向征， 丁鈺童， 沈嘉奇

(中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院， 廣漢 618307)

近年來，隨著航路點(diǎn)飛行流量的不斷增長，當(dāng)飛行流量趨近甚至超過該航路點(diǎn)的容量時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致該航路點(diǎn)發(fā)生擁堵，此時(shí)該航路點(diǎn)即為飛行流量瓶頸點(diǎn)。為確保飛行安全，空中交通管制將會(huì)指揮航空器在飛行流量瓶頸點(diǎn)附近空域進(jìn)行減速、繞飛或是空中等待以使航空器之間具有安全間隔，由此給航空器帶來運(yùn)行延誤，不僅增加了航空器的飛行油耗，也降低了民航的經(jīng)濟(jì)效益。在預(yù)戰(zhàn)術(shù)飛行流量管理階段，對航路飛行流量瓶頸點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別研究，可發(fā)現(xiàn)存在擁堵的瓶頸點(diǎn)，提前利用飛行計(jì)劃集中處理這一手段對其采取流量管理措施，最終達(dá)到緩解空域擁堵、減少飛行沖突從而保證飛行安全的目的。

近年，國外空中交通流量管理(air traffic flow management，ATFM)方面的研究如下。由于交通流量管理的功能是最大限度地減少空域擁擠，最大限度地提高安全性和效率，Bastholm等[1]設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)風(fēng)格指南和一個(gè)配套的一致性評估系統(tǒng)，以幫助開發(fā)人員堅(jiān)持未來軟件擴(kuò)展的可用性原則和將界面的舊部分納入以用戶為中心的設(shè)計(jì)之中。Kistan等[2]批判性地回顧了ATFM，以確定ATFM的研究和開發(fā)工作對實(shí)用技術(shù)的實(shí)施前景，并提出一種新方法，即采用從本體ATFM技術(shù)和程序來確定未來的技術(shù)。Akgunduz等[3]提出了一種非時(shí)間分段的航空器在三維空間中的飛行計(jì)劃模型，所提出的數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)新之處在于它沒有時(shí)間分段的式，它能準(zhǔn)確地記錄每個(gè)航區(qū)的到達(dá)和起飛時(shí)間，在規(guī)劃期間，由于天氣條件的變化，擬議的計(jì)劃還考慮了部門容量的變化。García-Heredia等[4]提出了一種新的空中交通流量管理問題的0～1數(shù)學(xué)式，其中，把流量管理問題不視為一般的組合問題，而作為一組具有共同容量約束的最短路徑問題。

國內(nèi)方面，謝道儀等[5]對航路網(wǎng)絡(luò)流量的波動(dòng)特性展開研究，且以中南地區(qū)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)構(gòu)建航路網(wǎng)絡(luò)模型,分析了突發(fā)波動(dòng)情況對流量管理的影響。楊陽等[6]為優(yōu)化空中交通扇區(qū)流內(nèi)飛行流量根據(jù)混沌理論構(gòu)建交通流時(shí)間序列，通過最大李雅普諾夫指數(shù)對混沌時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測，最終得到此方法具有較高的預(yù)測精度。王莉莉等[7]考慮軍航和危險(xiǎn)氣象條件對空中交通管制的影響因素，提出了一種新的動(dòng)態(tài)空中交通流量管理方法。張兆寧等[8]提出一種根據(jù)跑道起降特性建立相關(guān)運(yùn)行模式下的多跑道構(gòu)型的多機(jī)場航班排序優(yōu)化模型，并通過時(shí)間窗啟發(fā)式算法驗(yàn)證模型方法的有效性和可行性。

綜上所述，以上方法大多數(shù)都是基于戰(zhàn)略流量管理階段的研究以及對空中交通流量的總體和長期的預(yù)測，基于預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段的流量管理研究相對較少。所以，由于中外關(guān)于預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理階段相關(guān)流量管理方法與策略的研究較少，并且鮮有研究學(xué)者將飛行計(jì)劃集中處理這一手段運(yùn)用到預(yù)戰(zhàn)術(shù)飛行流量管理階段相關(guān)流量管理方法與策略的研究之中。

在地面交通中，以高速公路交通為例。在高速公路交通中，由于交通流在不同時(shí)間段在不同的區(qū)域會(huì)有所不同，當(dāng)交通流過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)堵車的現(xiàn)象，像這種經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的地方經(jīng)常被稱為瓶頸區(qū)域[9]。與地面交通相似，空中交通在空域運(yùn)行時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，以此引出空中交通飛行流量瓶頸的概念。即隨著航路點(diǎn)飛行流量的不斷增長，當(dāng)飛行流量趨近甚至超過該航路點(diǎn)的容量時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致該航路點(diǎn)發(fā)生擁堵，此時(shí)該航路點(diǎn)即為飛行流量瓶頸點(diǎn)。

基于此，現(xiàn)將飛行計(jì)劃集中處理這一手段運(yùn)用到預(yù)戰(zhàn)術(shù)飛行流量管理階段之中，通過地面交通瓶頸區(qū)域的概念引出飛行流量瓶頸點(diǎn)，分別提出流量預(yù)測方法和瓶頸點(diǎn)識(shí)別優(yōu)化方法。首先通過飛行計(jì)劃集中處理獲得所有飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)，再利用過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型得到過關(guān)鍵航路點(diǎn)的過點(diǎn)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)獲得關(guān)鍵航路點(diǎn)的流量預(yù)測值；然后將流量預(yù)測值與容量限制值進(jìn)行比較識(shí)別飛行流量瓶頸點(diǎn)，并采取必要的流量管理措施對瓶頸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化；最后通過算例仿真驗(yàn)證流量預(yù)測方法和瓶頸點(diǎn)識(shí)別優(yōu)化方法的可行性。以期為預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理階段航路飛行流量預(yù)測和優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)。

1 飛行計(jì)劃集中處理與流量管理概述

1.1 飛行計(jì)劃集中處理概述

中國飛行計(jì)劃管理模式才剛剛起步，現(xiàn)已提出空管未來飛行計(jì)劃集中處理總體業(yè)務(wù)架構(gòu)，如圖1所示。目前，中國已實(shí)現(xiàn)對飛行計(jì)劃與領(lǐng)航計(jì)劃的集中管理，并在北京和上海共設(shè)立了兩個(gè)飛行計(jì)劃集中處理中心，形成“雙中心異址互備運(yùn)行模式”[10]。北京中心根據(jù)人員情況，按照空管局職能劃分，承擔(dān)相應(yīng)部分領(lǐng)航計(jì)劃報(bào)受理、處理和分發(fā)工作；而上海中心主要負(fù)責(zé)民航空管預(yù)先飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)的統(tǒng)一發(fā)布、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和維護(hù)以及全國航班次日飛行計(jì)劃處理和發(fā)布等工作[11]。

IFPS為飛行計(jì)劃集中處理系統(tǒng)；FPL為領(lǐng)航計(jì)劃報(bào)；ATC為空中交通管制； CNSM為通信導(dǎo)航監(jiān)視管理；ATFM為空中交通流量管理；A-CDM為機(jī)場 協(xié)同決策管理；RPL為重復(fù)性飛行計(jì)劃；NRPL為非重復(fù)性飛行計(jì)劃； Ready為準(zhǔn)備；Slot為裝入、嵌入圖1 中國空管未來飛行計(jì)劃集中處理總體業(yè)務(wù)架構(gòu)圖Fig.1 China’s air traffic control future flight plan centralized processing overall business structure

飛行計(jì)劃集中處理以上海飛行計(jì)劃處理中心為例，飛行計(jì)劃處理中心實(shí)現(xiàn)了飛行計(jì)劃的集中申請、集中處理以及集中分發(fā)。中國境內(nèi)所有航班都需要在航班起飛前至少2.5 h，將其飛行計(jì)劃提交至中國民航空管飛行計(jì)劃處理中心進(jìn)行處理[12]。因此，中國民航空管飛行計(jì)劃處理中心能夠至少提前2.5 h獲得全國的航班飛行需求。如果利用這些飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)來提前對中國空域中的飛行流量進(jìn)行預(yù)測，將可以有效地識(shí)別飛行流量大于容量的航路點(diǎn)(即飛行流量瓶頸點(diǎn))，為后續(xù)采取相應(yīng)的流量管理措施創(chuàng)造有利條件。

1.2 流量管理概述

空中交通流量管理的目的是在允許使用的最大利用限度內(nèi)保證空中交通流量與運(yùn)行允許的最大容量相符合[13]。預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理在空中交通流量管理中有著承上啟下的作用，即預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理階段的研究對空中交通流量管理有著至關(guān)重要的作用，此階段的研究更能對實(shí)時(shí)的優(yōu)化措施提供基礎(chǔ)支撐。預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理通常用于航班起飛前一周內(nèi)采取優(yōu)化措施，主要包括飛行計(jì)劃和空中交通管理協(xié)調(diào)活動(dòng)，此階段將預(yù)演飛行計(jì)劃找出可能出現(xiàn)的流量問題并提前采取優(yōu)化措施進(jìn)行流量調(diào)整，并通過流量管理日計(jì)劃對流量管理的措施信心進(jìn)行發(fā)布[14]。

預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理機(jī)制的核心是將飛行計(jì)劃與機(jī)場容量以及空域容量三者進(jìn)行協(xié)同管理，三者相互制約相互影響，可在航班起飛前一周內(nèi)提前對空中交通流量狀況進(jìn)行預(yù)測、干預(yù)、調(diào)整，并運(yùn)用“削峰填谷”的流量管理思想提前對空中擁堵的單元進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，給出預(yù)定方案，這樣大大降低了空中管制員的工作壓力，同時(shí)也給航空公司帶來了更大的經(jīng)濟(jì)效益[15]。此處給出預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理的核心機(jī)制如圖2所示。

圖2 預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理機(jī)制圖Fig.2 Pre-tactical traffic management mechanism chart

2 航路飛行流量瓶頸點(diǎn)識(shí)別與優(yōu)化模 型建立

2.1 航空器過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型建立

航空器過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測是航路飛行流量預(yù)測的基礎(chǔ)。航空器在航路上飛行時(shí)確定過重要航路點(diǎn)的時(shí)間可以有效地避免飛行沖突，對流量預(yù)測和提升空域利用效率具有重要意義。過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型主要分為航空器巡航階段和爬升下降階段的模型。在巡航階段的過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型中，假設(shè)航路點(diǎn)A(a，b)和B(c，d)之間的距離D為

(1)

根據(jù)飛行計(jì)劃可得到計(jì)劃巡航速度為vGS，兩航路點(diǎn)之間總飛行時(shí)間tc為

(2)

即航路點(diǎn)B的過點(diǎn)時(shí)間是在航路點(diǎn)A時(shí)刻基礎(chǔ)上加上飛行時(shí)間。

在爬升和下降階段的過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型中，根據(jù)能量平衡狀態(tài)模型，將航空器看作質(zhì)點(diǎn)建立平衡轉(zhuǎn)化關(guān)系為

(3)

假設(shè)航空器的速度和推力都是獨(dú)立可控制的，那么式(3)可以通過變形單獨(dú)求解不同階段的爬升下降率。即將式(3)轉(zhuǎn)換變形得到，不同狀態(tài)下的爬升下降率為

(4)

當(dāng)航空器等表速飛行時(shí)，指示空速保持不變，而真空速隨著高度增加而增大；當(dāng)航空器等馬赫數(shù)飛行時(shí)，真空速隨著高度增加反而減?。划?dāng)航空器在等校準(zhǔn)空速爬升或者下降時(shí)，此時(shí)高度變化率較小，爬升下降率可忽略不計(jì)。以等表速飛行為例，此時(shí)平均高度變化率為式(5)，時(shí)間變化數(shù)為式(6)，整個(gè)等表速爬升和下降的時(shí)間為

(5)

(6)

(7)

2.2 多機(jī)場地面等待模型建立

為建立模型，假設(shè)航班集合為F={1,2,…,f}，f為航班架數(shù)；機(jī)場集合為K={1,2,…,k}，k為機(jī)場個(gè)數(shù)；時(shí)間周期集合為T={1,2,…,t}，t為時(shí)間周期個(gè)數(shù)；扇區(qū)集合為J={1,2,…,j}，j為扇區(qū)個(gè)數(shù)；成對的連續(xù)航班序號(hào)集為ξ={(f′,f)}，其中航班f′為航班f的后一架航班。并對P(f,i)和Pf做出解釋，對P(f,i)而言，若i=1，則P(f,i)為航班f的起飛機(jī)場；若1

Pf=[P(f,i): 1

(8)

式(8)中:Pf為航班所處的位置。

為建立模型還需定義三個(gè)特征函數(shù)，分別是階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和獨(dú)立方波函數(shù)。定義階躍函數(shù)為

(9)

定義脈沖函數(shù)，變量為

(10)

(11)

定義獨(dú)立方波函數(shù)，變量為

(12)

(13)

式(13)中：扇區(qū)j′與扇區(qū)j相連且航班f依次從j進(jìn)入j′。

因此，在上述三個(gè)函數(shù)的基礎(chǔ)上，給出地面等待時(shí)間的計(jì)算公式為

(14)

式(14)中：df為航班f的計(jì)劃起飛時(shí)間。

從式(14)可以看出，地面等待時(shí)間就是航空器實(shí)際的起飛時(shí)間減去原計(jì)劃的起飛時(shí)間。同理給出航班f空中等待時(shí)間為航空器的實(shí)際著陸時(shí)間減去原計(jì)劃著陸時(shí)間，計(jì)算式為

k∈P(f,Nf)

(15)

式(15)中：rf為航班f的計(jì)劃著陸時(shí)間。

此地面等待策略模型以航班總的延誤花費(fèi)最小為目標(biāo)函數(shù)，即流量管理措施采取的空中等待和地面等待的總花費(fèi)最少，目標(biāo)函數(shù)為

(16)

因?yàn)楹娇掌鞑还茉诳罩械却€是地面等待都是有約束條件的，而不是無止境的，都是由經(jīng)濟(jì)效益主導(dǎo)，為此給出目標(biāo)函數(shù)的延誤時(shí)間約束條件為：0

(17)

下面設(shè)置三個(gè)約束:式(18)為起飛機(jī)場容量約束，式(19)為著陸機(jī)場容量約束，式(20)為扇區(qū)容量約束。

(18)

(19)

?j∈J,t∈T

(20)

式中:Dk(t)為起飛機(jī)場k在t時(shí)的容量；Ak(t)為降落機(jī)場k在t時(shí)的容量；Cj(t)為t時(shí)刻j扇區(qū)的容量約束。

在上述條件的基礎(chǔ)上此處又給出三個(gè)約束條件，式(21)表示扇區(qū)連續(xù)性約束條件，式(22)表示航班連續(xù)性約束條件，式(23)表示時(shí)間連續(xù)性約束條件。

j′=P(f,i+1),i

(21)

k=P(f,1)=P(f′,Nf)

(22)

(23)

式中：lfj為航班f通過扇區(qū)j所需要的時(shí)間；tf′, f為連續(xù)航班之間的松弛時(shí)間。式(23)表示的時(shí)間連續(xù)性約束條件目的是為了保證每架航班f只允許執(zhí)行一次飛行任務(wù)，這是唯一的約束性條件。

3 航路飛行流量瓶頸點(diǎn)識(shí)別與優(yōu)化

3.1 航路飛行流量預(yù)測方法

以飛行計(jì)劃集中處理為依托，提出一種基于飛行計(jì)劃集中處理的流量預(yù)測方法。首先，從FPL報(bào)文出發(fā)，從中獲得的途徑關(guān)鍵航路點(diǎn)的飛行計(jì)劃航班信息，對涉及的航班的飛行計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；隨后，建立的預(yù)計(jì)過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型為基礎(chǔ)，通過對航班進(jìn)行航跡預(yù)測并預(yù)測過關(guān)鍵航路點(diǎn)的時(shí)間和位置高度；最后，在預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理階段對航路中的關(guān)鍵航路點(diǎn)進(jìn)行流量預(yù)測統(tǒng)計(jì)并和實(shí)時(shí)雷達(dá)數(shù)據(jù)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性。具體方法流程如圖3所示。

3.2 飛行流量瓶頸點(diǎn)識(shí)別與優(yōu)化方法

對瓶頸點(diǎn)的識(shí)別與優(yōu)化進(jìn)行綜合分析如下：首先，在預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理階段，通過飛行計(jì)劃集中處理，提前1～7 d獲取計(jì)劃飛行的領(lǐng)航計(jì)劃報(bào)，從眾多的飛行計(jì)劃中篩選出計(jì)劃經(jīng)過關(guān)鍵航路點(diǎn)的航班計(jì)劃，對這些航班計(jì)劃分別進(jìn)行單架航空器航跡預(yù)測和利用過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型計(jì)算出過關(guān)鍵航路點(diǎn)的計(jì)劃時(shí)間，對過航路點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，得到該關(guān)鍵航路點(diǎn)不同時(shí)間段內(nèi)的流量值。然后，由于惡劣氣象條件影響導(dǎo)致航路點(diǎn)容量下降，原定計(jì)劃的航空器會(huì)在該航路點(diǎn)在某特定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生飛行擁堵，從而影響飛行安全，即此時(shí)的航路點(diǎn)的預(yù)計(jì)流量值會(huì)大于受特殊氣象條件影響的容量值，使得航路點(diǎn)容流失去平衡，此航路點(diǎn)即將成為飛行流量瓶頸點(diǎn)。最后，針對飛行流量瓶頸點(diǎn)，考慮安全和經(jīng)濟(jì)效益，以多機(jī)場地面等待策略[16]為依托，對計(jì)劃過瓶頸點(diǎn)的航班采取流量管理控制措施。利用流量管理“削峰填谷”的思想，通過地面等待使航班在起飛機(jī)場推遲起飛，從而使航空器錯(cuò)開過航路瓶頸點(diǎn)的時(shí)間段，使得瓶頸點(diǎn)流量得到控制，從而消除了飛行流量瓶頸點(diǎn)。整體的綜合分析流程如圖4所示。

圖3 基于飛行計(jì)劃集中處理的航路點(diǎn)流量預(yù)測流程圖Fig.3 Flow chart of en-route flow points’ prediction based on centralized flight plan processing

4 算例仿真

4.1 關(guān)鍵航路點(diǎn)流量預(yù)測算例

以飛行計(jì)劃集中處理為依托，通過《2017年全國民航航班運(yùn)行效率報(bào)告》中的繁忙航路點(diǎn)中選取關(guān)鍵航路點(diǎn)魏縣(WXI)作為研究對象。首先從上海飛行計(jì)劃集中處理中心獲得2019年10月8日的領(lǐng)航計(jì)劃報(bào)(filed flight plan message，F(xiàn)PL)作為數(shù)據(jù)來源，從當(dāng)天37 488個(gè)計(jì)劃報(bào)中篩選出經(jīng)過WXI的飛行計(jì)劃為1 050個(gè)。在這些篩選的飛行計(jì)劃中，有些航班都有1～3個(gè)飛行計(jì)劃，再經(jīng)過篩選刪除重復(fù)的最終得到，過WXI當(dāng)天的總航班量為517架次。然后對篩選出的飛行計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合空域數(shù)據(jù)預(yù)測航班的過點(diǎn)時(shí)間，最后在預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量階段對航路中的關(guān)鍵航路點(diǎn)進(jìn)行流量預(yù)測統(tǒng)計(jì)。

以WXI航路點(diǎn)為例，給出該航路點(diǎn)的航路圖截取，如圖5所示。過WXI航路點(diǎn)的航路為A461、W37、W4和V33等。從當(dāng)天517架次航班中以30 min預(yù)測閾值，選取北京時(shí)間8:00—22:00為該點(diǎn)流量預(yù)測區(qū)間，最后統(tǒng)計(jì)出458架次航班。所以，通過流量預(yù)測方法預(yù)測出2019年10月8日WXI航路點(diǎn)在時(shí)段8:00—22:00中每半小時(shí)的流量預(yù)測值，如圖6所示。并在此基礎(chǔ)上，將流量預(yù)測值與實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值以1 h為區(qū)間進(jìn)行對比，得到流量對比圖，如圖7所示。

圖5 WXI航路點(diǎn)示意Fig.5 The chart of waypoint of WXI

圖6 WXI航路點(diǎn)8:00—22:00流量預(yù)測圖Fig.6 Flow prediction chart of WXI en-route point at 8:00—22:00

圖7 WXI航路點(diǎn)8:00—22:00流量對比圖Fig.7 Flow contrast chart of WXI en-route point at 8:00—22:00

從圖6中可以看出，在8:00—22:00流量預(yù)測中，每小時(shí)內(nèi)前30 min的流量均比較大，最小流量為11架次/0.5 h，最大流量為24架次/0.5 h。在所有半小時(shí)區(qū)間內(nèi)，最小流量為6架次/0.5 h，最大流量為24架次/0.5 h，且平均每半小時(shí)航班量為15.3架次。同樣從圖7可以得到，航路點(diǎn)在不同時(shí)段的流量預(yù)測值基本上都低于實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)值，少數(shù)持平或高于，不管是低于還是高于，誤差范圍都在2架次以內(nèi)。所以，基于飛行計(jì)劃集中處理的報(bào)文預(yù)測的流量數(shù)據(jù)與實(shí)測流量數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同，本文所述的流量預(yù)測方法能在一定程度上反映流量的變化趨勢，流量預(yù)測值基本都略低于實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)值，并且誤差精度都在2架次以內(nèi)。

4.2 飛行流量瓶頸點(diǎn)識(shí)別與優(yōu)化算例

同樣以魏縣(WXI)10:00—13:00流量預(yù)測結(jié)果為研究對象，對此時(shí)間段內(nèi)的WXI這個(gè)流量瓶頸點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別與優(yōu)化算例仿真。在預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理階段，通過氣象預(yù)測得到WXI在10:00—13:00會(huì)受到惡劣氣象條件影響，導(dǎo)致此航路點(diǎn)10:00—13:00中且以30 min為區(qū)間的容量限制下降至14架次/0.5 h。通過航路飛行流量預(yù)測得到，10:00—13:00這個(gè)區(qū)間內(nèi)，計(jì)劃共有81架次航班經(jīng)過WXI航路點(diǎn)，航班部分信息如表1所示，表1中用序號(hào)對航班進(jìn)行編號(hào)。

通過表1中的過點(diǎn)時(shí)刻，預(yù)測統(tǒng)計(jì)出過WXI的流量預(yù)測值，如圖8所示。從圖8可知，10:00—12:00中此航路點(diǎn)的流量值超過容量限制，此時(shí)WXI成為飛行流量瓶頸點(diǎn)，針對瓶頸點(diǎn)使用“削峰填谷”的思想，將圖8中的流量峰值進(jìn)行優(yōu)化使得6個(gè)以30 min為時(shí)段的流量預(yù)測都小于流量限制，所以，此處利用地面等待策略對表中航班序號(hào)15、16、42、43、44、56、57、58、59、70和71進(jìn)行優(yōu)化控制，計(jì)劃推遲這些架次航班推遲5～8 min，經(jīng)過地面等待優(yōu)化后的計(jì)劃過點(diǎn)時(shí)間如表2所示。

表1 過點(diǎn)WXI航班部分信息Table 1 partial flights information of WXI

通過采取地面等待策略優(yōu)化后的瓶頸點(diǎn)WXI的流量統(tǒng)計(jì)圖，如圖9所示。從圖9中不難看出，經(jīng)過地面等待策略優(yōu)化后，10:00—13:00時(shí)間段內(nèi)以30 min為預(yù)測區(qū)間的流量值均控制在容量限制14架次/0.5 h一下，并且流量值趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。所以，此時(shí)的飛行流量瓶頸點(diǎn)得到優(yōu)化控制，從而消除了瓶頸點(diǎn)，使得WXI在未來10:00—13:00可處于安全運(yùn)行的狀態(tài)。

圖8 WXI航路點(diǎn)10:00—13:00流量預(yù)測圖Fig.8 Flow prediction chart of WXI en-route point at 10:00—13:00

表2 優(yōu)化后的計(jì)劃過點(diǎn)時(shí)刻Table 2 Optimized planned passing time

圖9 WXI航路點(diǎn)10:00—13:00流量預(yù)測圖Fig.9 Flow prediction chart of WXI en-route point at 10:00—13:00

5 結(jié)論

將飛行計(jì)劃集中處理這一手段運(yùn)用到預(yù)戰(zhàn)術(shù)飛行流量管理階段之中，提出一種基于飛行計(jì)劃集中處理的航路飛行流量瓶頸點(diǎn)識(shí)別與優(yōu)化方法。首先根據(jù)各航班在起飛前提交的領(lǐng)航計(jì)劃電報(bào)并通過過點(diǎn)時(shí)間預(yù)測模型預(yù)測出航空器過關(guān)鍵航路點(diǎn)的過點(diǎn)時(shí)間，再結(jié)合空域結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來獲得主要航路點(diǎn)的流量預(yù)測值，再與考慮復(fù)雜天氣條件影響的容量限制值進(jìn)行比較，識(shí)別出某時(shí)段關(guān)鍵航路點(diǎn)變成瓶頸點(diǎn)，最后使用地面等待策略推遲航班過瓶頸點(diǎn)的時(shí)間從而緩解瓶頸點(diǎn)流量壓力，從而消除瓶頸點(diǎn)。通過算例仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所提出的流量預(yù)測方法能夠反映流量變化的趨勢，和瓶頸點(diǎn)識(shí)別與優(yōu)化方法能夠當(dāng)容量限制時(shí)很好的緩解航路擁擠，消除瓶頸點(diǎn)，提升空域利用效率，同時(shí)此兩種方法都具有可行性，且對未來在預(yù)戰(zhàn)術(shù)流量管理階段提供了一種新的流量管理方法。