靈活使用空域中的空中交通流量分配方法研究

唐志星,黃 山,潘衛(wèi)軍

(中國民用航空飛行學(xué)院， 四川 廣漢 618307)

隨著軍民航飛行量的急劇增長，現(xiàn)行條塊分割、固定使用的靜態(tài)計(jì)劃管理模式已嚴(yán)重制約軍民航的發(fā)展，軍民融合發(fā)展的國家戰(zhàn)略則使得劃設(shè)臨時(shí)性空域并靈活使用此類空域的方法逐漸提上日程?？沼蜢`活使用較傳統(tǒng)的空域使用方式有較大的差異，它的核心觀點(diǎn)是[1-2]：空域不應(yīng)再被指定為民用或軍用空域，而應(yīng)看作是一個(gè)連續(xù)的整體，而且在逐日分配的基礎(chǔ)上靈活使用，任何必要的空域限制和隔離都只是臨時(shí)性的。

王偉等[3]和張明等[4]針對空域靈活使用的管理機(jī)制及其指導(dǎo)下的空域規(guī)劃設(shè)計(jì)方法開展了深入研究。Xudong Diao等[5]、劉方勤等[6]和樊憲標(biāo)[7]基于4D航跡、利用0～1整數(shù)規(guī)劃模型、兼顧時(shí)隙分配的效率性和公平性，分別研究了空中交通流量和偵察目標(biāo)的分配問題。這些研究或?qū)Ｗ⒂谲娒窈街g溝通協(xié)調(diào)機(jī)制的建立和民航所轄空域的規(guī)劃調(diào)整，或?qū)Ｗ⒂谲娒窈絻?nèi)部空域的使用效率的提升，鮮有站在第三方角度，根據(jù)軍民航的空域使用效率，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際，研究如何合理、公平地滿足軍民航對臨時(shí)性空域的使用需求。

1 問題描述

本文所涉及的臨時(shí)性空域指的是空域靈活使用中的條件航路(Conditional Route,CDR)、臨時(shí)隔離區(qū)(Temporary Segregated Area，TSA)和臨時(shí)保留區(qū)(Temporary Reserved Area，TRA)等。

TSA是具有確定尺寸的塊狀空域，為供特定用戶在確定時(shí)間內(nèi)單獨(dú)使用而臨時(shí)隔離或分配的空域，該區(qū)域內(nèi)限制其他任何形式的空中活動(dòng)。TRA是具有確定尺寸的塊狀空域，為滿足特定用戶在確定時(shí)間內(nèi)的特殊空域使用需求而臨時(shí)地保留或分配的空域，其他空中活動(dòng)在這期間可在空管允許的條件下通過該區(qū)域。CDR為空中交通服務(wù)航路網(wǎng)絡(luò)的一部分，通常與TSA或TRA關(guān)聯(lián)運(yùn)行，CDR與TSA/TRA關(guān)聯(lián)運(yùn)行的案例如圖1所示。

圖1 CDR和TSA/TRA關(guān)聯(lián)運(yùn)行示意圖

陰影區(qū)域?yàn)榕R時(shí)隔離區(qū)TSA或臨時(shí)保留區(qū)TRA，穿越陰影區(qū)的虛線為連接A、C兩點(diǎn)的條件航路CDR。按照軍民航運(yùn)行實(shí)際，某一空域同時(shí)只能允許軍航或民航使用：當(dāng)軍航不使用TSA/TRA時(shí)，CDR可供民航使用；當(dāng)軍航使用TSA/TRA時(shí)，CDR不可供民航使用，民航飛行需改用CDR(A—C)的備份航路(A—B—C)以繞開該TSA/TRA。

本文旨在研究臨時(shí)性空域中飛行前一日的空中交通流量分配問題。傳統(tǒng)的空域使用中，空中交通流量分配基于預(yù)先確定的、固定使用的空域結(jié)構(gòu)，大部分軍民航的空域使用需求因空域劃分被限定在各自空域內(nèi)，而在臨時(shí)性空域所屬的空域靈活使用中，空域不再被指定為民用或軍用空域，軍民航針對同一空域的使用需求沖突可能急劇增加，此類需求的平衡是本文研究的重點(diǎn)。

2 空中交通流量分配模型

國內(nèi)外空中交通流量分配中，通常以先到先服務(wù)(First Come First Served，F(xiàn)CFS)的原則對空中交通流量進(jìn)行排序，但未考慮飛行任務(wù)的不同所帶來的社會效益的差異，例如，軍航的日常訓(xùn)練飛行和民航的搶險(xiǎn)救災(zāi)飛行，民航的定期貨運(yùn)飛行和因大面積航班延誤而造成的客運(yùn)加班補(bǔ)班飛行。因此，經(jīng)過廣泛調(diào)研，結(jié)合國外先進(jìn)的空域管理現(xiàn)狀和理論以及國內(nèi)空域管理以軍方為主的現(xiàn)狀，分配臨時(shí)空域中的空中交通流量時(shí)，需要考慮飛行任務(wù)之間的差異，以平衡軍民航的空域使用需求。

2.1 基本參數(shù)定義

飛行任務(wù)集合T={t1,t2,…,tm}，tm表示某飛行任務(wù)的類型。

臨時(shí)空域集合S= {s1,s2,…,sn}，sn表示某臨時(shí)空域，sn={namen,typen,capacityn,openTn,closeTn}，namen、typen、capacityn、openTn和closeTn分別表示該臨時(shí)空域的名稱、類型、單位小時(shí)容量、開放時(shí)刻和關(guān)閉時(shí)刻。

T(type)：臨時(shí)空域所接受的飛行任務(wù)集合，T(type)={t|?t∈T}。

easn：航空器申報(bào)的預(yù)計(jì)進(jìn)入臨時(shí)空域sn的時(shí)刻。

sasn：航空器被調(diào)整的進(jìn)入臨時(shí)空域sn的時(shí)刻。

edsn：航空器申報(bào)的預(yù)計(jì)離開臨時(shí)空域sn的時(shí)刻。

sdsn：航空器被調(diào)整的離開臨時(shí)空域sn的時(shí)刻。

飛行計(jì)劃集合F={f1,f2,…,fi}，fi表示第i個(gè)飛行計(jì)劃，其中f=(acftN,t,ot1,ot2,…,otn)，飛行計(jì)劃需提供執(zhí)飛航空器的注冊號(acftN)，飛行任務(wù)的類型t和對各臨時(shí)空域的預(yù)計(jì)占用情況(otn)等信息，otn={sn,easn,edsn,sasn,sdsn}。

Tdti：飛行計(jì)劃fi的批準(zhǔn)使用時(shí)間相對于申請使用時(shí)間的延后量。

2.2 軍民航空域使用需求平衡依據(jù)

2.3 模型設(shè)計(jì)

分配臨時(shí)空域中的空中交通流量時(shí)，不僅要滿足各用戶對臨時(shí)空域的使用需求，意即批準(zhǔn)的使用時(shí)間相較于申請的使用時(shí)間延后量最小，還面臨空域類型、空域開放時(shí)間和空域容量等方面的約束，此外，允許航空器的進(jìn)入臨時(shí)空域的時(shí)刻不早于申請的進(jìn)入時(shí)刻，允許航空器使用臨時(shí)空域的時(shí)間不小于申請的使用時(shí)間。

1) 目標(biāo)函數(shù)：

2) 約束條件：

f.t∈T(f.ot.s.type), ?f∈F, ?ot

b) 空域開放時(shí)間約束

f.ot.ea≥f.ot.s.openT,?f∈F,?ot

f.ot.ed≤f.ot.s.closeT,?f∈F,?ot

c) 單位小時(shí)內(nèi)的空域容量約束

s.name∧!(f.otn.sa>time+60∨f.otn.sd

s.capacity,?s,?time

其中，time的單位為分鐘，“60”表示“60分鐘”。

d) 批準(zhǔn)的進(jìn)入時(shí)刻不早于申請的進(jìn)入時(shí)刻

不同糖尿病病程的胰腺癌患者性別、首發(fā)癥狀、腫瘤部位等臨床特征進(jìn)行比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。

f.ot.sa≥f.ot.ea,?f∈F,?ot

e) 批準(zhǔn)的使用時(shí)間不小于申請的使用時(shí)間

f.ot.sd-f.ot.sa≥+f.ot.ed-f.ot.ea,?f∈F,?ot

3 空中交通流量分配算法

臨時(shí)空域中的空中交通流量分配問題是一種典型的排序問題，排序理論對此類問題已提出不少解決方法，但是，一些方法單純的從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，從總延誤時(shí)間或最大延誤最小為目標(biāo)函數(shù)建模，沒有考慮不同飛行任務(wù)間的差異性，得出的排序結(jié)果中部分計(jì)劃的位序交換范圍很大，并不適合此類空中交通流量的分配。

因此，基于飛行任務(wù)的社會效益和其對空域的利用率大小，結(jié)合先到先服務(wù)的原則和飛行計(jì)劃的申報(bào)情況，在各實(shí)際情況的約束下，以時(shí)間調(diào)整量最小為目標(biāo)函數(shù)，為各飛行計(jì)劃分配臨時(shí)空域的使用時(shí)間。算法的基本流程如圖2所示。

具體步驟如下:

步驟1按約束a)和約束b)遍歷所有飛行計(jì)劃，將同時(shí)滿足約束a)和約束b)的飛行計(jì)劃組成待分配使用時(shí)間的集合Fto，已分配使用時(shí)間的集合Fed=?。

步驟2?f∈Fto，在f所申報(bào)的臨時(shí)空域中，根據(jù)f申報(bào)的飛行任務(wù)種類，分別提取各飛行任務(wù)的社會效益排名p和空域利用率RU。

圖2 算法流程框圖

步驟3按RU從大到小，計(jì)算各飛行任務(wù)的空域利用率排名RU序。

步驟4令pr=p+RU序，計(jì)算各飛行任務(wù)的pr，并按pr大小，升序排列Fto。

步驟5取Fto中排序最靠前的飛行計(jì)劃fo。

步驟6若Fed為空，遍歷fto中的otn，f0.otn.sa=f0.otn.ea，f0.otn.sd=f0.otn.ed，轉(zhuǎn)至步驟11。

步驟7若Fed不為空，取dev=0，dev用于記錄飛行計(jì)劃被延后的時(shí)間，單位為分鐘。

步驟8遍歷fo中的otn，令f0.otn.sa=f0.otn.ea+dev，f0.otn.sd=f0.otn.ed+dev。

步驟9遍歷fo中的otn，針對Fed中所有申報(bào)過sn的使用時(shí)間oted，取time=oted.sa∨time=oted.sd，運(yùn)用約束c)、約束d)和約束e)，判斷中fo中所有otn的sa和sd是否同時(shí)通過Fed中所有計(jì)劃的相關(guān)oted的要求。

步驟10若不通過，dev=dev+1，轉(zhuǎn)至步驟8，將飛行計(jì)劃延后1分鐘并驗(yàn)證是否滿足約束；否則，轉(zhuǎn)至步驟11。

步驟11將fo從Fto中移除，加入Fed的末端。

步驟12若Fto不為空，轉(zhuǎn)至步驟5，否則，算法結(jié)束。

4 算例分析

針對某TSA及相關(guān)的CDR，選取某地區(qū)的1 h的飛行計(jì)劃，提取相應(yīng)空域用戶在該地區(qū)的歷史飛行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各空域用戶的空域利用率，并將各飛行計(jì)劃的社會效益大小進(jìn)行排序，如表1所示。

在第2節(jié)的空中交通流量分配模型中，分別依據(jù)第3節(jié)的空中交通流量分配算法(簡稱“本算法”)和FCFS，為表 1中各飛行計(jì)劃分配臨時(shí)性空域的使用時(shí)間，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 申請的飛行計(jì)劃

飛行計(jì)劃申請空域進(jìn)入時(shí)刻/min使用時(shí)間/min飛行種類社會效益排名空域利用率計(jì)劃1CDR406客貨運(yùn)輸40.67計(jì)劃2CDR66客貨運(yùn)輸40.63計(jì)劃3CDR308客貨運(yùn)輸40.61計(jì)劃4CDR165客貨運(yùn)輸40.57計(jì)劃5CDR208客貨運(yùn)輸40.63計(jì)劃6CDR376客貨運(yùn)輸40.71計(jì)劃7CDR146客貨運(yùn)輸40.6計(jì)劃8CDR317客貨運(yùn)輸40.68計(jì)劃9CDR406客貨運(yùn)輸40.7計(jì)劃10CDR437客貨運(yùn)輸40.67計(jì)劃11TSA338旅游觀光90.52計(jì)劃12CDR165客貨運(yùn)輸40.60計(jì)劃13CDR325客貨運(yùn)輸40.56計(jì)劃14CDR436客貨運(yùn)輸40.65計(jì)劃15TSA105軍事訓(xùn)練30.64

飛行計(jì)劃申請空域進(jìn)入時(shí)刻/min使用時(shí)間/min飛行種類社會效益排名空域利用率計(jì)劃16CDR96客貨運(yùn)輸40.55計(jì)劃17CDR247客貨運(yùn)輸40.60計(jì)劃18CDR26客貨運(yùn)輸40.69計(jì)劃19CDR145客貨運(yùn)輸40.55計(jì)劃20CDR136客貨運(yùn)輸40.57計(jì)劃21CDR108客貨運(yùn)輸40.72計(jì)劃22TSA3815軍事訓(xùn)練30.52計(jì)劃23CDR217客貨運(yùn)輸40.58計(jì)劃24CDR68客貨運(yùn)輸40.67計(jì)劃25CDR225客貨運(yùn)輸40.64計(jì)劃26CDR215客貨運(yùn)輸40.63計(jì)劃27CDR355應(yīng)急救災(zāi)20.56計(jì)劃28CDR307客貨運(yùn)輸40.70計(jì)劃29CDR135客貨運(yùn)輸40.55計(jì)劃30CDR217客貨運(yùn)輸40.66

表2 本算法和FCFS的計(jì)算結(jié)果

兩種算法的延后時(shí)間(計(jì)算的進(jìn)入時(shí)刻與申請的進(jìn)入時(shí)刻之間的延后值)均值、延后時(shí)間方差、最大延后時(shí)間和結(jié)束時(shí)刻對比如表3所示。

表3 本算法和FCFS的性能

需要指出的是，相較于FCFS，本算法的延后時(shí)間的降低是通過將社會效益較小的飛行計(jì)劃延后、將其申請的時(shí)間充分利用而實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié)論

不同于現(xiàn)行的軍民航在各自所轄空域內(nèi)活動(dòng)的方式，針對臨時(shí)空域被軍民航共同使用的問題，結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)空域用戶的訴求，以各飛行任務(wù)的社會效益和空域利用率為依據(jù)，建立此類臨時(shí)空域中軍民航空中交通流量的分配模型，并提出相應(yīng)的求解算法，不僅能夠平衡各空域用戶間的使用沖突，保障對軍航飛行的優(yōu)先滿足，提高空域的使用效益，還可在一定程度上降低各飛行任務(wù)延后時(shí)間，壓縮總的空域使用時(shí)間，提高空域利用率。