“以拉代推”的繁忙機場離場計量新方式探析

□ 北京航空航天大學(xué) 張明華 楊 楊/文

隨著航空運輸業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，航空運輸總體需求與繁忙機場離場保障能力之間的矛盾日趨激烈。航空器滑行剮蹭、跑道頭長時間排隊等待等安全威脅、運行降效問題頻繁出現(xiàn)，吸引了全球航空交通界的共同關(guān)注和研究探討。例如，國際民航組織在機場協(xié)同決策（A-CDM）基礎(chǔ)上提出“全面機場管理（TAM）”運行概念，以推動更大范圍時空維度的信息共享和協(xié)同決策。美國國家航空航天局（NASA）、德國宇航中心（DLR）、美國麻省理工學(xué)院（MIT）等研制機場離場放行管理（SARDA）、離場優(yōu)化與場面滑行集成管制（CADEO& TRACC）、機場推出率控制（PRC）等驗證系統(tǒng)，旨在通過先進自動化決策功能提升繁忙機場離場保障能力。

對我國航空運輸業(yè)而言，不可避免會面臨上述問題。截至2020年，我國航空旅客運輸量連續(xù)16年穩(wěn)居全球第2位，運輸機場數(shù)量過去10年增長37.7%，而運輸機場完成起降架次增長63.6%，并已形成京津冀、長三角、粵港澳、成渝四大世界級機場群，建成北京、上海、廣州、西安等十大國際航空樞紐，旅客吞吐量千萬級繁忙機場達39個，三千萬級繁忙機場已有11個。面向高密度環(huán)境下的安全、高效運行需求，加強我國繁忙機場離場保障能力建設(shè)已經(jīng)成為行業(yè)共性難題，迫切需要新技術(shù)與應(yīng)用支撐。

近年來，離場計量（Departure Metering）作為提升繁忙機場離場保障能力的新技術(shù)之一，受到研究界的重點關(guān)注。離場計量通過對離場航班的推出放行過程進行精細化控制，一方面減少離場滑出時間，提高運行效率；另一方面縮短跑道頭等待隊列長度，以避免跑道不充分利用（具體而言，若跑道頭等待隊列長度設(shè)置為零，即航空器無需等待即可起飛，則難以應(yīng)對存在隨機擾動時，航空器無法及時達到跑道頭的不確定性，從而導(dǎo)致跑道的不充分利用。因此，在離場計量中，通常要求跑道頭等待隊列保持非零的較小長度）。圍繞該技術(shù)，美國麻省理工學(xué)院Hamsa Balakrishnan教授團隊，中國民航大學(xué)楊東、侯文濤等國內(nèi)外研究者均開展了相關(guān)研究。其中，Balakrishnan教授團隊較早開發(fā)的航班推出率精準(zhǔn)估計與反饋控制工具在美國波士頓機場塔臺進行了24小時應(yīng)用測試，平均滑出時間減少約4.4分鐘。目前，該團隊進一步考慮從機位到走廊口點的機場場面—空域整體運行，研究各關(guān)鍵節(jié)點的精細化控制方法，縮短跑道頭等待隊列、支持進離場與場面協(xié)同運行等，持續(xù)拓展豐富離場計量的技術(shù)手段和應(yīng)用場景。

在上述研究工作基礎(chǔ)上，本文以我國某繁忙機場為例，引介推出率精準(zhǔn)估計與反饋控制方法，并挖掘離場計量背后蘊含的思維方式變革，為推動離場計量技術(shù)的應(yīng)用落地，增強我國繁忙機場離場保障能力提供參考。

推出率精準(zhǔn)估計與反饋控制案例分析

本文以某繁忙機場10個月（2020年9月至2021年6月）的實際運行數(shù)據(jù)為例，考慮目視氣象條件（VMC）和主用跑道運行模式的場景（該場景占比超過50%），統(tǒng)計得到：10.5%運行時段的航班平均滑出時間高達23.4分鐘，比總平均滑出時間高出41.3%（詳見圖1紅框部分），離場運行效率明顯降效。進一步，從輸入輸出關(guān)系上，深入分析該機場離場運行情況，詳細考察在途率—離場率的折線函數(shù)關(guān)系，其中，在途率是指當(dāng)前機場場面上處于滑出狀態(tài)（已推出但未起飛）的航班量，離場率是指當(dāng)前時刻下一15分鐘時段內(nèi)起飛的航班量。這里，折線函數(shù)斜率為0表示離場運行的“相變點”（在途率、離場率分別為9和8，詳見圖2紅色圓圈）?？梢姡涸谠擖c上，若持續(xù)新增航班推出，在途率上升而離場率不增加，導(dǎo)致滑出航班減速或等待，平均滑出時間大幅上升，離場運行降效加劇；而若終止航班推出，待滑出航班量得以消化后再重啟，又將導(dǎo)致機場整體運行處于“不飽和”（跑道的不充分利用）與“擁堵”（離場運行降效）的交替跳變。

圖1 ：某機場主用運行模式下平均滑出時間熱圖

圖2 ：某機場主用運行模式下在途率—離場率數(shù)據(jù)分布情況

以下從運行場景分類、在途容量精準(zhǔn)估計、推出率反饋控制三方面，具體介紹推出率精準(zhǔn)估計與反饋控制方法。

（一）運行場景分類

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究和實際運行經(jīng)驗，離場計量受氣象條件、跑道運行模式、進場需求、機型混合結(jié)構(gòu)、停機位分配等多種因素的影響，本文選取前三種主要因素進行分析。具體而言，氣象條件對離場運行至關(guān)重要，可分為目視氣象條件（VMC）和儀表氣象條件（IMC），在不同的氣象條件下，空管單位采取不同運行策略；跑道運行模式或跑道使用策略并非一成不變，根據(jù)實際運行情況或氣象條件進行動態(tài)調(diào)整，航空器滑出路徑選擇和滑出時間均隨之改變；進場需求與離場需求共享機場場面資源，存在相互耦合影響。

本文以5000米能見度為標(biāo)準(zhǔn)將氣象條件分為2類（大于5000米、小于5000米），并選取“02L起飛|02R降落”“02L起飛|02R起降”“02L起降|02R降落”3類跑道運行模式（共占比97.61%），進而將運行場景分為6類（如表1所示）。此外，考慮每15分鐘間隔內(nèi)降落航班量作為進場需求。

表1 ：某繁忙機場運行場景分類

圖3給出不同運行場景下在途率、離場率數(shù)據(jù)分布情況。箱型圖表示任意在途率對應(yīng)的離場率數(shù)值集合，藍色線/橙色線分別代表不同在途率對應(yīng)箱型圖平均值/中位值的連線?？梢姡瑢τ谌我膺\行場景，在途率與離場率之間存在著明顯一致的數(shù)量關(guān)系，即離場率隨在途率的增加而增加，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。然而，不同運行場景下離場率趨于穩(wěn)定時所對應(yīng)的在途率各不相同，表明不同運行場景下離場運行能力的差異。例如，02L起降|02R降落跑道運行模式（見圖3中最右邊兩個子圖）下的離場率隨著在途率增加，較快達到穩(wěn)定狀態(tài)，02L起飛|02R降落跑道運行模式（見圖3最左邊兩個子圖）次之，02L起飛|02R起降跑道運行模式（見圖3中間兩個子圖）下最慢。

圖3 ：某繁忙機場各運行場景下在途率—離場率數(shù)據(jù)分布情況

（二）在途容量精準(zhǔn)估計

離場率隨在途率增長達到穩(wěn)定狀態(tài)時的數(shù)值為離場容量，體現(xiàn)機場的離場服務(wù)能力；離場率達到穩(wěn)定狀態(tài)時對應(yīng)的在途率為機場當(dāng)前運行模式下的在途容量，是衡量機場運行狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，若在途航班量高于在途容量，機場則會陷入擁堵降效狀態(tài)?；谏鲜鲈谕韭省x場率的折線函數(shù)關(guān)系和實際運行數(shù)據(jù)，將在途容量估計建模為最小二乘估計問題，計算得到在途率—離港率折線函數(shù)斜率為0的相變點（詳見圖2紅色圓圈），以表示使該機場處于“飽和—非擁堵”的離場運行狀態(tài)對應(yīng)的在途率—離場率估計值，作為下一步推出率控制的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)。圖4給出了綜合考慮氣象條件、跑道運行模式、進場需求等不同運行場景下的該機場在途容量估計結(jié)果。其中，不同顏色折線代表同一運行場景下不同進場需求下離場率與在途率的函數(shù)關(guān)系。

從進離場運行的角度看，進離場航班之間存在較強的耦合關(guān)系，若進場需求增加，機場的離場容量和在途容量均將減小。例如，在圖4的子圖1中，進場需求為0時，離場容量和在途容量分別為10和15，而當(dāng)進場需求取值為11時，離場容量降為6，在途容量降為12。

從跑道運行模式的角度看，隔離運行模式向半混合運行模式的轉(zhuǎn)變將較大幅度提升機場的離場容量和在途容量。例如，在圖4的子圖1（隔離運行模式，02L起飛|02R降落）和子圖2（半混合運行模式，02L起飛|02R起降）中，進場需求為0時，離場容量分別為10和13，在途容量分別為15和20。

圖4 ：綜合考慮氣象條件、跑道運行模式、進場需求的離場率估計

（三）推出率反饋控制

根據(jù)機場運行場景（能見度、跑道運行模式、進場需求），結(jié)合在途率—離場率函數(shù)估計值，首先給出使機場處于“飽和—非擁堵”離場運行狀態(tài)的在途容量Nctrl、下一時間間隔的離場率預(yù)測值Np，并通過信息管理系統(tǒng)計算得到當(dāng)前正在滑出的航班量Nt，則推出率反饋控制的邏輯如下（詳見圖5）：若Nt≥Np，則可知當(dāng)前場面滑出航班中將有Nt－Np個航班持續(xù)滑行至下一時間間隔；且若Nctrl≥Nt－Np，則下一時間間隔的建議推出率設(shè)定為Nctrl－Nt－Np。

圖5 ：推出率反饋控制邏輯

上述思路實際上是基于傳統(tǒng)閾值控制啟發(fā)式方法的改進方案：并非等機場場面達到擁堵狀態(tài)時再控制航班從停機位推出（容易導(dǎo)致“走走停?！保?，而是通過在高離場需求時有效控制航班推出速率，使得機場場面運行避免陷入擁堵降效狀態(tài)，同時保證跑道資源的充分利用（持續(xù)“穩(wěn)步前行”）。表2以某繁忙機場2021年12月18日07∶00～12∶00真實運行數(shù)據(jù)為例，給出了實施推出率反饋控制的結(jié)果樣例。其中，07∶00～09∶30期間，由于早出港航班需求旺盛，機場采用半混合運行模式，09∶30之后恢復(fù)常用的隔離平行運行模式。該表格最后一類是基于不同跑道運行模式和動態(tài)進場需求計算提供的航班推出率建議值（綠、藍、橙、紅等不同顏色代表推出率限制程度逐漸增強）。

表2 ：推出率反饋控制結(jié)果樣例（2021年12月18日）

“以拉代推”的離場計量思維變革

上面引介的以推出率精準(zhǔn)估計與反饋控制為代表的離場計量技術(shù)，受生產(chǎn)制造、地面交通等領(lǐng)域定量在制品法（CONWIP）的啟發(fā)，突破了傳統(tǒng)航班推出放行的思維定勢。本節(jié)嘗試從“推式生產(chǎn)（Push Production）”向“ 拉 式 生 產(chǎn)（Pull Production）”轉(zhuǎn)變的角度，進一步理解離場計量技術(shù)帶來的思維變革。

傳統(tǒng)生產(chǎn)制造一般采用推式生產(chǎn)，即每道工序都根據(jù)生產(chǎn)計劃，盡其所能快速完成生產(chǎn)任務(wù)，然后，無論下游工序是否有需要，全數(shù)將零件推至下游工序，往往導(dǎo)致不必要的庫存積壓。針對上述缺陷，拉式生產(chǎn)（例如，看板）根據(jù)客戶需求組裝產(chǎn)品，下游工序根據(jù)需要加工多少產(chǎn)品，要求上游工序制造正好需要的零件，即下游工序拉動上游工序進行生產(chǎn)。相比推式生產(chǎn)具有的按預(yù)測或計劃組織生產(chǎn)、各工序獨立、超量或超前生產(chǎn)、制造周期長等特點，拉式生產(chǎn)具有按需求組織生產(chǎn)、前后工序關(guān)聯(lián)、超準(zhǔn)確生產(chǎn)、制造周期短等特點。

從上述背景看，離場計量技術(shù)采取了“以拉代推”的基本思路，將離場運行環(huán)節(jié)看作上下游工序，以完成航班起飛作為最終交付產(chǎn)品、跑道起飛容量作為客戶需求量，當(dāng)前工序接收下游工序的生產(chǎn)指令，不斷向上游工序傳遞生產(chǎn)指令，最終反向確定對第一道工序的需求（即推出放行環(huán)節(jié)的推出率），從而避免運行擁堵、減少滑出時間。這里，生產(chǎn)指令體現(xiàn)為該運行環(huán)節(jié)的緩沖區(qū)隊列長度（定義為等待通過該運行環(huán)節(jié)的航班隊列長度），即通過動態(tài)匹配下游生產(chǎn)需求與自身處理能力，控制所需處理與所能處理的航班間數(shù)量關(guān)系，發(fā)布合理的緩沖區(qū)隊列長度，以維持該運行環(huán)節(jié)處于“飽和—不擁堵”狀態(tài)。具體而言，跑道頭等待點處（以及停機坪出口、滑行道交叉點等其他關(guān)鍵運行環(huán)節(jié)）可設(shè)置較小緩沖區(qū)，作為生產(chǎn)指令發(fā)布給其上游環(huán)節(jié)，既確保航班連續(xù)起飛，起飛時隙不出現(xiàn)空置，又縮短跑道頭等待時間。通過以上分析可知，當(dāng)運行不可避免地受到隨機擾動影響時，實際運行無法完全符合預(yù)先計劃，離場計量技術(shù)能夠較好適應(yīng)動態(tài)運行場景的不確定性，有望發(fā)展成為提高繁忙機場離場保障能力的實用技術(shù)。