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互联飞机航空运营的变革

发布时间:2019-06-14 16:23 来源:未知 编辑:admin

  译者的线年我刚开始参加工作,是在通信领域,之后机缘巧合,进入了通信和航空的交叉领域,致力于改善中国乃至全球的航空乘客的出行体验。近年来,国际及中国航空航天史上发生了很多大事。有令人痛心的,如2014年马来西亚航空MH370航班消失;也有振奋人心的,如2017年我国首颗高通量卫星“中星16号”发射成功;2018年中国民航局开放航班上使用手机等电子设备。作为从业者,这些事件不禁让我们思考,如何利用通信技术的飞跃,不断提升航空出行的安全性及舒适度?尤其是高通量卫星的发射成功,前所未有地为机载高速实时流数据通信提供了可能性。而民用航空业如何有效利用这项技术成果,大部分人有一些基本概念上的感知,但是并没有全面深入地理论依据。而缺乏这样的理论和数据的支持,希望利用这些技术和资源的飞机制造商、航空运营商,以及其他技术提供方,就很难做出技术和资金投入的决策。翱翔蓝天经济学报告的第二章《评估航空公司运营互联的经济效益》,正是解决了这一难题。作者介绍了借助高通量卫星实现的互联飞机,如何在安全、效率、经济性等方面改善航空这种出行方式。作者进行了大量的调研和访谈,引用大量数据,从四个方面,即互联运行服务、维修运行控制服务、航空公司运行控制服务、空中交通管制服务量化地分析了互联飞机的优势。不仅为航空业的决策者提供技术引进的依据,也为普通的消费者选择航空出行增强了信心。

  我很高兴向大家介绍翱翔蓝天经济学报告的第二章《评估航空公司运营互联的经济效益》。

  翱翔蓝天经济学报告由伦敦政治经济学院进行,是首个针对飞行连接对航空业经济影响进行的建模研究。在以收入潜力为重点的翱翔蓝天经济学报告的第一章《量化乘客连接为全球航空业带来的商业机遇》之后,本报告对机上连接的成本效益提出了新的见解。具体而言,安全、高质量的连接服务能为航空公司的运营带来强大的商业效率,并最终在安全和环境影响方面产生效益。它展示了燃料消耗和二氧化碳排放、飞机性能和维修、减少风险、准时到达和起飞、空域管理和改进机队利用等方面的多层次好处。

  今天,越来越多的航空公司开始采用从客舱到驾驶舱的全机舱连接。近年来,我们在新的网络上进行了投资,使我们成为同时拥有基础设施和跨越这两个空间(客舱和驾驶舱)经验的唯一航空连接供应商。我们正在帮助航空公司实现新的收入来源,实现惊人的运行效率,同时管理乘客数据和关键任务安全数据的安全隔离。今年早些时候,Inmarsat发布的SB-S服务首次为机组人员带来了高速、多通道的连接。用外行的话说,这意味着飞机开放成为航空公司IT网络的一个组成部分,提供从可视实时天气到机上飞机健康和性能监测等新功能。也许最重要的是,这是实现空中交通管理数字化的一个关键步骤,将带来通信、导航和监视方面的改进,如果该行业要满足全世界日益增长的客运需求,这些改进是必不可少的。

  互联飞机在卫星通信的协助下,与物联网(IoT)相结合,在燃料消耗和排放、维修、飞行优化、机队利用、空域容量和安全等各个方面提高了效率和效能。这些业务效益加在一起,按现有互联飞机数目计算,全球航空业每年可节省55亿美元-75亿美元,到2035年将可节省111亿美元-149亿美元。按照国际航空运输协会(IATA)统计的每年7640亿的全球运营成本来说,费用减少0.75-1.00%。

  今天,航空业正在经历一段特殊的增长期,但预计到2035年空中交通量将增加一倍,因此将需要更有效的途径来减少燃料消耗和二氧化碳排放,并在确保安全的同时增加运输容量。没有重新评估技术和基础设施,将不能确保该行业及其所依赖的有限空域可以适应预期的增长。专家访谈表明,运营互联飞机的综合年度收益是可节省约2.5%-5.0%的燃料消耗量,以及减少相关的排放量。支持卫星通信的空中交通管理计划提供了减少最小间隔和减少拥堵的可能性,可以更安全有效地管理更多飞机。互联飞机将不仅仅是商业上的优势,它越来越成为一种运营必需品。

  为了提高这些效率,新一代安全、高带宽的卫星通信服务正在兴起,将一系列专门的应用与物联网、云、人工智能和大数据能力联系起来。这种集成数字生态系统能够为目前互联飞机和未来的TB级数据提供便利。据估计,在过去15年中,卫星通信为全球航空业节省了超过30亿美元的费用。而这些新服务有可能远远超过这个数字。

  通过将实时飞机数据与运行控制中心和驾驶舱资源管理数据库集成起来,航空公司可以创建用于跟踪、监测和信息分发的地面实时综合控制台。与预订和离港控制系统联系起来的自动餐饮解决方案可以根据机上库存进行动态调整,每次飞行可以节省重量,降低约7%的成本。通过持续不断地获得上传的风(气象)数据,可以进行更准确的应急燃料规划,每年可节省约8.5亿公升工业燃料,减少二氧化碳排放200万吨。用于提高到达时间预测可靠性的实时飞行数据,可将机组人员相关延迟减少33%或更多,每年可节省12亿美元左右的费用。

  互联飞机可以将数据传送到安全的云服务或地面服务器,以进行监视和大型数据分析。这使得航空公司的运行团队能够在故障变得严重之前及时定位故障,并利用这些信息做出明智的判断,从而减少昂贵的飞机停场(AOG)。随着预测模型的引入,在计划维修窗口时间中,可以在目标部件发生故障前及时将其替换。这可以降低成本,增强安全性,并可以创建一种关键组件的第三方管理的服务交付。

  互联飞机重新定义了飞行和乘务员的工作和通讯方式。机组人员简报可以直接传送到飞机上的设备中,包括目前在登机口人工提供的信息。飞行员传统的飞行包可以被具有网络功能的电子飞行包(EFBs, Electronic Flight Bags)所代替,通过在线更新来节省重量并提高输出数据量。地面和飞机之间可以进行连续、安全的数据交换,实现实时遥测、跟踪和飞行数据流,及云(Cloud)黑匣子功能。

  实时的天气和环境更新数据源源不断地传递给EFBs,以提高对环境的感知并帮助进行决策。飞行员可以更有信心、更精确地避开恶劣天气,节省燃料,提高安全性和降低二氧化碳排放量。速度及其他相关参数用来计算评估燃料性能的成本指数(Cost Index), 这些参数可以得到优化。这些改进,反过来又优化了动态路由。业界的讨论和试验结果表明,通过改进航行和避免恶劣天气估计每年在全球可节省13亿美元。

  有效利用空域是一个长期的航空目标。飞机燃料约占航空公司运营成本的18%-20%,占全球航空产业总支出的三分之一。此外,未能提高空运效率对环境的影响可能很大。发动机技术的改进提高了燃油效率,但效率不高的航线可以迅速抵消所取得的成果。飞机所能达到的最终燃油减少量也受到拥堵的影响,这部分是由航空公司职责范围以外的空中交通管制部门管理的。对二级数据的行业调查和分析显示,基于IP的驾驶舱通信每年可使全球目前的燃料消耗量减少1%-2%,从而每年节省13亿美元、33.9亿升燃料及减少850万吨二氧化碳。

  飞行间隔是监管机构和航空公司相当活跃和关注的领域。通过卫星通信实现的4D轨道管理举措和增强的数字能力,提供了减少间隔极小值、降低燃料使用、减少排放和提高安全性的潜力,同时允许更多的可控到达时间,并增加机场吞吐量。这是航空业面临的挑战中的一项关键要求,即在不造成额外延误、燃料燃烧和二氧化碳排放,或导致新机场建设等基础设施费用增加的情况下,满足不断增长的乘客人数。

  航空业正在经历一段特殊的增长期,国际航空运输协会(IATA)预测到2035年乘客数量将增加一倍1。领先的飞机制造商预测同期飞机交付量将大幅增加2/3。然而增长也带来了挑战:持续扩张和激烈的竞争对价值设定了新的期望,限制了经营利润率。交通量的增加也会导致燃料增多,并对环境产生影响4。没有对技术和基础设施进行重新评估,行业及其所依赖的有限空域如何适应这些预期的增长的挑战仍然存在。

  这也是航空运输业发生重大变化的时期。在过去的十年中,在许多地面发生的数字化转型正在向天空转移,创造了广泛的机会,但需要飞机生态系统中更紧密的合作和转型。卫星通信和物联网(IoT)集成促进了“互联飞机”的兴起,正在引发一场数据革命。飞机不再是一个孤立的实体,而是成为了在一个更广泛的数字架构中的支持IP的节点。这种新的运行环境为机组人员、地勤人员、航空公司运行控制、空中交通管理和新兴的支持服务提供商提供了更好的可视性。

  总体而言,相对于IATA总结的年度全球航空运营成本7,640亿美元来说,在节能、效率和安全性增强等方面的多重潜力相当于减少了0.75-1.00%的上述成本5。

  图1:互联运行服务,维修运行控制服务,航空公司运行控制服务和空中交通管制服务。

  增强的连接性可以为航空公司的运营带来多种好处,但许多应用程序仍处于初期阶段或尚未完全评估的阶段。随着航空公司机载连接渗透率的增加,预计这些好处将以加速的方式增加。

  本报告回顾了在互联飞机生态系统中的一些活动可以提高在燃油消耗、二氧化碳减排,运行和设施改进以及其他领域的效率。该分析使用初级研究(primary research)和次级数据(secondary data),包括采访航空公司管理者、监管机构、服务提供者和第三方机构、业务专家、开发者、飞机设备供应商,软件解决方案和其他供应商。

  预计2035年航空运输量将是现在的2倍6,这将需要更有效地减少燃料和二氧化碳排放,增加容量,增强安全性。行业访谈表明,运营连接的综合年度效益是当前燃油消耗的2.5%-5%左右,并且在其他领域(包括维护效率)和减少延迟方面也节省了成本。研究表明,节省的量可以在减少燃料、减少延误和其他方面平均增加。7多个试运营连接服务的航空公司报告的数字也在上述范围内。8飞行管理软件及相关产品的解决方案提供商报告称,在燃料消耗和排放、飞行时间和延误方面可节省5%。9

  如果在航空业当前的年度燃料消耗中实现了2.5%的下限估计,则可以节约燃料成本32.5亿美元,即每年减少85亿升油料消耗,以及减少二氧化碳排放量2130万吨。如果在延误方面实现了相当数字的节约量的线亿美元。这与最近对连接性效益的行业研究和预测相一致,即在节约燃料和减少延迟和其他领域节约量相当的线这些结论以及对互联飞机的其他效益的总结在图2中。

  通过采用新一代安全的高带宽卫星连接,效率得到提高。这使得飞行运行、空中交通管制(ATC),与物联网内的专业应用,云,人工智能和大数据功能能够方便地集成在一起。今天可以使用这种集成的数字生态系统使GB级数据与互联的飞机传送,在未来数据量可以达到TB级别。11随着现代飞行器每次飞行生成越来越多的数据,这种功能是必须的。增强的连接性将为驾驶舱提供额外的信息并能够提供飞行中数据传输。这也反映在机场和空域管理的发展中。

  据估计,在过去15年中,卫星通信带来全球节约已经超过30亿美元。11而互联飞机有可能显著增加这些节省量。

  互联飞机的发展遵循其他数字化行业的演进,例如游戏,其中技术,平台和内容提供商已经合作并发布了应用程序。早期的“互联飞机合作”也发生在航空业的航空电子供应商,标准化组织,航空公司和应用开发商之间。这导致了包括电子飞行包(EFB)等设备的产生。这些设备代表了通过互联飞机达到了增强航空公司业绩的核心接口。13

  因为要满足按时离港的压力,许多航空公司的运行流程都由人工完成,或者目前没有得到优化。有限的数据不能进行诊断,以提高效率或最大限度地减少航班延误和取消。随着全球主要机场的需求容量接近100%,14提高门到门(gate-to-gate)效率至关重要。互联飞机有可能改进现有做法,并在飞行前和飞行后报告飞行计划和物流,以及飞行优化等方面提高效率和增强安全度。15

  航空机组人员必须在规定的飞行前时间内到达机场的机组室(Crew Room)并打印飞行文件,这可能在出发前至少一个小时。停靠在机场的飞机数量决定了机组人员的数量,加上运行设施,包括计算机,打印机和分配给设施的空间。还要将机组人员在到达机场后需要进行飞行前检查的时间考虑进去,这部分大概需要30分钟或者更长。一些航空公司对飞机离开登机门后航班计划改变的数量进行限制,因此如果超过了这个数量,将强制要求飞机返回登机门进行重新调配。17 如果飞行员或OCC在飞行前检查期间识别到潜在问题,例如飞行管理系统(FMS)或其他问题,则修改被重新打印并返回给飞机。每次飞行结束时,都会向管理团队提供硬拷贝飞行计划以进行存档。延误会产生其他问题,包括机组人员换班超时或备选航路的修改,并导致进行大范围双发延程航班运行(ETOPS)变更,这些变更通常在航班起飞前两到四个小时提交。18

  目前,当飞机在地面时,VHF无线电用来进行语音通信。VHF还通过飞机通信寻址和报告系统(ACARS)携带基于文本的指令,这是一种在飞机和控制团队之间传输短消息的数字数据链系统。VHF无线电信号仅支持非常低的数据速率(在ACARS的情况下为300bps)19并且容易趋向饱和。在飞行前阶段,几乎没有机会对于诸如除冰和燃料要求等关键流程进行修订。在除冰的情况下,需要确认保持时间。这一决定通常由飞行员和航空公司的运行部门共同作出,保持时间长度通常需要调度员的参与指导。

  在可用的情况下以及遵守运行程序时,基于地面的Wi-Fi或4G等移动网络可以促进数据交换并简化这些流程。地面连接通常在机场或机场内区域无法使用。在缺乏足够的地面Wi-Fi的情况下,基于卫星的宽带连接为所需的通信和报告提供了一种替代模式,可以减少对可能导致延迟的当前人工操作的依赖。20可靠的连接可以实现优化的地面追踪和高效的排队,优先排序和通信,确保航班准时起飞并最大限度地减少地面燃油燃烧。21这有利于重新调度,无需飞机返回登机门。此外,可以缩短机组成员到达机场准备场所的时间,并且机组飞行前简报可以传送到飞机上,从而减少对机组室的需求。

  减少飞机重量可以降低燃油消耗,减少二氧化碳排放量,航空公司甚至可以从轻微的减重中获益。22加拿大航空公司估计,每架飞机减轻1公斤的重量,每年可减少24,500升油耗,成本减少了20,000美元,产生的二氧化碳减少了63吨。23美国航空公司估计,为飞行机组人员将18公斤的公文包换成iPad所节省的重量在一年内减少了120万美元的燃料成本。24其他航空公司也报告了类似的节省。

  大约10%的航班在其飞行管理计算机(FMC)26中没有上行风(winds uplink)的情况下离港,原因是地面通信出问题,如机场的无线电拥堵,ACARS在机架上的“黑点”(black spots)和4G盲点(blind spots)。27这种数据的缺乏经常导致飞机携带应急燃料和额外的重量。互联飞机试验的结果显示,对于约300架飞机的机队,每年平均节省约40万美元至50万美元。28根据目前的全球飞机数量,这可以使每年节省约3300万美元。29 / 30在上行风可以持续上传的情况下(通过甚高频VHF和卫星),31航空公司报告节省燃料0.23%-0.25%。32这可能带来全球每年节省大约8.5亿升燃料,减少200万吨二氧化碳排放,估计节省成本3.25亿美元。33

  一架宽体飞机在起飞前装载了约40,000件物品,机上货物库存重约6吨(包括餐食,饮料,化妆品袋,免税商品,杂志等)。35准确调整库存与乘客数量和偏好可以使宽体机减重0.42公吨,相当于每架飞机261美元,每架窄体机大概0.1公吨,相当于每架飞机58.93美元。

  表1使用行业数据,采访和飞机制造商提供的有关燃料和成本节约的信息来整合分析通过减轻的重量来估计潜在的节省。该分析利用了航空公司当前的连接渗透率。采访显示,如果航空公司采用了连接,那么航空公司有可能会在不同程度上利用诸如库存管理等现成的好处。当Wi-Fi的渗透率提高后,随着应用程序和服务被第三方不断发布并被航空公司使用,相信基于连接的服务使用率会更高。

  预计到2019年,大约三分之二的航空公司将运营互联飞机。41这将在物联网和机器对机器(M2M)环境中嵌入越来越多的“节点”。到目前为止,航空业的系统已被碎片化,但连接的出现促进了飞机生态系统42在许多领域的整合:燃料和发动机监控以提高性能和维护的效率,管理设备状态,监测消耗品,监测飞机环境和监视。43这些领域将在后续章节中进行更详细的探讨。

  飞机的数字化改造延伸到停机坪和机上的员工活动。44越来越多的工程师在维护期间佩戴智能眼镜来传输图像以进行评估和实时反馈。45随着航空连接的出现,机组人员可以在飞机上传输图像以便在地面上进行分析,包括用于远程医疗:除了防止不必要的航空医疗备降之外,更准确的成像可以增强诊断并降低某些情况下的死亡风险。

  航空业中卫星通信连接的激增强化了对数据安全性的需求。互联飞机传输和操作敏感数据,这些数据也集成在更广泛的数字生态系统中。随着数据的传输和数据量的增长,使得基于IP的行业,如电子商务,网上银行和汽车行业,将会面临更多的安全威胁。46超过90%的航空公司预计将在2017年到2020年之间投资网络安全,相对过去同一段时期几乎翻了一番。47随着航空公司,卫星通信运营商和其他行业参与者参与并解决传统安全服务和新兴领域,如机组人员之间、机组人员和OCC之间的通信和信息交换,以及通过用个人设备访问数据的乘客,航空数字生态系统中网络安全的运用将继续发展。

  由于传输的性质和利用的安全协议,卫星通信提供比VHF更安全的数据传输模式。48航空公司正越来越多地通过一系列活动来解决网络安全问题:创建专用网络安全功能以及在其运行流程中开发和嵌入正式的网络安全程序,采用领先的威胁保护解决方案,为飞行和机组人员维持统一的设备访问策略和其他举措。增强的网络安全性也发生在企业级别。49

  航空运输部门致力于通过全行业的努力解决网络安全问题,包括开发合作框架用于在供应商,原始设备制造商(OEM)和航空公司之间创建,交付和维护数字安全的协作框架。51这些举措正在解决安全管理问题,包括使用基于风险的决策和有效的生命周期管理流程,以确保所使用的硬件和软件保持最新和对威胁的防护是有效的。52相同的努力也延伸到对机载数字设备的评估,允许EFB安全地访问飞机的航空电子设备,同时确保数据不受损害。

  在互联飞机的推动下,航空业的威胁防护和数据完整性的迅速发展需要采用共同标准和建立可信赖的运行环境。主要举措包括国际民用航空组织(ICAO)INNOVA项目及其支持网络安全的“I”工作组,无线电技术委员会(RTCA),欧洲民用航空组织(EUROCAE)和航空电子工程委员会(AEEC)的标准开发。53这些举措反映在飞机数据接口功能的关键标准ARINC 834的发布中。54它包括使用地面ICT、云和网络,机载软件和数据集成,安全驾驶舱和客舱飞机通信,应用程序和系统集成和支持。55 IATA还强调了合作和政府伙伴关系在发展足够网络安全方面的需求。56该组织为航空公司,机场,地面服务商和价值链中的其他人员开发了航空网络安全工具包。该工具包概述了如何对当前网络风险进行内部分析并保护关键组件,例如IT基础设施。57

  准确的飞行数据可用于提高到达时间预测的可靠性。提前或延迟抵达可能导致登机门无法使用,从而增加了飞机载客停场时间。58在此过程中会产生额外的成本及燃油消耗和后勤方面的挑战。59通过连接实现的实时数据使一个提前或延迟到达的飞机最大可能性地与登机门预定和乘客下飞机有序对接。这也调动起了飞机支持团队并提高了工作效率,包括客梯车、摆渡车、加油、行李处理和机载库存,以及ATC到达和交接时间。

  飞行员和OCC之间的自动化通信交换可以产生系统效益并实现按时离港。全球航班延误估计每年使航空公司损失1230亿美元,其中航空公司成本为410亿美元,客户成本为820亿美元:60如果加上其他连锁效应,这一成本可能每年会再增加2亿美元。61机组人员调度问题估计占所有延误的3%,相当于36亿美元。62通过增强连通性,实时信息可以用来调整操作规划,调动备用工作人员和进行其他可以降低这些成本的举动。与机组人员有关的延误减少33%和66%将分别节省12亿美元和24亿美元。 对航空公司管理者的访谈表明,他们在这一领域希望取得重大进展,许多人强调了至少减少50%的机组延迟。

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