民用空中航行服务组织（CANSO）近期发布了《未来天空的新兴技术——虚拟化》报告。报告介绍了虚拟化技术在空中交通管理领域的部署，详细说明了远程塔台、虚拟中心等虚拟化技术的实际应用情况，并提出了实用性建议。本文编译了该报告的部分内容。
从技术的角度来看，虚拟化利用数据中心等新的平台，提高资源使用的灵活性。在空中交通管理（ATM）领域，虚拟化可以增强运行弹性、异常运行应急、负载共享远程运行（可扩展性），以及最重要的是通过提供由虚拟中心支持的“按需容量”管理方式，实现空中交通服务的跨境授权。
1 背景
在2018年国际民航组织（ICAO）空中航行会议（ANCONF/13）上，机场远程空中交通服务（也称为“远程塔台”）被引入国际民航组织航空系统组块升级（ASBU）框架（RATS-B1/1）中，并在《2019年SESAR解决方案目录》（第三版）中提供了更多详细信息，即使在有限的时间内，也能为偏远地区交通流量较少的机场提供服务。
虚拟化得到了信息数字化的支持，而对于空中交通管理而言，全系统信息管理（SWIM）概念和面向服务的架构（SOA）也极大地促进了虚拟化技术的发展。通过这种方式，可以推动当前空管系统过渡到开放空管架构。
对相关资产的灵活访问有助于对各种突发事件进行动态响应，包括设备或设施中断、动态空域重新配置或业务连续性规划运行。应考虑以下用例：
业务持续性：通过由其他设施接管受影响的空域，克服单一设施的可用性限制。
负荷均衡：由管制员在任意地点处理不断增加的空中交通负荷，不受地点限制。
虚拟塔台（又称数字塔台）：以数字方式控制机场内及其周围的空中交通活动。
在更换旧设施时，通过增加数字足迹并最大限度地精简新设施，降低对“实体”设施的依赖。
这些行动反过来又可以更好地平衡空中交通管制员的工作量，并更有效地利用空域，可进一步提高安全性，减少航班延误和交通拥堵，更灵活地处理空中交通。
2 概念
在研究空中交通管理中的虚拟化技术时，本文将探讨当今可用的实施方式以及未来的概念。
目前，各航行服务提供商（ANSP）都在自行收集数据（例如通过雷达装置）或从第三方收集数据（例如气象信息）。这些ANSP在内部处理收集到的数据，并向空域用户提供空中航行服务（ANS）。通过这种方式，ANSP如今同时扮演着空中交通管理数据服务提供商（ADSP）和空中交通服务提供商（ATSP）的角色，而ATSP由包括空中交通管制员（ATCO）在内的空中交通服务单位（ATSU）组成。虚拟化是通过提供与基础设施位置无关的服务来实现的，例如远程塔台部署。
未来的虚拟化概念与通过提供商提供数据服务关联，而这些提供商在组织上和/或物理上与产生数据的实体和最终用户（在ATSU中工作的管制员）分离。因此，虚拟化不仅涉及基础设施位置和服务提供的分离，而且还涉及组织层面的潜在分离。
此外，未来的空管服务可以设想为不同粒度的服务组合（为每种单一数据类型提供数据，如飞行轨迹、飞行计划、冲突检测等），并依托于一个具有高可用性、容错性和可靠性的云基础设施。本文确定了云基础设施管理和所有权方面的不同方案：
从市场角度出发，通过外部提供商管理外部/公共云基础设施。在这种情况下，提供商选择专注于服务开发，并将其所有维护工作外包给解决方案提供商。由于服务水平协议（SLA）中的性能限制，出于安全和安保考虑，这可能并不适合ANSP。此外，某些国家的法律可能不允许在不同的国家/地区之间共享数据（出于安保/安全原因）。这种情况不仅仅发生在空管领域中，在许多其他领域也会发生。
由ANSP所管理的本地/私有云基础设施。在这种情况下，云基础设施的配置和维护由ANSP自行管理。
使用本地和外部云基础设施组合的混合环境，提供商需满足运行/安全要求。
一些ANSP通过全球监视服务提供商Aireon接收广播式自动相关监视（天基ADS-B）跟踪数据。这项服务为ANSP提供了一个高保真、低延迟的定位数据来源，这些数据来源位于ANSP自己的飞行情报区（FIR）或责任区（AoR）之内或之外，无需与邻国签署数据共享协议。在这种“按需容量”的背景下，考虑了以下运行场景：
根据交通负荷为特定空域区块分配空中交通服务：不同ATSU设施或不同ATSU之间共享管制员资源，满足高流量或低流量时段的需求。
在发生故障时为特定空域区块分配空中交通服务：在因设备或设施故障导致空域容量下降/缺失的情况下提供服务的连续性。
优化塔台运行资源的使用方式：为低交通流量塔台优化管制员资源。
从技术角度来看虚拟化技术，提供应用程序的硬件和软件与提供服务的位置可以完全分离，可以在同一栋楼里，也可以在数千里之外，或者在两者之间的任何地方。当满足各种需求时，也可以在云基础设施上部署软件。在空中交通管理领域中部署这一技术，可以将托管应用程序的设备与向空域用户提供服务的地点分离。
远程塔台和虚拟塔台：空中交通管制员可向一个或多个机场（处于不同位置）的空域用户提供服务，该服务可以通过托管在另一地点的数据中心的软件应用程序提供支持，从位于机场（例如摄像机）或其他位置的传感器收集数据。所有位置都必须通过可靠且安全的IP基础设施相互连接，以便在这些位置之间共享不同类型的数据。所需的广域网IP基础设施可以从具有适当服务水平协议的国家运营商处租用，也可以由ANSP自己建立。无论选择哪种解决方案，都需要确保弹性通信网络能够在可用性、完整性和服务质量方面得到管理。
虚拟中心：空中交通管制员将向本国或另一个国家的一个或多个扇区的空域用户提供服务，并由托管在同一或不同地点的数据中心的软件应用程序提供支持，从该国某个地点的传感器收集数据。同样，在这种情况下，所有位置均将通过由国家运营商或ANSP本身托管的可靠和安全的IP基础设施相互连接，确保向最终用户提供的通信服务的可靠性。
此外，对于空中交通管理数据收集和处理与空中交通管制中心分离的未来组织方法，其技术概念将保持不变，由不同的组织负责数据收集/分发和数据处理。这需要考虑不同网络的边界的安全性和互操作性，以确保数据的完整性和一致性，例如在网络边界引入几层防火墙和会话边界控制器（SBC）。
下图说明了塔台和区域管制中心（ACC）管制室环境中虚拟化技术的主要特征。
图1 空中交通服务虚拟化的主要特征
从平台基础设施的角度来看，开发新的能力来提供所需的服务势在必行。这些服务可以采用不同的方法来构建，例如基于软件和中间件（SWIM服务）或基于基础设施服务（远程显示）。
3 航空业的潜在应用
如前所述，ANSP将充分利用虚拟化的优势，并有可能实现新的运行概念，如远程塔台或虚拟中心，使他们能够从减少资本性支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）中获益。
为了管理航空公司的运营，航空公司的高管们可以在飞行运营中心看到提供的虚拟化技术，并与每个机组人员以及所有利益相关方互动，例如气象（MET）服务提供商、机场管理局、ANSP。此外，通用航空的飞行管理服务将受益于虚拟化，其方式与具有虚拟中心的ANSP类似。
尽管如此，虚拟化可以成为空中交通管理相关服务的基础。虚拟化未来将在其他领域发挥作用，如无人交通管理（UTM）和先进空中机动性（AAM）。最后，可能会出现一些全新的业务领域：
纯粹的数据服务提供商：安装传感器、收集数据并将其提供给ANSP或任何其他组织，例如用于天气、监视、地理信息和飞行信息；
空中交通管理云提供商：托管收集的数据，并与ATSU或任何其他组织共享；
未来可能会开发出全新的空中交通管理服务，与自动化或人工智能相结合，便于访问所有数据。
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