空中交通擁擠理論與模型研究*

侯曉東，程浩楠，朱保業(yè)，王 驍

(中國民航大學(xué)，天津300300)

空中交通擁擠這一概念從上個世紀(jì)就被提出，到如今，空中交通的工具規(guī)模愈來愈龐大，這使得有限的空域信息資源也無法滿足現(xiàn)代化的航空公司的需要。交通堵塞現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，很大程度上會直接影響到空中交通系統(tǒng)運(yùn)行的安全和效率。而若想要徹底緩解空中交通的擁堵則必須首先要確立空中交通的擁堵發(fā)展趨勢，如此才能夠?qū)罩薪煌ㄟM(jìn)行相應(yīng)的管理。故而，空中交通擁擠狀況的識別和預(yù)測問題就成了近年來國際民用飛機(jī)學(xué)術(shù)界的重要探討內(nèi)容?？罩薪煌〒頂D的理論和思路如圖1所示。

圖1 空中交通擁擠的理論和思路

1 空中交通擁擠的概念及其發(fā)展特征

空中交通擁擠這一概念目前在國際上還沒有統(tǒng)一的定義，而是伴隨著我國民航和交通運(yùn)輸業(yè)的進(jìn)步而更新和深入。通過對在空中交通流量管理方面的研究中發(fā)現(xiàn)，空中交通的需求和空中交通流量的不匹配性就是造成空中交通擁擠的重要原因。徐肖豪等人[1]將空中交通擁擠的相關(guān)概念簡要地定義為在特定的時間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，由于某空中交通單位(包括機(jī)場、航路、終端區(qū))的交通要求與其他交通運(yùn)輸服務(wù)單位的交通容量之間發(fā)生矛盾所導(dǎo)致而產(chǎn)生的一種交通停頓現(xiàn)象或者說是交通停頓狀態(tài)。后來隨著航班流量的不斷增加，由于天氣因素、空域活動等原因的頻繁出現(xiàn)，擁擠的概念逐漸結(jié)合航班運(yùn)行的復(fù)雜性進(jìn)行研究。以下將根據(jù)研究時間討論交通擁擠概念的發(fā)展。

趙嶷飛等人[2]針對當(dāng)前由于我國空管交通機(jī)構(gòu)扇區(qū)愈發(fā)繁忙且空管機(jī)構(gòu)安全保障體系的相對落后，將我國空中交通機(jī)構(gòu)擁擠管理風(fēng)險這一定義理解為：在某個特殊空中交通管理機(jī)構(gòu)或服務(wù)單元的一個特殊運(yùn)行時段內(nèi)，空中交通管理機(jī)構(gòu)的總體需求和單元空中交通管理機(jī)構(gòu)單元容量不均衡的一種空中交通管理機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，并基于空中交通機(jī)構(gòu)的總體需求和單元容量上的不確定性而進(jìn)一步研究提出了扇區(qū)當(dāng)量流量警告的概念，并通過扇區(qū)當(dāng)量流量與容量相對應(yīng)進(jìn)行比較的手段，對我國扇區(qū)的擁擠情況進(jìn)行了識別及分析研究。Rehwald等人[3]開始研究了進(jìn)離場交通的需求與機(jī)場交通容量的不均衡，并將這一問題繼續(xù)視為交通擁擠狀態(tài)的一個新概念。張進(jìn)等人[4]充分考慮到單個航空器對之間的聯(lián)系，提出了一套基于綜合迫近、幾率及其連攜性等因素的復(fù)雜度指標(biāo)。張兆寧等人[5]基于容流匹配因素添加了對節(jié)點(diǎn)和航線的分類，將空中交通的擁擠概念定義為：在一個特殊的時間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)和航線的流量已經(jīng)接近或相當(dāng)其容量，不會導(dǎo)致出現(xiàn)航班運(yùn)營時間延誤的現(xiàn)象，仍然可以保證能正常飛行的空中交通狀態(tài)。

2 空中交通擁擠識別的研究

一般來說，空中交通擁擠的識別是多維度的，目前航路擁擠識別的研究逐漸向著高效、智能方向靠攏，識別精度不斷提高使得預(yù)測更加準(zhǔn)確。交通技術(shù)數(shù)據(jù)的識別概念一般可以根據(jù)其應(yīng)用時間預(yù)測范圍的不同，大致劃分為三種：長期的交通數(shù)據(jù)、短期的交通數(shù)據(jù)、混合性的交通數(shù)據(jù)[6]，如果把每個預(yù)測時間段中的年份及其之前已經(jīng)成功取得的重要研究成果之和一起進(jìn)行綜合量化，那么就非常有可能由一種對每個時間段的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合定量價值預(yù)測的識別方法來準(zhǔn)確計(jì)算出并得到未來的交通數(shù)據(jù)，因此，根據(jù)其預(yù)測時間尺度的不同，我們一般可將針對空中交通數(shù)據(jù)擁擠的識別方法進(jìn)行劃分識別為針對基于這些短期交通數(shù)據(jù)的識別閾計(jì)價值聚類判別識定方法、基于長期交通數(shù)據(jù)的數(shù)值聚類識別方法和基于針對混合短期數(shù)據(jù)的綜合性數(shù)據(jù)評價識別方法[6]，以下將根據(jù)研究時間討論交通擁擠識別方法的發(fā)展。

趙嶷飛等人[7]提出了證據(jù)理論在對空中運(yùn)輸擁擠識別和評價中的作用。證據(jù)理論最初是Brennan等人[8]為解決不確定問題提出的，在證據(jù)理論中，證據(jù)指的是人們經(jīng)驗(yàn)和知識的一部分，是人們對該問題所作的觀察和研究的結(jié)果，在空中交通管理方面，利用經(jīng)驗(yàn)豐富的管制員給出指標(biāo)權(quán)重從而實(shí)現(xiàn)擁擠模型的建立與識別。劉方勤等人[9]提出基于耦合和制約下的協(xié)同多航路網(wǎng)絡(luò)資源的分配，得出了空域系統(tǒng)中所有可以服務(wù)的航路和飛行通道流量的大小，它們是根據(jù)這些航路的空域控制單位之間進(jìn)行耦合和制約而產(chǎn)生的容量，即由于不同飛行扇區(qū)的管制能力不同，導(dǎo)致航路承擔(dān)的最大容量不同，上游的交通流量受下游的航路最大容量約束。

李善梅等人[10]基于混合數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析評價，他們提出了基于非線性和灰色聚集數(shù)據(jù)的交叉航路擁擠辨認(rèn)方法，航路流量改變具有非線性特征，而且這種交叉航路系統(tǒng)本身就是一個非線性系統(tǒng)，即要么缺乏大量數(shù)據(jù)，要么因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)部機(jī)理不清晰而使得構(gòu)建指標(biāo)或者系統(tǒng)建模困難，給飛行帶來了多種不確定性，基于此研究提出了對灰色聚類飛行中道路擁擠的識別，實(shí)現(xiàn)對不確定性概念的判斷。朱濤[11]提出了通過定位點(diǎn)對空中流量進(jìn)行擁擠識別方法，利用指標(biāo)來進(jìn)行識別空中流量的擁擠狀態(tài)，根據(jù)航行要素建立擁擠評價指標(biāo)。張兆寧等人[5]基于空中交通網(wǎng)絡(luò)流提出了空中交通網(wǎng)絡(luò)的擁擠程度識別和影響評價，通過分析空中交通網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)和航線兩個要素，建立評估指標(biāo)體系，從容流匹配的角度識別航路的交通態(tài)勢。李桂毅等人[12]提出了基于交通集成綜合學(xué)習(xí)技術(shù)算法，基于航路交通網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)航段航路交通擁擠狀態(tài)，識別預(yù)測并進(jìn)行了深入研究探索，通過對比和選擇各個航路交通網(wǎng)絡(luò)航段地理重點(diǎn)區(qū)域的擁擠范圍，采集航段ADS-B中的航跡數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)流量等參數(shù)，研究建立各個航段交通擁擠狀態(tài)評價模型指標(biāo)，分析得到擁擠評價結(jié)果，并完成航段模型化并進(jìn)行綜合實(shí)例訓(xùn)練，識別各個重點(diǎn)航段的航路交通堵塞擁擠狀態(tài)。

3 空中交通擁擠主要預(yù)測的分析方法及主要模型

3.1 空中交通擁擠預(yù)測方法

當(dāng)前空中交通擁擠的主要預(yù)測分析方法可以大致分為4類：(1)基于航空公司飛行計(jì)劃的確定性交通流量擁擠預(yù)測分析方法；(2)基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的流量預(yù)測分析方法；(3)非線性流量預(yù)測分析方法；(4)智能預(yù)測方法[13]。下面將介紹這4種預(yù)測方法。

3.1.1 基于空中交通飛行計(jì)劃的確定性流量預(yù)測

作為空中交通流量管理的一個基礎(chǔ)性問題，基于飛行計(jì)劃的流量預(yù)測一直以來是需要重點(diǎn)解決的問題。該種方法主要特點(diǎn)是建立4D航跡的概率推測計(jì)算模型，采用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法進(jìn)行分析計(jì)算扇區(qū)及其他主要機(jī)場未來的平均流量。

陳愷等人[14]通過計(jì)劃航跡和雷達(dá)航跡匹配關(guān)聯(lián)算法模型以及利用航向角平面投影匹配算法提高流量預(yù)測的精確性，能夠?qū)崟r修正航空器航跡4D剖面預(yù)測模型的流量預(yù)測算法。然而，當(dāng)航班規(guī)模巨大時，計(jì)算復(fù)雜性對系統(tǒng)運(yùn)算能力構(gòu)成嚴(yán)峻考驗(yàn)。另外，空中交通實(shí)際運(yùn)行時出現(xiàn)的隨機(jī)特性一直是影響4D航跡精度的關(guān)鍵因素，在流量預(yù)測中不可回避。

3.1.2 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的預(yù)測方法

由于空中交通具有自身的規(guī)律性，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法可以挖掘交通數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的變化規(guī)律，從而基于此規(guī)律可實(shí)現(xiàn)對未來交通擁擠狀態(tài)的預(yù)測，因此出現(xiàn)了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的擁擠預(yù)測方法[1]。由于基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法適用于小規(guī)模低維度的數(shù)據(jù)，所以近年來基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法逐漸向其他3種方法綜合靠攏。

3.1.3 非線性預(yù)測方法

非線性預(yù)測首先在道路交通流開始研究，隨著人們對交通流非線性動力特性的認(rèn)識，基于非線性時間序列方法預(yù)測短期交通流逐漸發(fā)展起來。陳艷彥等人[15]基于我國空中交通系統(tǒng)流量的發(fā)展趨勢研究建立了Lologistic流量預(yù)測的非線性模型，并預(yù)測了某管制區(qū)2020-2025年的流量。

3.1.4 智能預(yù)測方法

智能預(yù)測與組合預(yù)測法基于智能算法的擁擠預(yù)測就是利用人工智能算法對擁擠指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，然后將指標(biāo)預(yù)測值輸入到擁擠識別方法，實(shí)現(xiàn)對未來交通擁擠狀態(tài)的預(yù)測。陳紹飛[16]利用空管自動化系統(tǒng)的實(shí)測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了飛行流量的快速預(yù)測。崔德光等人[17]通過對我國民航班機(jī)飛行流量的主要影響因素進(jìn)行了分析，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和回歸分析方法的組合預(yù)測方法對我國華北地區(qū)空中交通的瓶頸-大王莊各個航路點(diǎn)飛行的流量情況進(jìn)行了預(yù)測。組合式預(yù)測是為了結(jié)合前文所述提到的一種預(yù)測技術(shù)手段，針對當(dāng)前空中交通運(yùn)輸流量的預(yù)測中可能存在的技術(shù)性缺陷與其不足，建立一種更加恰當(dāng)?shù)剡m用于當(dāng)前現(xiàn)狀的預(yù)測技術(shù)手段。

3.2 基于飛行計(jì)劃確定性流量的加權(quán)法模型簡析

由于空中交通網(wǎng)絡(luò)體系中主要的要素為運(yùn)輸路線以及其他節(jié)點(diǎn)，通過對運(yùn)輸路線以及其他節(jié)點(diǎn)在各自方面的擁擠性進(jìn)行分析并根據(jù)實(shí)際情況對其進(jìn)行加權(quán)處理，便可以直接得到空中交通網(wǎng)絡(luò)體系中的擁擠性情況。從空中交通流的角度來說，由于節(jié)點(diǎn)或者航線的容量易被外部因素的干擾而發(fā)生變動，本文選擇了一個擁擠度為門限的區(qū)間[α，β]代替某一個值來評估擁擠狀態(tài)。對于某一節(jié)點(diǎn)(或者是航線)，當(dāng)其求解所得的擁擠度小于α?xí)r，空中交通網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前所對應(yīng)的某個節(jié)點(diǎn)(或者是航線)就會屬于正常的狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)的擁擠程度控制在一定的區(qū)間[α，β]內(nèi)時，空中交通網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前相對應(yīng)的各個節(jié)點(diǎn)(或路徑)屬于這種擁擠臨界的狀態(tài)；當(dāng)其擁擠程度超過β時，空中交通路徑網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前相對應(yīng)的各個節(jié)點(diǎn)(或路徑)屬于擁擠的狀態(tài)。對于整個空中交通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說，在計(jì)算得出每個節(jié)點(diǎn)和路線的擁擠程度后，根據(jù)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算可以得出整個空中交通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的擁擠程度。

4 結(jié)束語

隨著民航運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展與飛行運(yùn)行過程中越來越多不確定因素的出現(xiàn)，擁擠的識別與預(yù)測成為空中流量管理的重點(diǎn)研究方向。通過對空中交通流特性的研究，從不同區(qū)域、不同原因進(jìn)行擁擠的識別與預(yù)測，使得擁擠預(yù)測逐步向著精確、實(shí)時、高效、智能方向靠攏，為以后有關(guān)空中交通擁擠的研究以及對于解決空中交通擁擠提供科學(xué)依據(jù)和理論保障。