下的起飛和降落飛行過程組織是根據飛行計劃，針對空域惡劣氣象和風力感知環境，通過空管系統與飛行員或航空公司地面操作員協同，在座艙智能自動系統支持下提供靈活的航路選擇，提前規劃空域航路擁擠和惡劣氣象環境的優化路徑，降低在爬升最高匯集定點(TOC)和降落進近匯集點(IAF)分散和沖突，從而提升決策準確性和效率，并確保飛行的安全性。單一飛行員駕駛模式下的起飛和降落飛行過程組織架構如圖9所示。

3.4 陸基航路飛行過程

陸基航路(Continental En Route)飛行過程是依據飛行計劃，基于區域導航(RNAV)引導、地面雷達監視覆蓋、地面通信服務支持和地面空域交通管理的長航時飛行過程。從整個飛行階段組成來看，機場空域起飛爬升過程、到達降落過程和機場場面滑行過程對飛機飛行過程流量和效率產生很大影響，但從飛機整個飛行過程來看，由于飛機起飛和降落時間較短，這些影響對整個飛行過程占的比例有限。陸基航路飛行是長航時的。對一般大都市之間飛行來說，陸基航路飛行距離和時間遠遠超過機場起飛和降落過程(洋區空域飛行一般說來更長，在這里主要是討論陸基航路飛行，洋區空域飛行在3.5節討論)。由于陸基飛行距離和時間都比較長，而空域交通狀態和氣象條件是實時變化的。因此，陸基航路飛行將會遇到各種各樣交通管理和氣象條件，任何交通狀態，如交通擁擠、沖突和偏離，任何氣象條件，如雷暴、逆風和對流，都會對陸基航路飛行過程產生很大影響，從而直接影響整個飛行過程效率、成本和收益。因此，如何建立有效陸基航路飛行過程，降低空域交通環境和氣象條件的影響，提升飛行能力和效率，一直是飛行過程組織研究的重要領域。

圖9 SPO模式下起飛和降落飛行過程組織架構

同洋區空域飛行相比，陸基航路飛行主要特征是具有空管地面站(ATSP-SC)、通信地面站、導航地面站和地面監視雷達支持。其中，有空管地面站提供飛行扇區與進入和飛出飛行的飛機交互和管理；通信地面站提供空域和航空公司與飛機語音通信和數據鏈；導航地面站(如地面無線電信標機/地面測距儀)提供飛行位置和飛行引導支持能力；地面監視雷達提供飛機飛行狀態和航跡監視能力。同時與洋區空域飛行一樣，全球導航衛星系統(GNSS)、全球移動通信系統(海事衛星和銥星)、全球氣象服務系統(氣象衛星)以及星基、空基和地基增強系統等也提供對陸基航路飛行的支持和服務。

單一飛行員駕駛模式下的陸基航路飛行過程是基于飛行時間長和空域交通與航路氣象實時變化的現象，針對空域的使用效率需求，在座艙智能自動系統支持下建立動態航路選擇和組織的能力，支持靈活空域航路組織，消除空域交通橫路擁擠，回避實時航路氣象危害；針對飛行航路優化組織的需求，在座艙智能自動系統支持下建立基于用戶偏好飛行航跡，優化飛行航跡，回避航路沖突和降低條件約束，增強飛行性能，提高飛行效率；針對飛行引導需求，在座艙智能自動系統支持下建立基于導航地面站(如地面無線電信標機/地面測距儀)和衛星組合導航系統，提供基于性能導航(PBN)能力，支持基于航跡引導的高精度導航路徑組織，提升飛行引導能力和精度；針對飛行狀態監視需求，構建基于航跡運行的飛行容限，在座艙智能自動系統支持下建立飛行狀態、地面雷達和機載雷達對飛行、交通和氣象的綜合監視，支持飛行告警和協同飛行過程組織，提供飛行安全性和有效性；針對空域特殊使用區域(SUA)需求，在航空公司地面操作員協助下建立空域特殊使用區域(SUA)計劃和協同機制，支持規避、隔離、監視和協同管理模式，有效保證空域特殊使用區域(SUA)防護要求，同時提供空域利用率。單一飛行員駕駛模式下的陸基航路飛行過程組織架構如圖10所示。

圖10 SPO模式下路基航路飛行過程組織架構

3.5 洋區空域飛行過程

洋區空域飛行(Oceanic Flight)主要是描述2個大陸之間的越洋飛行過程。洋區空域飛行的主要特征是：長航時飛行過程、無地面設施支持和無地貌飛行感知。洋區空域飛行的這些特征使之飛行過程具有特殊的需求和模式。

長航時飛行過程是洋區空域飛行的重要特征。前面介紹的陸基航路飛行具有長飛行時間的特征是相對起飛爬升和降落進近過程而言的。陸基航路飛行是描述內陸飛行過程，飛行時間一般為1～4 h或1～5 h，通常是在同一個國家空管系統管理的空域環境中飛行；而洋區空域飛行是描述大陸之間的海洋空域飛行過程，飛行時間一般長達到10 h左右，通常是穿越多個國家空管系統的空域。由于洋區空域飛行的長航時特征，飛行航路的氣象條件和交通狀況不可能保持不變，也就是同一個飛行高度和固定的飛行航路不可能提供和維持優化飛行過程。因此，在洋區空域飛行計劃航路組織過程中，根據氣象預報規劃不同階段的飛行高度。在飛行過程中，支持動態飛行高度調整，支持動態機動穿越和支持授權自主管理模式。

無地面設施支持是洋區空域飛行的另一重要特征。由于是在洋區空域飛行，海平面上沒有地面飛行支持設施。如地面空管控制站、通信服務地面站、地面無線電信標機(VOR)、地面測距儀(DME)和地面監視雷達。除了高頻通信(HF)外，飛行過程管理是建立在基于衛星的通信、導航和監視的空管系統(CNS/ATM)基礎上。由于目前通信衛星(海事衛星和銥星)的通信帶寬和性能限制，導航衛星的區域和完好性要求，空中主動詢問應答的范圍和性能條件，對洋區空域飛行組織和管理帶來較大的影響。因此，洋區空域飛行組織和管理的能力和性能建立在基于衛星通信鏈路(SATCOM)消息傳輸所需通信性能(RCP)、基于導航衛星能力組織的所需導航性能(RNP)和基于衛星飛行狀態傳輸(ADS-C)所需監視性能(RSP)綜合的基礎上，構建洋區空域飛行組織、引導、監視和管理過程。

無地貌飛行感知是描述洋區空域飛行的飛行員駕駛環境。已知在洋區空域飛行過程中，飛機前方和下方通常都是一片無盡的海洋，無任何地貌特征。駕駛艙顯示系統只提供駕駛操作模式圖，沒有地貌特征的數字地圖。飛行員駕駛過程中無法獲取駕駛窗外視覺感知，只能通過駕駛艙顯示儀表實施飛行計劃和飛行任務觀測，通過機載主動詢問和應答完成附近空域交通環境的感知，通過完成機載導航和監視完成飛機狀態的監視，通過衛星通信鏈路完成與空管的協同決策。因此，洋區空域飛行組織和管理能力和性能是建立在飛機機載設備的功能和性能的基礎上，提供飛行員駕駛過程的感知、操作和控制能力，實現構建洋區空域飛行過程的組織和管理。

單一飛行員駕駛模式下的洋區空域飛行過程是針對洋區空域運行環境，根據洋區航路運行過程能力特征，在座艙智能自動系統支持以及航空公司地面操作員協同下建立面向洋區空域航路能力和飛行需求平衡的飛行計劃組織過程，構建均衡航路負荷的飛行計劃過程，提供基于能力的飛行計劃組織、基于狀態的飛行計劃組織和基于過程的飛行計劃組織，有效地平衡洋區空域飛行航路的負荷；針對洋區空域航路交通環境，根據洋區航路沖突和約束，在座艙智能自動系統支持以及航空公司地面操作員協同下建立用戶偏好航路組織能力過程，支持基于用戶偏好洋區空域航路規劃協同組織和管理，消除航路沖突和限制，有效提升洋區空域飛行航路能力；針對洋區空域航路飛行高度交通擁擠和氣象約束，根據洋區空域航路其他高度交通狀態和氣象條件，在座艙智能自動系統支持以及航空公司地面操作員協同下建立自主飛行高度調整機動過程，規避了原飛行高度的氣象狀態和航路沖突的影響，有效利用洋區空域空間能力；針對洋區空域航路飛行模式，根據洋區空域交通環境和氣象條件復雜性，在座艙智能自動系統支持以及航空公司地面操作員協同下建立洋區空域的沖突自主機動穿越過程，支持洋區空域航路沖突飛行航路自主調整和運行，有效提升洋區空域飛行過程效率。單一飛行員駕駛模式下的洋區空域飛行過程組織架構如圖11所示。

圖11 SPO模式下洋區空域飛行過程組織架構

4 SPO遠程操控演示驗證系統

為了達到3.2節描述的SPO模式空地協同交互過程，SPO模式下對于飛機座艙自動系統以及操控模式相對于現有機型來說，有較大設計改動，主要包括以下2點：① 座艙中需要增加認知人機接口來實時采集飛行員身體狀態數據，通過分析和功能分配確保飛行員不會由于工作負荷大而處于精神緊張狀態，確保安全飛行；② 航空公司地面操作員可以遠程輔助機上駕駛員完成監視等相關工作，可以減輕機上飛行員工作負荷，甚至在身體出現非正常狀態時可以接替機上飛行員駕駛飛機并完成飛行。前者主要是通過在座艙中加裝腦電波監測、心電監測、呼吸監測等傳感器完成飛行員身體指標數據采集，后者主要是通過搭建地面管理系統，并通過空地數據鏈與機上座艙系統互聯，可以做到下傳飛行參數和視景及協同任務信息，上傳控制命令和協同任務信息。本節主要針對SPO模式下，飛行員處于非正常身體狀態，需要地面操作員在地面管理系統支持下完成飛機遠程操控的演示和驗證。

4.1 系統組成

整個遠程操控演示驗證系統架構如圖12所示。演示驗證系統由3部分組成：模擬飛機座艙、數據中轉站以及地面管理系統。模擬飛機座艙對真實飛機在空中飛行時的狀態進行仿真，可以接收來自數據中轉站的操控數據，并在虛擬的飛行環境中產生一系列飛行仿真數據；同時還集成了真實飛機座艙上的主要顯示界面和操作設備，并且加裝了前視攝像頭，可以接收外來數據，并在虛擬環境中飛行。模擬飛機座艙對真實飛機在空中飛行時的狀態進行仿真，并將攝像頭采集的數據通過數據中轉站發送到地面管理系統。

數據中轉站負責模擬飛機座艙與地面管理系統之間的數據通信，接收來自模擬飛機座艙的數據，經處理后轉發給地面控制站和運營監控中心；接收來自地面控制站的操控信息，處理后轉發給模擬飛機座艙。所有數據的收發都通過WIFI的方式完成。數據中轉站在演示系統中安裝在一臺筆記本電腦中，數據中轉站模擬的是飛機實際運營場景中的地面數據中轉站，負責飛機與地面管理系統之間的通信。

地面管理系統包括2部分：地面控制站和運營監控中心。地面控制站集成了飛行員在地面的操縱設備和操控信息發送站，地面操控設備包括側桿、油門桿、腳蹬、地面控制站顯示設備、機載攝像頭數據顯示設備。地面控制站顯示界面在一臺筆記本電腦上顯示，機載攝像頭數據由投影儀及幕布進行顯示操控信息發送站運行在一臺筆記本電腦上，負責獲取側桿、油門桿、腳蹬的操縱數據并發送給數據中轉站。

圖12 SPO模式下遠程操控演示驗證系統架構

運營監控中心根據界面上飛機的監控信息對飛機進行監控，與地面控制站協作對飛機進行遠程操控。運營監控中心負責對飛機的飛行計劃、性能曲線、數據監控、飛行儀表等進行監控。運行界面顯示在一臺筆記本電腦上。運營監控中心模擬的是飛機實際運營場景中的塔臺以及航空公司，在實際運營中地面控制站需要和運營監控中心協作完成對SPO飛機的遠程操控駕駛。

4.2 數據通信

本文通過4G網絡模擬衛星鏈路和空地數據鏈的方式建立SPO模式下遠程操控通信模塊完成數據通信，如圖13所示。使用3臺電腦分別作為操控信息發送站、數據中專站、運營監控中心，并通過蒲公英VPN進行組網，使用UDP/IP協議完成各臺電腦間的通信。

操控信息發送站運行接入程序或許設備信息，包括：手柄、踏板、油門，然后發送接收到的設備數據給數據中專站。數據中轉站作為空地數據中轉時，接收操控信息發送站獲取到的設備數據，并發送給仿真器，主要包括如下工作：

1) 初始化UDPClient，接收操控信息發送站的數據。

2) 初始化UDPClient，發送數據給模擬飛機座艙。

3) 設置遠程主機，連接到操控信息發送站。

4) 設置遠程主機，連接到仿真器。

5) 開啟線程，實現接收操控信息發送站的設備數據，并將數據發送給仿真器。

數據中轉站提供地面控制站以及運營監控中心數據中轉服務時，主要完成以下工作：

1) 初始化UDPClient，獲取仿真器數據。

2) 通過UDP獲取仿真器數據。

3) 將UDPSend和運營監控中心聯系起來。

4) 將UDPSendInstructure和操控信息發送站聯系起來。

5) 開啟線程，接收仿真器發出的數據并轉發給操控信息發送站和運營監控中心。

6) 監聽仿真器數據，接收到數據后，把數據轉換成結構體。

7) 將仿真器發出的數據轉發給操控信息發送站。

8) 將仿真器發出的數據轉發給運營監控中心。

4.3 驗證評估

為了對搭建的SPO模式下遠程操控演示驗證系統進行評估，邀請了中國東方航空公司波音777型機長1名、空客320型機長1名、簽派員1名，實際操作SPO遠程操控演示驗證系統。為了進一步增加操作界面的功能性和友好性，對整個系統的功能顯示界面進行了設計，如圖14所示。主要包括：航路組織規劃模塊、飛機外部環境感知模塊、飛機內部狀態感知模塊、視景信息管理模塊和通信數據管理模塊。其中：航路組織規劃模塊核心是飛行管理單元，其根據所上傳飛行計劃制定水平和垂直包線，并指揮飛行控制系統、燃油系統、引氣系統、導航系統等飛機系統按照既定的飛行航路進行作動和調整；飛機外部環境感知模塊主要負責感知飛機位置信息，并與通過大氣數據系統、慣性參考系統、機載收發機獲取的信息融合，通過數據鏈下傳至地面控制設備；飛機內部狀態感知模塊采集對飛機飛行安全較為重要的狀態信息，實現對貨機狀態的系統性感知，并通過雙向數據鏈實現與地面控制站的交互；視景信息管理模塊與通信數據管理模塊相連并記錄與下傳視頻形式的飛機前方視景信息；通信數據管理模塊負責對上下傳的數據進行管理與暫存，其與航路組織規劃模塊、飛機外部環境感知模塊、飛機內部狀態感知模塊、視景信息管理模塊相連進行機上信息的處理，與空地數據鏈相連對下傳信息進行轉發，同時其內部的校驗機制也將對數據的完整性和有效性進行保障。

圖13 SPO模式下遠程操控通信模擬系統架構

圖14 SPO模式下遠程操控功能顯示架構

通過2名飛行員和1名簽派員的實際操作，均表示在不考慮鏈路延遲的情況下，基本可以獲取到機上操作所具備的駕駛感受；同時，由于遠程駕駛和簽派員在本地協同工作，對于飛行計劃更改、緊急情況處理方面，相對于空地協同更為便利。

5 結 論

1) 闡述了單一飛行員駕駛模式系統組成及架構。

2) 對比分析了雙乘員駕駛模式和單一飛行員駕駛模式下飛行員+空管系統+航空公司三方協同過程。

3) 描述了在單一飛行員駕駛模式下商用飛機主要飛行過程組織架構，即飛行計劃與動態飛行計劃組織架構、機場場面運行過程組織架構、起飛和降落飛行過程組織架構、路基航路飛行過程組織架構、洋區空域飛行過程組織架構。

4) 對SPO模式下的遠程操作演示驗證系統進行了描述和驗證。