共同创造空中交通管理的未来
LFV探索人工智能驱动的自主空中交通管制
机场和飞机俯视图

2017年,一辆特斯拉超越了航空工程师 Robin Hughes。得知这家创新公司正在测试自动驾驶汽车后,Hughes 心想:“如果自动驾驶汽车在混乱的环境中可行,那么自动空中交通管制在受控环境中也可行吗?”好奇心驱使 Hughes 开始寻找答案。

为了安全地加快指定空域的交通流量,空中交通管制员使用雷达来监控飞机的位置并通过无线电与飞行员进行通信。为了防止碰撞,管制员强制执行间隔规则,确保每架飞机周围保持最少的空白空间。空中交通管制员的工作压力很大,几乎没有出错的余地。随着航空旅行需求的稳步增长,管制员不得不处理更大的航班容量。多年来,航空业一直致力于提高空中交通管理的效率,以减轻空中交通管制员的压力并降低相关成本。

作为瑞典空中导航服务提供商 Luftfartsverket(LFV)的工程主管,Hughes 脑海中浮现了这一切,还有看着 IBM Watson 计算机在问答节目Jeopardy!中击败顶级参赛者的回忆。他想,“如果 IBM 可以使用人工智能来做到这一点,他们一定可以帮助我做到这一点。”几个月后,来自 IBM Garage(数字化转型框架)的一个团队在 LFV 办公室举办技术发现和架构研讨会。通过这些研讨会,联合团队验证了自主空中交通管制的概念确实是可实现的。

增加容量

 

解决方案将空中交通管制模拟中的分离度保持在正常容量的大约 200%

增加功率

 

一秒钟内,该应用程序几乎可以运行 800 个 替代冲突解决方案

IBM Garage 是设置项目、运行项目以及访问 IBM 中的技能组的直接而有效的途径。 Robin Hughes 工程主管 Luftfartsverket
空域作为 3D 棋盘

当 LFV 工程师致力于融资和数据收集时,来自丹麦哥本哈根的 IBM Garage 专家吸引了IBM Research团队和 IBM Streams 分析平台的开发人员。扩大后的 LFV 和 IBM 团队在 IBM Enterprise Design Thinking Workshop™ 期间进行了合作。由于 IBM Garage Methodology 注重以用户为中心的设计,因此 LFV 包括两名空中交通管制员,他们提供有关飞机限制、燃油负载和飞行员合作等因素的见解。

凭借坚实的愿景和技术计划,该团队已准备好开始开发高级自动规划器(AAP),这是一款由瑞典交通管理局资助的人工智能驱动的自动空中交通管制解决方案。但是 COVID-19 来袭,北欧国家进入封锁状态。颠覆性是敏捷 IBM Garage Methodology 的 DNA,因此该项目仍保持在正轨上。欧洲和美国的团队成员保持着敏捷的站立会议、回放和技术状态电话会议的固定节奏,从而成功开发了第一个 AAP 最简化可实施产品 (MVP)。

航空标准要求每架飞行中的飞机始终保持五海里。在构建 AAP 时,LFV 和 IBM Garage 团队添加了一个缓冲区,需要 6 海里。如果飞机距离比这更近,则称为“失去分离”,随着时间的推移,可能会导致碰撞。AAP分两个阶段运作,负责监督特定的空域区域。首先,基于点阵的 3D 空间探索技术持续实时跟踪和预测飞机位置。如果该应用程序确定飞机将失去分离,它能够在一秒钟内运行近 800 种可能的场景,稍微改变飞机的方向、速度或高度。AAP 会像 3D 棋盘一样研究场景的轨迹将如何影响整个区域的空域,然后确定避免未来冲突的安全行动。

其次,该解决方案使用基于规则的方法对第一阶段确定的操作进行排名,并将最佳选项发送给飞行员。飞行员可以执行指令,也可以告知无法执行。例如,如果指令是将飞机的高度增加 1,000 英尺,而飞行员确定这不可行,则应用程序将提供替代指令,例如向东调整航向 5 度。AAP还跟踪飞机何时可以安全恢复其原始飞行计划。

被迫重新思考人工智能发展

令人惊讶的是,流行性疾病对该项目的一个重要方面产生了积极影响。由于 LFV 控制着瑞典的民用和军用空中交通,因此其数据高度安全,因此无法在异地访问。在封锁期间,扩展团队不再被允许在现场访问构建 AAP 解决方案的 AI 模型所需的数据。该小组被迫重新思考人工智能的发展,决定建立一个基于与 NLR(荷兰国家航空航天实验室)空中交通管制研究模拟器(NARSIM)集成的人工智能模型。

数据科学家在 IBM Streams 分析平台上使用自定义算法构建了确定性 AI 模型,然后在 NARSIM 模拟器和 IBM Cloud上运行的 IBM Streams 之间建立了连接。他们模拟了确定空域的交通情况,并根据输出继续完善算法并迭代人工智能模型。IBM Db2 数据库为 IBM Streams 应用程序存储数据, IBM Cloudant 数据库为空中交通控制员和飞行员存储 AAP 解决方案的指令。

在 200% 的典型容量下取得成功

LFV 和 IBM 在短短四个月内共同打造了第一个 AAP MVP,这让 Hughes 印象深刻。“当我告诉他们我们在大约 17 周内完成了这件事时,没有人相信我。我的意思是,通常我们的开发时间在两到五年之间。”

完成工作的深度、广度和速度证明了 LFV 和 IBM 团队成员的奉献精神以及 IBM Garage 方法的有效性。Hughes 表示:“IBM Garage 是建立项目、运行项目以及获取 IBM 技能组合的直接而高效的途径。”他对该方法能够在进入下一步之前构建、测试和验证应用程序中风险最高的组件的能力感到特别兴奋。

安全将永远是航空业的首要任务。因此,虽然在模拟器上见证自主空中交通管制等创新概念的发展令人兴奋,但在现实世界中的实施将需要时间并逐步发展。AAP 的未来迭代将考虑天气条件和禁飞区,并纳入非确定性人工智能和机器学习功能。LFV 还计划从瑞典领空扩展到欧洲其他地区,欧洲工作组也渴望参与其中。AAP 继续以正常容量的 200% 左右成功运行模拟。

该解决方案有望减轻空中交通管制员的一些负担并提高整个空域的效率。几十年后,自动化空中交通管理可能成为标准。我们会惊叹于曾经的压力有多大,以及一位工程师永不满足的好奇心如何改变了一个行业。

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Luftfartsverket 徽标
关于 Luftfartsverket

LFV (链接位于 ibm.com 外部)总部位于瑞典诺尔雪平,为瑞典的民用和军用航空提供空中交通管制和相关服务。在正常情况下(流行性疾病前),LFV 空中交通管制员每天在瑞典领空管理大约 2,000 架飞机。 LFV 拥有 1,100 名员工,年营业额达 31 亿瑞典克朗。

采取后续步骤

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© Copyright IBM Corporation 2022. IBM Corporation, IBM Garage, New Orchard Road, Armonk, NY 10504

美国出品,2022 年 4 月。

IBM、IBM 徽标、ibm.com、Cloudant、Db2、Enterprise Design Thinking、IBM Cloud、IBM Garage、IBM Research 和 IBM Watson 是 International Business Machines Corp. 在全球许多司法管辖区注册的商标。其他产品和服务名称可能是 IBM 或其他公司的商标。IBM 商标的最新列表可在 ibm.com/trademark网站上找到。

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