基于协同决策的进离场和场面一体化管理系统研究
摘要：近年来，随着我国空中交通流量的日剧增加，繁忙终端区拥堵、大面积航班延误等一系列问题日益突出，通过投入大量的人力与物力购买先进的管制运行设备或在繁忙机场新建跑道等传统方法已不能作为当前提高交通流量的有效措施。因此，需要加快辅助决策工具的研发，完善民航空中交通管制自动化与智能化的运行机制。本文结合我国特定的空域环境，针对基于协同决策的进离场和场面管理一体化管理系统进行研究，具有重大的理论和现实意义。
在现有的通信导航技术下，飞行流量的增长导致我国空域资源短缺的矛盾日益加剧。在机场、终端区等“瓶颈”区域非常容易出现因容量的限制导致航班延误、飞行冲突等问题。进场管理（AMAN）系统、离场管理（DMAN）系统和场面管理（SMAN）系统是空中交通流量管理的重要组成部分，对终端区飞行进行管理，尽量减少飞机之间的相互影响和飞行延误，并提高航班正点率。相对于我国协同决策放行的应用和实践，我国在进离场和场面管理一体化运行则尚处于理论研究阶段，既无相应规范参考，又无成熟系统经验供借鉴。但随着近年来空域流量持续增长，以及民航新技术的不断发展，我国研究进离场和场面管理一体化运行的需求越来越迫切。
一、基于协同决策的一体化运行理念
进离场和场面管理一体化运行将完成冲突管理、需求、容量等所有空中交通流量管理环节的全面整合，在保障安全的前提下，结合运行约束，合理高效地为进离场航班提供最优起降序列和时间，优化场面运行，充分地使用跑道时隙和空域资源，以期达到提升运行容量、缓解航班延误、践行绿色飞行的目的。
进场管理（AMAN）系统旨在不违反安全间隔的条件下，结合运行约束，合理高效地为进场航班分配着陆跑道，提供最优着陆次序与时间。进场管理基于空域状态、尾流、航空器能力和用户意愿对航空器进行排序，对航空器在到达一个优先进近定位点之延误或追赶的时间作出建议，从而使航空器能够更有效地飞往该定位点并减少等待，尤其是在低空的等待。
离场管理（DMAN）系统可用于优化离场运行，以确保最有效地利用机场和终端资源，在于满足约束与优先级前提下，优化离场航空器的目标起飞时间与允许开车时间。离场管理根据空域状态、尾流、航空器容量和用户意愿对航空器排序，从而在不影响交通流量的情况下，使其融入到空中航路的交通流中，这将有助于增加机场吞吐量，并遵守所分配的离场时间。
场面管理（SMAN）系统主要通过场面活动跟踪、冲突探测和控制的精确性，在保证场面安全、有序的前提下，进一步支持进场、离场的有序运行。场面管理对跑道需求进行管理，可使机场场面上离场航班的排序合理，并确保运行更顺畅，缩短每架航班在机场场面不必要的停留时间，从而提高航班的进、离场效率。
进场管理通过考虑终端空域结构、机场场面资源容量约束限制等因素提供支持数据，将要降落到该机场的航班有序、安全、顺畅的移交给塔台管制，它的范围可向区域扩展，扩大管理范围。
离场管理则根据本场通行能力、终端的限制情况、航班的目标撤轮挡时间等运行因素，提前规划航班的建议起飞时间、建议推出时间等，为场面管理提供决策支撑。场面管理主要目标是确保场面运行安全、有序，通过A-SMGCS、MLAT等工具实现精确监视，提前预知离场航班的顺序和间隔时刻，提前统筹安排场面管理资源，有效提高离场的有序性和效率。
进场管理、场面管理及离场管理三者关系紧密关联，相互衔接、相互协同、相互促进。如果其中某一环节出现瓶颈或者滞后，将一定程度上制约其他环节的效能，降低整个机场空侧的运行效率；而形成一体化运行后，紧密关联相互融合，将有效整合理顺机场从进场到场面、从场面到离场的资源，统筹协作，安全有序的加快航班流，提供整体效能。
国际民航组织在“航空系统组块升级”（ASBU）中，明确了进离场和场面一体化运行管理的实施路线。我国也应依据实际情况，参考ASBU的实施计划，规划合理进离场和场面一体化运行管理的实施路线，目前我国大多数机场已部署CDM系统、实现多机场协同放行，并与塔台电子进程单系统实现初步集成，AMAN工程建设已逐步开展，因此我国的实施路线建议如下，分为三个阶段：第一阶段实现进离场的独立运行以及离场和场面管理的集成运行；第二阶段实现进离场的集成运行；第三阶段实现进离场和场面管理的一体化运行。具体如下：
进离场和场面管理一体化将为提高跑道等资源的利用率、提升终端区机场运行效率、减少航班延误等带来正面增益。进场管理、离场管理和场面管理各自都包括了复杂和精细的管理内容，目前我国大多数地区机场的进场管理、离场管理、场面管理三大模块间处于各自独立的运行状态。为实现一体化运行，就需要在考虑满足进场、离场、场面各自精细化管理的基础上，应用协同决策机制理念，增强系统间数据的共享和一致性，形成逻辑上的整体。
进离场和场面管理一体化框架，采用多次层次的应用架构，包括基础设施层、数据层、应用支撑层、业务应用层、用户层以及标准规范和安全运维七大部分。一体化框架各层应采用松耦合、模块化设计思路，能够根据实际需要进行灵活组合，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品（如独立的进场、离场、场面管理系统或者进离场和场面管理一体化系统），以最大限度又经济合理地满足用户的实际要求。
基础设施层，能够提供运维机制，提供面向任务资源保障的管理手段，构建综合性、交互性的服务化管理平台。
数据层，主要由数据汇聚、数据存储、数据服务三部分组成。原始数据汇集后，为业务系统提供一致的飞行计划动态数据、综合航迹数据、气象数据、统一基础环境数据，并实时发布空中交通管理放行流控信息、接引机场A-CDM、航空公司运行系统相关信息。运行数据通过数据交换共享和运行监控机制，提供数据访问接口，为航空器进离场和场面运行各阶段业务应用提供数据服务。
从集成逻辑上看，由于进场、离场、场面管理有各自关注的业务领域，故在设计与划分上，由进场管理系统/模块（AMAN）、离场管理系统/模块（DMAN）和场面管理系统/模块（SMAN）分别处理进场跑道分配、进场航班排序，离场跑道分配、离场航班排序，场面滑行、路由、监视、告警等内容。
进离场与场面管理需要的流量信息包括机场及空域流量状态、格式化流控措施、通行能力（容量）信息、CTOT、MDRS预警信息等。
进离场管理系统向流量系统输出各里程碑时间，包括预计降落时间、实际降落时间、预计撤轮档时间等。场面管理系统向流量系统输出场面信息，包括可变滑行时间等，供流量系统作更准确的预测。
进离场与场面管理需要机场A-CDM信息包括停机位安排、除冰信息、代理航班TOBT、上轮挡/撤轮挡信息、登机开始/结束信息、靠桥/离桥时间、可变滑行时间、目标起飞时间TTOT等。进离场与场面管理一体化系统向机场A-CDM输出进场/离场航班排序队列、进/离场航路航线设置、可变滑行时间等信息。
进离场与场面统一集成时，系统主要关注信息集成，跑道等关键资源统一管理与协同，主要体现在航班信息交互，预测航班到达时间，优化排序队列并分配跑道时隙，依据停机位、滑行路线以及过站时间等不断修正对应航班的预计撤轮档时间，结合预计出港滑行时间，优化航班的起飞时间。
进场管理与离场管理的集成主要体现在跑道资源使用协同上，降落航班的降落跑道与起飞航班的起飞跑道的合理分配是一体化运行的关键节点，通过有效的集成运算旨在提高跑道资源的利用率，即在满足实际管制运行约束（安全间隔等）的基础上，采用优化排序算法计算出进离场航班最优起降时间。
可以通过进场/离场集成排序的方式，通过获取到进场和离场序列信息，判断跑道时隙是否冲突，当出现跑道时隙冲突时，需要对冲突的航班进行时隙计算，并将计算后的信息反馈给空管部门、机场以及航空公司。集成结果如下图所示。
进离场管理系统集成将实现进场航班数据和离场航班需求数据的对接，在考虑管制运行规则情况下，应用集成调度算法，计算进、离场航班队列和间隔，通过进场、离场航班时隙的融合来提高跑道的总体吞吐量，并且给管制员提供一个在受影响跑道的特定的空间导航。
3.进场与场面系统集成及信息交互
对进入进场管理作用范围的进场航班，基于4D航迹预测的预计降落时间ETA和考虑约束条件及优化目标，采用排序优化算法计算给出针对跑道入口、进场点、入界点、及其他定位点的过点航班序列和计划到达时间（STA）或计划过点时间（STO）。
系统在考虑空中限制的基础上，结合场面实时的条件，比如场面停机位可用情况、针对机场容量的进出港比例、跑道容量等，进一步优化排序算法，为终端和场面管制人员提供最优的协同决策结果。随着交通态势的演变，如因航路改变、位置、时间不一致引起航迹预测的更新，用户人工输入（如跑道配置变更、间隔变更、人工排序等）等，系统能够通过一致性检测功能，持续的监视交通态势演变，实时比对航班实际运行与航班排序、时序的差异，包括检测过点时刻一致性和位置（航路）一致性；系统可基于监测结果，依据制定的相应规则，触发航班队列重新排序，包括重排序（航班队列位置更新）和重定位（STO更新）。
4.离场与场面系统集成及信息交互
精确的场面管理不但提高场面运行效率，也可为离场管理做好支撑。场面管理包括提高场面活动跟踪、冲突探测和控制的精确性，可根据机场布局、目标情况为场面滑行路线的选择提供决策支持。
离场管理通过优化航班离场排序，进而优化机场地面交通，优化航空器推出时间，减少航空器开车后的地面等待时间，即通过自动化的决策信息可消除冲突，并可使离场运行更顺畅及更易于与相邻的ATC当局保持同步。
离场与场面的融合主要通过将航班目标离场时间、航班滑行路径、航班滑行时间整合起来，减少航班的滑行等待时间，实现场面的安全、高效管理，或者广义理解为空侧/陆侧范围管理。需要考虑目标离场时间、滑行路径规划、滑行时间计算等。对于机坪移交机场管理的机场，机场管理部门可通过接入DMAN系统，使用SMAN系统进行场面管理。
以上所述，面对我国民航航班流量的快速增长，信息化和自动化是我国空中交通流量管理的必由之路。进场管理（AMAN）系统、离场管理（DMAN）系统和场面管理（SMAN）系统的技术投入和实践应用将很快在民航空管系统中普及，其三者的一体化处理运行能够充分发挥各自的优势、达到效益最大化。
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