航空流網(wǎng)絡(luò)解構(gòu)與空域資源動(dòng)態(tài)配置研究
——以京-成空中廊道為例

董 雅 晴，路 紫，張 一 諾，馮 富 晶，閆 宇 航

(河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024；河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050024)

0 引言

流是空間科學(xué)研究的重要目標(biāo)之一，其表示動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的物理或社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程，是地理空間非同質(zhì)性的產(chǎn)物，已成為地理學(xué)、交通運(yùn)輸學(xué)、流行病學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科廣泛而持久的研究對(duì)象[1-4]。當(dāng)空氣空間成為空中交通流載體時(shí)即衍生出航空流[5]。在有限空域條件下，航空流流量快速增長(zhǎng)導(dǎo)致空域擁堵和航班延誤，迫切需要提出空域資源充分開發(fā)利用的新概念、新方式和新操作構(gòu)想[6,7]。美國(guó)新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)變革、歐洲同一天空計(jì)劃和中國(guó)民航航空系統(tǒng)組塊升級(jí)規(guī)劃均提出基于軌跡的操作、超密度航空流操作、優(yōu)先級(jí)排序、流應(yīng)急管理等，以推動(dòng)空中交通管理范式從控制向組織轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)系統(tǒng)性能、實(shí)現(xiàn)空域資源高效配置[8]，而航空流密度與系統(tǒng)效率識(shí)別及空中交通系統(tǒng)性能改善均以航空流網(wǎng)絡(luò)(Air Traffic Flow Network，ATFN)[9]解構(gòu)為前提。

地理學(xué)家整合空間位置和運(yùn)輸理論，在航空流研究中做出了諸多貢獻(xiàn)，如基于機(jī)場(chǎng)和航線數(shù)據(jù)通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析交通網(wǎng)絡(luò)大尺度空間格局[10]，實(shí)現(xiàn)了最大流量、最短路徑、空間聯(lián)系、交互模式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及性能的評(píng)估，支持航線調(diào)整和航空公司運(yùn)力配置等決策[11-13]。但最近研究表明：以機(jī)場(chǎng)—航線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空域研究簡(jiǎn)化[14]、損失了大量重要操作信息[15]，只有構(gòu)建一種航空網(wǎng)絡(luò)、飛行路徑網(wǎng)絡(luò)和空中交通管理網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的流網(wǎng)絡(luò)形式，才能揭示空域的多重屬性和空域系統(tǒng)的復(fù)雜性，探究航空流運(yùn)行的細(xì)粒度特征并實(shí)施空域資源動(dòng)態(tài)配置。

為與空域系統(tǒng)、空域結(jié)構(gòu)和空域功能變革的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)，更好地應(yīng)對(duì)空間格局研究轉(zhuǎn)向運(yùn)行過(guò)程研究的發(fā)展潮流，鑒于途中巡航占用空域時(shí)間最長(zhǎng)、飛行密度變化最明顯，學(xué)者又引入途中航空流概念(專指空中穿越的交通流流體)，針對(duì)空域占用與釋放問(wèn)題加強(qiáng)了對(duì)空中交通流量動(dòng)態(tài)性和連續(xù)性的考察[9]。加入連續(xù)時(shí)間因素后形成一種多屬性途中ATFN，其以復(fù)合節(jié)點(diǎn)(時(shí)間戳定義的航跡交叉點(diǎn)以及航跡簇聚合分化點(diǎn)等)和有向邊(飛行路徑以及航跡簇等)組成。目前大規(guī)模精準(zhǔn)個(gè)體航跡數(shù)據(jù)收集及其流信息挖掘技術(shù)日漸成熟，為ATFN解構(gòu)帶來(lái)新機(jī)會(huì)，支持空域研究中流模式、流結(jié)構(gòu)、流關(guān)系和流過(guò)程的創(chuàng)新[16,17]，但仍缺乏有效的系統(tǒng)解析方法，面臨時(shí)間序列(周內(nèi)和日內(nèi)各時(shí)段)、多要素(流量、流向、流速、流距)、可變性(長(zhǎng)距離短時(shí)流動(dòng)與短距離瞬時(shí)流動(dòng))及非分離表達(dá)(時(shí)間變化特征和空間變化特征)的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致時(shí)空多維運(yùn)算不統(tǒng)一、細(xì)粒度分析不足等問(wèn)題。

空中廊道作為一種新型航空流組織與空域資源配置方式[18]，相對(duì)于機(jī)場(chǎng)終端空域[19]及多機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)[20,21]等空域單元，其航空流網(wǎng)絡(luò)具有帶狀空域連貫特征，航跡時(shí)空趨同性更明顯且影響時(shí)長(zhǎng)/區(qū)段更廣，最優(yōu)路徑替代和串聯(lián)作用更顯著，在解決空域通行能力與容量匹配等問(wèn)題上具有獨(dú)特的研究意義。近年來(lái)，學(xué)者將航空流與空中廊道網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，逐漸形成ATFN研究體系：1)整流研究，視流為不可分割的整體并聚類航跡為簇考察個(gè)體航空流的鄰近性，整流距離不同于以端點(diǎn)距離評(píng)估流間緊密性的方法，其在以多尺度閾值檢測(cè)航空流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型方面效果明顯[22,23]；2)流變研究，指航空流隨時(shí)間變化表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征，其進(jìn)一步將航空流空間分析擴(kuò)展到時(shí)空分析，在檢測(cè)流量時(shí)空分異上有明顯優(yōu)勢(shì)，能揭示擁堵的產(chǎn)生、積累、傳播、消散等變化態(tài)勢(shì)[6,24]；3)聚合分化研究，基于高傳播能力節(jié)點(diǎn)及其在網(wǎng)絡(luò)信息級(jí)聯(lián)中的觸發(fā)和擴(kuò)散作用[25,26]，將聚合分化點(diǎn)定義為對(duì)ATFN穩(wěn)定性和功能性具有重要意義的關(guān)鍵點(diǎn)，其時(shí)空分布、層級(jí)關(guān)系及交互多樣性分析可支持空中廊道內(nèi)高密度航空流的路徑優(yōu)化。

隨著網(wǎng)格方法日益成熟，ATFN研究已從單一軌跡信息識(shí)別發(fā)展到整體航空流時(shí)空熱點(diǎn)(區(qū))識(shí)別，如通過(guò)網(wǎng)格時(shí)空索引和網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)軌跡沖突檢測(cè)[27]，在該過(guò)程中，迫切需要揭示軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，針對(duì)空中廊道ATFN解構(gòu)尚缺乏有效方法以解決途中航空流運(yùn)行與動(dòng)態(tài)分布的問(wèn)題(如空域容量評(píng)估中利用結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化、航跡及多向流航跡間的聚合分化、短期航空流流量?jī)?yōu)化及空域資源占用和動(dòng)態(tài)配置等)，本文基于ArcGIS漁網(wǎng)開發(fā)了網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D方法。以京—成空中廊道為例，使用1日24 小時(shí)航跡數(shù)據(jù)，擬從基于航跡簇的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型、流量時(shí)空波動(dòng)與航空流聚合分化三方面進(jìn)行空中廊道ATFN解構(gòu)研究，進(jìn)而針對(duì)空域資源充分開發(fā)利用問(wèn)題提出并行擴(kuò)容、時(shí)間錯(cuò)峰、分化分流調(diào)整方案，以支持高密度航空流運(yùn)行。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

選取京—成空中廊道作為ATFN解構(gòu)與空域資源動(dòng)態(tài)配置研究的案例具有代表性：1)京—成空中廊道在中國(guó)空中廊道體系中復(fù)雜性最高、涉及參與航線/樞紐機(jī)場(chǎng)最多、短時(shí)長(zhǎng)和小區(qū)段的時(shí)空擁堵特征最典型[6]；2)在中國(guó)樞紐機(jī)場(chǎng)間的航線延誤成本測(cè)算中，京—成空中廊道的基線航線，即北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)(PEK)—成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)(CTU)的時(shí)間延誤成本和空中維持成本均最高[28]；3)京—成空中廊道基線航線連接的端點(diǎn)機(jī)場(chǎng)(PEK和CTU)運(yùn)行效率呈下降趨勢(shì)[29]；4)基于《中國(guó)民用航空發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃》，京—成空中廊道在中國(guó)“10+3”空中大通道網(wǎng)絡(luò)中具有獨(dú)特作用，CTU是京昆空中大通道調(diào)整后最大受益機(jī)場(chǎng)之一，同時(shí)其連接成都—拉薩復(fù)線和廣蘭空中大通道，交通串聯(lián)作用顯著。

航跡數(shù)據(jù)具有多屬性、時(shí)空對(duì)接性和細(xì)粒度特征，可為ATFN解構(gòu)提供支持，其包括實(shí)際數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)：前者由實(shí)時(shí)航班雷達(dá)監(jiān)視生成，表征航班當(dāng)日當(dāng)次的實(shí)際飛行距離和實(shí)時(shí)飛行速度等信息；后者指基于航班抵達(dá)和離開機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)計(jì)算兩點(diǎn)之間航線的最短距離，結(jié)合飛行計(jì)劃及多項(xiàng)設(shè)定最終形成模擬航跡，因其數(shù)據(jù)更具穩(wěn)定性和共性，更適用于空域重構(gòu)研究[30]。數(shù)據(jù)獲取步驟如下：從飛常準(zhǔn)(http://www.variflight.com)和FlightAware(http://zh.flightaware.com)統(tǒng)計(jì)1日(2019年7月15日)24小時(shí)在5%額外飛行距離約束下的參與航線和航班；將直飛與經(jīng)停航線(拆分為兩條)合并，同時(shí)保證經(jīng)停機(jī)場(chǎng)也符合距離約束；為確保數(shù)據(jù)完整，周內(nèi)因奇偶飛行計(jì)劃和取消航班導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失用本周內(nèi)和月內(nèi)同義數(shù)據(jù)補(bǔ)充；刪除共享航班。最終獲得京—成空中廊道37條航線，共計(jì)306架次航班。同一航線往返航班數(shù)量不同緣于經(jīng)停航班的經(jīng)停機(jī)場(chǎng)不同。

1.2 研究方法

本文開發(fā)的網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D方法具體步驟如下：1)航跡轉(zhuǎn)化：根據(jù)航班抵達(dá)、離開機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)計(jì)算大圓飛行軌跡距離，經(jīng)平均飛行速度、垂直進(jìn)入和退出的設(shè)定計(jì)算航班進(jìn)入和退出的時(shí)間，根據(jù)空中廊道原點(diǎn)設(shè)定計(jì)算航班進(jìn)入和退出位置距原點(diǎn)的距離，進(jìn)而將時(shí)空數(shù)據(jù)表示為“斜率為速度直線”的飛行軌跡。2)網(wǎng)格矩陣設(shè)置：根據(jù)安全距離設(shè)定漁網(wǎng)網(wǎng)格時(shí)空步長(zhǎng)(2 min/10 n mile)，得到網(wǎng)格矩陣并與軌跡疊加，經(jīng)網(wǎng)格標(biāo)識(shí)、同項(xiàng)刪除和軌跡統(tǒng)計(jì)得到網(wǎng)格頻數(shù)(網(wǎng)格內(nèi)的軌跡累計(jì)量)，作為航跡時(shí)空索引、動(dòng)態(tài)流量峰值和擁堵識(shí)別的重要指標(biāo)。3)時(shí)空?qǐng)D編繪：根據(jù)網(wǎng)格頻數(shù)分色可視化(暖色表示高值、冷色表示低值)編繪時(shí)空?qǐng)D。4)聚合分化點(diǎn)篩選：在網(wǎng)格頻數(shù)基礎(chǔ)上擴(kuò)展網(wǎng)格編碼、航跡編碼、航班編碼和航線編碼的網(wǎng)格屬性，根據(jù)高頻數(shù)網(wǎng)格索引網(wǎng)格屬性，篩選確定聚合分化點(diǎn)[6]。以航班CA4120為例生成網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D雛形(圖1)，以前述京—成空中廊道306架次航班的航跡時(shí)空數(shù)據(jù)為對(duì)象，經(jīng)上述步驟最終構(gòu)建網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D(圖2)。

圖1 網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D雛形Fig.1 Sketch of spatio-temporal grid map

圖2 網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D生成步驟Fig.2 Generation process of spatio-temporal grid map

該方法通過(guò)網(wǎng)格標(biāo)記航跡在時(shí)空維度下實(shí)現(xiàn)了航班時(shí)刻資源和航空流網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。具體而言，通過(guò)將航跡轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格占用(即線要素到體積要素)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量、密度和利用率的綜合表達(dá)；尤其是通過(guò)網(wǎng)格頻數(shù)表征航空流時(shí)空波動(dòng)及軌跡沖突，透視了航跡匯聚，支持途中航空流的特征識(shí)別和結(jié)構(gòu)檢測(cè)，考察了其與空域資源動(dòng)態(tài)配置的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于航跡簇的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型

應(yīng)用整流距離及尺度閾值檢測(cè)模式，設(shè)定航跡以垂直角度進(jìn)入和退出空中廊道，又設(shè)定以航班量?jī)?yōu)先級(jí)選取航跡簇初始聚類的基線，參照文獻(xiàn)[30]，以5%額外飛行距離約束鄰近性聚類生成航跡簇，其中前述基線航線內(nèi)的航跡為中心航跡，參與航線內(nèi)的航跡為外圍航跡。為查證空中廊道ATFN構(gòu)型的完整性是否受閾值增大的影響，檢測(cè)閾值由5%增至6%～9%，實(shí)現(xiàn)圍繞中心航跡的外圍航跡增量控制，分別繪制航跡簇(圖3)用于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型。

由圖3可知，京—成空中廊道內(nèi)航空流分布與鄰近空域具有顯著的空間相關(guān)性，圍繞中心航跡形成平行或近似平行、長(zhǎng)度不一的鄰近流，隨閾值增大外圍航跡不斷迭代，數(shù)量逐漸增多，且與中心航跡的交叉角度也逐漸增大，但ATFN構(gòu)型穩(wěn)定，據(jù)此可將其空中廊道ATFN的典型構(gòu)型概括為同側(cè)平行、異側(cè)交叉、全覆蓋和半覆蓋(一端覆蓋)4種。以外圍航跡額外飛行距離衡量，4種構(gòu)型中全覆蓋流鄰近性最高、額外飛行距離最短；平行流、交叉流和半覆蓋流的額外飛行距離均與長(zhǎng)度和角度有關(guān)；對(duì)并行結(jié)構(gòu)寬度的迭代將實(shí)現(xiàn)同一閾值范圍內(nèi)更多的鄰近流匯入，凸顯對(duì)兩側(cè)平行流的吸納。進(jìn)一步計(jì)算航線數(shù)量和航班量的占比，平行流為19%/7%、交叉流為16%/8%、全覆蓋流為5%/24%、半覆蓋流為59%/61%，可見在集中度上存在差異。另外，在時(shí)空特征上，平行流和交叉流的高航線數(shù)量/低航班量占比表征航跡簇分布的空間復(fù)雜性較高/時(shí)間復(fù)雜性較低；全覆蓋流則與其相反；半覆蓋流雙高占比表征基線航線連接的端點(diǎn)機(jī)場(chǎng)(PEK和CTU)對(duì)航跡簇時(shí)空特征的決定性作用。以5%～9%檢測(cè)ATFN構(gòu)型是流量時(shí)空波動(dòng)與航空流聚合分化研究的基礎(chǔ)，能揭示其對(duì)航空流運(yùn)行和空域結(jié)構(gòu)完善的潛在影響。上述航跡簇構(gòu)型及其特征檢測(cè)結(jié)果將支持并行擴(kuò)容空域資源動(dòng)態(tài)配置方案的制定。

圖3 5種閾值約束下的航跡簇Fig.3 Track clusters with five thresholds

2.2 流量時(shí)空波動(dòng)

在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型識(shí)別的基礎(chǔ)上，為揭示空中廊道航空流的流變特征，需檢測(cè)流量時(shí)空波動(dòng)。本文按網(wǎng)格頻數(shù)分別統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)和區(qū)段內(nèi)的航跡，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：1)在時(shí)間維度上，航空流流量呈現(xiàn)以高頻數(shù)網(wǎng)格點(diǎn)狀或短線狀集中指示的多峰差異分布。兩大主峰(總頻數(shù)峰值119和112)顯著集中在上午(9:02-9:50)和晚間(21:24-22:20)，二者峰值組成存在內(nèi)涵差異：前者為低頻數(shù)網(wǎng)格的大量疊加(高頻數(shù)6和7缺失)，后者為高頻數(shù)網(wǎng)格的典型集聚(超一半的頻數(shù)6和全部的頻數(shù)7)，可見晚高峰資源更緊張，具體時(shí)刻的差異顯示了資源余量情況和錯(cuò)峰調(diào)整的可能性。2)在空間維度上，流量峰值呈現(xiàn)以高頻數(shù)網(wǎng)格點(diǎn)狀或短線狀集中指示的對(duì)稱分布(以距離中值區(qū)為近似對(duì)稱軸)?？傤l數(shù)峰值451約集中在石家莊正定國(guó)際機(jī)場(chǎng)(SJW)至太原武宿國(guó)際機(jī)場(chǎng)(TYN)間,可見樞紐機(jī)場(chǎng)及其周圍空域內(nèi)參與機(jī)場(chǎng)的空間分布決定了空間維度上的流量分布，其航空流流量高于其他非空中廊道區(qū)域。3)在時(shí)空交互維度上，流量峰值呈現(xiàn)以最高頻數(shù)網(wǎng)格(熱格)指示的重合/漂移分布。上午和晚間兩個(gè)高峰時(shí)段均在不同區(qū)段上高度重合，且隨時(shí)間變化流量峰值在區(qū)段間出現(xiàn)漂移,可見加入時(shí)間因素的ATFN其航空流空間分布動(dòng)態(tài)性加強(qiáng)并由此可能帶來(lái)?yè)矶碌臄U(kuò)散。上述流量時(shí)空波動(dòng)特征將支持時(shí)間錯(cuò)峰空域資源動(dòng)態(tài)配置方案的制定。

圖4 流量時(shí)空波動(dòng)Fig.4 Spatio-temporal fluctuation of air traffic flow

2.3 航空流聚合分化

航空流聚合分化可通過(guò)網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D中聚合分化點(diǎn)的網(wǎng)格占用及頻數(shù)指示。按照網(wǎng)格屬性篩選出聚合分化點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)京—成空中廊道聚合分化點(diǎn)時(shí)空分布及數(shù)量(圖5)。由圖5可知：1)時(shí)間分布呈現(xiàn)階梯遞減規(guī)律，階值越高聚合分化點(diǎn)數(shù)量越少，最高階點(diǎn)6出現(xiàn)在晚間，這與前述流量時(shí)間波動(dòng)特征相吻合，其形成原因極有可能是不同機(jī)場(chǎng)航班時(shí)刻資源同質(zhì)化利用。2)空間分布呈現(xiàn)高集聚性，高值64、200、78和130大約分別集中在197 n mile的哈爾濱太平國(guó)際機(jī)場(chǎng)(HRB)、737 n mile的北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)(PEK)、1 246 n mile的西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)(XIY)和1 584 n mile的成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)(CTU)，這些機(jī)場(chǎng)一天內(nèi)均有聚合分化點(diǎn)分布，表明極小的空間容納了大量航班，與前述流量空間波動(dòng)特征相吻合，這是由樞紐機(jī)場(chǎng)差異分布和高流量航線集聚形成的。3)時(shí)空交互上呈現(xiàn)時(shí)間高階與空間高值的疊合效應(yīng)，最高階點(diǎn)6由多個(gè)高值集聚點(diǎn)疊合而成，出現(xiàn)在20:00，這較前述流量時(shí)空波動(dòng)中熱格頻數(shù)7的數(shù)值低且數(shù)量少，可見空中廊道ATFN內(nèi)航跡簇聚合分化的瞬時(shí)流量高于由參與機(jī)場(chǎng)組成航線的瞬時(shí)流量之和，動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性更強(qiáng)，這也與前述流量時(shí)空交互波動(dòng)特征相吻合?？罩欣鹊篮娇樟骶酆戏只軙r(shí)(空)間相關(guān)性的影響，并共同作用于動(dòng)態(tài)空域容量釋放和增大。聚合分化點(diǎn)的上述特征將支持分化分流空域資源動(dòng)態(tài)配置方案的制定。

圖5 聚合分化點(diǎn)時(shí)空分布及數(shù)量Fig.5 Spatio-temporal distribution and number of aggregation differentiation points

3 空域資源動(dòng)態(tài)配置

3.1 并行擴(kuò)容

Ye等[31]運(yùn)用仿真方法在折中空域安全和容量基礎(chǔ)上提出了空中廊道的二維擴(kuò)容策略；Dobruszkes等[32]基于飛行路徑排列確定了軌跡最優(yōu)抵達(dá)、離開輪廓，以降低相關(guān)地理位置間的干擾。本文據(jù)此構(gòu)建高流量航跡簇在空中廊道ATFN內(nèi)匯聚的并行擴(kuò)容結(jié)構(gòu)，對(duì)不同構(gòu)型下的航空流進(jìn)行空間路徑組合排列和優(yōu)化調(diào)整，以滿足參與機(jī)場(chǎng)和航線的需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體擴(kuò)容。

選取京—成空中廊道ATFN中值區(qū)前半段(750～1 230 n mile)，對(duì)比上午高峰和晚高峰內(nèi)熱格及分布，設(shè)定以滿足晚高峰熱格內(nèi)的流量為基準(zhǔn)，確定擴(kuò)容的并行數(shù)量為7，獲得3種擴(kuò)容的并行結(jié)構(gòu)(圖6)：1)堆疊結(jié)構(gòu)：具有相對(duì)低交叉，但連續(xù)占據(jù)7個(gè)高度層可能導(dǎo)致非空中廊道用戶通行的高成本和高延誤；2)并排結(jié)構(gòu)：基于高海拔空域資源釋放和流量低交叉，忽略了該高度不可能適合所有航班，易造成水平空間的大量占用；3)混合結(jié)構(gòu)：是以上兩種模式的垂直與水平折中，在較少交叉基礎(chǔ)上為空中廊道參與航線和參與機(jī)場(chǎng)提供靈活的高度層選擇且充分考慮對(duì)剩余流量的影響。鑒于京—成空中廊道與其他廊道及附近非廊道空域交互緊密，因此無(wú)論在垂直或水平維度上連續(xù)7個(gè)堆疊或并排結(jié)構(gòu)都會(huì)明顯干擾周圍空域，故混合結(jié)構(gòu)作為一種并行擴(kuò)容結(jié)構(gòu)最為合理，可確保通行能力滿足日內(nèi)最大流量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最少并行數(shù)量上的空域資源最大化利用。ATFN的4種典型構(gòu)型在空中廊道內(nèi)的組織方式存在差異，以混合結(jié)構(gòu)為例：平行流以最鄰近的并行結(jié)構(gòu)組織，交叉流以最少穿越的并行結(jié)構(gòu)組織，全覆蓋流以優(yōu)先覆蓋的并行結(jié)構(gòu)組織，半覆蓋流以非覆蓋側(cè)的并行結(jié)構(gòu)組織。

圖6 京—成空中廊道并行擴(kuò)容舉例Fig.6 Parallel expansion example of Beijing-Chengdu corridor-in-the-sky

3.2 時(shí)間錯(cuò)峰

高偉等[33]設(shè)計(jì)個(gè)體移動(dòng)軌跡—滑動(dòng)窗口方法，以識(shí)別航空流異常變化并解釋空中廊道擁堵的成因；Nosedal等[34]設(shè)計(jì)起飛時(shí)間“微調(diào)”(即[0,15]min的時(shí)間偏移)來(lái)消除兩個(gè)交互軌跡間潛在的時(shí)空并發(fā)事件，以保留預(yù)先分配的時(shí)隙。借鑒其時(shí)間窗口和微調(diào)閾值的設(shè)定，結(jié)合民航監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)于延誤臨界值的定義[35]，構(gòu)建基于網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D的滑動(dòng)時(shí)間窗口，用于空中廊道ATFN內(nèi)航跡的時(shí)間錯(cuò)峰操作。設(shè)起飛時(shí)間更改T=T±n(n=1,2,3,…,15)，根據(jù)網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D中航跡替代實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)格頻數(shù)削減選取最優(yōu)方案，調(diào)整航跡重疊時(shí)間，降低繁忙空域航空流密度。

選取京—成空中廊道ATFN典型航跡熱區(qū)，范圍為動(dòng)態(tài)流量晚高峰時(shí)段(21:24-22:20)和中值區(qū)前半段內(nèi)最具代表區(qū)段(930～1 230 n mile)疊加的時(shí)空區(qū)域，過(guò)濾1～4低頻數(shù)網(wǎng)格，對(duì)5、6、7高頻數(shù)網(wǎng)格時(shí)間窗口內(nèi)的每個(gè)航跡進(jìn)行標(biāo)識(shí)，用以檢測(cè)鄰近航跡及交叉點(diǎn)。以航班MU9650和3U8890為例更新航跡，設(shè)定T=T±5為首次滑動(dòng)，構(gòu)建微時(shí)刻調(diào)整后的網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D(圖7)，可見調(diào)整前的3個(gè)熱格頻數(shù)7分別降為6、6、5，3個(gè)熱格頻數(shù)6有2個(gè)降為5，頻數(shù)5的網(wǎng)格位置出現(xiàn)漂移但總量下降且頻數(shù)未增加?？梢娀诰W(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D構(gòu)建的滑動(dòng)時(shí)間窗口微時(shí)刻調(diào)整可較好用于時(shí)間錯(cuò)峰，可調(diào)配流量需求和釋放可用容量，為計(jì)劃新增航跡避免穿越熱點(diǎn)空域提供路徑支持，更好地服務(wù)于機(jī)場(chǎng)時(shí)刻加密及沿線參與機(jī)場(chǎng)資源調(diào)配。

圖7 京—成空中廊道時(shí)間錯(cuò)峰舉例Fig.7 Time peak shifting example of Beijing-Chengdu corridor-in-the-sky

3.3 分化分流

Yousefi等[18]基于日內(nèi)流量統(tǒng)計(jì)設(shè)定紐約至芝加哥空中廊道的動(dòng)態(tài)開合以快速分化流量，證實(shí)其開合的區(qū)段范圍受航跡聚合變化而存在伸縮;董雅晴等[6]構(gòu)建時(shí)空?qǐng)D并實(shí)現(xiàn)流量峰值特征挖掘和擁堵時(shí)段/區(qū)段識(shí)別，顯示空中廊道動(dòng)態(tài)流量操作的可能性?；谏鲜鲅芯浚疚母鶕?jù)網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D中網(wǎng)格隨時(shí)間被占用的頻數(shù)，對(duì)比各區(qū)內(nèi)航跡的網(wǎng)格代表性，設(shè)定航空流流量分區(qū)以指導(dǎo)空中廊道ATFN動(dòng)態(tài)分化分流。根據(jù)京—成空中廊道ATFN的日內(nèi)航跡網(wǎng)格占用，以航跡進(jìn)入和退出為標(biāo)志設(shè)定空中廊道開合，最終劃定動(dòng)態(tài)流量分區(qū)(圖8)：時(shí)間點(diǎn)A和B之間的R1區(qū)屬于時(shí)段內(nèi)的斷流區(qū)；時(shí)間點(diǎn)A前的W區(qū)航跡網(wǎng)格占用多為過(guò)夜抵港的累積航空流；時(shí)間點(diǎn)B后的Q/S/T區(qū)航跡網(wǎng)格占用隨早高峰流量激增，其中Q區(qū)最繁忙；時(shí)間點(diǎn)C后的R2和R3區(qū)有流量加入，至此空中廊道區(qū)段和時(shí)段內(nèi)的流量最多。以最繁忙的Q區(qū)為例，其時(shí)間連續(xù)性最強(qiáng)，僅在斷流區(qū)被截?cái)啵泻骄€/航路容量無(wú)法滿足流量的通行需求，因此在該區(qū)段范圍內(nèi)的分化分流設(shè)定最具代表性和迫切性，其為分化分流設(shè)定的最初開啟和最終關(guān)閉位置。

圖8 京—成空中廊道分化分流舉例Fig.8 Dynamic flow diversion example of Beijing-Chengdu corridor-in-the-sky

4 結(jié)論與討論

基于整流距離及尺度閾值檢測(cè)航跡簇，京—成空中廊道ATFN呈現(xiàn)為平行流、交叉流、全覆蓋流和半覆蓋流4種典型構(gòu)型，顯現(xiàn)出其占比和特征的差異性；基于網(wǎng)格頻數(shù)檢測(cè)流量時(shí)空波動(dòng)，京—成空中廊道ATFN呈現(xiàn)為高頻數(shù)點(diǎn)狀或短線狀集中分布，存在兩個(gè)內(nèi)涵差異明顯的時(shí)間高峰、以距離中值區(qū)為近似對(duì)稱軸的空間高峰以及在區(qū)段間漂移的時(shí)空交互高峰；以網(wǎng)格屬性檢測(cè)聚合分化點(diǎn)，京—成空中廊道ATFN呈現(xiàn)時(shí)間上階梯遞減、空間上高值集聚和時(shí)空交互上時(shí)間高階與空間高值疊合特征。以上三方面構(gòu)成空中廊道ATFN解構(gòu)的3個(gè)重要視角，其若干時(shí)空特征是由空中廊道劃設(shè)機(jī)理和中國(guó)繁忙空中廊道“N”形框架所決定的，也是由航空流時(shí)間擴(kuò)散所形成的。在此基礎(chǔ)上提出如下調(diào)整方案：基于垂直與水平折中的并行擴(kuò)容調(diào)整方案、基于滑動(dòng)時(shí)間窗口微時(shí)刻調(diào)整的時(shí)間錯(cuò)峰調(diào)整方案和基于分區(qū)設(shè)定的動(dòng)態(tài)快速分化分流調(diào)整方案，上述方案可作為空域結(jié)構(gòu)完善及空域系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考，這是空域資源動(dòng)態(tài)配置的積極探索。

本文基于航跡數(shù)據(jù)構(gòu)建的網(wǎng)格時(shí)空?qǐng)D方法具有挖掘網(wǎng)格屬性的優(yōu)勢(shì)，能解決時(shí)空多維數(shù)據(jù)統(tǒng)一運(yùn)算及時(shí)空維度一致性表達(dá)等問(wèn)題，有助于揭示空中廊道ATFN空間布局、交互模式及潛在過(guò)程，推動(dòng)從航空網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)描述向途中航空流ATFN結(jié)構(gòu)檢測(cè)的轉(zhuǎn)變以及地理學(xué)由格局研究向過(guò)程揭示發(fā)展，具有廣闊應(yīng)用前景。展望未來(lái)，ATFN結(jié)構(gòu)解析還應(yīng)將地面數(shù)據(jù)(機(jī)場(chǎng)及航空地理市場(chǎng))與特定空域數(shù)據(jù)(大氣狀態(tài)及空中交通管制)相結(jié)合，以多種數(shù)據(jù)綜合探究其作用機(jī)制；另外，在航班量?jī)?yōu)先級(jí)篩選和航班時(shí)刻調(diào)整研究中還應(yīng)將空中廊道用戶與非廊道用戶、空中廊道內(nèi)中心航跡與外圍航跡相結(jié)合，探究航空流組織和分化將以何種方式以及多大程度融入ATFN，這對(duì)空域資源動(dòng)態(tài)配置有更直接的指導(dǎo)作用；最后，在空中廊道獨(dú)立空域單元研究基礎(chǔ)上，還應(yīng)與中國(guó)空中大通道實(shí)踐相結(jié)合，為航空流組織優(yōu)化、空域資源動(dòng)態(tài)配置等提供技術(shù)支持。