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，安全度等因素導致航線運行花銷大，效率低?？罩薪煌髁抗芾?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?？罩薪煌髁抗芾韱栴}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)限制和到達流量計量來實施交通流約束。當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)預計到達的航班數(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估的到達流量運作，基于機場某時的到達率，每個航班被分配一個與最后的進近和著陸空間上的每一點相對應(yīng)的到達時間(稱為修復儀)。管制員引導航空器使它們符合修復儀所分配的時間。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)。當有必要采用戰(zhàn)術(shù)干預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儀上得到的預測信息為依據(jù)。在風速大約是15節(jié)時[15]，從修復儀上可以看出預計到達時間誤差的累積達到30s，這可能是很大一部分的位置信息。在D＜C且處于準穩(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秒的軌跡預測精度是可能的，但如果需求已接近空域容量時，預測的精度會被嚴重破壞。因為Tq＝∞，r→1。例如，時間預測不確定性為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?？沼蛏唐坊蜋C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?？沼蜃鳛橐环N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入該空域并獲得基于他們的業(yè)務(wù)目標相關(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)目標尋找他們目標函數(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。