機場進場管理工具體系方法論研究

胡鈺明

摘 要： 本文針對機場進場管理（AMAN），提出了一套研究該問題的方法論。本文討論了研究進場管理相關(guān)的背景、目標、主要問題及研究思路。本文的目的并不是就進場管理中某一個具體問題進行研究，而是希望從宏觀層面提出應(yīng)當(dāng)如何采取相對合理的方式，開展進場管理的研究工作，并提出一些值得進一步探索的方向。

關(guān)鍵詞：空中交通管理，進場管理，AMAN，進離場排序

0引言

進場管理系統(tǒng)（簡稱AMAN）主要研究解決繁忙終端區(qū)落地航班調(diào)配的問題。對于任何一個繁忙機場、繁忙終端區(qū)來說，對于進場航班的管理都是一項需要時刻集中注意力的工作。與出港航班流相比，管制員對進場航班流的控制能力相對較弱，主要表現(xiàn)在以下三個方面：

一是可預(yù)測性差。由于種種原因，各管制單位間、尤其是跨區(qū)域管制單位間尚未共享綜合雷達航跡信息、場面動態(tài)信息等，導(dǎo)致管制員無法有效、精確地掌握航空器在進入本區(qū)域前的狀態(tài)、位置數(shù)據(jù)。因此，進場流量對當(dāng)班管制員來說，基本上可以視為一個隨機事件。何時、在何方向?qū)霈F(xiàn)強度如何、持續(xù)度如何的進場流量，在目前是比較難預(yù)測的，時刻存在流量超過容量的潛在風(fēng)險。所以，現(xiàn)行工作中，多采取協(xié)議間隔、流控等形式進行彌補，但又無法發(fā)揮每個扇區(qū)的最大效率。

二是可調(diào)配度小。由于我國空域特點，進場流量集中出現(xiàn)的終端區(qū)范圍內(nèi)往往空域狹小、航路密集。當(dāng)不同方向同時出現(xiàn)進港流時，管制員需要依靠經(jīng)驗判斷預(yù)計達到最后進近點的時間，進而做出決策。當(dāng)實際情況與預(yù)案出現(xiàn)偏差時、或是突發(fā)事件發(fā)生時，空域中無規(guī)劃好的可用于臨時調(diào)配的空域，管制員往往采取指定空間讓機組自行盤旋等待的策略，既不利于安全，也不利于管理。

三是與出港流量高度相關(guān)。進港航班與出港航班最終將在跑道上產(chǎn)生爭用，因此，兩股航班流無法完全隔離開進行分析。尤其是一些地區(qū)進離港航線尚未分離，導(dǎo)致存在潛在沖突的空域大大增加，不利于安全調(diào)配。進港航班流量的管理，必須以技術(shù)手段為依托，綜合考慮進、出港航班流量需求，統(tǒng)籌安排，才有可能實現(xiàn)運行順暢、有序。

本文希望探討進場管理中的若干重要問題和研究方向，以點帶面，引出進場航班流量管理支持系統(tǒng)設(shè)計的一些思路。

1研究目標

本研究希望通過研究進場航班流量分布與調(diào)配方法，并在終端區(qū)進場扇區(qū)、區(qū)管中低空扇區(qū)等單位建設(shè)配置相應(yīng)的進場管理決策支持系統(tǒng)工具，達到理順進場航班流量、減輕管制員、飛行員工作壓力，減少進場航班空中盤旋等待，縮短航班進場時間，減少航空器落地后地面滑行時間的目標，從而使運行更為順暢，燃油消耗更為經(jīng)濟，資源分配更為合理。

通過研究進場航班流的管理，本研究希望覆蓋以下兩個方面的目標：

一是安全性目標。安全性目標是建立在提高可預(yù)測性的基礎(chǔ)上，利用空域規(guī)劃、預(yù)戰(zhàn)術(shù)建議、策略選擇等方式協(xié)助進場管制員提前做好預(yù)案，應(yīng)對可能出現(xiàn)的進場流量。安全性目標主要包括：

提升航班流的可預(yù)測性。進場航班流的可預(yù)測性是所有進場流量管理工作的基礎(chǔ)。提升可預(yù)測性，主要需要從數(shù)據(jù)源入手。

化解潛在飛行沖突。通過對關(guān)鍵資源使用情況的計劃和監(jiān)控，在航班流跟蹤、預(yù)測的基礎(chǔ)上，實時發(fā)現(xiàn)潛在的飛行沖突，并提供必要的決策支持信息，幫助管制員做出合理的決策。

平衡容量-流量關(guān)系。通過預(yù)測和管理，實時監(jiān)測未來一段時間的空域需求與資源可用性，在預(yù)計出現(xiàn)超容量的情況下，及時提供合理的流量管理策略供現(xiàn)場領(lǐng)班參考。

二是經(jīng)濟性目標。經(jīng)濟性目標是實現(xiàn)了安全性目標后，在其之上，綜合考慮各利益相關(guān)方的利益訴求，選擇合理的進場管理方式，實現(xiàn)各方利益平衡與最大化的目標。經(jīng)濟性目標主要包括減少傳統(tǒng)的航空公司燃油消耗、機場停機位分配、減少停機位變更、縮短地面滑行時間等，同時，筆者也認為，應(yīng)將平均降落時間及平均管制通話量這兩項因素，作為空管方面的經(jīng)濟性指標納入考慮。

2主要研究問題

2.1進場航班流量管理策略

研究進場航班流量管理的策略問題。主要包括：

空中延誤消耗分配策略：研究對于必要的空中延誤，在何階段、以何種方式進行延誤，對運行安全壓力小、且較為經(jīng)濟的消耗策略?？罩醒诱`可通過在區(qū)管高空減速、走廊口外盤旋、終端區(qū)內(nèi)盤旋等方式完成。因此，需要研究相應(yīng)的策略，更為科學(xué)、經(jīng)濟的選擇延誤分配方式。

進離港比例分配策略：研究如何更加合理、有效的分配機場進離港比例，達到預(yù)期加權(quán)延誤（空中 + 地面）代價最小，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的策略問題。

空中等待區(qū)設(shè)置方法：研究空域結(jié)構(gòu)中空中等待區(qū)設(shè)置的方式方法與策略問題，包括高空、中低空、終端區(qū)等待區(qū)設(shè)置的一般性原則。

2.2智能進場程序、跑道分配決策支持工具原型

研究在有多條跑道的機場終端，具有一定適用性的智能進場程序、跑道分配決策支持工具原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照預(yù)設(shè)的目標，在進近相關(guān)扇區(qū)，提前給出進場程序及跑道分配選擇建議，協(xié)助管制員提前做出跑道選擇決策，實施航班就進跑道落地，并減少空中盤旋等待時間、減少地面滑行時間，從而達到節(jié)能減排的目的。

2.3進、離場排序系統(tǒng)協(xié)同運行工作機制

目前各地區(qū)正在建設(shè)的協(xié)同決策系統(tǒng)中，離場排序模塊已經(jīng)在減少關(guān)艙門等待、開車后等待方面發(fā)揮了一定作用。但就單機場而言，由于跑道時隙屬于爭用資源，割裂的研究離港排序或進場管理，都會導(dǎo)致運行層面的一系列問題。因此，需要研究進場排序與離場排序的協(xié)同運行工作機制，在進場流量管理策略、智能進程程序及跑道分配工具的基礎(chǔ)上，探索、研究進場排序與離場排序的協(xié)同運行機制，使離場排序、進場管理工具都能夠最大限度的發(fā)揮作用。

3 AMAN系統(tǒng)工具體系方法論

3.1進場管理系統(tǒng)能力模型

為了衡量開展進場管理的條件，評估進場管理系統(tǒng)實施的效果，本文提出如下進場管理系統(tǒng)能力模型：

進場管理系統(tǒng)能力模型分為四個級別：可追蹤、可預(yù)測、可管理、可優(yōu)化。每個級別依次代表了更高的進場管理能力。

3.2可追蹤級

達到這個等級的終端區(qū)，應(yīng)具備對于進場航班流量持續(xù)不斷的追蹤能力，并能夠向進場管理系統(tǒng)（AMAN）輸出所需要的基本信息，包括航空器的位置、速度、高度、總數(shù)量等。這一級別應(yīng)通過建設(shè)相應(yīng)的雷達、空管自動化系統(tǒng)實現(xiàn)，也是實施進場管理、研發(fā)進場管理系統(tǒng)的最低能力要求。

本等級需要建設(shè)的工具集是：飛行數(shù)據(jù)集成平臺。

飛行數(shù)據(jù)集成平臺完成進場管理所需數(shù)據(jù)的集成工作。需要集成的數(shù)據(jù)包括：航班計劃、航班動態(tài)、位置、速度信息。

在這一級別，AMAN工具框架結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3.3可預(yù)測級

可預(yù)測級是指在保持航班流量可追蹤的條件下，進場管理系統(tǒng)能夠根據(jù)航空器當(dāng)前的狀態(tài)信息及預(yù)戰(zhàn)術(shù)分配，結(jié)合一定的規(guī)則與算法，對未來一段時間內(nèi)航空器的狀態(tài)進行合理預(yù)測。可預(yù)測級包括兩個子級：一是內(nèi)部可預(yù)測，主要是對已進入終端區(qū)、還未落地的航班，對其飛行軌跡、速度、時間等信息可以進行預(yù)測。具備內(nèi)部可預(yù)測能力，可以在終端區(qū)內(nèi)部實施一些管理目標，如沖突化解、就近落地等。二是外部可預(yù)測，主要是指由終端外推一定的時間范圍或距離范圍，實現(xiàn)可預(yù)測性。達到這一級別的終端區(qū)，管制員可以對流量分布情況有一個相對精確的掌握，并在這一能力等級上加入動態(tài)預(yù)警引擎，對潛在沖突進行預(yù)警，從而避免出現(xiàn)不安全事件。達到本級后，標志著進場管理的安全性目標基本實現(xiàn)。

本等級需要建設(shè)的工具集是：航跡預(yù)測模型工具；飛行航跡測量工具；

航跡預(yù)測模型工具主要完成雷達航跡推算預(yù)測功能。在終端區(qū)內(nèi)，上升、下降頻繁，飛行軌跡較多，航路航線曲折，因此不能簡單利用靜態(tài)時間推算的方法進行航跡預(yù)測。測量工具將根據(jù)飛行器能力、實時位置、速度矢量、已分配的策略等信息，對飛行軌跡進行相對精確的測量與預(yù)測。

飛行航跡測量工具主要完成對航空器位置、高度、速度的持續(xù)測量及矯正，并將結(jié)果與航跡預(yù)測模型工具進行交互，從而修正下一步的預(yù)測結(jié)果。

在這一級別，AMAN工具框架入下圖所示：

3.4可管理級

可管理級是指管制員可以根據(jù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)而不是主觀判斷，采取一些預(yù)戰(zhàn)術(shù)管理措施。運行規(guī)程中已經(jīng)為各種條件下的進場航班流制定了相應(yīng)的管理策略，具備應(yīng)對大多數(shù)突發(fā)事件的能力；能夠監(jiān)控不滿足計劃要求的情況或潛在不安全情況（如間隔過小、大小型機跟隨、交叉飛行等），能夠以技術(shù)手段進行告警。達到這一級別后，進場管理手段由人為經(jīng)驗為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐约夹g(shù)數(shù)據(jù)為主，主觀決策轉(zhuǎn)變客觀決策，并能夠及時發(fā)現(xiàn)不安全事件。

本等級需要建設(shè)的工具集是：靜態(tài)進場策略分配工具；告警引擎；安全預(yù)警引擎；專用進場管理HMI終端。

靜態(tài)進場策略分配工具主要完成進場流量管理預(yù)案的匹配工作。該工具對每個進港航班，按照預(yù)設(shè)的方式分配進場管理策略，如特定走廊口航班采取特定的進場航線、等待程序、落地跑道等。

告警引擎主要完成對于設(shè)定的特定場景、業(yè)務(wù)條件等進行告警的功能。告警引擎可以設(shè)計為分布式輪詢方式，通過接受數(shù)據(jù)集成平臺所輸出的信息，定時檢測是否出現(xiàn)了符合告警條件的航空器并發(fā)布告警信號。

安全預(yù)警引擎可以采用時序系統(tǒng)仿真方法，根據(jù)測量工具輸出的預(yù)測信息，結(jié)合預(yù)設(shè)的業(yè)務(wù)預(yù)警條件，對一段時間之后的預(yù)計交通流情況進行判斷并產(chǎn)生預(yù)警信號。

HMI終端主要完成將策略、告警信息向管制員進行展示、并接受管制員交互信息的功能。

在這一級別，AMAN工具框架入下圖所示：

3.5可優(yōu)化級

可優(yōu)化級是指，在滿足管理計劃要求的前提下，針對一些特定的場景或突發(fā)事件，能夠以自動或半自動的方式提供優(yōu)化策略建議；對運行過程中產(chǎn)生的與計劃的偏差，可以及時提供有效的補救措施建議；在滿足安全性目標的前提下，提供考慮各種經(jīng)濟性指標的運行建議。管制方式改為航空器進入終端區(qū)前，系統(tǒng)即給出運行方案，管制員選擇合適的方案執(zhí)行，并監(jiān)控執(zhí)行狀態(tài)。

達到這一級別的終端區(qū)，主要決策選項由支持系統(tǒng)做出，管制員工作量大大減輕，主要精力可以集中在策略的執(zhí)行上，而無需參與到復(fù)雜的決策運算過程。同時，具備實施更高級的進場流量管理戰(zhàn)術(shù)策略的能力，如盤旋下降高度、精確落地時間控制等，同時兼顧安全性與經(jīng)濟性指標。

本等級需要建設(shè)的工具集是：預(yù)演工具；優(yōu)化器；動態(tài)策略分配工具；

預(yù)演工具主要完成對已分配或?qū)⒁峙涞倪\行策略建議在未來一段時間范圍內(nèi)、特定條件下的運行結(jié)果進行模擬仿真和預(yù)演，并能夠計算一些關(guān)鍵性能指標。

優(yōu)化器主要完成在既定環(huán)境、約束條件、運行偏好等要求下，最優(yōu)策略或次優(yōu)策略的搜索、比對及建議功能。優(yōu)化器主要依靠多變量多元約束求解、人工智能算法、數(shù)據(jù)挖掘等方式，以整體或局部目標函數(shù)最小或最大為目標，搜索可行的解，進而轉(zhuǎn)換成為調(diào)配策略建議。

動態(tài)策略分配工具根據(jù)實時運行情況，結(jié)合特定的運行規(guī)則，在恰當(dāng)?shù)臅r機或事件出現(xiàn)時，調(diào)用優(yōu)化器根據(jù)預(yù)設(shè)的算法模型，搜索滿足特定目標的最優(yōu)解或次優(yōu)解，并將其結(jié)果展示為進場流量管理策略供管制員進行選擇。

在這一級別，AMAN工具框架入下圖所示：

4結(jié)束語

本文就進場管理的策略及進場管理系統(tǒng)的建設(shè)、能力評估提出了初步的思路，可用于分步驟建設(shè)進場管理系統(tǒng)?？梢钥吹剑S著級別不斷提升，技術(shù)難度、數(shù)據(jù)源要求等也隨之提升。尤其到了優(yōu)化器環(huán)節(jié)，核心技術(shù)仍然掌握在少數(shù)國外巨頭如IBM手中。但筆者認為，依靠自主創(chuàng)新與良好的建設(shè)模式，循序漸進的不斷進行研究、開發(fā)、驗證，我們完全有能力建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、符合我國特色的進場管理系統(tǒng)，為更好的理順進場航班流、協(xié)調(diào)好進場與離場流量的關(guān)系盡一份力。

參考文獻：

[1] 靳學(xué)梅等.進港管理系統(tǒng)研究與分析[J]. 航空計算技術(shù)，2017（2）：5 - 8

[2] 張明偉，靳學(xué)梅，白紅利.下一代管制自動化系統(tǒng)研究與設(shè)想[J]. 航空計算技術(shù)，2015（4）：123 - 126

[3] 胡明華，馬園園，田文，尹嘉男.復(fù)雜終端區(qū)進場交通流優(yōu)化排序方法研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2015，47（4）：459 - 466

[4] 張妍，胡明華，張穎.多機場終端區(qū)進場航班排序模型研究[J]. 航空計算技術(shù)，2013，43（3）：20–24