空中交通流量管理的優(yōu)化

戴 雨

中國民用航空西南地區(qū)空中交通管理局重慶分局 重慶 400000

1 引言

在美國交通高峰時段可能會有6000班次的航班需要被安全引導(dǎo)至他們最終的目的地。雖然可用于通用航空和巡航階段飛行的運營商的空域資源是巨大的，但是由于大型機場的日程計劃壓力，機場跑道的數(shù)量有限，導(dǎo)致終端區(qū)域的交通擁堵和航班延誤接連發(fā)生。航空公司從業(yè)務(wù)方面考慮航班日程的安排，即出于對頻繁出現(xiàn)需求超出容量的高峰時間段時，會給航空公司會帶來巨大的壓力的考慮。對空域和空中交通管制服務(wù)的巨大需求以及空域容量有限，航空氣象事件，安全度等因素導(dǎo)致航線運行花銷大，效率低。空中交通流量管理(TFM)旨在協(xié)調(diào)航空飛行需求和高空空域容量二者的關(guān)系以減輕空中擁堵。空中交通流量管理問題可被闡述為尋找最小化TFM總成本的解決方案。

2 空中交通流量管理存在的問題

空中交通流量管理主要利用地面延誤(地面延誤程序-GDP)，天氣變更，尾流間隔管理(MIT)限制和到達(dá)流量計量來實施交通流約束。當(dāng)由于天氣事件迫使機場關(guān)閉跑道或者在規(guī)劃的時窗內(nèi)預(yù)計到達(dá)的航班數(shù)量超過機場可承受的著陸量，此時空中交通流量管理當(dāng)局就會推遲將要飛往受影響機場的航空器的離港。尾流間隔管理起初包含利用一個規(guī)定的內(nèi)置間隔將去往一個擁堵機場的所有航班調(diào)整為一個線性流。計量程序借助觀察機場預(yù)估的到達(dá)流量運作，基于機場某時的到達(dá)率，每個航班被分配一個與最后的進(jìn)近和著陸空間上的每一點相對應(yīng)的到達(dá)時間(稱為修復(fù)儀)。管制員引導(dǎo)航空器使它們符合修復(fù)儀所分配的時間。理想情況下交通流的行為應(yīng)在防止流量過載的同時，最大限度地提高資源利用率，減少航班延誤的成本。然而，所有這些空中交通流量管理實踐都很被動，并且都是在啟發(fā)式的基礎(chǔ)上實施的，這導(dǎo)致空中交通流量管理的運作產(chǎn)生了極大的浪費。對管制服務(wù)需求量的過低估計導(dǎo)致空域容量未能得到充分利用，對管制服務(wù)需求量的過高估計導(dǎo)致額外的航班延誤。問題的根源是控制的集中性和空中交通流量管理所依靠的預(yù)測本質(zhì)上是不確定的現(xiàn)實。空中交通管制(ATC)不能完全與空中交通流量管理結(jié)合進(jìn)一步加劇了這個問題，在兩個不同領(lǐng)域運作的空中交通控制回路：空中交通管制戰(zhàn)術(shù)領(lǐng)域(＜10-20分鐘)和空中交通流量管理戰(zhàn)略領(lǐng)域(＞20分鐘)。當(dāng)有必要采用戰(zhàn)術(shù)干預(yù)以保證航空器擁有安全間隔時，空中交通管制的行動便取代空中交通流量管理的計劃，由此航班轉(zhuǎn)道和延遲的結(jié)果就會超出空中交通流量管理的估計。

目前TFM的方法受軌跡預(yù)測的不確定性的限制。從大型機場每日在TFM運營，特別計量條件下觀察隊列服務(wù)的模型可以看出這種弊端。假設(shè)一個流入需求D(單位估計到達(dá)時間)，和機場容量C(單位時間內(nèi)可用的著陸名額)。服務(wù)隊列的平均等待時間(M/M/1隊列)Tq隨系數(shù)方差Cv的平方增加：

Tq＝(rCv)2/(2D(1-r)) (1)

r＝D/C；Cv＝sigma/mean

在真實情況中，中心調(diào)度航空器的航班計劃往往造成需求高峰，這個需求高峰使需求量在短時間內(nèi)非常接近甚至大于空域的容量。那種情形下，飛機需經(jīng)過更長時間的等待，入流束的需求減弱期間，才會得到服務(wù)。當(dāng)飛機以100海里(nm)或更高的時速飛行，計量時間分配就以從修復(fù)儀上得到的預(yù)測信息為依據(jù)。在風(fēng)速大約是15節(jié)時[15]，從修復(fù)儀上可以看出預(yù)計到達(dá)時間誤差的累積達(dá)到30s，這可能是很大一部分的位置信息。在D＜C且處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的條件下，例如令C＝60/小時，D＝54/小時，我們得出Cv＝0.63，Tq＝1.8分鐘。平均1.8分鐘的等待時間乘以到達(dá)飛機的數(shù)量，乘以機場的數(shù)量，乘以飛行天數(shù)，再加上造成數(shù)百萬美元的延誤損失和大量的燃料排放。圖2顯示了在需求增加的情況下平均隊列等待時間的增加(C＝60/分鐘)。在理想條件下，通過精心控制和良好的環(huán)境實現(xiàn)10-15秒的軌跡預(yù)測精度是可能的，但如果需求已接近空域容量時，預(yù)測的精度會被嚴(yán)重破壞。因為Tq＝∞，r→1。例如，時間預(yù)測不確定性為15秒，r＝0.98(C＝60/分鐘，D＝59/分鐘)時，平均隊列等待時間是3.6分鐘。

圖2 平均延遲時間(穩(wěn)態(tài))需求函數(shù)和隊列的方差

4 空域系統(tǒng)優(yōu)化是空中交通自我管理的緊迫行為

移除集中控制和為運營商提供完整的環(huán)境感知并賦予空中交通系統(tǒng)運營商蜂群智能的優(yōu)點，在這樣的市場力量的推動下，系統(tǒng)通過不斷調(diào)整對資源的最優(yōu)利用。空域商品化和機會成本(即通過積極的節(jié)約和交通自我管理中未參與的高成本)為市場提供力量。空域作為一種商品，可以被購買和交易(在美國可能不是現(xiàn)金，而是一個點系統(tǒng)或與用于協(xié)同決策不同的利益團體的談判系統(tǒng))，空域通過交易后將允許航空公司進(jìn)入該空域并獲得基于他們的業(yè)務(wù)目標(biāo)相關(guān)服務(wù)。在交通自我管理中每個運營商都在根據(jù)他們的業(yè)務(wù)目標(biāo)尋找他們目標(biāo)函數(shù)的局部最小值。這些機制優(yōu)化資源的使用。把最優(yōu)的結(jié)果分配給運營商。第一個效益經(jīng)濟學(xué)基本理論表明，這樣的一個系統(tǒng)趨于資源的帕累托高效配置。

5 結(jié)論

空中交通的自我管理(Self-MAT)是一種在未來空中交通操作模式中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變實例。被視為一個多群系統(tǒng)的空中交通使國家空域系統(tǒng)能夠得到廣泛的優(yōu)化。通過這些機制優(yōu)化資源的使用，把最優(yōu)的結(jié)果分配給運營商。