機場飛行區資源調度問題研究(三)：研究熱點與挑戰

尹嘉男，馬園園，胡明華

(1.南京航空航天大學 國家空管飛行流量管理技術重點實驗室，南京 211106) (2.英國帝國理工學院 土木與環境工程系交通研究中心，倫敦 SW7 2AZ) (3.中國電子科技集團公司第二十八研究所，南京 210007)

0 引 言

飛行區資源調度作為機場運行管理的重點和難點，是挖掘資源效益、優化飛行流量、緩解擁堵延誤、增強飛行性能的有效手段。隨著機場物理結構的不斷龐大，以及空中交通流量的不斷密集，飛行區資源調度問題的復雜程度更是日益增加[1-2]。在過去的數十年間，飛行區資源調度主要聚焦于容量評估、跑道調度、場面優化等領域，已取得一系列的理論研究與應用實踐成果。近年來，隨著飛行區資源調度問題研究的不斷深入和拓展，在傳統研究內容的基礎上，該領域正萌芽出一系列新的研究熱點，例如容量預測、跑道配置、態勢感知、空地調度、性能權衡等，而隨之在相應的模型、算法和應用等方面也存在諸多挑戰。

機場飛行區資源調度問題共涉及概念內涵、體系框架、發展脈絡、發展趨勢、研究熱點和主要挑戰等諸多方面，本文為該研究系列之三。在全面分析國內外機場運行管理領域的理論研究和應用實踐成果的基礎上，重點聚焦飛行區資源調度的研究熱點與挑戰問題，以期為航空運輸領域科學發展提供方向指引和參考依據。

1 研究視角

機場飛行區資源調度領域的研究成果較多且雜亂，本節從調度對象、時空屬性、調度環境、管理范疇、調度時序和應用場景六個視角，對其進行了梳理分類，如圖1所示。

圖1 機場飛行區資源調度研究視角分類Fig.1 Classification of research perspectives about resource scheduling in airfield area

1.1 調度對象

根據調度對象的不同，可將飛行區資源調度劃分為單一化資源調度和一體化資源調度[3-4]。

(1) 單一化資源調度。聚焦飛行區某一類單獨資源要素的調度問題，例如跑道資源調度、滑行道資源調度、停機位資源調度等。

(2) 一體化資源調度。聚焦兩個及以上飛行區資源要素(跑道、滑行道、停機位)的集成調度問題，例如滑行道資源與停機位資源一體化調度、跑道資源與場面資源一體化調度等。

1.2 時空屬性

根據時空屬性的不同，可將飛行區資源調度劃分為時間資源調度和空間資源調度[5-6]。

(1) 時間資源調度。對航空器使用飛行區資源要素的具體時間進行調度，例如跑道起降時間、滑行道節點通過時間、停機位進出時間等。

(2) 空間資源調度。對航空器使用飛行區資源要素的空間標識進行調度，例如跑道編號、滑行段/節點編號、停機位編號等。

1.3 調度環境

根據調度環境的不同，可將飛行區資源調度劃分為靜態資源調度和動態資源調度[7-8]。

(1) 靜態資源調度。調度環境的全部信息均已知，且不考慮不可預測的擾動因素而進行的調度，例如靜態容量評估、靜態/確定型跑道調度等。

(2) 動態資源調度。調度環境的部分信息已知，且考慮不可預測的擾動因素而進行的調度，例如動態容量預測/評估、動態/隨機型跑道調度、滾動時域/滑動時間窗調度等。此時，需根據不斷獲取的動態信息(氣象預報信息、最早著陸時間、目標起飛時間等)，對調度方案進行實時更新和調整。

1.4 管理范疇

根據管理范疇的不同，可將飛行區資源調度劃分為微觀資源調度和宏觀資源調度[9-10]。

(1) 微觀資源調度。主要面向資源運行層面，側重資源個量調度，即對每一架航空器的資源使用需求進行個體控制，例如跑道起降調度、滑行路徑優化、停機位分配等。

(2) 宏觀資源調度。包括兩個層面：一是側重資源總量調度，即對航空器群體的資源使用需求進行總量控制，例如跑道運行模式配置、停機位推出率控制等；二是面向資源規劃層面，即在當前資源效益接近或者達到最大時，結合資源未來發展需求，對其進行中長期規劃。

1.5 調度時序

根據調度時序的不同，可將飛行區資源調度劃分為戰略資源調度、預戰術資源調度和戰術資源調度[11-13]。

(1) 戰略資源調度。側重飛行活動實施前七天以上，通過協調機場資源管理活動、預測分析飛行需求和資源可用情況，制定飛行區資源規劃方案、航空器資源使用計劃等。

(2) 預戰術資源調度。側重飛行活動實施前一至七天，根據機場可用資源狀況、飛行計劃、特殊事件等信息，形成飛行區資源預配置計劃、容流互適應調配方案等。

(3) 戰術資源調度。側重飛行活動實施當日，根據實時的機場可用資源狀態、飛行動態和氣象條件等信息，制定飛行區資源動態調度方案、空中交通動態調度方案等。

1.6 應用場景

根據應用場景的不同，可將飛行區資源調度劃分為常態資源調度和應急資源調度[14-15]。

(1) 常態資源調度。面向機場常態運行場景，在機場飛行區各類資源要素未受到相關非常態事件(惡劣天氣、重大活動、突發事件、設備故障等)的影響，或者受影響程度較小可忽略不計時而進行的調度。

(2) 應急資源調度。面向非常態運行場景，針對惡劣天氣、重大活動、突發事件、設備故障等運行場景，對機場飛行區各類資源要素進行快速識別和調度，并確保機場資源應急調度與事先規劃的應急預案之間的相互協調。

2 研究熱點

從20世紀60年代開始，機場飛行區資源調度領域在傳統的時空資源調度方面已取得顯著研究成果，即在有限的資源供給條件下如何為進離場航班分配最優的時間和空間調度方案。隨著理論研究的深入拓展和應用實踐的牽引驅動，近幾年該領域萌芽出一系列新的研究需求。下面分別針對機場運行容量預測、跑道運行模式配置、場面滑行態勢感知、機場空地聯合調度、資源調度性能權衡五個方面，闡述機場飛行區資源調度領域的研究熱點。

2.1 機場運行容量預測

早期的機場容量研究主要聚焦靜態容量評估問題，旨在為航班時刻優化、戰略流量管理等提供數據支撐。隨著預戰術和戰術層面的理論研究和實際應用工作的不斷推進，傳統的單一化、靜態化容量值已無法滿足航空運輸管理的多階段決策需求[16-18]。隨著時間的不斷變化，靜態容量為單一固定值，形成一條直線；動態容量為連續變化值，形成一條曲線；運行容量則為離散變化值，形成多條分段直線。考慮到空中交通管制員的可接受度、可操作性、工作負荷等因素，航空運輸決策人員在機場資源調度過程中并不傾向于采用連續多變的動態容量值作為決策過程的輸入參數。因此，兼顧理論研究和實際應用的可行性，多場景、階段性的運行容量正成為航空運輸學界和業界的關注熱點[19-24]。通過統計機場歷史的空域、交通、氣象、容量等各類數據信息，建立機場容量場景庫，結合不斷更新的機場運行信息，對每個時間片內的運行容量進行分階段地動態預測[25-29]。

2.2 跑道運行模式配置

在傳統的飛行區資源調度研究中，跑道運行模式一般為已知條件，尚未充分考慮跑道運行模式對資源調度的影響。機場運行指揮和空中交通管理部門在實際運行中主要根據經驗對跑道運行模式進行定性決策，而且傾向于采用單一、固定的靜態跑道運行模式配置策略，缺乏動態優化的定量分析輔助決策工具[2,30-32]。以中國航空運輸系統為例，在多跑道建設竣工并通過行業驗收后，為提高新舊跑道之間的磨合度，保障進離場航班運行安全，無論平行跑道之間的間距為近距、中距還是遠距，民航當局通常將隔離運行作為多跑道試運行模式，甚至將該模式持續使用數年之久，使得多跑道系統的一體化運行潛能尚未得到充分釋放。跑道運行模式配置主要針對多跑道機場，結合機場容量限制、交通需求、氣象條件等信息，考慮模式切換過程中的容量損失等因素，對跑道資源組合方式和交通流組織模式進行優化管理，從可用的跑道資源及運行模式集合中生成最優的配置方案[31-33]。

2.3 場面滑行態勢感知

機場物理結構的不斷龐大，加之空中交通流量的日益密集，使得場面滑行活動的運行環境變得愈發復雜和多變[2,13,34]。隨著新辟航路航線、新設管制扇區、終端管制中心建設工作的不斷推進，空中交通擁堵已由航路空域轉移至機場場面[35]。在航班的“門到門”運行過程中，機場場面滑行階段占據十分重要的地位，其態勢的復雜度及運行的流暢度對航班運行性能產生較大影響[36-37]。場面滑行態勢要素涉及滑行時間、隊列長度、場面流量、機位推出率等，對滑行延誤時間等具有重要影響[38-40]。其中，滑行時間(包括滑出時間、滑入時間)預測成為該領域內近期最熱的研究主題之一。目前的成果大多采用概率統計理論建立場面滑行時間回歸預測模型，同時其他機器學習算法近幾年也開始在滑行時間預測領域得到應用[41-42]。除了滑行時間預測之外，其他滑行態勢因子、滑行態勢復雜度、滑行延誤預測等問題也得到了相應研究[2]。

2.4 機場空地聯合調度

航空運輸活動具有“門到門”的運行特點，運行過程的連續性導致其對機場空地資源的使用需同時兼顧飛行區與終端區的運行限制。事實上，跑道系統作為飛行區和終端區的關聯銜接紐帶，其調度問題的建模不可避免地涉及到機場的空中和地面系統。另外，跑道系統是航空運輸業公認的極易成為機場運行瓶頸的熱點區域，其資源調度效率直接影響著機場空地系統的一體化運行性能。國際民航組織締約國需在2028年實現AMAN、DMAN、SMAN三者之間的集成管理，這促使機場空地聯合調度問題研究將成為當前、未來10年乃至更長一段時間內的研究熱點[43-44]。機場空地聯合調度涉及跑道、滑行道、停機位、定位點、航路航線等諸多資源，其問題建模和算法求解的復雜度非常高[2,45-47]。特別地，隨著大都市、都市圈、機場群等新形態的不斷涌現，傳統的機場運行活動正面臨復雜的多機場協同運行環境，轄區內多個機場對公共空域資源的使用競爭將變得更為激烈[48-50]。

2.5 資源調度性能權衡

機場飛行區資源調度問題涉及空管、機場、航空公司、旅客、政府等多方利益主體，而不同的利益主體對資源調度的目標需求存在一定的差異[2]。例如，空管關注航班延誤、管制負荷等利益，機場關注吞吐量、正常率等利益，航空公司關注飛行時間、燃油消耗等利益，旅客關注航班延誤、行走距離等利益，政府關注氣體排放、可持續發展等利益[51-58]。當前大多數資源調度研究主要聚焦航班延誤、吞吐量、飛行時間、行走距離等目標，卻忽略了燃油消耗、氣體排放、公平性、魯棒性等目標。即便考慮了多個目標的聯合優化問題，其處理方式一般借助權重因子將多個目標轉換為一個綜合的單目標。然而，權重因子卻依賴于人為需求進行預先設定，缺乏一定的科學性，且沒有充分考慮各個優化目標之間的動態權衡[59-61]。針對不同的優化目標，應采用更為科學的多目標優化方法，建立飛行區資源調度權衡分析模型與算法，生成一系列飛行區資源調度滿意解及方案，從而滿足不同利益主體對資源調度性能的多樣化需求。

3 主要挑戰

通過綜合分析飛行區資源調度領域的研究與應用情況可以發現,雖然目前國內外的研究成果較多,但在模型的普適與應用、算法的穩健與效率、方法與機制的匹配、微觀與宏觀的結合、常態與應急的銜接等方面仍面臨一定的挑戰，成為當前及未來航空運輸學界和業界亟待重點關注和解決的問題。

3.1 模型的普適與應用問題

從數學建模的角度來看，大多數機場飛行區資源調度問題為優化控制問題。經過60余年的理論發展，目前已在跑道資源調度、滑行道資源調度、停機位資源調度三個方面形成了一系列豐富的研究成果，相關的模型也豐富多樣，考慮的建模因素越來越多，然而主要停留在理論層面，缺乏一定的普適性和應用性。J.A.Bennell等[61]于2017年指出，目前大多數的跑道資源調度模型主要是在仿真環境下進行測試，均未在機場實際應用中得到有效驗證。另外，不同模型的假設條件也存在差異，導致模型的適用性較差。因此，未來研究在對飛行區資源調度問題進行建模時，需著重考慮模型的普適與應用問題，盡可能實現理論模型的具體落地和實際指導性。

3.2 算法的穩健與效率問題

目前已知的機場飛行區資源調度算法眾多，主要分為精確算法、啟發式算法、元啟發式算法、近似算法四類[2-3,6,36,57,62-70]。其中，精確算法包括分支定界法、割平面法、動態規劃法等；啟發式算法包括貪婪算法、局部搜索算法、爬山算法等；元啟發式算法包括遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等；近似算法沒有明確定義，例如貪婪算法、局部搜索算法、隨機近似算法等。其中，啟發式算法和元啟發式算法通常亦被歸類為近似算法。對于大多數飛行區資源調度模型，很難求解到全局最優解，并且很難在多項式時間之內進行求解[53,71-72]。為在有限的計算成本內得到飛行區資源調度的滿意解，啟發式算法和元啟發式算法得到了廣泛應用，但是當前的算法執行效率仍較為低下。因此，未來研究在對飛行區資源調度算法進行設計時，需著重考慮算法的穩健與效率問題，盡可能實現調度算法的快速性和有效性。

3.3 方法與機制的匹配問題

由于機場飛行區資源調度過程涉及空管、機場、航空公司等多個航空運輸生產部門，上述部門的業務流程及交互關系對調度效果具有重要影響[49,73]。而且，新機制的推廣應用勢必會促進傳統資源調度方式的變革[2,12,73-75]。例如，A-CDM通過推動以機場運行為核心的多方資源整合和信息共享，改變了空管、機場和航空公司等部門的傳統業務流程；HDDAM通過重新整合區域、進近、塔臺等不同管制單位職責，將進離場管理的核心轉移至最有效的決策者。考慮飛行區資源調度的實際應用需求，其方法研究和機制設計之間需保持雙向反饋：“方法”的研究必須契合“機制”這一軟環境，而“機制”的概念論證則需要借助“方法”來實現。目前，基于CDM的協同場面管理、協同地面等待、協同航班調度、協同隊列管理等相關理論方法得到了衍生發展[73,76-78]，而HDDAM正由MITRE公司進行概念論證。因此，未來研究在對飛行區資源調度問題進行建模、分析與優化時，需著重考慮方法與機制的匹配問題，盡可能實現調度理論的適用性。

3.4 微觀與宏觀的結合問題

當前研究針對飛行區資源調度的微觀層面和宏觀層面均進行了一定的獨立性研究，微觀層面主要聚焦資源“個量”調度，宏觀層面主要聚焦資源“總量”調度。微觀層面的飛行區資源調度包括跑道起降調度、滑行規劃、停機位分配等[5-9,34-39,61-64,79-82]，宏觀層面的飛行區資源調度包括跑道運行模式配置、滑行態勢感知、停機位推出率控制等[2,31-33,40,83-90]。然而，當前研究尚未充分考慮微觀與宏觀的結合問題，無法實現資源“個量”調度與“總量”調度的交互協同。例如，當前的跑道起降調度研究尚未充分考慮復雜跑道構型、跑道運行模式配置等因素對空中交通運行的影響，建模過程中大多將多跑道資源看作一個整體系統，忽略了多跑道系統內部之間的協同運行特性及相互作用關系；當前的滑行規劃研究尚未充分考慮機場飛行區的態勢復雜度問題，以滑行時間最小為目標的滑行規劃方案可能會引發更多的場面沖突，從而導致滑行態勢復雜度的急劇增大；當前的離場調度研究尚未充分考慮推出率限制對調度過程的影響。因此，未來研究在對飛行區資源調度問題進行多視角管理時，需著重考慮微觀與宏觀的結合問題，盡可能實現宏觀規劃管理與微觀運行控制之間的協同交互。

3.5 常態與應急的銜接問題

航空運輸活動極易受惡劣天氣、重大活動、突發事件、設備故障等各類內外部因素影響，導致機場資源供給能力驟然降低[2,15-16，49]。例如，雷暴、冰雪、大霧、低云、軍事飛行活動、通航飛行活動引發的容量降低等直接因素，以及地震、洪災、火災引發的空管業務中斷等間接因素。在上述因素發生導致的應急環境下，突然減小的機場資源供給能力必然不能滿足常規或驟增的空中交通需求[20,49]。特別是自然災害等不可抗力因素導致的機場及空管業務中斷的情況下，突然減小甚至完全喪失的管制運行保障能力可能導致機場關閉、航班備降以及嚴重的航空事故等后果。當前研究主要聚焦常態運行狀況下的機場資源調度問題，尚未針對非常態運行場景開展大量的系統性研究。為增強機場在各類應急場景下的資源供給能力，提升機場系統風險抵御能力和安全水平，亟需對機場在各類應急場景下的可用資源進行應急調度[15,91-92]。因此，未來研究在對飛行區資源調度問題進行多場景管理時，需著重考慮常態與應急的銜接問題，盡可能實現常態管控與應急管控之間的相互協調和快速切換。

4 結束語

大多數飛行區資源調度問題均可抽象為優化控制問題，建模過程需兼顧機場終端區運行條件，且涉及諸多優化目標和約束限制。隨著機場物理結構的不斷龐大，以及空中交通流量的不斷密集，飛行區資源調度問題的復雜程度急劇增加。在機場飛行區的實時動態運行需求下，提高模型的普適性和應用性，增強算法的穩健性和時效性，成為當前及未來亟待重點解決的關鍵問題。

航空運輸具有多層級管理、跨區域運行和高動態管控等特點，內部存在海量、多元和異構的大數據信息，其蘊含的豐富價值亟待挖掘和利用。當前，國內外均已明確數據的基礎性戰略地位，航空運輸大數據研究與應用正面臨良好的發展機遇。通過開展航空運輸大數據統計分析、規律探索、業務優化、預測分析、宏觀決策、績效管理等服務，實現科學數據的科學管理，為機場飛行區資源調度提供強有力的技術支持。

機場飛行區資源調度問題研究的涉及面廣，包括概念內涵、體系框架、發展脈絡、發展趨勢、研究熱點和主要挑戰等諸多方面。該研究分為三個系列，本文僅為研究系列之三。在之前的研究系列之一和研究系列之二中，已分別對飛行區資源調度的基本概念與框架、發展脈絡與趨勢等問題進行了深入的研究與探討。通過上述關于飛行區資源調度三個系列的完整研究，旨在為機場運行管理理論與應用的可持續發展提供科學指引。