張同榮，魏志強，時統(tǒng)宇

（中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300）

一些小型私人和軍用飛機是由1 名飛行員駕駛的，根據(jù)國際民航組織(ICAO)和中國民用航空局(CAAC)的要求，大型飛機商業(yè)運輸至少需要兩名飛行員。隨著航空業(yè)不斷發(fā)展，飛機維護和燃油成本在運行成本中占比逐步下降，但機組人員成本占比則逐步提高，對航空公司運行經(jīng)濟性的影響越來越大。為控制機組人員成本，航空制造企業(yè)不斷探索依靠先進機載自動化設備和地面運行模式來實現(xiàn)單人制機組運行(SPO,single pilot operation)或無人駕駛運行模式。

美國國家航空航天局(NASA)在其航空安全計劃項目中開展了商業(yè)運輸航空SPO 模式研究[1]，并制定了一系列關鍵研究問題，以研究從雙人駕駛過渡到單人駕駛的可行性。歐盟第七框架計劃中的先進駕駛艙項目(ACROSS,advanced cockpit for reduction of stress and workload)也對SPO 模式進行了相關研究[2]，以確保SPO 模式下飛行員工作負荷及駕駛壓力不高于當前雙人制機組模式。美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)在其業(yè)界訓練標準(FITS,FAA industry training standards)計劃中對單人駕駛資源管理[3](SRM,single-pilot crew resource management)進行了相關研究，以確保飛行員能合理地利用機載自動化設備及地面組織機構的支持。在航空器制造商方面，波音公司擬在下一代客機上采用單人駕駛；空中客車公司一直在推動AI 和機器學習技術的發(fā)展，以應對民用大型飛機單人駕駛甚至無人駕駛飛機的可能。在推進SPO 實施的研究中，Stanton 等[4]使用認知工作分析法對雙人制機組工作進行認知分析，并對單飛行員的操作進行建模，推動公眾對單人制機組的接受。Huddlestone 等[5]結合使用操作事件序列圖和工作域分析技術，確定駕駛任務分配和需求，闡述了可由自動化設備代替的部分駕駛工作。Stimpson等[6]針對不同駕駛場景及地面協(xié)助情況，對單飛行員的工作負荷進行了評估。Liu 等[7]基于自適應知識的設備功能，提出了人機認知界面(CPAI,cognitive pilot-air craft interface)，協(xié)助1 名飛行員獨自完成現(xiàn)代商業(yè)運輸飛行中的關鍵任務。文獻[8-9]將雙人制機組飛行員分隔，研究空間分離對機組人員互動的影響，分析駕駛艙內減少1 名飛行員后的突出問題。Daniela 等[10]研究了單人制駕駛模式下，飛行員在不同飛行階段的疲勞狀況并提出了相應的緩解策略?？紤]到駕駛員失能的情況，文獻[11-12]對飛行員與地面支持機構間的溝通與決策進行分析，提出建立地面控制站。Bilimoria 等[13]分析了SPO 運行的場景及地面支持要求。以上研究主要集中在駕駛艙任務及認知負荷、人機交互方式、人因關系以及駕駛艙資源管理方面，對空地協(xié)同運行模式及地面支持方式等方面還未進行深入研究。

中國針對SPO 模式的研究剛剛起步。王淼等[14]基于主要飛行過程，研究了SPO 模式下的飛行駕駛與操控演示驗證技術。張炯等[15]對單人駕駛模式進行了設計及測試，研究不同測試環(huán)境下機上飛行員的感官差異。隨著中國勞動力成本持續(xù)上漲，在商業(yè)航空運輸方面，迫切需要開展SPO 自動駕駛、自主飛行、人機交互、協(xié)同支持、超控干預等運行技術和運行模式的研究，以降低人力成本，提高飛行安全。

基于SPO 對安全冗余的要求，針對航空公司地面運行控制工作提出的新要求，分析了駕駛艙人制變化歷程，構建出SPO 運行的典型場景，進行空地協(xié)同運行模式設計，對地面運行支持職能及關鍵崗位的職責進行了重新設計，指出SPO 需解決的關鍵技術，為構建新一代客機SPO 空地協(xié)同運行模式提供參考。

1 單人駕駛艙的典型場景分析

1.1 駕駛艙人制變化歷程

飛機最早是單人制單座機，其飛行事故概率遠高于后期的多座機。因此，多人駕駛飛機成為保證飛行安全的重要手段。20世紀50年代，大型飛機駕駛艙通常包括機長、副駕駛、機械員、通訊員和領航員5 名機組成員。隨著航空通信、導航設備以及航空發(fā)動機和監(jiān)控設備不斷進步，通訊員、領航員和機械員逐漸退出，駕駛艙演變?yōu)殡p人制機組模式。在先進機載設備和雙人駕駛艙功能布局條件下，雙人駕駛模式形成了新的操作程序及機組資源管理模式，不僅提高了飛行安全性，降低了機組工作負荷，而且降低了機組人員成本，提高了經(jīng)濟效益。

波音公司準備在無人駕駛客機技術實用化之前，推出SPO 模式，作為無人駕駛的銜接和過渡。在SPO模式下，可能會出現(xiàn)飛行員需要地面操作人員幫助和配合，以解決復雜問題的情況。另外還存在飛行員失能的問題，這需要地面支持人員遠程操控先進駕駛艙智能自動化設備來解決。

1.2 單人駕駛艙的典型運行條件

SPO 運行方案(ConOps,concept of operations)是SPO模式下空地協(xié)同運行模式的重要基礎。一般而言，SPO ConOps 不僅包括其組成結構及特征，還應在現(xiàn)實背景下對其整體綜合特征進行表述。SPO 由人和先進的智能駕駛艙自動化設備共同駕駛和操控飛機，即“人機共駕”，這里的“人”不僅是指飛行員，還包括地面飛行管理/控制(GFMC,ground flight management or control)人員。因此，SPO ConOps 涵蓋人與自動化設備兩方面的角色和責任，以及“人-人”、“人-機”的交互運行程序。“人”和“機”的角色、職責、程序特征及分配將部分取決于運行條件，包括飛行員狀態(tài)和飛行條件。基于此，可將SPO 的運行條件劃分為4 個基本類別，如圖1所示。

圖1 SPO 運行條件分類Fig.1 SPO operating condition classification

對于運行條件1，在常規(guī)飛行條件下，飛行員狀態(tài)正常，飛機進入自動駕駛狀態(tài)，飛行員行使機長職責，對飛行進行監(jiān)控，必要時輸入控制命令，由駕駛艙自動化設備執(zhí)行，這種情況不需要地面運行人員提供一對一協(xié)助，地面可提供一對多的信息支持（傳統(tǒng)簽派職責）。對于運行條件2，飛行條件變復雜，駕駛艙自動化設備可能需要機長干預操作。如果干預工作負荷較高，機長可請求地面支持人員提供一對一駕駛支持。在運行條件3 情況下，飛行員狀態(tài)受到限制（甚至失能），這時需要地面支持人員替代飛行員并履行機長職責，監(jiān)控駕駛艙自動化設備的操作，保障飛行安全。運行條件4 比條件3 更加惡劣，飛行員狀態(tài)受限，且飛行條件復雜。駕駛艙自動化設備執(zhí)行控制命令，但需要人工干預，此時地面支持人員可能需要專業(yè)飛行人員（如不執(zhí)行飛行任務的飛行員）行使機長職責，遠程干預控制飛機，并就近著陸。

在SPO 空地協(xié)同運行模式下，如果飛行員失能，則需要宣布緊急情況并由空管為該飛機提供空域安全服務，由地面支持人員與智能自動化設備交互工作來操控飛機就近著陸。SPO 空地協(xié)同運行模式的實施，需要足夠的安全可信度及冗余性，這也是其運行實施中最重要的成本。

2 空地協(xié)同運行模式研究

2.1 模式設計及職責分析

實施SPO 空地協(xié)同運行模式所面臨的重要挑戰(zhàn)就是需要取得與傳統(tǒng)雙人制機組同等的安全可信度及運行效率。商業(yè)運輸航班從雙人制機組轉變?yōu)閱稳酥茩C組運行時，應當仔細研究雙人制機組的運行方式和工作程序，這也是SPO 空地協(xié)同運行模式進行設計研究的基礎環(huán)節(jié)。

2.1.1 模式設計

雙人制機組運行模式中，1 名飛行員操控飛機，被稱為PF（pilot flying）；另1 名飛行員協(xié)助配合并與管制員對話，行使飛行狀態(tài)監(jiān)控職責，被稱為PNF（pilot non-flying）或PM（pilot monitoring）。在SPO 空地協(xié)同運行模式中，PNF 的任務則由駕駛艙智能自動化設備和地面人員代替，可考慮建立地面控制中心（GCC,ground control center），設置駕駛支持職位或將簽派員職責進一步擴大轉變?yōu)榈孛骘w行管理/控制人員，時刻監(jiān)控飛行狀態(tài)，為飛行員提供幫助甚至能替代飛行員操控飛機安全著陸。SPO 空地協(xié)同運行模式將由機長、副駕駛、運行控制中心（AOC,airline operations center）及機載自動化設備等組成的運行團隊，過渡為由機長、地面控制中心及先進的智能信息控制共享平臺組成的運行團隊，如圖2～3 所示。

圖2 傳統(tǒng)運行模式Fig.2 Traditional operation mode

圖3 SPO 模式Fig.3 SPO mode

SPO 空地協(xié)同運行模式下，由于機上只有1 名飛行員，從職責上來說，即認定該飛行員為機長。機長和地面飛行管理/控制人員協(xié)同工作，并與駕駛艙自動化設備和智能信息控制共享平臺進行交互，以保持飛行的安全和效率。

目前在雙人制駕駛艙中執(zhí)行的一些簡單功能，如閱讀清單、交叉檢查等，可作為分配給駕駛艙自動化設備的首選任務清單?？紤]到當前自動化設備的復雜性和可靠性，對于高度復雜的功能，如非正常及特殊飛行狀況下的操作或程序選項，更適合飛行員操作。其他功能可由飛行員在自動化設備輔助下完成。SPO空地協(xié)同運行模式不會要求每個地面飛行管理/控制人員需要全部執(zhí)行傳統(tǒng)簽派職能及駕駛支持職能（該功能可能需要專業(yè)的飛行知識和技能），但地面飛行管理/控制人員團隊將會共同履行以下3 項核心職能：①傳統(tǒng)的簽派職責；②為多架正常狀態(tài)的飛機提供分散式駕駛支持；③對某一特殊狀態(tài)的飛機提供一對一駕駛支持。

2.1.2 職責分析

傳統(tǒng)的簽派職責是由航空公司在地面設置AOC，對飛行進行組織與保障。AOC 以簽派員為中心，由空中交通管制（ATC,air traffic control）協(xié)調員、機務顧問、機組排班、氣象服務專家以及客戶服務等為飛行安全提供全面的服務，如圖2所示。目前，每個簽派員大約可同時服務20 架飛機。應當強調的是，根據(jù)各國的民航規(guī)章，簽派員與機長共同對航班安全運行負責。

分散式駕駛支持職能指的是基本、例行的駕駛支持任務，如閱讀檢查單、進行交叉檢查、診斷飛機設備警告燈等。1 個地面飛行管理/控制人員可向多架飛機提供這樣的飛行支持服務。但是，該功能僅適用于飛行狀態(tài)正常的飛機，即SPO 運行分類條件1 的情況。

專用駕駛支持職能是指機長在高負荷工作情況下或面對特殊飛行條件，需要地面提供持續(xù)性一對一的駕駛支持服務，即SPO 運行分類條件2 的情況，如發(fā)動機著火、客艙失壓等。此外，專用駕駛支持職能也適用于機長狀態(tài)受限或失能情況下由地面飛行管理/控制人員接管來操縱飛機，即SPO 運行分類條件3 和4的情況。與專用駕駛支持職能相關聯(lián)的功能應包括遠程操控飛機飛行管理系統(tǒng)（FMS,flight management system）修改飛行路線，或遠程操控飛機飛行方式控制面板輸入相關自動駕駛儀指令，如速度、高度、航向指令等。因此，執(zhí)行專用駕駛支持職能所需的技能與傳統(tǒng)飛行員基本類似。

2.2 地面飛行管理組織的結構分析

對于機長，除非行為受限失去能力，其應當擔任責任機長（PIC,pilot-in-command）。機長最主要的任務是風險管理和資源（駕駛艙自動化設備和地面飛行管理/控制人員）管理，做出與飛行有關的所有決定，對飛機具有絕對的控制權，并對飛行安全負有最終責任。

對于地面飛行管理/控制團隊，要承擔比傳統(tǒng)副駕駛和簽派員更多的職能。當前，簽派員在經(jīng)過相關培訓和提升后，執(zhí)行分散式駕駛支持職能一般不會出現(xiàn)較大困難，但對于專業(yè)駕駛支持職能，其所需的技能和訓練要求較高，應當考慮是繼續(xù)對簽派員進行培訓和提升，或是設置專職崗位。根據(jù)專用駕駛職能的不同實現(xiàn)形式，可確定兩種地面支持組織結構，如圖4所示。

2.2.1 混合式地面支持組織結構

圖4 兩種地面支持組織結構Fig.4 Hybrid vs.specialized ground support structure

在該種結構中，每個地面飛行管理/控制人員被稱混合式地面飛行控制員（HGO,hybrid ground operator），HGO 都要經(jīng)過培訓和認證，能同時執(zhí)行3 項核心職能，即傳統(tǒng)簽派、分散式駕駛支持及專業(yè)駕駛支持。每個HGO 通常提供從飛行前計劃到飛機駛達登機口的多個航班支持服務。如果其服務的某個航班遇到特殊飛行狀況需要專業(yè)駕駛支持時，其他航班將在運行主管指導下移交給其他HGO 來處理。在航班移交之后，HGO 為該航班提供一對一的駕駛支持服務，在必要時還可召集AOC 內其他崗位人員提供支持。在處理完特殊飛行狀況后，如果移交出去的飛機尚未著陸駛達登機口，則將這些飛機交回給該HGO。

2.2.2 專業(yè)化地面支持組織結構

專業(yè)化地面支持組織結構設置兩種工作崗位：地面合伙人（GA,ground associates）和地面飛行員（GP,ground pilots）。GA 在經(jīng)過培訓和審定后，執(zhí)行傳統(tǒng)簽派及飛機常規(guī)飛行狀態(tài)下的分散式駕駛支持服務。GP在經(jīng)過培訓和審定后，執(zhí)行飛機特殊飛行狀態(tài)下的專業(yè)駕駛支持服務。每個GA 通常提供從飛行前計劃到飛機駛達登機口的多架航班分散式支持服務。如果其中1 架航班遇到需專業(yè)駕駛支持的特殊飛行狀況時，該飛機將在運行主管指揮下移交給指定的GP。在移交之前，GP 可能處于待命狀態(tài)或正在執(zhí)行另外一些并行任務，移交時需從GA 獲取該飛機特殊狀況的移交簡報。此后，GP 為特殊狀況飛機提供一對一駕駛支持服務，GA 則保持對該飛機的一般態(tài)勢監(jiān)控，以便在GP 需要時給予簽派支持或AOC 所能提供的其他支持。在特殊飛行狀況飛機的問題解決之后，GP 再將該飛機（如果尚未著陸）交回給GA。在這種結構中，GA的數(shù)量將會比GP 多。

無論采用何種結構形式，最重要的考慮因素是取得與傳統(tǒng)雙人制機組同等的安全可信度及運行效率，另外需要考慮的因素就是地面飛行管理/控制團隊組織機構的運行成本，因為實行SPO 最重要的內在驅動之一就是降低機組成本，提高經(jīng)濟效益。運行成本中的兩個關鍵成本因子包括：①地面飛行管理/控制人員數(shù)量及其培訓/資格要求成本；②復雜可靠（因而昂貴）的地面設備數(shù)量，如遠程控制飛機飛行路徑所需的設備。設備的成本是剛性需求，故在考慮地面結構形式時，應主要考慮所需地面飛行管理/控制人員的數(shù)量及其培訓成本，并通過人機回圈（HITL,human-in-the-loop）實驗評估不同組織結構的安全可信度及運行效率。

3 SPO 中的關鍵技術分析

SPO 空地協(xié)同運行模式中，無論使用哪種地面支持結構，都需要地面飛行管理/控制人員使用智能信息控制共享平臺來發(fā)布高級飛行控制指令和執(zhí)行專業(yè)化駕駛支持職能。與此同時，智能信息控制共享平臺還應當包括分散式駕駛的支持設備以及下一代簽派設備以減輕飛行管理/控制人員相應的工作負荷。要實現(xiàn)這種高度集成化、空地聯(lián)合使用的智能信息控制共享平臺需要多學科協(xié)同攻關，突破一系列關鍵技術，以期能夠達到雙人制機組同等的安全水平和效率。

1）空地數(shù)據(jù)高速互聯(lián)

在對SPO 典型場景和空地運行模式進行分析后，要實現(xiàn)SPO 地面飛行管理/控制團隊的3 個職能，需要空地數(shù)據(jù)的高速互聯(lián)互通，建立飛行狀態(tài)信息共享平臺。地面飛行管理/控制人員需要向上傳遞相關的情報數(shù)據(jù)供飛行員參考使用；同時，其還能夠實時掌握飛機的狀態(tài)，從飛機向下傳遞相關數(shù)據(jù)，監(jiān)控飛機FMS的相關參數(shù)，更好地提供飛行支持服務。

2）遠程飛行控制

在SPO 運行分類條件4 情況下，即機長狀態(tài)受限，飛行條件復雜，地面飛行管理/控制人員需要直接與機載FMS 設備進行信息交互，實現(xiàn)對飛機的遠程操控。要實現(xiàn)此功能，最重要的技術就是要對飛機進行遠程控制，這與目前無人機設備的要求相類似。此外，分散式駕駛支持功能也需要能夠實現(xiàn)多任務遠程飛行控制，同時服務多架飛機。

3）智能化“人機共駕”

SPO 空地協(xié)同運行模式的重要特點之一就是“人機共駕”，即飛行員與駕駛艙自動化設備協(xié)同決策。駕駛艙的自動化設備首先應具備通話管理功能，能實現(xiàn)由副駕駛執(zhí)行的閱讀檢查單、進行交叉檢查、診斷飛機設備警告燈等功能。這種通話管理不僅需要為駕駛艙自動化設備賦予人性化聽覺功能，還需要解決駕駛艙環(huán)境噪聲、智能語音識別、語音合成等技術。此外，還需適當為機載自動化設備賦予視覺、觸覺、推理功能，如建立意圖風險識別及告警設備，可要求飛行員輸入其飛行意圖信息，通過人機交互，由機載自動化設備判定飛行員的飛行操作意圖是否會構成飛行狀態(tài)潛在風險，并根據(jù)風險程度提示相應告警。

4）飛行員健康實時監(jiān)測及告警

監(jiān)控飛行員的生理和行為狀態(tài)主要是為了評估飛行員的能力以及發(fā)現(xiàn)其錯誤的操作。在雙人制機組駕駛艙中，機組成員之間是相互監(jiān)測的。SPO 模式下，駕駛艙自動化設備可利用生理傳感器監(jiān)測飛行員生理健康狀況，如心率、脈搏等簡單的檢測或腦電圖、功能性近紅外光譜等精細化的檢測。SPO 空地協(xié)同運行模式下客機駕駛艙內只有1 名飛行員，如果缺少監(jiān)督和制約，飛行有被脅迫或實施航空犯罪的可能。因此，機長行為監(jiān)測也同樣重要，要確保SPO 空地協(xié)同運行模式下機長對飛行安全的負責。

4 結語

基于不同飛行條件與飛行員生理行為能力，對SPO 人機共駕運行的典型場景進行分析，構建出不同的空地協(xié)同運行模式，并設計出與之相適應的地面飛行管理/運行控制部門組織結構，重構出關鍵崗位職責，提出應解決的關鍵技術問題。研究結論如下：

1）SPO 是“駕駛艙機組人制”發(fā)展的趨勢，可在不降低安全水平的前提下降低航空公司的運行成本，帶來顯著的經(jīng)濟效益；

2）SPO 不同的地面協(xié)同模式對航空公司的運行控制方式提出了新的要求，運行控制體系和崗位職責需要重新設計以適應SPO 的新要求；

3）SPO 的順利實施需要多學科協(xié)同攻關，突破空地數(shù)據(jù)高速互聯(lián)、遠程飛行控制、智能化“人機共駕”、機長健康實時監(jiān)測及告警等關鍵技術。