一、引言 

　　治理航班延误，补齐服务品质短板，是我国民航面临的紧迫任务。作为全球航空运输规模第二大国，我国民航航班正常率水平与快速的航空运输量增长态势背道而驰、持续走低，2012年为74.83%，2013年为72.34%，2014年为68.37%，2015年为68.33%，远低于民航发达国家80%以上的航班正常率水平，“量增质减”、“大而不强”的航班保障现状亟需改善。 

　　治理航班延误的直接手段是科学高效地开展流量管理。然而，限于体制机制原因，我国民航在短时期内很难突破空域管理体制瓶颈，无法高效实施拓展空域资源、优化航路航线配置等战略流量管理举措。战术层面，受制于航路资源局限和空域使用机制，我国民航很难在航班航路飞行阶段采取以灵活选择航路/改航策略为代表的流量管理措施，当前主要采取的流量管理策略是尾随间隔控制和进离场排序；由于这些流量管理策略覆盖尺度小（大多实质面向单一机场），依托系统工具功能单一（进离场管理功能分散、独立运行），且并未真正实现空中交通管制机构与航空公司的协同决策（管制机构没有基于航空公司反馈的二次决策），流量管理的作用和功效与实际需求相距甚远。 

　　有鉴于此，升级完善战术级流量管理系统，适度扩大其作用尺度，丰富其策略功能，提升其协同水平，不失为有效提高我国民航航班正常率的现实途径。考虑到我国民航国家级流量管理系统的建设尚需时日，当前实施战术级流量管理策略的关键节点在进离场阶段，本文提出面向多机场终端区，研发集成进离场管理和机场场面管理功能于一体的综合化战术级流量管理系统构想，以满足当前“大尺度、多功能、高协同”流量管理的迫切需求。 

　　另一方面，国际民航组织在航空系统组块升级（ASBU）计划中，以改进机场运行性能为目标提出的未来运行概念恰恰是进离场、场面管理一体化（FULL AMAN/DMAN/SMAN）。截止目前，国际民航组织关于ASBU计划的权威描述（参见《全球空中航行计划》、《航空系统组块升级工作文件》）都是高度概括性的，本文基于问题导向、需求驱动所提出的终端区流量管理系统构想，也为ASBU中FULL AMAN/DMAN/SMAN战略实现提供了具体的技术方案。 

　　二、系统描述 

　　系统采用分层级、多模块循环运行模式，提供既面向整个终端区、也面向终端区内单一机场的流量管理策略支持，旨在实现“在保证运行安全的前提下，大幅提高运行效率、减小延误，降低运行成本，减轻管制员工作负荷”的流量管理目标。 

　　（一）系统研发任务 

　　1、飞行轨迹预测（Trajectory Prediction，TP）功能模块。根据进离场航班的状态、程序结构、空域环境、管制规则及流量限制预测其未来一段时间（主要预测未来30分钟左右的飞行轨迹）可能的飞行轨迹并给出较为精确的关键点到达时间。 

　　2、跑道配置与分配（Runway Configuration and Assignment，RCA）功能模块。根据实时天气、环境、航班流量等信息，确定终端区内各机场的跑道运行模式（包含起降模式、运行方向、接受起降航班总架次等），并以此为依据为进离港航班分配跑道。 

　　3、停机位分配（Stand Assignment，SA）功能模块。根据RCA给出的跑道配置和跑道分配结果，考虑各航空公司可用的停机位区域位置约束，地面车辆约束等，以减小乘客步行距离、或者平均各停机位使用效率等为目标，为进港航班分配目标停机位。 

　　4、进场管理（Arrival Management，AMAN）功能模块。根据RCA输出的跑道运行模式方案和降落跑道信息，对即将进入终端区的航班进行优化调度、为其分配进港点、飞越进港点时间、进场进近程序、以及降落时间等。 

　　5、离场管理（Departure Management，DMAN）功能模块。根据终端区内各机场的离场流量需求、航班在各起飞跑道的分布、终端区空域结构、离场程序航线情况、出港点容量等因素优化离港航班的起飞时间，离场程序、离港点等。 

　　6、协同决策（Collaborative Decision Making，CDM）功能模块。与进离场管理模块进行交互，在管制机构、航空公司间共享信息，且根据这些信息进行分布式起降时隙决策，实现管制机构和航空公司协同决策的目标，从而兼顾运行效率和各方公平性。 

　　7、滑行调度（Taxiing Scheduling，TS）功能模块。根据各航班的停机位、起飞/降落跑道、预计起飞时间、申请推出时间、机型等信息，求解出最优推出时刻和最优滑行路径。 

　　8、综合化平台开发。编程实现面向多机场终端区的综合化平台开发，提供符合管制员操作习惯的界面，后台运行上述各功能模块，周期性给出进港队列信息、起降时刻、推出时间等辅助决策信息，并提供人工干预接口。 

　　（二）系统运行流程 

　　如图1所示，以一个覆盖两个机场的终端区为例进行简要说明，图中实线方框代表面向机场的功能模块，实线椭圆框代表面向终端区的功能模块，箭头代表数据流走向或者逻辑关系。 

　　图中虚线部分代表大范围大尺度、粗精度的空中交通流量管理（ATFM）。由于ATFM一般涉及若干机场，其系统不确定性相对较大，没有必要直接求解出精度很高的决策结果；另一方面由于其模型规模一般很大，也限制了其模型精度。该阶段给出的航班起降时刻往往为一个时间段，虽然不能精准定义航班起降时刻，但已经从宏观上定义了最优化的空中交通流形态，优于传统尾随间隔控制策略。 

　　各个机场的跑道配置模块根据ATFM给出的粗精度起降信息，结合当地环境条件，给出跑道配置决策。之后跑道分配和停机位分配模块根据跑道配置模块的输出各自进行优化，以确定航班的起飞/降落跑道。 

　　随后，面向整个终端区的进离场管理模块开始工作。进场管理模块的优化模型中部分参数，如终端区程序段飞行时间、飞机到达关键点速度、高度等信息需要由轨迹预测模块输出。进场管理模块输入这些信息，再根据进场航班已经被分配的跑道信息对进场航班在终端区空域内的运行进行优化，确定进港点、确定各进港队列的排序，对关键汇聚点进行间隔管理，并以此分配航班降落时隙。与进场管理模块同时运行的是离场管理模块。类似的，离场管理模块也需要接受飞行轨迹预测模块的给出的信息。 

　　在进离场模块运行过程中，本系统将引入管制机构和航空公司协同决策流程。首先由管制机构面向整个终端区制定统一的初始起降时隙分配计划，之后发布至各个机场，由机场所在地各航空公司根据自身偏好对起降计划进行时隙分配调整。航空公司完成时隙调整以后再将意见返回给管制机构，管制机构会根据航空公司的意见进行二次决策，以形成最终的起降时隙分配计划。 

　　最后，各个机场的滑行调度系统将接受相应机场跑道分配、停机位分配模块提供的航班起降跑道信息，停机位信息，以及终端区统一进场、离场管理模块在经过协同决策之后提供的航班计划起降时隙信息，通过优化算法确定离场航班的最优推出时刻以及所有进离场航班的最优4D滑行路径。 

　　图1 系统运行流程示意 

　　（三）系统配置结构 

　　如图2所示，拟配置一台终端区主机，用于运行面向终端区的功能模块：进场管理模块、离场管理模块、协同决策中初次和二次决策模块、以及轨迹预测模块。终端区主机配备显示终端，用于显示终端区空侧交通态势，并提供可视化的各进离港点流量，终端扇区流量，潜在冲突告警，各航班基本机型、呼号、进离港点、速度、高度、所分配终端区程序、预计关键点到达时刻等信息。对于终端区内各机场，每个机场均配置一台管制主机和一台代表航空公司的主机。其中，管制主机运行跑道配置、跑道分配、停机位分配、以及滑行调度等面向机场的功能模块，且运行两个显示界面。一个界面用于显示机场场面运行态势，提供航班地面滑行路径、起/降跑道、停机位、冲突告警等信息；另一个界面专门用于显示在该机场起降航班的起降时刻信息。代表航空公司的主机主要运行协同决策中航空公司调整模块，并提供调整过程中所需的起降时隙信息。对于航空公司起降时隙信息显示，可以根据协同决策中允许航空公司调整时隙的自由度来选择需要显示的信息范围。如果允许多家航空公司之间对起降时隙进行博弈、交换等，则应当如管制主机起降时刻显示一样，显示当前机场所有起降航班的时隙分配信息；否则，如果只允许航空公司对本公司所属航班进行调整，则只需显示该公司航班时隙分配信息即可。 

　　图2系统配置结构示意 

　　三、技术分析 

　　（一）既有技术基础 

　　1、进离场管理优化技术。进场管理技术工具的主要作用是帮助管制员对到达流进行排序，确定流量合并点（merge fix），帮助到达流汇聚等。离场管理技术工具的主要作用是帮助形成起飞队列，并使这个队列尽可能地短，使航班的实际起飞时刻尽可能接近计划起飞时刻。目前，在该领域学术界已经出现了相当数量的进离场管理单一优化方法及进离场管理协同优化方法研究，但由于约束理想化、算法过于复杂、求解时间不确定、最优性无法保障等多种原因，尚不一定适用于实际运行当中。国内外实际应用的AMAN或DMAN系统工具已出现较多，但对于进场或离场交通流基本采用先来先服务（FCFS）类型策略，没有加入实质性的优化方法；而相关进离场综合管理系统工具的应用相对偏少，难以发挥功能集成优势。 

　　2、场面运行优化技术。场面运行优化的主要目的是优化航班推出开车时刻和滑行路径。近年来，有关场面运行优化的研究成果时有发表，但提出的核心优化调度方法大多粗糙简化；或者具有相当的局限性，尚未和进离场管理结合起来，欠缺系统级优化。国内外鲜见实际应用的滑行路由引导系统工具。  

　　3、协同决策优化技术。CDM程序和概念研究最多的当属起降时刻或起降时隙分配方法，主要包含两层功能：第一层功能是实现管制机构和航空公司间的信息共享；第二层功能是基于共享信息的优化决策，一般应当至少包括管制机构初始决策、航空公司调配，以及管制机构二次决策等三个步骤。当前国外应用的很多CDM系统工具已初步实现上述两层功能；国内应用的CDM系统工具大多只实现了第一层信息共享的功能及第二层管制机构初始分配航班起降时刻功能，协同程度较为低下。 

　　（二）需要解决的问题和主要技术难点 

　　系统研发的核心任务在于将进场管理系统、离场管理系统、以及机场场面管理系统的功能进行整合，同时引入CDM机制，形成一套综合化的进离场及场面管理系统。该系统不仅实现进离港排序、滑行路由等进离场和场面运行优化调度的传统功能，还将跑道配置、跑道及停机位分配、终端区程序选择等功能整合到系统中。需要解决的问题和主要技术难点包括： 

　　1、综合化调度管理系统的架构和时序逻辑。拟研发的综合化管理系统为循环运行的多模块异构系统，模块间既有并联关系也有串联关系。部分模块面向整个终端区，部分模块只面向终端区内的单个机场。因此，整个系统架构复杂，各模块间的逻辑关系、数据流结构和走向，各模块自身的运行速度要求，在系统异常情况下的数据保护、告警、安全退出等功能，都是需要解决的问题和技术难点。 

　　2、飞行轨迹预测的准确性。在系统优化建模过程中，模型中参数不确定性越小，模型的精准度越高，其给出的决策越有可能被完整的执行。飞机状态（包括高度、速度、位置等）以至于其连带的飞行轨迹及飞行时间等参数是所有功能模型中的重要参数，其误差大小直接决定了模型输出的决策是否可用。因此，研究一套根据航班状态、用户偏好、机场以及空域限制条件等精确预计飞机轨迹和飞行时间的方法是必须需要解决的问题。该方法应至少保证起飞后到达离场关键点、到达进场关键点、飞机落地等关键时间点的预测精度。 

　　3、跑道配置、跑道分配、停机位分配等扩展功能的融合。由于跑道配置、跑道分配、停机位分配方案等都会直接影响进离场和机场场面滑行效率，将这些功能整合进来以后会使系统结构更加完善，综合优化管理效率也更高。因此，如何将跑道配置、跑道分配、停机位分配等扩展功能融合入整个系统中，理顺其和其他各个模块的关系是需要解决的问题。 

　　4、协同决策模块的运行模式和决策算法。对于CDM中管制机构初始决策、航空公司调配，以及管制机构二次决策等三个步骤，每一个步骤究竟如何实现、采用什么样的模型和算法；航空公司调配过程中只允许各家公司调配自身所属航班，还是允许跨公司通过博弈、交换、竞价等模式对航班时刻进行调配；管制机构二次决策中是只参考航空公司调配结果而进行自主决策还是既参考航空公司调配结果又和航空公司共同决策。上述规则都需要进行研究。另一方面，由于CDM涉及多次决策，从逻辑上讲，前一次决策输出必须给后一次决策留出修改裕量；从计算速度上讲，每一次决策都必须快速完成，且必须避免循环反复，这两点对每一个决策过程的模型和求解算法都提出了较高的要求。上述问题还没有实际系统可以借鉴，是系统研发中的技术难点。 

　　5、滑行调度模块与进离场管理模块的协调。系统覆盖的管理区域包括整个终端区空域以及终端区内各机场的场面运行区域。从空间上可以将拟研发的综合化优化管理系统分为空侧子系统和场面子系统两大类。空侧子系统中的进离场管理系统直接涉及到航班降落排序和起飞排序，分别对应进港航班的滑行起点和离港航班的滑行终点。从逻辑上讲，滑行调度模块与进离场管理模块必然存在十分紧密的联系。建立三者的联系也是系统研发的重要核心任务。然而，目前几乎所有进离场管理系统工具或者方法在其模型中都将预计到达时间/预计起飞时间作为一个输入参数，并以这类参数作为计算延误的参考值。这个参数如何获取，根据什么方法来确定预计到达时刻/预计起飞时刻，这种方法是否高效，是否最优，几乎没有被讨论过。这不仅造成了预计到达时刻/预计起飞时刻本身就可能是不合适的，根据其来进行延误优化的效果也大打折扣。另一方面，进离场管理模块的输出为航班降落/起飞时刻，滑行调度模块也会输出航班的起飞时刻，如果两者不统一，该如何进行协调，目前几乎没有任何可以借鉴参考的资料。因此，处理滑行调度模块与进离场管理模块的协调运行是系统研发过程中的重要技术难点。 

　　6、不确定性处理。在对任何大规模工程问题进行建模优化管理的过程中，不确定性都是一个棘手的问题。尤其在本系统中，系统运行中的不确定性因素较多，包含天气、环境、飞机状态、人为因素等，可能为诸如航班到达进离港点的时刻、飞行速度、滑行速度、高度、落地时刻、落地位置、推出时刻等引入不确定性，从而造成建模过程中需要处理大量不确定性变量。虽然前文第2点已经提到本系统将会着力研究精准预测飞行轨迹的方法并提高预测精准度，但预测误差终究存在，且系统运行中除了飞机本体意外还可能发生其他种类的不确定事件。如何处理这些不确定性干扰将是本系统需要解决的一个重要问题。目前通常使用的处理不确定性的最直接的方法有随机优化、鲁棒优化、动态规划、不确定决策（如马尔可夫决策过程）等，也可以通过设计缓冲区来“吸收”在一定限度内的误差，或者采用将大模型拆分，从而分段逐步求解以充分利用最新信息来减小误差的方式。在本系统中究竟采用哪一种方法，或者采用哪几类方法，如何在建模过程中既保证模型与实际的拟合度，又兼顾运算速度和运算复杂度，是系统研发工程中不可回避的问题，也是主要技术难点。 

　　7、建模方法和模型求解方法。目前用于建模系统级管理优化问题的方法基本都属于运筹学范畴，主要有数学规划类方法、不确定决策类方法、以及其它启发式方法等。这些模型各有优缺点：数学规划类模型对问题约束的建模通常更为直观，也更为全面，但往往造成模型规模过大而使求解过程变得复杂；不确定决策类模型一般求解迅速，但其对问题约束的覆盖能力和建模准确度不如数学规划类方法；启发式模型往往针对特定的问题，不具有通用性。因此，如何为各个功能模块选择合适的模型是本系统需要解决的核心问题。另一方面，模型的求解方法也是本系统中必须解决的核心问题。由于本系统面向高密度终端区和大流量机场，无论采用哪种模型，其模型规模和复杂度都不可避免地会对求解过程造成很大的影响，必须设计高效可行的求解算法，配合合理的模型才能顺利快速地求解。 

　　四、结束语 

　　现有的进离场管理系统或者场面运行管理系统，一方面功能分散、独立运行，难以发挥系统效能；另一方面都是实质面向一个机场，造成同一终端区内不同机场的优化方案可能会出现冲突，反而限制了各自最优方案的可实施性。 

　　本文所提系统通过将同一终端区的各机场运行进行联合建模，整合进场管理系统、离场管理系统、以及机场场面管理系统的功能，同时引入CDM机制，形成一套综合化的多机场终端区进离场及场面管理系统，可兼顾各机场和终端区各进离港点的运行情况，充分运用系统决策提高整体运行效率，满足当前“大尺度、多功能、高协同”流量管理的迫切需求，对于当前提高我国民航航班正常率水平，补齐服务品质短板，具有现实意义和可行性。由于系统设计和运行模式与国际民航组织ASBU未来运行概念高度契合，本文也为国际民航发展战略落地提供了具体技术方案。（中国民用航空局第二研究所  张建平）