ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2003年第43卷第7期2003,V o l .43,N o .711 379032907空中交通战略和战术级流量管理模型马正平,　崔德光(清华大学自动化系,北京100084)收稿日期:2003202225基金项目:国家自然科学基金资助项目(69784004)作者简介:马正平(19732),男(汉),四川,博士研究生。

通讯联系人:崔德光,副教授,E 2m ail :cui @ci m s .tsinghua .edu .cn摘　要:针对日益增长的空中交通流量,提出了适合中国空中交通的战略、战术级流量管理模型。

按照功能,分别提出了航路流量管理模型和机场流量管理模型以及终端区的流量管理模型。

根据空中交通中信息的实时性和多样性,分析了其中的信息流动,并在此基础上提出了新一代信息共享网络。

这些模型都应用于清华大学国家C I M S 工程研究中心与华北空管局合作开发的空中交通管制指挥检测系统(A TC 2C M S )中,并取得了很好的效果,同时也为上层管理者提供了战略性决策支持。

关键词:系统决策;空中交通;流量管理;实时系统;复杂系统控制中图分类号:N 945.25文献标识码:A文章编号:100020054(2003)0720903205M odels of stra teg ic and tactica l a spectsof a ir traff ic f low managem en tMA Zhe ngp ing ,CU ID e gua ng(D epart men t of Auto mation ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Chi na )Abstract :A ir traffic flow vo lum es in China can be increased by strategic p lanning of air traffic flow m anagem ent .M odels w ere developed fo r en 2route flow m anagem ent,airpo rt flow m anagem ent and term inal area flow m anagem ent .T he real 2ti m e variati on of air traffic info r m ati on w as considered in the developm ent of a real 2ti m e info r m ati on sharing netwo rk.T he models wo rked very w ell in an A ir T raffic Contro l and Comm and M onito ring System ,developed by the N ati onal C I M S Engineering L abo rato ry and the N o rth China R egi onal Bureau of Ch ina A ir .T he system p rovides seni o r m anagers w ith real 2ti m e info r m ati on fo r strategic decisi on suppo rt .Key words :systemdecisi on;airtraffic;flowm anagem ent;real 2ti m e system s;comp lex system contro l 随着空中交通流量的不断增长,机场和空中交通阻塞的现象越来越严重,从而造成大量的航班延误。

从表面上看,现有机场和空域容量不能满足日益增长的空中交通流量需求是导致交通阻塞和航班延误的直接原因。

但实际上,现有管制技术相对落后,管制人员缺乏流量管理的科学依据和必要手段,无法对未来可能出现的流量高峰进行科学的、准确的预测,是导致交通阻塞和航班延误的根本原因。

[1]空中交通阻塞导致航班延误的代价是相当大的。

航班延误不仅造成巨大的经济损失,也给旅客带来了很多不便,同时直接影响航空公司的声誉。

在现有的机场和空域容量条件下,建立一套科学的空中交通流量管理系统,对飞行流量进行科学预测和合理分配,对有效地缓解机场和空中交通阻塞,降低航班延误率是十分必要的。

[2]1　空中交通流量管理(ATF M )系统空中交通流量管理(A T FM )是空中交通管理(A TM )所包含的两个主要因素之一,另一个因素称为空中交通管制(A TC )[3]。

空中交通流量管理包含航路流量管理、终端区流量管理、机场场面交通流量管理等与航空器流量管理有关的所有活动,其目的是:在交通需求或预期需求超过空中交通管制系统的有效容量期间内,保证空中交通有序地流向或通过这些区域,防止航空器之间以及航空器与地面物等相撞,达到或提高对空域和机场现有容量的最优利用,确保航空系统安全、高效地运行。

根据实际情况,中国的空中交通流量管理系统可以分为两级,第一级是全国统一的流量管理中心,负责协调全国范围的空中交通流量,称为一级流量管理中心;第二级是飞行情报区级的流量管理中心,负责协调本飞行情报区内的飞行流量,称为二级流量管理中心。

图1是中国空中交通流量管理系统结构示意图。

二级流量管理中心主要是协调本飞行情报区内图1　中国空中交通流量管理系统框架各机场塔台、进近管制室、区调管制室和航空公司之间的活动,确保空中交通安全有序。

同时要为一级流量管理中心提供流量管理的基础数据、初级决策方案和实时流量分布,是一级流量管理中心的基础。

根据多年的实践经验,中国未来流量管理系统的建设可以考虑自下而上的方式,首先建立二级流量管理中心,使各个飞行情报区的流量管理步入正轨,再逐步建立一级流量管理中心,统一管理全国的飞行流量。

空中交通流量管理系统是一个非常复杂的系统,涉及的内容和因素很多。

二级流量管理中心按照地域划分,又可以分为终端区和航路两个部分。

2　航路流量管理模型航路流量管理主要针对航路中、管制区之间、各个航路汇集节点(导航点)以及地区航路网的整体流量问题。

相对于终端区流量管理而言,航路流量管理涉及的面更广,制约流量问题的因素更多。

不但要采集本管制区的基础数据,而且还要建立与相邻管制区之间的接口,并且还要采集相关的基础数据,建立航路、各个节点的数学模型以及地区航路网的流量运算法则、数学处理方法和初级决策方法,从而统一预测整个管制区的飞行流量。

空域都被划分成多块扇区,扇区中有多条航路,同时每条航路还有不同的高度层。

空域中还有很多重要的导航点。

由于飞机之间的间隔标准的限制,使得航路、扇区、导航点的容量都是有限的。

图2是航路流量管理模型。

当飞机沿航路从一个扇区进入另外一个相邻扇区时,两个扇区的管制员要进行管制移交。

显然上游扇区管制员的管制策略会对下游扇区的流量产生直接的影响。

这就需要管制员、飞行员等多个主体之间的紧密合作。

3　终端区流量管理模型终端区流量管理主要处理机场及其走廊口区域,飞机的到达和出发流量的排序规划问题。

根据机图2　航路流量管理模型场的跑道数量和运行构型,在不违反飞机安全间隔的情况下,采取优化的调度策略,改善现有机场的容量,科学、合理地安排飞机的着陆和起飞次序,以及起降比例,保证空中和机场地面交通快速、有序地流动,有效缓解机场交通阻塞的现象。

其主要功能(参见图3)是:1)监控终端区内,机场跑道和进出走廊口的交通流量状况;2)预测终端区的流量分布;3)预测机场跑道和进出走廊口飞机延误的数量及时间;4)为管制部门提供管理飞机进出港的优化调度策略。

图3　终端区流量管理模型在终端区,机场的流量管理是相当复杂的,也是最重要的一环。

首先机场本身情况十分复杂,很难给出具有普遍意义的考虑。

因为不同机场有着不同的特点。

有的是大型国际机场,有的是地区性的机场,有的是中心机场而有的更小。

在机场地面面积上,跑道数量和结构上等等不同机场都是不同的。

同时不同机场的自动化程度和信息系统,以及旅客所能利用的设施以及航空公司等都是不一样的。

机场容量主要是跑道容量、停机位的安排、滑道409清华大学学报(自然科学版)2003,43(7)容量等等[4]。

在很多情况下(如天气等原因)造成空中交通阻塞时,最初的飞行计划将被打乱,这时一般都要让飞机在地面或者空中等待,此时机场的进、出港航班队列的安排很重要。

图4是机场流量管理模型的简图。

可以看出机场大概有跑道,滑道,停机位等系统资源。

图4中基本概括了机场飞机到达和出发管理的全过程。

图4　机场流量管理模型4　流量管理系统信息集成从组织机构和工作程序来看,现有的空中交通管制系统是一个巨大的信息系统[5]。

信息是多种多样的,而且信息来源于多个渠道:飞行计划、雷达数据、语音通话、气象信息和航行情报等等。

由于不同的部门所关心的信息各不一样,而且中国现有的空中交通管理系统自动化程度不高,不同的机场自动化程度更是参差不齐,这使得在很多时候很多信息都不能得到及时的发布,各部门不能及时采取协调措施,这样往往会造成在一些区域出现交通阻塞,而另外一些区域还出现资源浪费等现象。

其实,这就是因为各相关主体之间存在着“info r m ati on gap s ”的原因。

图5是空中交通管理中的信息流动示意图。

图5　空中交通管理系统的信息流动示意图4.1　机场和ATC 状态信息机场和空中交通管制状态信息主要包括:1)关于机场容量的战术数据和实时更新数据。

2)关于机场地面交通以及备用机场等信息。

3)关于终端,当地和区域交通系统的信息。

4)关于协调机场和流量管理之间的信息。

以及在A TC 管理的飞机队列中,飞机预期要等待的时间信息等等。

有关机场方面的信息是尤其重要的。

对于许多航空公司来说,他们对自己主要工作的机场的信息都很清楚,但是对该公司的飞机所要到达的其它机场的信息并不是很清楚,甚至根本就不容易得到很详细准确的信息。

这样很可能造成一些机场过度繁忙而另外有些机场的容量还有剩余的情况。

这就需要对整个系统内所有机场的信息进行不断的实时的更新,以便于航空公司能及时对自己的工作计划做出及时的调整。

4.2　流量管理信息空中交通管制(A TC )及航空公司需要进一步的流量管理信息,诸如:1)对受管制的扇区的战术预测,2)对特殊航路可能出现的平均延误的战术预测,3)其它可预测的延误的战术信息,4)在出现延误时提供一些备用航路的战术信息,5)延误的各种原因等等。