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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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

隨著全球航空運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)、快速和蓬勃發(fā)展，民用機(jī)場在數(shù)量、規(guī)模和密度方面增速明顯。機(jī)場作為航空運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、空中交通起降場所和臨空經(jīng)濟(jì)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(jì)社會發(fā)展中的地位和作用愈發(fā)重要。機(jī)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(qiáng)飛行性能的有效手段，已成為航空運(yùn)輸管理的重要組成部分和重點(diǎn)發(fā)展方向。在整個機(jī)場系統(tǒng)內(nèi)，飛行區(qū)是進(jìn)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(rèn)為機(jī)場資源調(diào)度體系的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。

機(jī)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(diǎn)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(jī)場運(yùn)行管理領(lǐng)域的理論研究和應(yīng)用實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)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(yùn)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(jìn)行界定，分析飛行區(qū)的一般運(yùn)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(jī)場》中，并未直接對“飛行區(qū)”進(jìn)行定義，而介紹了機(jī)動區(qū)(Maneuvering Area)和活動區(qū)(Movement Area)的概念[3]。其中，機(jī)動區(qū)是指除停機(jī)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(jī)動區(qū)和停機(jī)坪兩部分。

1.1.2 理論研究視角

在航空運(yùn)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(jī)場劃分為飛行區(qū)，航站區(qū)，進(jìn)出機(jī)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(jī)坪[4-6]；航站區(qū)和進(jìn)出機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)《民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：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(jī)坪以及機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)輸部民用航空術(shù)語體系(Civil Aviation Terminology System，簡稱CATS)，機(jī)場活動區(qū)定義則與國際民航組織完全一致，包括機(jī)動區(qū)和停機(jī)坪兩部分[12]。

可以看出，跑道、滑行道和停機(jī)坪作為機(jī)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(jī)位資源，研究機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度問題。

1.2 一般運(yùn)行過程

機(jī)場飛行區(qū)進(jìn)離場活動的一般運(yùn)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(jī)場區(qū)域之間的銜接關(guān)系如圖1所示。

圖1 機(jī)場飛行區(qū)進(jìn)離場活動

飛行區(qū)進(jìn)離場活動的一般過程如下：①進(jìn)場活動：進(jìn)場航空器在跑道著陸并經(jīng)快速脫離道離開跑道后，在機(jī)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(yùn)行沖突調(diào)配策略，經(jīng)由滑行道系統(tǒng)完成進(jìn)場滑行過程，最終到達(dá)停機(jī)坪區(qū)域和指定的停機(jī)位；②離場活動：離場航空器在放行許可發(fā)布席、機(jī)場管制席、地面管制席、流量管理席等席位的指揮下，由停機(jī)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(yùn)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(dá)跑道完成滑跑和起飛活動?？紤]機(jī)場物理布局、管制策略及運(yùn)行狀況等因素，飛行區(qū)的進(jìn)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(yùn)輸具有運(yùn)行高速、自主性弱、不能隨停、多方?jīng)Q策等特點(diǎn)，特別是在運(yùn)行環(huán)境、活動載體和管理機(jī)制等方面，與鐵路、公路、水路、管道等其他運(yùn)輸方式存在明顯差異。機(jī)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(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度的耦合作用關(guān)系

機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度涉及人、機(jī)、環(huán)、管等多元因素，其解決難度隨著空域、交通、機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度旨在對跑道、滑行道和停機(jī)位等資源進(jìn)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(jī)場，空中交通需求已接近、達(dá)到甚至超過機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)供需平衡(Demand Capacity Balancing，簡稱DCB)，如圖3所示。機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度的最終目標(biāo)是挖掘資源效益，優(yōu)化飛行流量，緩解擁堵延誤，增強(qiáng)飛行性能，推動機(jī)場資源規(guī)劃、管理和使用方式由粗放式向精細(xì)化轉(zhuǎn)變。

圖3 機(jī)場飛行區(qū)資源供需平衡示意

在對機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度問題建模時(shí)，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(jī)位和航空器分別比作生產(chǎn)調(diào)度領(lǐng)域的“機(jī)器”和“工件”，則飛行區(qū)資源調(diào)度是加工時(shí)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(xiàng)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(shí)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(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)機(jī)場運(yùn)行管理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用情況，本文在探討機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度問題時(shí)，不僅聚焦狹義層面上的資源“運(yùn)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(jī)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(jī)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(jìn)行了分析。

2.1 基本框架

針對機(jī)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(jī)制三大要素，如圖4所示。

圖4 機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度基本框架

在機(jī)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(shí)現(xiàn)，包括原型系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)兩部分；管理機(jī)制為制度保障，與理論方法和系統(tǒng)工具間相輔相成。在機(jī)場資源調(diào)度過程中，空管、機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度內(nèi)涵、解決思路和實(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)場資源使用的最大效率；資源使用評估用于驗(yàn)證輸出，通過建立飛行區(qū)資源性能指標(biāo)體系及評估方法，對機(jī)場資源調(diào)度方案的實(shí)施效果進(jìn)行評價(jià)。

(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(shí)現(xiàn)供需平衡，前提是對“供給”和“需求”進(jìn)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(jī)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(shí)，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(jìn)行表征[22-24]，可通過數(shù)學(xué)模型、仿真評估、統(tǒng)計(jì)分析等方式量化，包括靜態(tài)容量、動態(tài)容量、運(yùn)行容量三類，如圖6所示。隨著時(shí)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(yùn)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(jìn)行表征，在不計(jì)算容量值的情況下對資源進(jìn)行調(diào)度[16,25-28]，原因在于：容量值作為模型參數(shù)進(jìn)行輸入時(shí)，其數(shù)值設(shè)置的客觀性和準(zhǔn)確性會對資源調(diào)度效果產(chǎn)生影響。事實(shí)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(shí)間內(nèi)以最小時(shí)間間隔運(yùn)行時(shí)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(jī)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(shí)刻表，飛行計(jì)劃中的航班進(jìn)離場時(shí)間，以及標(biāo)準(zhǔn)的航空器滑入、滑出時(shí)間，采用計(jì)劃信息作為模型的輸入條件對資源需求進(jìn)行預(yù)測，并實(shí)施資源調(diào)度[27-31]。二是結(jié)合航班時(shí)刻表、飛行計(jì)劃以及各種動態(tài)和隨機(jī)因素，考慮需求的不確定性問題，對需求進(jìn)行預(yù)測分析，進(jìn)而實(shí)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(jìn)行闡述，研究框架如圖7所示。

圖7 機(jī)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(yùn)行模式配置。其中，跑道起降調(diào)度主要從時(shí)間視角(跑道時(shí)隙、起降時(shí)間)和空間視角(航班序列、跑道分配)對跑道資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，從微觀運(yùn)行控制層面確保起降活動的安全、有序和高效運(yùn)行[1,16,21,25-29,36]。跑道運(yùn)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(jìn)行優(yōu)化管理，從宏觀供需管理層面實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)間視角(滑行時(shí)刻規(guī)劃)和空間視角(滑行路徑規(guī)劃)對滑行道資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，從微觀運(yùn)行控制層面確保航空器滑行活動的安全、有序和高效運(yùn)行[9,14,18,22,40-43]?；袘B(tài)勢感知主要對當(dāng)前及未來的場面滑行態(tài)勢進(jìn)行評估預(yù)測，并對場面滑行的復(fù)雜度進(jìn)行分析，從宏觀態(tài)勢感知層面準(zhǔn)確把握滑行活動的總體運(yùn)行狀況[44-49]。

在停機(jī)位資源調(diào)度方面，個量調(diào)度側(cè)重停機(jī)位分配，總量調(diào)度側(cè)重推出率控制。其中，停機(jī)位分配聚焦進(jìn)場航空器，側(cè)重資源個量調(diào)度，對每架航空器的停機(jī)位使用需求進(jìn)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(shí)段內(nèi)的離場航空器數(shù)量進(jìn)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(jī)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(shí)空資源進(jìn)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(dá)國家和地區(qū)以及國際民航組織一直努力推進(jìn)航空運(yùn)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(dú)立、成體系的效能評估體系。借鑒航空運(yùn)輸系統(tǒng)效能評估理念，機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度的評估框架如圖8所示。

圖8 機(jī)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(jì)90年代初，由FAA與MITRE公司先進(jìn)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(biāo)包括靈活性、可預(yù)測性、可達(dá)性、延誤[67]。隨后，美國ASC逐步擴(kuò)大空中交通管理系統(tǒng)效能評估指標(biāo)的度量范圍，并改進(jìn)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(jìn)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(cái)務(wù)年度報(bào)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(biāo)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(bào)告》，所涉及的10類關(guān)鍵指標(biāo)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(dá)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(bào)告，對歐洲空管系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，并針對各國空管運(yùn)行存在的問題提出相應(yīng)的改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，從全球、地區(qū)和國家等不同層面制定基于不同目標(biāo)的效能評估標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)，著重規(guī)范空管安全政策和目標(biāo)、航空安全風(fēng)險(xiǎn)管理、安全保證、安全促進(jìn)措施等內(nèi)容[72]。另外，相關(guān)學(xué)者對機(jī)場效能管理體系的系統(tǒng)框架、指標(biāo)體系、評估方法和組織實(shí)施等內(nèi)容進(jìn)行研究[73]。

針對美國和歐洲地區(qū)的空管運(yùn)行數(shù)據(jù)，F(xiàn)AA和EUROCONTROL對其空管效能進(jìn)行了綜合對比分析[74-75]?？梢钥闯?，在上述各個國家、地區(qū)以及國際組織所建立的航空運(yùn)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(biāo)已成為共同關(guān)注的焦點(diǎn)，也是飛行區(qū)資源使用評估中的關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)。

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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)場模擬器(Total Airspace and Airport Modeller,簡稱TAAM)，MITRE公司研制的機(jī)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(jī)場及空域資源的供給能力和空中交通活動進(jìn)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(jìn)近間隔工具(Final Approach Spacing Tool,簡稱FAST)，EUROCONTROL研制的進(jìn)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(jī)場根據(jù)AMAN和DMAN系統(tǒng)概念框架研制本地化進(jìn)離場管理系統(tǒng)，例如英國倫敦希思羅機(jī)場的OSYRIS，法國巴黎戴高樂機(jī)場和比利時(shí)布魯塞爾機(jī)場的MAESTRO，德國法蘭克福機(jī)場和慕尼黑機(jī)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(shí)雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)，飛行計(jì)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(yùn)行概念的驗(yàn)證[84]。EUROCONTROL自20世紀(jì)90年代開始研制機(jī)場協(xié)同決策(Airport Collaborative Decision Ma-king,簡稱A-CDM)機(jī)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(shí)踐，目前已廣泛應(yīng)用于歐洲地區(qū)的諸多大型機(jī)場[85]。國際民航組織于2004年發(fā)布Doc9830文件《先進(jìn)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(yùn)行需求、性能要求、實(shí)施指南和具體事宜等進(jìn)行詳細(xì)描述，并提出其具體分類、布局實(shí)施、設(shè)備更新等方案。另外，比利時(shí)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(jī)場研制的機(jī)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(jī)坪管控系統(tǒng)(Taxi and Ramp Management and Control System,簡稱TARMAC)等，均可為機(jī)場滑行道資源調(diào)度以及機(jī)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(jī)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(jī)制、進(jìn)離場協(xié)同管理機(jī)制和多階段協(xié)同管理機(jī)制進(jìn)行闡述。

(1) 多主體協(xié)同管理機(jī)制

歐洲自20世紀(jì)90年代開始研究A-CDM機(jī)制，用于支撐空中交通管理部門、機(jī)場運(yùn)行指揮部門和航空公司運(yùn)行控制部門等多利益主體更好地實(shí)施各自的業(yè)務(wù)活動，并輔助各航空運(yùn)輸部門進(jìn)行高效決策[16,19-21,23,85,88-89]。為更好指導(dǎo)歐洲機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)建設(shè)，EUROCONTROL和國際航空運(yùn)輸協(xié)會(International Air Transportation Association,簡稱IATA)于2006年聯(lián)合發(fā)布了《機(jī)場協(xié)同決策實(shí)施手冊》，目前已進(jìn)行多次修訂[90]。該實(shí)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(yùn)行理念延伸至以機(jī)場運(yùn)行為核心的機(jī)場協(xié)同運(yùn)行，可大大增強(qiáng)空管、機(jī)場、航空公司等航空運(yùn)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(yùn)行效率、機(jī)場運(yùn)行性能和服務(wù)品質(zhì)。

機(jī)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(shí)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(jī)制經(jīng)過近20年摸索建設(shè)與應(yīng)用實(shí)踐，已在機(jī)場資源調(diào)度機(jī)制優(yōu)化和系統(tǒng)建設(shè)方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，目前已有30余個歐洲大型機(jī)場建設(shè)成A-CDM運(yùn)行機(jī)場。其優(yōu)勢主要在于：改善航空器預(yù)測能力，提升機(jī)場運(yùn)行性能，節(jié)約航空運(yùn)輸成本，優(yōu)化機(jī)場資源利用，減少空中交通流量和容量管理席位的工作負(fù)荷，減少機(jī)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(yùn)輸協(xié)會的認(rèn)可，并在中美等國推廣應(yīng)用。

(2) 進(jìn)離場協(xié)同管理機(jī)制

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

圖9 機(jī)場協(xié)同決策里程碑方法

圖10 高密度進(jìn)離場管理運(yùn)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(jìn)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(fù)責(zé)設(shè)置所有定位點(diǎn)的容量，終端雷達(dá)管制中心(Terminal Radar Approach Control Facilities,簡稱TRACON)負(fù)責(zé)為機(jī)場分配容量時(shí)隙，滿足航路交通管制中心的容量限制和空域需求，機(jī)場交通管制塔臺(Airport Traffic Control Towers,簡稱ATCT)負(fù)責(zé)為每個時(shí)隙分配滿足運(yùn)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(jìn)場航班，采取類似于離場航班的方法進(jìn)行管理，即每個機(jī)場交通管制塔臺負(fù)責(zé)設(shè)置機(jī)場容量，終端雷達(dá)管制中心負(fù)責(zé)為每條進(jìn)場航路分配進(jìn)場時(shí)隙，航路交通管制中心負(fù)責(zé)為航班分配可用進(jìn)場航路。

(3) 多階段協(xié)同管理機(jī)制

除了航空運(yùn)輸生產(chǎn)主體之間的協(xié)同管理機(jī)制之外，對于機(jī)場不同運(yùn)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(jī)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(dú)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(jī)場具體數(shù)據(jù)(虛線)或是早期規(guī)劃周期(實(shí)線)中實(shí)施的供需平衡。

在平衡機(jī)場資源供需時(shí)，考慮的主要因素包括空域運(yùn)行要求、交通需求、可用容量計(jì)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(biāo)性能水平的探測，跑道負(fù)載計(jì)劃的確定和修正，滑行道負(fù)載計(jì)劃的確定和修正，停機(jī)位負(fù)載計(jì)劃的確定和修正，除冰資源負(fù)載計(jì)劃的確定和修正等。

圖11 機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)行性能對理論方法的改進(jìn)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(shí)現(xiàn)，也是管理機(jī)制實(shí)施的“硬環(huán)境”；管理機(jī)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(jī)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(jià)手段。

3 結(jié)束語

為切實(shí)解決機(jī)場飛行區(qū)資源調(diào)度問題，需加強(qiáng)多階段、多視角、多目標(biāo)、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(jìn)場與離場、民航與軍航、時(shí)間與空間、靜態(tài)與動態(tài)、常態(tài)與應(yīng)急等；多目標(biāo)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(jī)位等資源的集成考慮，以及規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、性能評估的集成考慮。

從國外航空運(yùn)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(shí)際運(yùn)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(jì)、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(yùn)行與推廣等一系列過程。

機(jī)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(diǎn)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(diǎn)與挑戰(zhàn)等問題進(jìn)行深入的研究與分析。