观点 | 美国大学教授：未来民航发展，这些才是热点！
航空业的竞争不仅仅局限于一个国家，而是全球性的，航空公司如此，机场也如是。
航空公司的整合会改变它们对机场的需求。如何突出机场优势，吸引进出港航班数量是很多机场面临的问题。可以把航空网络当成一个复杂有向图，预测未来航空需求，以及这些航空需求投射到航空网络后的交通流格局等，给航空公司近远期规划提供指导性意见。在安全问题上，空域系统的网络安全要考虑各子系统相互依赖的关系，用仿真模拟的手段构建一个可用于分析不同类型、不同强度网络攻击或网络故障对系统造成影响的模型。基于仿真模拟的结果，在现有的安全管理系统中强化对网络安全的预防并研发系统恢复的程序和规程。
航空是中长途出行必要的模式，是经济发展的驱动力量，为保障和提高航空交通的安全、经济、有效，有很多工作可做。作者总结过去十年的民航发展，并就民航供需、安全以及未来无人驾驶技术等领域的部分研究热点进行阐述。
作者系美国南佛罗里达大学教授，美国运输研究委员会(TRB)空侧和空域容量和延误分会(AV060)主席(2017-2020)，海外华人交通协会(COTA)主席(2016-2018)。主要研究领域包括网络建模和系统分析、空中交通流管理、多式联运及交通运输可持续性发展等。于2016年被中国民航大学聘为蓝天学者讲座教授，并于2016-2017年学术休假期间被同济大学聘为高峰学科讲座研究员。
将航空网络当成复杂有向图预测航空需求
航空公司的整合改变对机场的需求
民航业是国际、地区、国家和当地经济发展的驱动器，同时也受到大经济环境的影响。2008年世界经济大范围衰退，导致民航旅客出行需求量减少，但在两年之后，即便不同国家经济回暖的速度各异，航空运输量迅速地恢复到了衰退前的水平并在之后以超越衰退前的年增长速度上升，尤其是亚太、欧洲和中东地区，年增长率超过10%。为抵抗需求量剧烈变动和其他因素(比如油价等)对经济收益的影响，航空公司寻求收购和合并，来扩大公司规模，拓展网络系统，合理利用国际国内资源，提高竞争力。比如在美国，2009年达美航空和西北航空合并，2010年美联航和大陆航空合并，2013年美航和美国航空合并，在欧洲和世界范围内，2009年汉莎航空吞并了奥地利航空集团。这样的合并虽然以前也发生过，比如2004年法国航空和荷兰航空合并，2005年汉莎航空购买了瑞士航空等，但是大规模的航空公司合并确实是在2008年后才发生的。在这些合并完成之后，有个问题需要民航研究人员来回答：尽管最近几年我们看到机票价格在持续增长，但是不清楚是否由于航空公司合并而使他们拥有更多定价权，若是有这样的影响，影响程度是多大?
航空公司合并使其网络得以拓展，但同时有可能使部分枢纽机场变得冗余，丧失其网络关键节点的地位。比如辛辛那提的北肯德基国际机场，在达美和西北航空合并后，隶属两家公司的出港客机运行数量从以往的5000多架次降到合并后的少于1000架次。因此一个研究难点是，区分因为合并带来的网络运行绩效的提高，和因为垄断性的减少运行量而造成乘客的损失。
航空业的竞争不仅仅局限于一个国家，而是全球性的，航空公司如此，机场也如是。比如和浦东机场竞争的，不仅仅包括北京首都机场和广州白云机场，还包括韩国仁川机场、东京成田机场、新加坡樟宜机场等。航空公司的整合会改变他们对机场的需求。如何突出机场优势，吸引进出港航班数量是很多机场面临的问题。
新兴经济体对机场的需求极高
发达国家的航空需求量的增加正渐入饱和状态。研究显示，这种饱和趋势在休闲旅游方面主要是因为时间约束，即每年各个家庭平均能用于休闲旅游出行的时间有限。这种饱和趋势在商务出行方面是因为在20世纪初，很多公司从地区性向全国性甚至国际化发展，由此产生很多航空出行需求。但这种商业模式改变已经完成，因此商务航空需求的增加会日趋缓慢。然而新兴经济体和发展中国家的航空需求量因为潜在乘客收入的增加和商务模式的全球化有快速增长的推动力。
这种不平衡发展给航空交通研究人员带来了很多值得研究的问题。可以把航空网络当成一个复杂有向图，预测未来航空需求，以及这些航空需求投射到航空网络后的交通流格局等，给航空公司近远期规划提供指导性意见。
航空运输的供给侧除了航空公司提供的可用座位里程，也受限于空侧和空域容量及加诸于空侧容量的噪声和排放限制。空侧容量的影响因素包括跑道、机位、地侧限制(包括安检)、天气和机场附近接驳道路等。而空域容量和空域设计、空管员工作强度、对流天气，共有空域多机场系统等有关。从全球来看，新兴经济体对机场基础设施的需求量极高，一方面需要新建机场，另一方面，需要更好地利用现有机场的容量，提高容量利用率。发达国家平均来说，每50万人口拥有一个跑道长度大于5000英尺[可用于最大起飞重量低于波音737和空客320(含)等飞机的起降]的民用机场。但中国作为新兴经济体，每400万人口才拥有一个满足条件的民用机场。印度的统计数据则更低，每700多万人口才拥有一个满足条件的民用机场。
根据国际民航组织的资料，在未来20至30年间，新兴经济体和发展中国家将新建大量民用机场。同时国际民航组织也急需提供统一的空侧空域容量估计方法，不仅提供基准容量，更要提供实时动态容量的确定方法，以便于会员国家提高空中交通流管理效率。因此，对供给侧的容量问题，部分研究热点包括：考虑航空和其他交通模式，比如高速铁路、未来无人驾驶汽车等之间的竞争和合作关系，以及多机场共有空域的机场选址问题，对国家空域系统的发展作战略性规划;研究简单可行的空域空侧容量评估方法，利用统计分析方法，计量经济学方法，或机器学习的方法量化各种不同情况对基准容量的影响程度，给出实时空域空侧容量;推进空中交通管理的自动化，使空中交通管理部门不仅在常规情况，也可以在恶劣天气和其他特殊情况下管理复杂的空域系统。
强化网络安全预防 研发系统恢复程序和规程
安全绝对是航空交通需要保障的首要目标。尽管航空和其他交通模式相比，在统计学上来说是最安全的交通模式，但一旦出现航空事故，尤其是空中撞击或者无故失踪，伤亡率或损失率巨大，社会影响也非常深远。研究显示，在乘客心目中，一般航空安全的统计数据不会影响他们对航空公司的选择，但是重大安全事故会促使他们避开发生重大事故的航空公司，而且这种现象会持续较长时间。
自动系统监测实时运行动态
在技术层面上，近期已经发展了很多自动系统来帮助空管员和飞行员监测运行实时动态，作出更好的判断。
比如交通防撞系统(TCAS)， 在投入使用之后为减少空中相撞事故发挥了巨大的作用。在空中交通管理从基于地面的系统往基于卫星的系统发展过程中，新实现的功能将为不具备TCAS的通用航空飞机机舱内的飞行员提供更多交通信息，从而减少空中相撞风险。另一个比较常见的航空事故是因为飞行员失去了对飞机位置和地形的情境意识，因而造成可控飞行撞地(CFIT)，1995年12月美国航空公司的波音757客机在哥伦比亚的卡利坠毁，就是因为飞行员失去了情境意识。现有的地形感知和警报系统(TAWS)减少了CFIT事故的发生。航空研究者正在研发一个特殊版本的TAWS，使此系统可以使用于低空航空，包括直升机，目标是减少低空飞行的高风险作业，比如紧急医疗救助等。还有一个值得提到的技术是视觉增强系统。视觉增强系统(AVS)用来减少人工视觉控制对运行环境的依赖，在军用领域已经得到长足使用。
在民用领域，随着下一代空中交通往基于卫星的系统发展，AVS将可为飞行员提供准确的位置和净空图片。总的来说，科技的进步使航空交通的事故率大幅降低，使航空成为相比较而言最安全的交通模式，但是我们也看到在最近十年内，世界范围内超过20%的喷气式飞机的事故都是CFIT，而且还发生过多起疑似机组人员失控引起的大型空难事件，比如在2014年3月8日失踪的马来西亚航空MH370客机和2015年3月24日在法国阿尔卑斯山坠毁的德国之翼航空4U9525客机。因此，在航空安全方面还需要通过改善操作程序和开展人因学研究来减少事故的发生。
大数据挖掘分析事故或疑似事故
大数据分析在航空安全研究中大有可为。要实现大数据分析首先要有数据库，不仅仅包括强制相关部门呈报或相关人员主动汇报的事故报告数据库，还包括从其他渠道得到的数据，比如体现航空公司安全文化的各种指标。很多这些指标已经被囊括到了安全管理系统(SMS)，例如从组织层面上用于宣传安全的努力，雇员能参与到安全决定的赋权，鼓励雇员汇报安全隐患的奖励机制等。建立这些数据库之后，需要用大数据挖掘的方法，进行相关性分析，以发现和事故或疑似事故最相关的因素，然后在主动预防的SMS中得到体现。
另一个关于航空安全的研究需求是如何建立一套通用的针对飞行员精神健康的筛选机制，监测飞行员的工作表现，并通过整合传统航空医学、飞行员工作表现和大数据分析方法及时发现行为异常，然后通过增加飞行员和航空医学专家的接触(可以是远程医疗诊断)来改善飞行员精神健康。
另外，空域系统的自动化进程使航空交通依赖于网络科技，包括软件、计算机网络和信息科技。这种依赖性使航空交通面临网络攻击的威胁和危险。尽管各种交通模式都在和网络攻击作斗争，但是航空交通有其特殊性，研究人员一直在试图理解网络安全隐患、风险和管理。国际组织颁布了一些关于网络安全的指导，比如航空信息共享分析中心(ISAC) 和国际航空运输协会(IATA)都为航空公司和他们的合作者就规范、可能出现的新的攻击模式等给出指导说明。美国联邦航空局最近资助了一系列针对网络安全的研究项目，包括大流量无人机对空域系统的影响，从飞行器间距到天气回避等操作决定大量地依赖于计算机到计算机的信令而带来网络安全隐患，实时跟踪飞行器位置带来的隐私问题，以卫星为基础的空管系统的通信和位置定位有可能延迟、被恶意篡改或阻拦等。
空域系统的网络安全问题要考虑各子系统的相互依赖的关系，厘清各系统连接方式并对相互依赖的关系进行建模，然后用仿真模拟的手段构建一个可用于分析不同类型、不同强度网络攻击或网络故障对系统造成影响的模型。基于仿真模拟的结果，在现有的安全管理系统中强化对网络安全的预防并研发系统恢复的程序和规程。
未来地面和空域可能连为一体
现有的无人机并不是完全意义上的无人驾驶，只是控制台和人员不在飞机里面，而是在地面、运动的汽车或其他飞行器里。无人机的规模包括可以放在掌心的微型机到和普通客机一样大小的无人机。现在无人机的商业用途已经扩展到很多领域，包括政府公务，比如警察部门进行安保监测、消防部门救火等，为高校和研究部门研究所用，给商业公司和普通民众提供各种服务等。无人机被认为可以提供经济有效的服务，增强任务能力，改善安全，提供更多就业机会和其他益处的一个行业。由于无人机的控制台在机外，因此控制台和无人机之间的通信必须可靠和安全，能够有效防止恶意攻击和破坏。迫于无人机运行的强烈需求，如何保障无人机的安全运行，将之与国家空域系统整合是很多国家面临的迫切问题。为了把无人机集成到现有的空域系统中，需要研发控制理论和运行概念。
未来的无人驾驶技术将在飞行器和汽车中实现，飞行的汽车也在研发之中。可预见将来很有可能地面和空域连为一体，低空空域服务于低空飞行器，连接地面交通和高空域航空运行。那么对于低空空域的管理问题，可以思考如何借鉴路面交通现有的网络结构，以及无人驾驶汽车进入后交通管理模式改变的方向，来研发控制理论和运行概念，并思考现有的高空空域管理模式在未来是否保持现在的模式，以及如何保障地面到低空到高空的顺畅衔接。
从民航需求量和航空基础建设的角度，我们需要思考未来无人驾驶汽车会如何冲击航空运输，研究无人驾驶汽车进入市场后，路面交通和短途航空的竞争是否会加剧，会否影响到中途航空等研究问题。虽然无人驾驶汽车的完全进入还没有一个明确的时间表，但因为航空设施的投资周期很长，因此科研部门有必要为决策部门提供多种可能的情境分析，充分考虑未来发展的不确定性。
责编/吴倩 审核/田翔