空中交通流量管理的优化

戴 雨

中国民用航空西南地区空中交通管理局重庆分局 重庆 400000

1 引言

在美国交通高峰时段可能会有6000班次的航班需要被安全引导至他们最终的目的地。虽然可用于通用航空和巡航阶段飞行的运营商的空域资源是巨大的，但是由于大型机场的日程计划压力，机场跑道的数量有限，导致终端区域的交通拥堵和航班延误接连发生。航空公司从业务方面考虑航班日程的安排，即出于对频繁出现需求超出容量的高峰时间段时，会给航空公司会带来巨大的压力的考虑。对空域和空中交通管制服务的巨大需求以及空域容量有限，航空气象事件，安全度等因素导致航线运行花销大，效率低。空中交通流量管理(TFM)旨在协调航空飞行需求和高空空域容量二者的关系以减轻空中拥堵。空中交通流量管理问题可被阐述为寻找最小化TFM总成本的解决方案。

2 空中交通流量管理存在的问题

空中交通流量管理主要利用地面延误(地面延误程序-GDP)，天气变更，尾流间隔管理(MIT)限制和到达流量计量来实施交通流约束。当由于天气事件迫使机场关闭跑道或者在规划的时窗内预计到达的航班数量超过机场可承受的着陆量，此时空中交通流量管理当局就会推迟将要飞往受影响机场的航空器的离港。尾流间隔管理起初包含利用一个规定的内置间隔将去往一个拥堵机场的所有航班调整为一个线性流。计量程序借助观察机场预估的到达流量运作，基于机场某时的到达率，每个航班被分配一个与最后的进近和着陆空间上的每一点相对应的到达时间(称为修复仪)。管制员引导航空器使它们符合修复仪所分配的时间。理想情况下交通流的行为应在防止流量过载的同时，最大限度地提高资源利用率，减少航班延误的成本。然而，所有这些空中交通流量管理实践都很被动，并且都是在启发式的基础上实施的，这导致空中交通流量管理的运作产生了极大的浪费。对管制服务需求量的过低估计导致空域容量未能得到充分利用，对管制服务需求量的过高估计导致额外的航班延误。问题的根源是控制的集中性和空中交通流量管理所依靠的预测本质上是不确定的现实。空中交通管制(ATC)不能完全与空中交通流量管理结合进一步加剧了这个问题，在两个不同领域运作的空中交通控制回路：空中交通管制战术领域(＜10-20分钟)和空中交通流量管理战略领域(＞20分钟)。当有必要采用战术干预以保证航空器拥有安全间隔时，空中交通管制的行动便取代空中交通流量管理的计划，由此航班转道和延迟的结果就会超出空中交通流量管理的估计。

目前TFM的方法受轨迹预测的不确定性的限制。从大型机场每日在TFM运营，特别计量条件下观察队列服务的模型可以看出这种弊端。假设一个流入需求D(单位估计到达时间)，和机场容量C(单位时间内可用的着陆名额)。服务队列的平均等待时间(M/M/1队列)Tq随系数方差Cv的平方增加：

Tq＝(rCv)2/(2D(1-r)) (1)

r＝D/C；Cv＝sigma/mean

在真实情况中，中心调度航空器的航班计划往往造成需求高峰，这个需求高峰使需求量在短时间内非常接近甚至大于空域的容量。那种情形下，飞机需经过更长时间的等待，入流束的需求减弱期间，才会得到服务。当飞机以100海里(nm)或更高的时速飞行，计量时间分配就以从修复仪上得到的预测信息为依据。在风速大约是15节时[15]，从修复仪上可以看出预计到达时间误差的累积达到30s，这可能是很大一部分的位置信息。在D＜C且处于准稳态的条件下，例如令C＝60/小时，D＝54/小时，我们得出Cv＝0.63，Tq＝1.8分钟。平均1.8分钟的等待时间乘以到达飞机的数量，乘以机场的数量，乘以飞行天数，再加上造成数百万美元的延误损失和大量的燃料排放。图2显示了在需求增加的情况下平均队列等待时间的增加(C＝60/分钟)。在理想条件下，通过精心控制和良好的环境实现10-15秒的轨迹预测精度是可能的，但如果需求已接近空域容量时，预测的精度会被严重破坏。因为Tq＝∞，r→1。例如，时间预测不确定性为15秒，r＝0.98(C＝60/分钟，D＝59/分钟)时，平均队列等待时间是3.6分钟。

图2 平均延迟时间(稳态)需求函数和队列的方差

4 空域系统优化是空中交通自我管理的紧迫行为

移除集中控制和为运营商提供完整的环境感知并赋予空中交通系统运营商蜂群智能的优点，在这样的市场力量的推动下，系统通过不断调整对资源的最优利用。空域商品化和机会成本(即通过积极的节约和交通自我管理中未参与的高成本)为市场提供力量。空域作为一种商品，可以被购买和交易(在美国可能不是现金，而是一个点系统或与用于协同决策不同的利益团体的谈判系统)，空域通过交易后将允许航空公司进入该空域并获得基于他们的业务目标相关服务。在交通自我管理中每个运营商都在根据他们的业务目标寻找他们目标函数的局部最小值。这些机制优化资源的使用。把最优的结果分配给运营商。第一个效益经济学基本理论表明，这样的一个系统趋于资源的帕累托高效配置。

5 结论

空中交通的自我管理(Self-MAT)是一种在未来空中交通操作模式中可能发生的转变实例。被视为一个多群系统的空中交通使国家空域系统能够得到广泛的优化。通过这些机制优化资源的使用，把最优的结果分配给运营商。