機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題研究(二)：發(fā)展脈絡(luò)與趨勢

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(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007)

0 引 言

隨著世界航空運輸市場的持續(xù)、快速和蓬勃發(fā)展，不斷增長的空中交通需求與相對有限的機場資源供給之間的矛盾日益凸顯，導(dǎo)致諸多機場面臨高頻次飛行沖突、超負(fù)荷運行壓力、大面積擁堵延誤等一系列挑戰(zhàn)，這對機場資源的精細(xì)化調(diào)度、空中交通的高效化管控等領(lǐng)域提出了高要求[1-2]。為有效提升機場資源供給，切實滿足空中交通需求，民航當(dāng)局通過機場新改擴建、機場運行方案優(yōu)化等挖潛措施大力推進(jìn)機場飛行區(qū)擴容增效。明確機場資源總量、盤活機場資源存量、做強機場資源增量，以充分釋放機場資源紅利、發(fā)揮機場資源的最大效益，成為航空運輸各利益相關(guān)方的共同目標(biāo)。

機場飛行區(qū)資源調(diào)度問題共涉及概念內(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二。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)度的發(fā)展脈絡(luò)與趨勢問題，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 發(fā)展脈絡(luò)

本節(jié)厘清機場飛行區(qū)資源調(diào)度研究與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，將其依次概括為“明確資源總量”“盤活資源存量”“做強資源增量”三個方面，分別用于解決“資源有多少”“資源怎么用”“資源夠不夠”的問題，如圖1所示。

圖1 機場飛行區(qū)資源調(diào)度發(fā)展脈絡(luò)Fig.1 Development of resource scheduling in airfield area

從理論視角來看，脈絡(luò)1、脈絡(luò)2與脈絡(luò)3之間承前啟后、層層遞進(jìn)、循環(huán)往復(fù)，從而確保機場飛行區(qū)資源調(diào)度的可持續(xù)發(fā)展。但是，在航空運輸業(yè)發(fā)展早期，大量的機場工程建設(shè)需求促使許多國家在機場資源存量足夠的情況下，仍會對資源增量問題進(jìn)行規(guī)劃，因此圖1中的脈絡(luò)2與脈絡(luò)3在時間節(jié)點上存在一定的交織。

1.1 明確資源總量

在“明確資源總量”階段，資源供給能力為主要量化指標(biāo)，例如機場容量、空域容量等，這也是“盤活資源存量”的理論依據(jù)。

跑道作為機場飛行區(qū)內(nèi)公認(rèn)的最易引發(fā)機場擁堵和航班延誤的運行資源，成為早期機場資源供給能力評估領(lǐng)域的主要研究對象。從20世紀(jì)40年代，跑道進(jìn)場容量開始得到E.G.Bowen等[3]的關(guān)注，之后諸多學(xué)者對跑道容量進(jìn)行了全面研究，將跑道進(jìn)場容量研究工作逐步擴展至跑道離場容量[4]、跑道進(jìn)離場混合容量[5]等方面。為研究跑道進(jìn)場率與離場率的相互制約關(guān)系，G.F.Newell[6]通過分析機場流量、容量與服務(wù)率間的差異，提出進(jìn)離場率之間滿足凸?fàn)钋€關(guān)系。E.P.Gilbo[7]通過挖掘分析機場歷史運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計進(jìn)離場匹配點數(shù)據(jù)頻次，建立了跑道容量包絡(luò)線(Runway Configuration Capacity Envelope,簡稱RCCE)的估計方法。隨后的幾十年里，亦有諸多學(xué)者對跑道容量包絡(luò)線問題進(jìn)行了研究，建立了相應(yīng)的非線性凸函數(shù)計算公式，并基于進(jìn)場率與離場率之間的相互制約關(guān)系開展其他的資源調(diào)度問題研究[8-9]。除了采用統(tǒng)計分析法繪制RCCE之外，還可通過典型的“四點法”進(jìn)行確定，對應(yīng)的進(jìn)離場耦合關(guān)系如圖2所示。

圖2 機場飛行區(qū)進(jìn)離場容量曲線Fig.2 Capacity curve of arrival/departure in airfield area

在圖2中，各點對應(yīng)的容量計算場景如下：

P1：跑道僅用于進(jìn)場；

P2：在P1的前提下，自由插入離場；

P3：跑道用于進(jìn)-離交錯運行；

P4：跑道僅用于離場。

隨著機場資源供給能力評估需求的不斷增長，評估對象由最初的跑道逐漸擴充至滑行道、停機位以及整個機場系統(tǒng)[2,10-12]。根據(jù)理論研究和應(yīng)用實踐等不同視角，研究機場容量分類問題[13-16]。例如，極限容量、理論容量、實際容量、運行容量和計劃容量等。通過分析機場容量與航班延誤、管制負(fù)荷之間的關(guān)系，目前建立的多個容量和延誤模型已成功應(yīng)用于諸多大型機場[17-18]。

傳統(tǒng)的靜態(tài)容量評估主要面向戰(zhàn)略層面，為航班時刻優(yōu)化、戰(zhàn)略流量管理等提供數(shù)據(jù)支持，不能有效滿足預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)層面的航空運輸決策需求。因此，考慮惡劣天氣(強對流、風(fēng)切變、雷暴、積冰、火山灰等)、突發(fā)事件等動態(tài)因素，對容量變化情況進(jìn)行預(yù)測分析，成為近幾年容量管理領(lǐng)域的研究熱點[19-20]。氣象影響下的航空運輸管理始于20世紀(jì)90年代，主要聚焦強對流天氣覆蓋區(qū)域內(nèi)航班飛行路徑的繞行時機及距離研究[21-22]。為了解決強對流天氣影響條件下的特殊離場航路選擇問題，美國研發(fā)了航路可用率計劃工具，在紐約多機場系統(tǒng)內(nèi)取得了良好的應(yīng)用成效[23-24]。針對不同的天氣條件，通過對歷史天氣數(shù)據(jù)對應(yīng)的容量情況進(jìn)行分析，可建立機場容量情景樹或天氣類型決策樹，進(jìn)而得到每類天氣條件下的機場容量分布[25-27]。考慮天氣預(yù)報的時間誤差、位置誤差、范圍誤差、強度誤差等因素，J.Mitchell等研究了不確定性預(yù)報條件下的機場容量預(yù)測問題[28-29]。

1.2 盤活資源存量

在“盤活資源存量”階段，資源使用效率為主要關(guān)注焦點，例如跑道容量利用率、停機位容量利用率等，這也是“做強資源增量”的重要前提。對現(xiàn)有的機場資源存量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，全面提升現(xiàn)有資源的使用效率，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的最大效益，是飛行區(qū)資源調(diào)度領(lǐng)域的核心關(guān)鍵任務(wù)。相較其他兩個階段而言，目前研究主要聚焦如何盤活機場資源存量，因此該階段的飛行區(qū)資源調(diào)度模型和方法最多，主要集中于跑道資源調(diào)度、滑行道資源調(diào)度、停機位資源調(diào)度、資源一體化調(diào)度四個方面。

1.2.1 跑道資源調(diào)度

在跑道資源調(diào)度方面，最早的研究工作始于20世紀(jì)70年代，R.G.Dear[30]提出的約束位置交換(Constrained Position Shifting,簡稱CPS)概念，即航班在排隊序列中的位置偏移量不能超過某一固定數(shù)值，這一概念得到了后續(xù)大量研究的廣泛引用[31-33]。縱觀跑道資源調(diào)度研究概況，其在大多數(shù)情況下通常與航班起降調(diào)度、航班排序等問題被看作一個整體問題進(jìn)行研究。實際上，跑道資源調(diào)度(特別是跑道分配)是航班進(jìn)離場排序的核心要素。跑道資源調(diào)度問題作為直接影響機場飛行區(qū)運行效率的關(guān)鍵所在，經(jīng)歷了由進(jìn)場向離場、由進(jìn)場/離場向進(jìn)離場、由單跑道向多跑道的逐漸演變與發(fā)展，相關(guān)的建模手段、求解算法等豐富多樣[34-40]。在調(diào)度建模視角方面，跑道資源調(diào)度問題通常被轉(zhuǎn)換為車間作業(yè)調(diào)度問題、旅行商問題、M/G/1和M/D/1排隊問題等其他領(lǐng)域的相似問題，排序方法涵蓋先到先服務(wù)(First Come First Served,簡稱FCFS)、約束位置交換、時間提前量、延誤交換、滑動時間窗等。針對跑道構(gòu)型與運行方式的差異，相關(guān)進(jìn)近、獨立離場、隔離運行、混合運行等不同跑道運行模式對應(yīng)的資源調(diào)度問題亦得到了更為深入和細(xì)化的研究[2,37-40]。除了預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)層面的跑道資源調(diào)度之外，荷蘭國家航空航天中心提出了多跑道分配戰(zhàn)略規(guī)劃方法，按年度為各類航空用戶制定跑道使用計劃[41]。跑道資源調(diào)度問題為典型的NP-hard問題，求解方法目前已涉及遺傳算法、蟻群算法、A*算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、貪婪搜索算法、分支定界算法、隱枚舉算法等[33]。在評估跑道資源調(diào)度性能時，經(jīng)常采用FCFS這一經(jīng)典策略作為算法對比分析的標(biāo)尺[2,40,42-44]。

近幾年，基于跑道容量包絡(luò)線對跑道運行模式進(jìn)行動態(tài)配置得到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。在對跑道運行模式進(jìn)行配置時，考慮的因素包括機場天氣條件(盛行風(fēng)、能見度)、跑道布局、跑道可用性、交通需求、環(huán)境因素(減噪程序)等[45]。在戰(zhàn)略模式配置方面，主要考慮機場天氣的不確定性因素，對跑道運行模式進(jìn)行戰(zhàn)略配置[46]。在戰(zhàn)術(shù)模式配置方面，通過實時動態(tài)的氣象信息及交通需求信息，建立跑道配置優(yōu)化模型或概率預(yù)測模型，對單位時間內(nèi)的跑道運行模式進(jìn)行配置，以提升跑道系統(tǒng)的一體化運行效率[2,37,47-50]。

1.2.2 滑行道資源調(diào)度

在滑行道資源調(diào)度方面，20世紀(jì)60年代由W.Luffsey等[51]開始最早的研究工作。在滑行規(guī)劃方面，建模視角主要集中于滑行路徑規(guī)劃(Routing)和滑行時刻規(guī)劃(Scheduling)兩個方面[52-53]。由于機場場面系統(tǒng)中的滑行道節(jié)點數(shù)量非常多，滑行資源使用沖突和航空器運行沖突現(xiàn)象頻發(fā)，調(diào)度復(fù)雜性隨著機場的具體運行條件不同而不同。若某一機場的交通流量較小，則滑行路徑優(yōu)化問題可簡單地通過對每架航空器依次應(yīng)用最短路徑算法來實現(xiàn)，例如Dijkstra算法[2]。但是，傳統(tǒng)的單架航空器路徑規(guī)劃思路并不適用于復(fù)雜機場，為避免復(fù)雜機場高峰運行時段的資源占用沖突，需設(shè)計更為高效、穩(wěn)健，并可同時應(yīng)用于所有航空器的路徑規(guī)劃算法[54-56]?；械蕾Y源調(diào)度建模的優(yōu)化目標(biāo)主要涉及最小化延誤時間、滑行時間、停機坪擁堵程度、場面滑行沖突等，建模手段包括計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design,簡稱CAD)、Petri網(wǎng)等，優(yōu)化算法涵蓋Dijkstra最短路徑算法、A*尋路算法、全局Floyd軌跡搜索算法、遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法和分支定界算法等[2,57-59]。

滑行道資源作為航空器的場面運行區(qū)域，存在穿越?jīng)_突(A)、交叉沖突(B)、追尾沖突(C)、對頭沖突(D)等諸多運行沖突[2,53,60]，如圖3所示。

圖3 機場飛行區(qū)滑行道運行沖突分類Fig.3 Classification of surface conflicts in airfield area

滑行規(guī)劃模型的約束限制主要在于避免各類滑行沖突，Kuchar等[61]對空中交通管理領(lǐng)域的68種沖突探測與解脫模型進(jìn)行歸類整理與對比分析，為場面沖突管理的研究提供理論依據(jù)。針對滑行路徑初始規(guī)劃、滑行路由動態(tài)指派、滑行路由實時更新等不同階段，相應(yīng)的滑行道沖突管理機制與算法也得到了深入研究[58,62]。為從原則上避免滑行道對頭沖突，航空器的場面滑行過程應(yīng)盡量遵循“固定、單向、順向、循環(huán)”的原則[2,53]。

機場場面滑行過程具有高度的復(fù)雜性、隨機性和不確定性，對其態(tài)勢進(jìn)行評估成為近幾年的研究熱點。在任意的機場系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)離場滑行時間已被公認(rèn)為評價場面滑行態(tài)勢復(fù)雜度和機場運行性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，滑入和滑出時間的增大會導(dǎo)致航空器燃油成本以及運行風(fēng)險的增加，并對機場周邊產(chǎn)生噪音污染、氣體排放等環(huán)境影響。目前場面滑行時間預(yù)測研究主要通過分析滑行時間的影響因素，采用概率統(tǒng)計方法建立相應(yīng)的直線或曲線回歸模型。除了回歸分析方法之外，增強學(xué)習(xí)、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學(xué)習(xí)算法近幾年也開始用于滑行時間預(yù)測[63-71]?？紤]到當(dāng)前滑行態(tài)勢研究主要聚焦場面滑行時間，而忽略了其他態(tài)勢要素，文獻(xiàn)[68]分別針對單航空器視角和機場網(wǎng)絡(luò)視角，建立了涵蓋5大類、19小類的場面滑行態(tài)勢因子體系，提出了各類滑行態(tài)勢因子的計算方法，建立了場面滑行復(fù)雜度評估模型，對滑行態(tài)勢因子與滑行時間、滑行延誤之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究。

1.2.3 停機位資源調(diào)度

在停機位資源調(diào)度方面，20世紀(jì)70年代由J.P.Braaksma[72]開始最早的研究工作。在停機位分配方面，建模對象聚焦進(jìn)場航空器，即為每一架進(jìn)場航空器指派停機位資源，以確保其在跑道降落之后按照相應(yīng)的滑行路徑滑行至指定的停機位?？俊：娇章每妥鳛闄C場運行的服務(wù)對象，其利益需求在早期的停機位資源調(diào)度研究中得到重點體現(xiàn)，且優(yōu)化目標(biāo)在很長一段時間內(nèi)均集中在旅客滿意度方面[2,73-74]。例如，最小化進(jìn)場/離場/國內(nèi)/國際/中轉(zhuǎn)等各類旅客的行走距離、旅客平均行走距離，以及旅客總行走距離等[75-76]。在考慮旅客滿意度的同時，場面擁堵、滑行延誤等問題逐漸得到關(guān)注，優(yōu)化目標(biāo)涵蓋最小化場面沖突、航空器滑行時間、航空器燃油消耗等[53,77-81]。在算法設(shè)計方面，與跑道資源調(diào)度和滑行道資源調(diào)度類似，停機位資源調(diào)度也采用了大量成熟的算法進(jìn)行求解[76-83]。

為從原則上避免停機位區(qū)域運行沖突，應(yīng)在滑行路線設(shè)計與引導(dǎo)層面盡量規(guī)避機位密集區(qū)的航空器運行沖突[2,53]。以指廊式停機坪區(qū)域為例，航空器可采用“中間進(jìn)、兩邊出”的滑行規(guī)則，從而可在很大程度上減少進(jìn)場航空器與離場航空器之間的滑行道對頭沖突。停機位密集區(qū)的進(jìn)離場航空器運行路線示意如圖4所示，其中進(jìn)場航空器均從中間滑行線滑入指定的停機位，而離場航空器在推出停機位后均從兩邊的滑行線滑出機坪。以3號停機位為例，?？吭撏C位的航空器進(jìn)場滑行路徑為A→B→C→D→E→F，離場滑行路徑則為F→G→E→H→I→J→K。

圖4 機場飛行區(qū)停機位運行沖突管理Fig.4 Gate conflict management in airfield area

在推出率控制方面，建模對象主要聚焦離場航空器，且考慮進(jìn)場航空器對離場滑行的影響，即為每個時間片指定最大的離場放行航空器數(shù)量，通過停機位等待的方式代替不必要的滑行等待和跑道頭等待，從而減少場面滑行沖突和擁堵狀況[84-86]。推出率控制的一般步驟為：

(1)設(shè)定單位時間粒度(例如，15 min)，對歷史數(shù)據(jù)中每個時間片對應(yīng)的離場滑行量、起飛率、到達(dá)率等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計；

(2)建立離場滑行量、起飛率、到達(dá)率之間的關(guān)系曲線，形成不同到達(dá)率對應(yīng)的離場推出率控制場景集合；

(3)根據(jù)待預(yù)測時間片的到達(dá)率、當(dāng)前的離場滑行量，以及相應(yīng)的離場推出率控制場景，對待預(yù)測時間片的起飛率進(jìn)行計算；

(4)基于當(dāng)前的離場滑行量、待預(yù)測時間片的起飛率，計算在待預(yù)測時間片結(jié)束時刻仍未結(jié)束滑行的離場航空器數(shù)量；

(5)結(jié)合預(yù)先設(shè)定的離場滑行量閾值，以及步驟(4)返回的數(shù)值，計算待預(yù)測時間片的推出率。

對于離場滑行量閾值，可由空中交通管理人員根據(jù)機場滑行資源的最大效益、管制服務(wù)能力上限等情況進(jìn)行動態(tài)設(shè)置[87-88]。

1.2.4 資源一體化調(diào)度

在跑道資源調(diào)度、滑行道資源調(diào)度、停機位資源調(diào)度的研究基礎(chǔ)上，飛行區(qū)資源一體化調(diào)度問題于20世紀(jì)90年代末開始得到關(guān)注[89-90]，相關(guān)的理論研究主要集中在2000年之后[91-93]。ICAO于2013年發(fā)布《航空系統(tǒng)組塊升級(Aviation System Block Upgrades,簡稱ASBU)》規(guī)劃，并將其納入DOC 9750《全球空中導(dǎo)航計劃(第四版)》中。以2013年、2018年、2023年和2028年為時間節(jié)點，劃分Block 0～Block 3四個組塊，明確了各組塊對應(yīng)的重點發(fā)展內(nèi)容[94-96]?！皺C場運行”這一性能提升領(lǐng)域作為四大組塊的升級重點示意圖如圖5所示。

圖5 機場運行性能提升領(lǐng)域組塊升級計劃Fig.5 Block upgrades plan in the performance improvement area of airport operations

“機場運行”性能提升領(lǐng)域的發(fā)展重點為進(jìn)場管理(Arrival Manager,簡稱AMAN)、離場管理(Departure Manager,簡稱DMAN)和場面管理(Surface Manager,簡稱SMAN)之間的一體化運行，即在2023年實現(xiàn)AMAN與DMAN之間的集成，2028年實現(xiàn)AMAN、DMAN與SMAN之間的集成。

目前，飛行區(qū)資源一體化調(diào)度研究主要包括場面資源聯(lián)合調(diào)度、跑道與場面資源聯(lián)合調(diào)度兩個方面，并且大多數(shù)聚焦場面資源(涵蓋滑行道、停機位)聯(lián)合調(diào)度問題[2,97-101]。在場面資源聯(lián)合調(diào)度研究方面，建模對象聚焦停機位分配及進(jìn)離場滑行過程，即在滿足場面運行限制的條件下，為每架進(jìn)場航空器指派停機位資源，為每架進(jìn)離場航空器指派滑行路徑和滑行時刻，以確保場面滑行過程的高效和順暢。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,簡稱NASA)于1998年提出一體化場面運行的概念，研制了機場低能見度著陸與場面運行(Low-Visiblity Landing and Surface Operations,簡稱LVLASO)原型系統(tǒng)，并在亞特蘭大哈茲菲爾德-杰克遜國際機場進(jìn)行了測試與驗證[90]。理論研究層面的場面資源聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)涵蓋最大化吞吐量，最小化滑行延誤，最小化滑行時間，最小化燃油消耗，最小化氣體排放等[102-105]，相應(yīng)的求解算法與1.2.2～1.2.3節(jié)類似。事實上，場面資源聯(lián)合調(diào)度問題在本質(zhì)上與滑行道資源調(diào)度、停機位資源調(diào)度問題類似，主要區(qū)別在于問題的復(fù)雜度較高[2,91-93,97,99-100,104]。

由于場面資源聯(lián)合調(diào)度主要對應(yīng)SMAN，而跑道資源調(diào)度涉及AMAN和DMAN，因此跑道與場面資源聯(lián)合調(diào)度即為AMAN、DMAN、SMAN之間的集成[92-93,97-99,106]。Deau等人指出，跑道與場面資源聯(lián)合調(diào)度問題的復(fù)雜度非常高，在AMAN、DMAN、SMAN之間的集成中，尤其以DMAN與SMAN的集成難度最大。原因在于離場航班具有高度的動態(tài)性和不確定性，需遵循特定的起飛時隙，且受到進(jìn)場航班的影響[92]。研究表明，70%以上的航班延誤發(fā)生在離場航班發(fā)出開車請求至機位推出之間的10～20 min內(nèi)。在此期間，航空運輸管理人員很難實現(xiàn)對離場活動的精確預(yù)測，這就需要確保此階段結(jié)束之后的決策活動具有快速和精準(zhǔn)的系統(tǒng)響應(yīng)能力。因此，如何在滿足場面運行、跑道起降過程涉及的各類約束限制的條件下，建立通用性的飛行區(qū)資源一體化調(diào)度模型，并提高一體化調(diào)度算法的快速性和穩(wěn)健性，成為目前跑道與場面資源聯(lián)合調(diào)度領(lǐng)域的重點關(guān)注內(nèi)容，這也將成為未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)的研究熱點[91-93,107-110]。

1.3 做強資源增量

在“做強資源增量”階段，資源擴容規(guī)劃為主要發(fā)展主題，例如跑道容量規(guī)劃、機場容量規(guī)劃等。通過制定一系列提升機場和空域容量水平的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對中長期資源供給能力提升方案進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，確保機場資源供給可以滿足未來空中交通需求。

為明確機場容量提升的時間節(jié)點和規(guī)劃時機，美國FAA于1968年發(fā)布了編號為No.150/5060-lA的咨詢通告《國家機場規(guī)劃中的容量標(biāo)準(zhǔn)》[111]，用于確定美國機場應(yīng)何時啟動新的跑道、滑行道和停機位等資源建設(shè)項目，以有效提升機場容量；之后，F(xiàn)AA陸續(xù)發(fā)布了編號為No.150/5060-3A的咨詢通告《長期規(guī)劃中的容量標(biāo)準(zhǔn)》[112]《機場容量提升計劃》[113]《機場和航路提升修正案》[114]及其修訂版[115]，對美國未來機場容量評估技術(shù)、容量需求、容量提升措施以及容量提升項目資助計劃等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃。隨著機場容量規(guī)劃的不斷精細(xì)化，如何確定基準(zhǔn)容量成為科學(xué)指導(dǎo)容量規(guī)劃的重要數(shù)據(jù)參考，因此FAA發(fā)布了編號為No.150/5060-5的咨詢通告《機場容量與延誤》[116]，綜合考慮機場起降比例、復(fù)飛比例、滑行道布局等因素，公布了19種典型跑道結(jié)構(gòu)對應(yīng)的容量估計模型，該通告成為業(yè)界不同跑道構(gòu)型容量規(guī)劃的重要參考。之后，將跑道容量基準(zhǔn)確定逐漸擴展至整個航空系統(tǒng)[117]。為制定歐洲機場跑道容量提升措施，EUROCONTROL陸續(xù)發(fā)布了《跑道容量提升指南》[118]《機場空側(cè)容量提升實施手冊》[119]《機場空側(cè)容量提升中的安全評估》[120]《容量規(guī)劃指南與評估》[121]《容量評估與規(guī)劃指導(dǎo)文件》[122]，以及每年更新一次的《歐洲中期空中交通管理網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃評估》報告[123-124]，對歐洲地區(qū)網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃過程進(jìn)行了總體闡述，涉及容量規(guī)劃工作流程、未來容量需求評估、容量規(guī)劃任務(wù)、容量規(guī)劃安全評估等內(nèi)容。相比美歐等航空發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，中國官方發(fā)布的容量管理文件主要停留在機場容量評估方法與流程的指導(dǎo)層面[2]。中國民航局空管局發(fā)布了《空域容量評估方法指導(dǎo)材料》[125]，對機場運行容量、最大容量、航班時刻安排容量等術(shù)語進(jìn)行了定義，并規(guī)范了四類容量評估方法；發(fā)布了《空域建模與評估實施方法指導(dǎo)材料》[126]，對我國開展空域建模與評估工作的具體流程、關(guān)鍵指標(biāo)，以及分析案例等進(jìn)行了描述；發(fā)布了《機場容量評估管理暫行辦法》[127]，規(guī)定了機場容量評估流程與要求，為開展航班時刻分配、協(xié)調(diào)與管理等工作提供了方法指導(dǎo)。另外，《中國民用航空發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》對2016-2020年的空域容量提升目標(biāo)、資源擴容規(guī)劃、排堵保暢措施等進(jìn)行了描述[128]。

2 發(fā)展趨勢

機場飛行區(qū)資源調(diào)度已呈現(xiàn)運行過程一體化、技術(shù)方法高效化、系統(tǒng)工具智能化、管理機制協(xié)同化、運行環(huán)境綠色化等發(fā)展趨勢，下面分別針對以上各趨勢進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 運行過程一體化

在航空運輸“門到門”運行概念的引導(dǎo)下，機場飛行區(qū)資源調(diào)度逐漸呈現(xiàn)多階段、一體化和全方位的管理特征。傳統(tǒng)的機場飛行區(qū)資源調(diào)度主要聚焦單一資源(跑道、滑行道、停機位等)和單一運行過程(進(jìn)場、離場)，已無法滿足機場資源的一體化調(diào)度需求。在空域視角下，運行過程的一體化主要體現(xiàn)在場面資源一體化調(diào)度、跑道與場面資源一體化調(diào)度等。在航空器視角下，運行過程的一體化主要體現(xiàn)在場面交通流一體化調(diào)度、航空器起降一體化調(diào)度、外界因素(軍航/通航活動)干擾下的交通流一體化調(diào)度等。在運行階段視角下，運行過程的一體化主要體現(xiàn)在戰(zhàn)略階段、預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段以及戰(zhàn)術(shù)階段資源調(diào)度的一體化，例如在戰(zhàn)略層面的機場航班時刻優(yōu)化中，通過主動規(guī)避不必要的飛行沖突及延誤，有效提高戰(zhàn)術(shù)階段的航班運行效率；在預(yù)戰(zhàn)術(shù)層面的跑道運行模式配置中，通過對跑道資源組合方式和交通流組織模式進(jìn)行規(guī)劃，有效提高戰(zhàn)術(shù)階段的跑道運行能力。

2.2 技術(shù)方法高效化

技術(shù)方法是盤活機場資源存量的關(guān)鍵所在。隨著全球航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，機場物理結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜、空中交通流量愈發(fā)增大、機場運行指揮和空中交通管理流程愈發(fā)精細(xì)，加之機場運行和航班運行過程中存在諸多的動態(tài)性、隨機性和不確定性(例如，惡劣天氣、重大活動、突發(fā)事件、設(shè)備故障等)，以及空管人為因素的影響，這對機場飛行區(qū)資源調(diào)度的高效化提出了高要求，例如方法的科學(xué)性、模型的有效性、算法的穩(wěn)健性、技術(shù)的實現(xiàn)性等。從建模視角上來看，機場飛行區(qū)資源調(diào)度的本質(zhì)為優(yōu)化控制問題，而高性能優(yōu)化正是機場飛行區(qū)資源調(diào)度的重要手段。另外，空域靈活使用、基于航跡運行、廣域信息管理、協(xié)同決策等新理念的逐步深化，促使機場飛行區(qū)資源調(diào)度領(lǐng)域產(chǎn)生相應(yīng)的技術(shù)變革。因此，如何提高機場飛行區(qū)資源調(diào)度技術(shù)方法的高效化，協(xié)調(diào)空管、機場、航空公司等多利益主體，均衡安全、容量、效率、環(huán)境等多性能目標(biāo)，實現(xiàn)戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)等多階段協(xié)同，成為機場適應(yīng)未來航空運輸發(fā)展的大勢所趨。

2.3 系統(tǒng)工具智能化

航空運輸業(yè)高度依賴于系統(tǒng)工具，涉及大量的人機交互操作，具有“人-機-環(huán)-管”多因素耦合特征，其信息化水平對業(yè)務(wù)流程、管理模式、運行績效等方面均有重要影響。為高效調(diào)度機場飛行區(qū)資源，航空運輸管理人員必須借助大量的輔助決策系統(tǒng)工具，例如管制自動化系統(tǒng)、空中交通流量管理系統(tǒng)、空域管理與評估系統(tǒng)、機場場面資源管理系統(tǒng)等。隨著航空運輸新概念、新技術(shù)和新應(yīng)用的不斷發(fā)展，以及云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空運輸業(yè)已走向跨界融合和多學(xué)科交叉發(fā)展之路，機場飛行區(qū)資源調(diào)度信息化建設(shè)正從“自動化”向“智能化”過渡，智慧空管、智慧機場、智慧民航、數(shù)字化空域、航空大數(shù)據(jù)等理念開始萌芽發(fā)展，這對機場飛行區(qū)資源調(diào)度系統(tǒng)工具的智能化提出了高要求。智能化系統(tǒng)工具的使用必將有助于提高機場飛行區(qū)資源利用率，降低航空運輸管理人員工作負(fù)荷，為機場運行性能和航班運行效率的增強提供輔助決策支持。

2.4 管理機制協(xié)同化

管理機制是實現(xiàn)機場飛行區(qū)資源調(diào)度安全、有序和順暢的軟環(huán)境，與機場飛行區(qū)資源調(diào)度的技術(shù)方法和系統(tǒng)工具等互為補充。航空運輸生產(chǎn)中的多元化利益需求促使諸多利益相關(guān)方被納入到機場飛行區(qū)資源調(diào)度決策中。尤其是在CDM理念的驅(qū)動下，多個航空運輸生產(chǎn)主體共同參與機場飛行區(qū)資源調(diào)度活動。CDM是涵蓋空管、機場、航空公司等多方的聯(lián)合決策機制，通過協(xié)調(diào)各方利益實現(xiàn)收益最大、損失最小的有效手段。機場飛行區(qū)資源調(diào)度決策中的“協(xié)同”主要體現(xiàn)在空域協(xié)同(跑道協(xié)同、停機位協(xié)同)，流量協(xié)同(航班協(xié)同、軍民航空器協(xié)同)，空域與流量協(xié)同(跑道配置)，利益方協(xié)同(空管、機場、航空公司之間的聯(lián)合決策)等方面。因此，機場飛行區(qū)資源調(diào)度決策者需兼顧管理機制的協(xié)同化對技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的影響，實現(xiàn)技術(shù)、系統(tǒng)和機制三者之間的深度融合和全面兼容，提高機場飛行區(qū)資源調(diào)度的透明性、公平性和有效性。

2.5 運行環(huán)境綠色化

在全球關(guān)注節(jié)能減排的大環(huán)境下，航空運輸發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已逐漸意識到發(fā)展綠色航空運輸?shù)闹匾院途o迫性，構(gòu)建“環(huán)境友好、資源節(jié)約、低碳環(huán)?！钡木G色航空運輸體系已成為全球航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。機場在規(guī)劃、建設(shè)、運營和發(fā)展過程中同樣面臨燃油消耗、氣體排放、噪音污染等環(huán)境問題。世界各國和地區(qū)正掀起一場以“綠色”為發(fā)展理念，以“節(jié)能減排”為任務(wù)重點的“綠色航空”革命，以期在未來航空業(yè)環(huán)保市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，并爭奪碳排放問題的國際話語權(quán)。例如，通過優(yōu)化滑行過程、連續(xù)下降進(jìn)近、連續(xù)爬升離場等舉措，提高航空器運行效率，縮短航空器飛行距離，減少航空器氣體排放和噪音污染等。因此，如何優(yōu)化機場飛行區(qū)資源調(diào)度過程，降低航空公司燃油成本，減少航空器在場面滑行/進(jìn)近著陸/起飛爬升階段的碳?xì)?、碳氧和氮氧等氣體化合物的排放量，降低航空器運行對機場周邊環(huán)境的噪音污染，成為機場飛行區(qū)資源調(diào)度適應(yīng)未來綠色航空運輸發(fā)展的大勢所趨。

3 結(jié)束語

機場飛行區(qū)資源調(diào)度研究與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)可依次概括為“明確資源總量”、“盤活資源存量”、“做強資源增量”三個方面。其中，“明確資源總量”用于解決“資源有多少”的問題，聚焦資源供給能力；“盤活資源存量”用于解決“資源怎么用”的問題，聚焦資源使用效率；“做強資源增量”用于解決“資源夠不夠”的問題，聚焦資源擴容規(guī)劃。上述三個發(fā)展脈絡(luò)之間緊密關(guān)聯(lián)，共同確保機場飛行區(qū)資源調(diào)度的可持續(xù)發(fā)展。

考慮機場新改擴建工程項目的論證實施、建設(shè)周期、建設(shè)成本等因素，通過做強機場資源增量的手段來提升機場運行性能并不是航空運輸業(yè)提高效率的首選方式。采用科學(xué)高效的飛行區(qū)資源調(diào)度方法，盤活機場資源存量，提高機場資源利用率，成為提升機場運行性能的最經(jīng)濟和可持續(xù)的不二選擇。在此過程中，需加強飛行區(qū)資源供給能力的準(zhǔn)確評估和預(yù)測，明確機場資源總量，為盤活機場資源存量提供科學(xué)依據(jù)。

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二。在之前的研究系列之一中，已對飛行區(qū)資源調(diào)度的基本概念與框架進(jìn)行了探討。在后續(xù)的研究系列之三中，將分析飛行區(qū)資源調(diào)度的研究熱點與挑戰(zhàn)等問題。