機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題研究(一)：基本概念與框架

尹嘉男，馬園園，胡明華

(1.南京航空航天大學(xué) 國家空管飛行流量管理技術(shù)重點實驗室，南京 211106) (2.英國帝國理工學(xué)院 土木與環(huán)境工程系交通研究中心，倫敦 SW7 2AZ) (3.中國電子科技集團公司 第二十八研究所，南京 210007)

0 引 言

隨著全球航空運輸業(yè)的持續(xù)、快速和蓬勃發(fā)展，民用機場在數(shù)量、規(guī)模和密度方面增速明顯。機場作為航空運輸基礎(chǔ)設(shè)施、空中交通起降場所和臨空經(jīng)濟發(fā)展依托，在全球城市互聯(lián)互通，綜合交通體系建設(shè)和國民經(jīng)濟社會發(fā)展中的地位和作用愈發(fā)重要。機場資源調(diào)度是挖掘資源效益，優(yōu)化飛行流量，緩解擁堵延誤，增強飛行性能的有效手段，已成為航空運輸管理的重要組成部分和重點發(fā)展方向。在整個機場系統(tǒng)內(nèi)，飛行區(qū)是進離場航空器的直接活動區(qū)域，其資源調(diào)度問題已被公認為機場資源調(diào)度體系的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。

機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題涉及概念內(nèi)涵、體系框架、發(fā)展脈絡(luò)、發(fā)展趨勢、近期熱點和主要挑戰(zhàn)等諸多方面，本文為該研究系列之一。在全面分析國內(nèi)外機場運行管理領(lǐng)域的理論研究和應(yīng)用實踐成果的基礎(chǔ)上，重點聚焦飛行區(qū)資源調(diào)度的基本概念與框架問題，以期為航空運輸領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展提供方向指引和參考依據(jù)。

1 概念內(nèi)涵

本節(jié)分別從國際公約、理論研究和行業(yè)規(guī)范視角對飛行區(qū)的基本概念進行界定，分析飛行區(qū)的一般運行過程，并闡述飛行區(qū)資源調(diào)度的內(nèi)涵。

1.1 基本概念界定

1.1.1 國際公約視角

在國際民航組織(International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO)制定的《國際民航公約附件14：機場》中，并未直接對“飛行區(qū)”進行定義，而介紹了機動區(qū)(Maneuvering Area)和活動區(qū)(Movement Area)的概念[3]。其中，機動區(qū)是指除停機坪之外，用于航空器起飛、著陸和滑行的區(qū)域；活動區(qū)是指用于航空器起飛、著陸和滑行的區(qū)域，包括機動區(qū)和停機坪兩部分。

1.1.2 理論研究視角

在航空運輸科學(xué)研究領(lǐng)域，不同學(xué)者根據(jù)各自研究需求對“飛行區(qū)”的界定也存在略微差異。大多數(shù)研究將機場劃分為飛行區(qū)，航站區(qū)，進出機場的地面交通系統(tǒng)三部分。其中，飛行區(qū)為航空器的主要活動區(qū)域，又稱為“空側(cè)”，包括跑道、滑行道和停機坪[4-6]；航站區(qū)和進出機場的地面交通系統(tǒng)為旅客和車輛的主要活動區(qū)域，又稱為“陸側(cè)”。另外，“場面”一詞也得到國內(nèi)外諸多學(xué)者的廣泛使用，主要包括滑行道和停機位兩大資源[7-9]。

1.1.3 行業(yè)規(guī)范視角

在行業(yè)管理方面，中國、美國、加拿大等國對“飛行區(qū)”的界定也存在明顯差異。根據(jù)中華人民共和國民用航空行業(yè)標準《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標準：MH 5001-2013》，飛行區(qū)(Airfield Area)是指供航空器起飛、著陸、滑行和?？渴褂玫膱龅?，包括跑道、升降帶、跑道端安全區(qū)、滑行道、機坪以及機場周邊對障礙物有限制要求的區(qū)域[10]。根據(jù)美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，簡稱FAA)規(guī)章Section 139.5規(guī)定，機場活動區(qū)是指跑道、滑行道以及其他用于航空器滑行、起飛和著陸的區(qū)域，但不包括停機坪區(qū)域，該定義與國際民航組織給出的建議存在明顯差異[11]。根據(jù)加拿大交通運輸部民用航空術(shù)語體系(Civil Aviation Terminology System，簡稱CATS)，機場活動區(qū)定義則與國際民航組織完全一致，包括機動區(qū)和停機坪兩部分[12]。

可以看出，跑道、滑行道和停機坪作為機場飛行區(qū)的三大關(guān)鍵資源已成為航空界的普遍共識。因此，本文主要聚焦跑道、滑行道和停機位資源，研究機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題。

1.2 一般運行過程

機場飛行區(qū)進離場活動的一般運行過程，以及飛行區(qū)與終端區(qū)、航站區(qū)和地面交通系統(tǒng)等其他機場區(qū)域之間的銜接關(guān)系如圖1所示。

圖1 機場飛行區(qū)進離場活動

飛行區(qū)進離場活動的一般過程如下：①進場活動：進場航空器在跑道著陸并經(jīng)快速脫離道離開跑道后，在機場管制席、地面管制席、流量管理席等席位的指揮下，按照相應(yīng)的場面滑行引導(dǎo)規(guī)則和運行沖突調(diào)配策略，經(jīng)由滑行道系統(tǒng)完成進場滑行過程，最終到達停機坪區(qū)域和指定的停機位；②離場活動：離場航空器在放行許可發(fā)布席、機場管制席、地面管制席、流量管理席等席位的指揮下，由停機位推出或自主滑出，并按照相應(yīng)的場面滑行引導(dǎo)規(guī)則和運行沖突調(diào)配策略，經(jīng)由滑行道系統(tǒng)完成離場滑行過程，最終到達跑道完成滑跑和起飛活動?？紤]機場物理布局、管制策略及運行狀況等因素，飛行區(qū)的進離場滑行過程可能涉及連續(xù)滑行、滑行等待、跑道穿越等不同操作[13-14]。

1.3 資源調(diào)度內(nèi)涵

航空運輸具有運行高速、自主性弱、不能隨停、多方?jīng)Q策等特點，特別是在運行環(huán)境、活動載體和管理機制等方面，與鐵路、公路、水路、管道等其他運輸方式存在明顯差異。機場飛行區(qū)資源調(diào)度過程的耦合作用關(guān)系如圖2所示。

圖2 機場飛行區(qū)資源調(diào)度的耦合作用關(guān)系

機場飛行區(qū)資源調(diào)度涉及人、機、環(huán)、管等多元因素，其解決難度隨著空域、交通、機制、環(huán)境的日益復(fù)雜而不斷增大。其中，空域復(fù)雜性主要體現(xiàn)在跑道構(gòu)型多元，滑行網(wǎng)絡(luò)龐大，機位布局密集等方面；交通復(fù)雜性主要體現(xiàn)在大流量，高密度，小間隔等方面；機制復(fù)雜性主要體現(xiàn)在多因素耦合，多主體協(xié)同，多利益權(quán)衡等方面；環(huán)境復(fù)雜性則主要體現(xiàn)在特殊地形，多變氣象，突發(fā)事件等方面。

資源調(diào)度是指對各種資源進行合理有效地測量、分析和使用，已廣泛存在于交通、信息、電力、水務(wù)等領(lǐng)域[15-17]。機場飛行區(qū)資源調(diào)度旨在對跑道、滑行道和停機位等資源進行科學(xué)配置，優(yōu)化飛行區(qū)資源使用策略，充分發(fā)揮飛行區(qū)資源的最大效益，特別是在諸多大型繁忙機場，空中交通需求已接近、達到甚至超過機場資源供給，頻繁引發(fā)資源“供”與“需”之間相互失衡的場合。因此，機場飛行區(qū)資源調(diào)度的主要任務(wù)是確保資源“供”與“需”之間的相互匹配[16]，實現(xiàn)供需平衡(Demand Capacity Balancing，簡稱DCB)，如圖3所示。機場飛行區(qū)資源調(diào)度的最終目標是挖掘資源效益，優(yōu)化飛行流量，緩解擁堵延誤，增強飛行性能，推動機場資源規(guī)劃、管理和使用方式由粗放式向精細化轉(zhuǎn)變。

圖3 機場飛行區(qū)資源供需平衡示意

在對機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題建模時，可將其轉(zhuǎn)化為其他調(diào)度領(lǐng)域的類似問題。例如，若把跑道/滑行道/停機位和航空器分別比作生產(chǎn)調(diào)度領(lǐng)域的“機器”和“工件”，則飛行區(qū)資源調(diào)度是加工時間與作業(yè)順序相關(guān)的車間作業(yè)調(diào)度問題，而且是典型的非確定性多項式困難(Non-deterministic Po-lynomial Hard，簡稱NP-hard)組合優(yōu)化問題。隨著航空器數(shù)量的不斷增加，調(diào)度算法的執(zhí)行時間將呈指數(shù)增長，并且很難得到一個精確的全局最優(yōu)解[18]。

通過全面分析當前國內(nèi)外有關(guān)機場運行管理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用情況，本文在探討機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題時，不僅聚焦狹義層面上的資源“運行控制”，而且還涉及廣義層面上的資源“規(guī)劃管理”，二者均被納入“調(diào)度”的范疇。

2 體系框架

機場飛行區(qū)資源調(diào)度體系是理論方法、系統(tǒng)工具、管理機制等要素及其相互關(guān)系共同組成的集合。本節(jié)對飛行區(qū)資源調(diào)度體系的基本框架，體系要素以及各要素之間的邏輯關(guān)系進行了分析。

2.1 基本框架

針對機場飛行區(qū)資源調(diào)度的研究與應(yīng)用情況，其體系框架包括理論方法、系統(tǒng)工具、管理機制三大要素，如圖4所示。

圖4 機場飛行區(qū)資源調(diào)度基本框架

在機場飛行區(qū)資源調(diào)度體系中，理論方法為基礎(chǔ)核心，涵蓋供需分析、優(yōu)化調(diào)度和使用評估三部分；系統(tǒng)工具為輔助手段，是理論方法的技術(shù)實現(xiàn)，包括原型系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)兩部分；管理機制為制度保障，與理論方法和系統(tǒng)工具間相輔相成。在機場資源調(diào)度過程中，空管、機場和航空公司之間存在明顯的信息共享和行為交互，使得管理機制成為飛行區(qū)資源調(diào)度過程中不可忽視的重要內(nèi)容[19]。尤其是在協(xié)同決策(Collaborative Decision Making,簡稱CDM)機制的驅(qū)動下，傳統(tǒng)的飛行區(qū)資源調(diào)度正向協(xié)同調(diào)度領(lǐng)域快速發(fā)展，視角涵蓋多主體協(xié)同、進離場協(xié)同和多階段協(xié)同等，相應(yīng)的理論方法和系統(tǒng)工具也不斷地豐富拓展和更新?lián)Q代[20-21]。

2.2 體系要素

2.2.1 理論方法

根據(jù)機場飛行區(qū)資源調(diào)度內(nèi)涵、解決思路和實施過程，可將相關(guān)的理論方法分為資源供需分析、資源優(yōu)化調(diào)度和資源使用評估。其中，資源供需分析用于量化輸入，通過分析飛行區(qū)資源的供給狀況和需求狀況，明確飛行區(qū)資源供需匹配關(guān)系；資源優(yōu)化調(diào)度用于制定方案，通過建立各類飛行區(qū)資源優(yōu)化調(diào)度模型及算法，實現(xiàn)機場資源使用的最大效率；資源使用評估用于驗證輸出，通過建立飛行區(qū)資源性能指標體系及評估方法，對機場資源調(diào)度方案的實施效果進行評價。

(1) 資源供需分析

根據(jù)1.3節(jié)的飛行區(qū)資源調(diào)度內(nèi)涵，為實現(xiàn)供需平衡，前提是對“供給”和“需求”進行科學(xué)量化，在此基礎(chǔ)上便可分析二者之間的相互匹配關(guān)系(超量、臨界、未超量)，如圖5所示。

圖5 機場飛行區(qū)資源供需關(guān)系分析

在對飛行區(qū)資源調(diào)度問題建模時，常用的“供給”和“需求”量化方法主要包括：

①“供給”的量化處理：一是直接以“容量”進行表征[22-24]，可通過數(shù)學(xué)模型、仿真評估、統(tǒng)計分析等方式量化，包括靜態(tài)容量、動態(tài)容量、運行容量三類，如圖6所示。隨著時間的不斷變化，靜態(tài)容量為單一固定值，形成一條直線；動態(tài)容量為連續(xù)變化值，形成一條曲線；運行容量則為離散變化值，形成多條分段直線。二是間接以“間隔”進行表征，在不計算容量值的情況下對資源進行調(diào)度[16,25-28]，原因在于：容量值作為模型參數(shù)進行輸入時，其數(shù)值設(shè)置的客觀性和準確性會對資源調(diào)度效果產(chǎn)生影響。事實上，“間隔”與“容量”之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，在統(tǒng)一量綱的前提下，單位時間內(nèi)以最小時間間隔運行時的最大航空器數(shù)量(即間隔的倒數(shù))便為理論上的“容量”[23]。

圖6 機場飛行區(qū)資源供給容量分類

②“需求”的量化處理：一是根據(jù)航班時刻表，飛行計劃中的航班進離場時間，以及標準的航空器滑入、滑出時間，采用計劃信息作為模型的輸入條件對資源需求進行預(yù)測，并實施資源調(diào)度[27-31]。二是結(jié)合航班時刻表、飛行計劃以及各種動態(tài)和隨機因素，考慮需求的不確定性問題，對需求進行預(yù)測分析，進而實施資源調(diào)度[25-26,32-35]。

(2) 資源優(yōu)化調(diào)度

本節(jié)從“個量”和“總量”視角對飛行區(qū)資源優(yōu)化調(diào)度理論方法進行闡述，研究框架如圖7所示。

圖7 機場飛行區(qū)資源優(yōu)化調(diào)度研究框架

在跑道資源調(diào)度方面，個量調(diào)度側(cè)重跑道起降調(diào)度，總量調(diào)度側(cè)重跑道運行模式配置。其中，跑道起降調(diào)度主要從時間視角(跑道時隙、起降時間)和空間視角(航班序列、跑道分配)對跑道資源進行優(yōu)化調(diào)度，從微觀運行控制層面確保起降活動的安全、有序和高效運行[1,16,21,25-29,36]。跑道運行模式配置主要對跑道資源組合方式和交通流組織模式進行優(yōu)化管理，從宏觀供需管理層面實現(xiàn)機場跑道資源的供需平衡[24,37-39]。

在滑行道資源調(diào)度方面，個量調(diào)度側(cè)重滑行規(guī)劃，總量調(diào)度側(cè)重滑行態(tài)勢感知。其中，滑行規(guī)劃主要從時間視角(滑行時刻規(guī)劃)和空間視角(滑行路徑規(guī)劃)對滑行道資源進行優(yōu)化調(diào)度，從微觀運行控制層面確保航空器滑行活動的安全、有序和高效運行[9,14,18,22,40-43]。滑行態(tài)勢感知主要對當前及未來的場面滑行態(tài)勢進行評估預(yù)測，并對場面滑行的復(fù)雜度進行分析，從宏觀態(tài)勢感知層面準確把握滑行活動的總體運行狀況[44-49]。

在停機位資源調(diào)度方面，個量調(diào)度側(cè)重停機位分配，總量調(diào)度側(cè)重推出率控制。其中，停機位分配聚焦進場航空器，側(cè)重資源個量調(diào)度，對每架航空器的停機位使用需求進行優(yōu)化控制[50-54]。推出率控制聚焦離場航空器，側(cè)重資源總量控制，對特定時段內(nèi)的離場航空器數(shù)量進行合理規(guī)劃[55-58]。

飛行區(qū)資源一體化調(diào)度綜合考慮跑道、滑行道、停機位等各類資源的調(diào)度需求，側(cè)重飛行區(qū)內(nèi)兩種及兩種以上資源的集成調(diào)度問題，對整個飛行區(qū)系統(tǒng)的時空資源進行聯(lián)合配置，例如場面資源聯(lián)合調(diào)度，跑道與場面資源聯(lián)合調(diào)度等[8,14,59-64]。

(3) 資源使用評估

航空發(fā)達國家和地區(qū)以及國際民航組織一直努力推進航空運輸系統(tǒng)效能的統(tǒng)一度量和管理，針對安全、容量、效率、環(huán)境等諸多方面，建立多套獨立、成體系的效能評估體系。借鑒航空運輸系統(tǒng)效能評估理念，機場飛行區(qū)資源調(diào)度的評估框架如圖8所示。

圖8 機場飛行區(qū)資源調(diào)度評估框架

美國國家空域系統(tǒng)效能評估體系研究始于20世紀90年代初，由FAA與MITRE公司先進航空系統(tǒng)研發(fā)中心(Center for Advanced Aviation System Development,簡稱CAASD)共同發(fā)起[65-66]。1995年，F(xiàn)AA系統(tǒng)容量辦公室(FAA’s Office of System Capacity,簡稱ASC)與航空用戶、空中交通服務(wù)部門共同制定空中交通管理系統(tǒng)效能評估體系以及度量方法，所涉及的4類關(guān)鍵效能指標包括靈活性、可預(yù)測性、可達性、延誤[67]。隨后，美國ASC逐步擴大空中交通管理系統(tǒng)效能評估指標的度量范圍，并改進相應(yīng)的度量方法。自1998年開始，F(xiàn)AA每年均會對美國空中交通管理效能進行評估，并根據(jù)效能評估結(jié)果發(fā)布美國空管效能和財務(wù)年度報告。

歐洲效能評估體系發(fā)展基本與美國同步，歐洲航行安全組織(European Organisation for the Safety of Air Navigation,簡稱EUROCONTROL)于1998年成立了空中交通管理系統(tǒng)效能評估委員會(Performance Review Commission,簡稱PRC)，制定歐洲空中交通管理系統(tǒng)效能評估指標及其度量方法，并于1999年發(fā)布《歐洲航行安全組織空中交通管理系統(tǒng)效能評估報告》，所涉及的10類關(guān)鍵指標包括：安全、延誤、成本效益、飛行效率、可預(yù)測性、環(huán)境、公平性、可用性、靈活性、可達性[68-69]。自1998年開始，PRC每年均會發(fā)布一份歐洲空中交通管理系統(tǒng)效能評估報告，對歐洲空管系統(tǒng)運行狀況進行分析，并針對各國空管運行存在的問題提出相應(yīng)的改進建議。

國際民航組織于2003年舉辦的第11屆空中航行大會提議在ICAO框架內(nèi)制定空中交通管理系統(tǒng)效能評估標準，從全球、地區(qū)和國家等不同層面制定基于不同目標的效能評估標準框架協(xié)議，在世界范圍內(nèi)開展最低限度的空中交通管理系統(tǒng)效能評估工作[70-71]。ICAO于2004年頒布《空中導(dǎo)航服務(wù)提供者的效能管理和考核》，2009年頒布《全球效能手冊》，所涉及的11類關(guān)鍵指標包括：安全、安保、環(huán)境、成本效益、容量、效率、靈活性、可預(yù)測性、可用性和公平性、參與及協(xié)同、全球互用性，用于指導(dǎo)各締約國的效能考核工作。

中國民用航空局(Civil Aviation Administration of China，簡稱CAAC)于2016年發(fā)布《空管單位安全效能管理應(yīng)用指導(dǎo)材料》，建立了一套空管安全效能指標，著重規(guī)范空管安全政策和目標、航空安全風(fēng)險管理、安全保證、安全促進措施等內(nèi)容[72]。另外，相關(guān)學(xué)者對機場效能管理體系的系統(tǒng)框架、指標體系、評估方法和組織實施等內(nèi)容進行研究[73]。

針對美國和歐洲地區(qū)的空管運行數(shù)據(jù)，F(xiàn)AA和EUROCONTROL對其空管效能進行了綜合對比分析[74-75]?？梢钥闯觯谏鲜龈鱾€國家、地區(qū)以及國際組織所建立的航空運輸系統(tǒng)效能體系中，安全、容量、延誤、效率、環(huán)境、公平性、可預(yù)測性等指標已成為共同關(guān)注的焦點，也是飛行區(qū)資源使用評估中的關(guān)鍵評價指標。

2.2.2 系統(tǒng)工具

結(jié)合2.2.1節(jié)中涉及到的理論方法研究情況，機場飛行區(qū)資源調(diào)度系統(tǒng)工具主要集中在資源供給評估，跑道資源調(diào)度，場面資源(滑行道資源、停機位資源)調(diào)度三大領(lǐng)域。

(1) 資源供給評估

在資源供給評估領(lǐng)域，F(xiàn)AA研制的機場和空域仿真模型(Airport and Airspace Simulation Model,簡稱SIMMOD)以及相應(yīng)的PRO和PLUS派生工具，波音公司旗下的杰普遜公司研制的全空域及機場模擬器(Total Airspace and Airport Modeller,簡稱TAAM)，MITRE公司研制的機場容量仿真分析工具(Airport Capacity Analysis Through Simulation,簡稱ACATS)，EUROCONTROL研制的重組空中交通管制數(shù)學(xué)仿真工具(Re-organized ATC Mathematical Simulator,簡稱RAMS)和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)容量預(yù)測可視化工具(Network Estimation Visualization of ACC Capacity,簡稱NEVAC)，CAAC研制的空域管理與評估系統(tǒng)(Air Space Management and Evaluation System,簡稱ASMES)等，均可對機場及空域資源的供給能力和空中交通活動進行快速仿真[16,76-79]。

(2) 跑道資源調(diào)度

在跑道資源調(diào)度領(lǐng)域，成熟的系統(tǒng)工具主要包括美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,簡稱NASA)艾姆斯研究中心研制的最后進近間隔工具(Final Approach Spacing Tool,簡稱FAST)，EUROCONTROL研制的進場管理工具(Arrival Manager,簡稱AMAN)和離場管理工具(Departure Manager,簡稱DMAN)，澳大利亞交通及地區(qū)服務(wù)部研制的跑道分配工具(Runway Allocator,簡稱RA)等，以及歐洲各國機場根據(jù)AMAN和DMAN系統(tǒng)概念框架研制本地化進離場管理系統(tǒng)，例如英國倫敦希思羅機場的OSYRIS，法國巴黎戴高樂機場和比利時布魯塞爾機場的MAESTRO，德國法蘭克福機場和慕尼黑機場的4D-PLANNER等[16,28,36,80-83]。上述工具均可通過分析歷史或?qū)崟r雷達航跡數(shù)據(jù)，飛行計劃及航空氣象等信息，輔助用戶制定跑道資源調(diào)度方案，經(jīng)測試取得良好的應(yīng)用成效。

(3) 場面資源調(diào)度

在場面資源調(diào)度領(lǐng)域，美國NASA艾姆斯研究中心與FAA于2000年合作開展場面管理系統(tǒng)(Surface Management System,簡稱SMS)的研制工作，并于2004年完成運行概念的驗證[84]。EUROCONTROL自20世紀90年代開始研制機場協(xié)同決策(Airport Collaborative Decision Ma-king,簡稱A-CDM)機制以及配套的系統(tǒng)工具，經(jīng)過近20年的摸索建設(shè)與應(yīng)用實踐，目前已廣泛應(yīng)用于歐洲地區(qū)的諸多大型機場[85]。國際民航組織于2004年發(fā)布Doc9830文件《先進場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)(Advanced-Surface Movement Guidance and Control System)》,簡稱A-SMGCS手冊，對其運行需求、性能要求、實施指南和具體事宜等進行詳細描述，并提出其具體分類、布局實施、設(shè)備更新等方案。另外，比利時Airtopsoft公司研制的空中交通優(yōu)化快速仿真工具(Air Traffic Optimization,簡稱AirTOp)，德國亞琛機場研制的機場綜合仿真技術(shù)(Comprehensive Airport Simulation Technology,簡稱CAST)工具，德國航空航天中心(German Aerospace Center,簡稱DLR)研制的滑行道和停機坪管控系統(tǒng)(Taxi and Ramp Management and Control System,簡稱TARMAC)等，均可為機場滑行道資源調(diào)度以及機場場面資源的聯(lián)合調(diào)度等提供輔助決策工具支持[16,86-87]。

2.2.3 管理機制

飛行區(qū)資源調(diào)度過程涵蓋不同利益主體、不同交通類型、不同決策階段，本節(jié)分別對多主體協(xié)同管理機制、進離場協(xié)同管理機制和多階段協(xié)同管理機制進行闡述。

(1) 多主體協(xié)同管理機制

歐洲自20世紀90年代開始研究A-CDM機制，用于支撐空中交通管理部門、機場運行指揮部門和航空公司運行控制部門等多利益主體更好地實施各自的業(yè)務(wù)活動，并輔助各航空運輸部門進行高效決策[16,19-21,23,85,88-89]。為更好指導(dǎo)歐洲機場協(xié)同決策系統(tǒng)建設(shè)，EUROCONTROL和國際航空運輸協(xié)會(International Air Transportation Association,簡稱IATA)于2006年聯(lián)合發(fā)布了《機場協(xié)同決策實施手冊》，目前已進行多次修訂[90]。該實施手冊旨在將傳統(tǒng)的以流量管理為主，單向信息集成的協(xié)同運行理念延伸至以機場運行為核心的機場協(xié)同運行，可大大增強空管、機場、航空公司等航空運輸生產(chǎn)部門之間的信息共享與協(xié)同決策能力，并有效提升航班運行效率、機場運行性能和服務(wù)品質(zhì)。

機場協(xié)同決策的概念要素主要包括信息共享，里程碑方法，可變滑行時間，協(xié)同離場前排序，不利條件下的協(xié)同決策和航班更新協(xié)同管理六類[16,85,90]。以里程碑方法為例，圖9給出了航班放行涉及的16類里程碑事件。

A-CDM機制經(jīng)過近20年摸索建設(shè)與應(yīng)用實踐，已在機場資源調(diào)度機制優(yōu)化和系統(tǒng)建設(shè)方面積累了大量經(jīng)驗，目前已有30余個歐洲大型機場建設(shè)成A-CDM運行機場。其優(yōu)勢主要在于：改善航空器預(yù)測能力，提升機場運行性能，節(jié)約航空運輸成本，優(yōu)化機場資源利用，減少空中交通流量和容量管理席位的工作負荷，減少機場擁堵和航班延誤，減少環(huán)境污染等。目前，A-CDM已得到國際航空運輸協(xié)會的認可，并在中美等國推廣應(yīng)用。

(2) 進離場協(xié)同管理機制

美國MITRE公司提出高密度進離場管理(High Density Departure and Arrival Traffic Management,簡稱HDDAM)機制，運行概念如圖10所示，出現(xiàn)惡劣天氣或其他影響機場運行能力的事件時，旨在對不同管制單位的人員職責(zé)進行重新整合，將管制核心轉(zhuǎn)移至最有效的決策者，從而實現(xiàn)對機場進離場交通流的高效管理[91]。

圖9 機場協(xié)同決策里程碑方法

圖10 高密度進離場管理運行概念

在此概念框架下，通過融合自動化和態(tài)勢共享展示功能，協(xié)助所有管制單位對空中交通進行高效規(guī)劃和管理，并推動個體與單位之間的高效決策。對于離場航班，航路交通管制中心(Air Route Traffic Control Centers,簡稱ARTCC)負責(zé)設(shè)置所有定位點的容量，終端雷達管制中心(Terminal Radar Approach Control Facilities,簡稱TRACON)負責(zé)為機場分配容量時隙，滿足航路交通管制中心的容量限制和空域需求，機場交通管制塔臺(Airport Traffic Control Towers,簡稱ATCT)負責(zé)為每個時隙分配滿足運行要求的航班，此方法可保證每個管制單位均能管理轄區(qū)范圍內(nèi)的交通。對于進場航班，采取類似于離場航班的方法進行管理，即每個機場交通管制塔臺負責(zé)設(shè)置機場容量，終端雷達管制中心負責(zé)為每條進場航路分配進場時隙，航路交通管制中心負責(zé)為航班分配可用進場航路。

(3) 多階段協(xié)同管理機制

除了航空運輸生產(chǎn)主體之間的協(xié)同管理機制之外，對于機場不同運行階段的資源供需平衡協(xié)同管理模式也得到研究和關(guān)注。圖11所示為長期規(guī)劃、中/短期規(guī)劃和執(zhí)行層面等不同階段對應(yīng)的機場供需平衡管理模式，該過程由資源驅(qū)動，不同階段的供需平衡過程存在一定差異并相互銜接。每一個獨立的過程均從“外部世界”接收或是向其提供數(shù)據(jù)信息，例如空管中心、航空公司/機場具體數(shù)據(jù)(虛線)或是早期規(guī)劃周期(實線)中實施的供需平衡。

在平衡機場資源供需時，考慮的主要因素包括空域運行要求、交通需求、可用容量計劃和解決方案目錄等。供需失衡探測案例主要包括：不滿足目標性能水平的探測，跑道負載計劃的確定和修正，滑行道負載計劃的確定和修正，停機位負載計劃的確定和修正，除冰資源負載計劃的確定和修正等。

圖11 機場資源供需平衡管理模式

2.3 邏輯關(guān)系

結(jié)合2.1節(jié)和2.2節(jié)闡述的相關(guān)內(nèi)容，在機場飛行區(qū)資源調(diào)度體系中，理論方法、系統(tǒng)工具和管理機制等要素之間相互交互，存在一定的邏輯關(guān)系，具體如圖12所示。

圖12 機場飛行區(qū)資源調(diào)度體系要素邏輯關(guān)系

從圖12可以看出，理論方法、系統(tǒng)工具、管理機制三者之間存在雙向的交互反饋。理論方法為系統(tǒng)工具研發(fā)的基礎(chǔ)，而系統(tǒng)工具的運行性能對理論方法的改進完善和豐富發(fā)展提出新的要求；系統(tǒng)工具是理論方法的技術(shù)實現(xiàn)，也是管理機制實施的“硬環(huán)境”；管理機制是理論方法建模和系統(tǒng)工具研發(fā)的“軟環(huán)境”，而理論方法建模和系統(tǒng)工具研發(fā)能反映管理機制的優(yōu)劣。在理論方法體系模塊中，資源供需分析是飛行區(qū)資源調(diào)度的基礎(chǔ)研究支撐，資源優(yōu)化調(diào)度是飛行區(qū)資源調(diào)度的核心研究內(nèi)容，資源使用評估則是飛行區(qū)資源調(diào)度的效果評價手段。

3 結(jié)束語

為切實解決機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題，需加強多階段、多視角、多目標、系統(tǒng)化的研究與應(yīng)用。多階段涵蓋戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)術(shù)等，也可包括事后分析；多視角涵蓋微觀與宏觀、進場與離場、民航與軍航、時間與空間、靜態(tài)與動態(tài)、常態(tài)與應(yīng)急等；多目標涵蓋安全、容量、延誤、效率、環(huán)境、公平性、可預(yù)測性等；系統(tǒng)化包括跑道、滑行道、停機位等資源的集成考慮，以及規(guī)劃設(shè)計、運行管理、性能評估的集成考慮。

從國外航空運輸系統(tǒng)發(fā)展歷程來看，原型系統(tǒng)研發(fā)在工程建設(shè)中具有不可替代的重要作用，也是后續(xù)商業(yè)系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，可大大減少因需求不確定而導(dǎo)致的額外開發(fā)成本，并提高系統(tǒng)在實際運行中的可用性。在使用一套成熟的飛行區(qū)資源調(diào)度系統(tǒng)之前，需經(jīng)歷概念論證、系統(tǒng)設(shè)計、原型系統(tǒng)研發(fā)與測試、商業(yè)系統(tǒng)研發(fā)與測試、正式運行與推廣等一系列過程。

機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題研究的涉及面廣，包括概念內(nèi)涵、體系框架、發(fā)展脈絡(luò)、發(fā)展趨勢、近期熱點和主要挑戰(zhàn)等諸多方面。該研究分為三個系列，本文僅為研究系列之一。在后續(xù)的研究系列之二和研究系列之三中，將分別對飛行區(qū)資源調(diào)度的發(fā)展脈絡(luò)與趨勢，研究熱點與挑戰(zhàn)等問題進行深入的研究與分析。