葉博嘉 薛奧林 田 勇 萬(wàn)莉莉 董云龍

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院1) 南京 211106) (中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局2) 上海 200335)

0 引 言

隨著先進(jìn)的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)日臻成熟，全球空中交通管理(air traffic management，ATM)領(lǐng)域正醞釀著根本性的變革.先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)引領(lǐng)著空中航行系統(tǒng)由陸基通信、監(jiān)視和導(dǎo)航系統(tǒng)向星基通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)過(guò)渡，為ATM新概念的提出和完善提供了機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1].管型航路是一種面向未來(lái)空中航行系統(tǒng)的新型空域，是由多股平行、近距航道構(gòu)成的一種高空、高速“管道型”動(dòng)態(tài)航路，可容納高密度交通流，并具有占據(jù)空域少，柔性可變和動(dòng)態(tài)激活/關(guān)閉等新特征.航空器采用基于數(shù)據(jù)鏈的通信、基于性能的導(dǎo)航(performance based navigation，PBN)和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B)等先進(jìn)技術(shù)，在航路中實(shí)施基于航跡的運(yùn)行(trajectory-based operations，TBO)和自主間隔管理，可有效突破當(dāng)前最為棘手的管制員工作負(fù)荷瓶頸，并能降低空中交通復(fù)雜性，在保障航空運(yùn)行安全的同時(shí)提升空域容量利用率.在突發(fā)性擁堵產(chǎn)生時(shí)，管型航路還能靈活的調(diào)整其空間位置和結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)激活或關(guān)閉，具備快速緩解空域擁堵、減少航班延誤和避讓危險(xiǎn)區(qū)域的能力.

本文系統(tǒng)介紹了管型高密度柔性航路的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀；重點(diǎn)闡述了其運(yùn)行概念、物理結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式、網(wǎng)絡(luò)布局和效能評(píng)估方面的關(guān)鍵技術(shù)和研究進(jìn)展；歸納了管型航路下一步發(fā)展面臨的難題和挑戰(zhàn)，并提出了未來(lái)需重點(diǎn)拓展的研究方向.

1 管型航路運(yùn)行概念研究

21世紀(jì)初，歐洲航行安全組織發(fā)布的技術(shù)報(bào)告表明，空中交通運(yùn)行分布具有顯著的聚集特性，“自由飛行”概念并不適于提升未來(lái)空域運(yùn)行效能，全球新航行系統(tǒng)的研究焦點(diǎn)重新轉(zhuǎn)向了基于航路的空域規(guī)劃與管理.一種新穎的“管型航路”運(yùn)行概念被逐漸提出、建立和完善起來(lái)，并成為了歐美等航空發(fā)達(dá)國(guó)家下一代空中交通系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃的重要組成.管型航路的運(yùn)行概念融合了動(dòng)態(tài)超級(jí)扇區(qū)(dynamic airspace super sectors，DASS)、大容量管型扇區(qū)(high-volume tube-shape sectors，HTS)、空中高速路(freeways)、自主間隔走廊(self-separation corridors，SSC)和動(dòng)態(tài)多軌航路(dynamic multi-track airway，DMA)等多種新型空域的原型概念.

DASS原型概念由美國(guó)喬治梅森大學(xué)的Alipio等[2-3]提出，是一種能“洞穿”現(xiàn)有管制空域的細(xì)長(zhǎng)帶狀航路，見(jiàn)圖1，其運(yùn)行概念涉及空域結(jié)構(gòu)、運(yùn)行需求、系統(tǒng)組成和網(wǎng)絡(luò)布局等，主要內(nèi)容包括：DASS系統(tǒng)采用同向、單一高度層的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式，與傳統(tǒng)扇區(qū)相互隔離，僅允許獲批準(zhǔn)航空器進(jìn)入；航空器需具備基于性能的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視能力，實(shí)施自主間隔管理和沖突避讓?zhuān)缓铰肪W(wǎng)絡(luò)可根據(jù)天氣和交通流變化動(dòng)態(tài)調(diào)整，避讓惡劣天氣.DASS設(shè)計(jì)理念新穎，首次提出完全基于航路的空域設(shè)計(jì)和運(yùn)行方案，打破了傳統(tǒng)基于扇區(qū)劃分和管制員指揮的管理方式，為提出管型航路概念奠定了良好基礎(chǔ).

圖1 DASS結(jié)構(gòu)

HTS原型概念由美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)下屬CASTR實(shí)驗(yàn)室的Yousefi等[4]提出，以緩解繁忙城市對(duì)之間的空中擁堵為主要目標(biāo)，是一種可容納多股平行交通流的管道型空域，其運(yùn)行概念涉及物理結(jié)構(gòu)、航空器性能需求和網(wǎng)絡(luò)布局三方面，主要內(nèi)容包括：HTS系統(tǒng)采用類(lèi)似地面高速路的水平多股、平行結(jié)構(gòu)來(lái)提升空域容量，設(shè)計(jì)專(zhuān)屬的出/入匝道、超越道和脫離道，并與傳統(tǒng)扇區(qū)相隔離運(yùn)行；基于已有航路，構(gòu)建多組可同時(shí)服務(wù)一個(gè)或多個(gè)繁忙機(jī)場(chǎng)的HTS網(wǎng)絡(luò).HTS采用多股平行航路結(jié)構(gòu)提升空域運(yùn)行容量，初步設(shè)計(jì)了基于大型繁忙機(jī)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)提出管型航路大容量、高密度的重要特征提供了嶄新思路.

Freeways原型是一種細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方體空域，其運(yùn)行概念借鑒了HTS系統(tǒng)和“雙重空域”思想，包括物理結(jié)構(gòu)和空間布局兩方面.在多股平行航路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，劃設(shè)出多個(gè)可選的飛行高度層，每次激活一個(gè)使用；設(shè)計(jì)出一種新型航路交叉結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有空域的交互運(yùn)行；提出一種以距離環(huán)和交通流走向?yàn)橐罁?jù)的航路設(shè)計(jì)方法，以航路可服務(wù)的最大交通量為目標(biāo)構(gòu)建橫跨歐洲的新型空域系統(tǒng).Freeways系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)配置航路高度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面展開(kāi)了全新的探索，為理清新型空域與現(xiàn)有扇區(qū)交互關(guān)系和新型管理機(jī)制提供了重要參考.

SSC原型[5]是一種雙股近距平行管道型航路，其運(yùn)行概念以完善航空器自主間隔運(yùn)行管理為主要目標(biāo).SSC系統(tǒng)提出通過(guò)基于時(shí)間的管理方式實(shí)現(xiàn)空航空公司運(yùn)控中心、機(jī)組成員和管制員間的信息協(xié)調(diào)；采用尾隨間隔的方式實(shí)現(xiàn)航空器自主間隔管理，并在特殊情況發(fā)生時(shí)允許航空器自動(dòng)退出.SSC系統(tǒng)為梳理高密度交通流和完善自主間隔管理特征提供了技術(shù)支撐.

DMA原型旨在不增加管制員工作負(fù)荷的情況下，大幅提升空域系統(tǒng)容量，是一種動(dòng)態(tài)多層、多軌的新型航路.DMA改進(jìn)了各類(lèi)新型空域概念的核心內(nèi)容，提出的運(yùn)行概念包括：設(shè)計(jì)多層、多股、近距平行航路以容納高密度、大流量交通流；提出速度指定模式和速度獨(dú)立模式兩種航空器運(yùn)行模式；根據(jù)每日的運(yùn)行需要確定最優(yōu)的飛行航跡并避讓惡劣天氣.DMA系統(tǒng)融合了各種新型空域概念的成熟思想，并對(duì)各種特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，技術(shù)報(bào)告的發(fā)布標(biāo)志著管型航路原型概念的基本成熟.

為保障美國(guó)航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)未來(lái)2～3倍于當(dāng)前的交通增長(zhǎng)量，美國(guó)國(guó)會(huì)授權(quán)成立聯(lián)合規(guī)劃和發(fā)展辦公室(JPDO)，展開(kāi)了下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)的升級(jí)計(jì)劃，并正式提出建立管型航路系統(tǒng)：一種狹長(zhǎng)的可容納高密度交通流的輔助型航路，與傳統(tǒng)空域相隔離運(yùn)行，使用先進(jìn)的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視等新技術(shù)，僅允許獲批準(zhǔn)的航空器進(jìn)入，其主要特征如下： ①可容納多股(平行)高密度交通流；②航空器在航路中實(shí)施自主間隔管理；③可根據(jù)天氣靈活改變形狀和位置并根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)激活/關(guān)閉.

至此，管型航路的主要運(yùn)行概念框架已正式確定，后續(xù)研究開(kāi)始圍繞著管型航路的物理結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式、網(wǎng)絡(luò)布局和效能分析等方向不斷深入.

2 物理結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式研究

管型航路物理結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式研究旨在保障高密度交通流安全、有序高效的運(yùn)行.以航道層次架構(gòu)來(lái)區(qū)分，管型航路物理結(jié)構(gòu)的研究可分為基于單層次和多層次航道的研究.航空器在管型航路中的運(yùn)行模式研究則可劃分為速度指定模式和速度獨(dú)立模式.

2.1 基于單層次物理結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

管型航路早期設(shè)計(jì)與研究以單層次物理結(jié)構(gòu)為主，從水平方向拓展傳統(tǒng)航路，并設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式.文獻(xiàn)[2]提出了一種由1股主航道和2股輔道組成的靜態(tài)單層、單向結(jié)構(gòu)，總寬度為13 mile，高度為2 000 ft，見(jiàn)圖1.其中，航路中心為主航道，主航道兩側(cè)各1.5 mile為輔道.航空器通常在主航道運(yùn)行，當(dāng)后方航空器需超越前方航空器時(shí)，前方航空器需切入左側(cè)輔道，后方航空器切入右側(cè)輔道，并在超越完成后各自飛回主航道.航空器與外界空域保持5 mile的側(cè)向間隔和1 000 ft的垂直間隔，機(jī)動(dòng)超越時(shí)兩航空器間保持3 mile的橫向間隔.在此單層結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式下，航空器運(yùn)行效率提高，但航路容量絕對(duì)值的提升有限.

為進(jìn)一步拓展管型航路容量，圖2為一種動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的單層次、雙向運(yùn)行結(jié)構(gòu).該航路結(jié)構(gòu)的橫截面為矩形，包括多股可擴(kuò)展的航道，各股航道屬于等同關(guān)系.在內(nèi)側(cè)航道(例如：L1航道)的右側(cè)，航路可根據(jù)需要不斷拓展航道；在內(nèi)側(cè)航道左側(cè)，則部署反向運(yùn)行的管型航路，不同方向航路之間需保持20～30 n mile的橫向間隔，以保障單層雙向結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行.該航路的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜：進(jìn)口在航路運(yùn)行下方，由多股平行于航路的進(jìn)入道和單股垂直于進(jìn)入道的連接道組成；出口在管型航路上方，由多股平行于航路的脫離道和單股垂直于航路的匯聚道組成.此動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步擴(kuò)充航路容量，然而空中交通運(yùn)行復(fù)雜性也在明顯的增加.

在上述兩種具有代表性的單層次物理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]則改進(jìn)了單層、單向結(jié)構(gòu)，提出一種近距離平行航道構(gòu)建方式，即采用偏離原航路中心左右各1.5 n mile構(gòu)建兩股完全相同的航道，航空器在兩股航道中各自運(yùn)行，并自主保持安全間隔.Hoffman等[6]提出單層、單向四股航道平行結(jié)構(gòu)，并為航空器設(shè)計(jì)了基于指定速度的平行編隊(duì)飛行和梯形編隊(duì)飛行方式，可增強(qiáng)航空器在管型航路中的態(tài)勢(shì)感知能力.Wang等[7-8]對(duì)單層、雙向結(jié)構(gòu)匝口進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)航空器在航路中的跟馳現(xiàn)象進(jìn)行了研究和建模.Takeichi等[9-10]提出一種基于速度控制的分布式控制算法，改進(jìn)了航空器在近距離平行航道中的運(yùn)行細(xì)則.

總體來(lái)說(shuō)，在單層結(jié)構(gòu)中，管型航路容量利用率與傳統(tǒng)航路相比有了明顯提升，航道也具備動(dòng)態(tài)擴(kuò)展能力.然而，隨著航道數(shù)量增加和交通密度的持續(xù)增大時(shí)，同高度層中交通流的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)呈非線(xiàn)性快速增長(zhǎng).尤其是設(shè)計(jì)了逆向、交叉交通流的結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，潛在風(fēng)險(xiǎn)非常大.

圖2 Freeway結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 基于多層次物理結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

多層次物理結(jié)構(gòu)的研究是在對(duì)管型航路特征充分認(rèn)可的情況下展開(kāi)，旨在全面完善和發(fā)展這種新穎的空域概念.文獻(xiàn)[8]提出了一種多層、多股、雙向結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3.在同高度層設(shè)置多股平行航道的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)逆向航路與順向航路成對(duì)出現(xiàn)，但部署在相鄰的高度層以保障逆向運(yùn)行的安全.航路可用飛行高度層設(shè)在FL300～FL390，并可根據(jù)需要激活使用2,4個(gè)或更多高度層，見(jiàn)圖4.

圖3 動(dòng)態(tài)多軌航路結(jié)構(gòu)

圖4 DMA高度層設(shè)計(jì)方案

在運(yùn)行方面，該多層航路采用速度指定模式或速度獨(dú)立模式.速度指定模式是指各航道均有指定的速度，見(jiàn)圖5，航空器需根據(jù)其最佳巡航速度選擇速度相近的航道，并與前方航空器保持安全間隔等速飛行.各航道可以根據(jù)交通流混合比動(dòng)態(tài)分配指定速度，以提升航路容量利用率.速度獨(dú)立運(yùn)行模式是指將航道劃分為主航道和輔道，航空器可按最佳巡航速度在主航道運(yùn)行，當(dāng)其速度快于前方航空器時(shí)，可借助輔道完成超越.圖6為由2股主航道和3股輔道組成的速度獨(dú)立運(yùn)行航道.多層、多股、雙向結(jié)構(gòu)可有效提升空域容量及其利用率，并降低同層逆向交通流的潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn).然而，該結(jié)構(gòu)占據(jù)了較大的物理空間，航路交叉時(shí)復(fù)雜度非常高，與機(jī)場(chǎng)終端區(qū)融合難度也較大，航路在遇到惡劣天氣時(shí)的靈活性也不夠.

圖5 指定速度運(yùn)行模式

圖6 速度獨(dú)立DMA運(yùn)行模式

Yousefi等[11]則結(jié)合區(qū)域?qū)Ш降腝-航路設(shè)計(jì)了一種雙層、雙股、單向管型航路結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖7.航路以雙層、同向的平行Q-航路作為基本結(jié)構(gòu)單元.水平方向上，航道中心線(xiàn)間隔8 n mile，距航路邊緣4 n mile；垂直方向上，兩層航道間隔1 000 ft，距航路邊緣有300 ft緩沖.當(dāng)兩條管型航路交叉時(shí)，航路交叉區(qū)域?qū)a(chǎn)生結(jié)構(gòu)變換，兩條航路分別向上、向下拓展，通過(guò)高度層變換保障了安全，又不占用額外的高度層，完成交叉后即可恢復(fù)原狀，見(jiàn)圖8.該結(jié)構(gòu)占據(jù)物理空間小并具有較強(qiáng)的靈活性，在提升空域容量及其利用率的同時(shí)，有效的解決了管型航路交叉時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜度和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，具有較好的應(yīng)用前景.

圖7 基于Q-航路的管型航路結(jié)構(gòu)

圖8 管型航路交叉結(jié)構(gòu)及航空器運(yùn)行

其它關(guān)于多層管型航路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的研究還包括：Guichard等[12]將管型航路部署在多個(gè)不連續(xù)高度層的多層結(jié)構(gòu)，以避免高度層的顛簸，但進(jìn)出管型航路時(shí)的復(fù)雜度較高.Xue等[13]使用三個(gè)相鄰高度層構(gòu)建出兩個(gè)運(yùn)行層和一個(gè)超越層的多層雙向可超越結(jié)構(gòu)，當(dāng)航空器需要超越時(shí)則上升/下降到中間高層運(yùn)行，在超越完成后飛回原高度層，運(yùn)行上具備良好的效率，但占據(jù)的高度層較多.Wing等[14]則針對(duì)航空器自主間隔管理和運(yùn)行的規(guī)則、程序和系統(tǒng)需求展開(kāi)了深入的研究和分析.總體來(lái)說(shuō)，多層結(jié)構(gòu)可保障管型航路運(yùn)行安全性的前提下提升容量，卻以增加運(yùn)行復(fù)雜度和降低航路靈活性為代價(jià)，如何能平衡好各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系應(yīng)作為后續(xù)研究的關(guān)鍵問(wèn)題.

3 管型航路網(wǎng)絡(luò)布局研究

管型航路網(wǎng)絡(luò)布局研究旨在確保在保障管型航路中航空器安全和高效運(yùn)行時(shí)，充分滿(mǎn)足各地區(qū)的飛行需求.根據(jù)管型航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)視角的不同，現(xiàn)有研究主要可劃分為基于城市對(duì)飛行班次的網(wǎng)絡(luò)布局方法、基于機(jī)場(chǎng)群聚類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)布局方法和基于空中交通流密度聚類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)布局方法三大類(lèi).

3.1 基于城市對(duì)飛行班次的網(wǎng)絡(luò)布局方法

基于城市對(duì)飛行班次的網(wǎng)絡(luò)布局方法是最早提出的較直觀的布局方法.從分析城市對(duì)之間的航班飛行班次入手，選擇航班飛行需求較大的城市對(duì)航線(xiàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化管型航路網(wǎng)絡(luò).

文獻(xiàn)[11-12]對(duì)美國(guó)各城市對(duì)的單日飛行班次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，首次提出在城市對(duì)飛行班次較大的機(jī)場(chǎng)之間設(shè)置管型網(wǎng)絡(luò)的布局方法.文獻(xiàn)[13]對(duì)美國(guó)本土1周航班飛行班次進(jìn)行分析，表明高達(dá)33%的航班量在10%的城市對(duì)之間運(yùn)行，由此提出以這些城市對(duì)間的航路為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)管型航路網(wǎng)絡(luò).文獻(xiàn)[14]采用美國(guó)本土1年的飛行班次數(shù)據(jù)，以城市對(duì)距離和飛行班次為指標(biāo)設(shè)計(jì)包括25條航路的管型航路網(wǎng)，見(jiàn)圖9.

圖9 基于25個(gè)城市對(duì)飛行班次的管型網(wǎng)絡(luò)

基于城市對(duì)飛行班次網(wǎng)絡(luò)布局方法的實(shí)質(zhì)為對(duì)繁忙城市對(duì)的識(shí)別，易于理解，但所能服務(wù)的航班量較小，且先前研究中尚未對(duì)城市對(duì)間飛行班次的閾值進(jìn)行分析，以確定覆蓋交通量與航路數(shù)目的平衡點(diǎn)，設(shè)計(jì)出高效的航路網(wǎng).

3.2 基于機(jī)場(chǎng)群聚類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)布局方法

基于機(jī)場(chǎng)群聚類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)布局方法通過(guò)對(duì)繁忙機(jī)場(chǎng)進(jìn)行聚類(lèi)為機(jī)場(chǎng)群，并選取航路節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)管型航路網(wǎng)絡(luò)，以提升管型航路可服務(wù)的空域范圍和航班數(shù)量，圖10為基于機(jī)場(chǎng)聚類(lèi)方法生成的符合中國(guó)空域結(jié)構(gòu)的管型航路網(wǎng)絡(luò).

圖10 中國(guó)地區(qū)基于25個(gè)機(jī)場(chǎng)群聚類(lèi)中心的管型航路網(wǎng)絡(luò)

文獻(xiàn)[14]提出以歐洲各國(guó)的國(guó)際機(jī)場(chǎng)為中心，150海里為半徑劃設(shè)距離環(huán)，并以服務(wù)機(jī)場(chǎng)最多為目標(biāo)，設(shè)計(jì)出可服務(wù)歐洲2/3以上國(guó)際航班的管型航路網(wǎng)絡(luò).Sridhar等[15]提出選取美國(guó)交通量最大的250個(gè)機(jī)場(chǎng)，分別采用區(qū)域增長(zhǎng)法和加權(quán)近似分類(lèi)法對(duì)各機(jī)場(chǎng)進(jìn)行聚類(lèi)，以聚類(lèi)中心為管型航路節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)管型航路網(wǎng)絡(luò)，再結(jié)合狄洛尼三角剖分優(yōu)化設(shè)計(jì)管型網(wǎng)絡(luò)，研究表明當(dāng)生成18個(gè)聚類(lèi)中心時(shí)效果最好，兩種管型航路網(wǎng)絡(luò)可分別服務(wù)55.43%和99.05%的航班總量，航班直達(dá)服務(wù)率為17%.

Kotecha等[16]認(rèn)為管型網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)過(guò)多會(huì)造成航路交叉造成復(fù)雜性過(guò)大，基于Dijkstra算法簡(jiǎn)化航路節(jié)點(diǎn)，以額外飛行距離、航路角度和進(jìn)/出口點(diǎn)為約束條件，對(duì)初步管型航路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.Sridhar等[17]基于網(wǎng)絡(luò)流成本的方法，對(duì)基于機(jī)場(chǎng)群聚類(lèi)的管型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化.以管型航路利用率、額外飛行時(shí)間作為為關(guān)鍵的目標(biāo)函數(shù)，采用CPLEX軟件求解所建立的混合整數(shù)規(guī)劃模型，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)在總長(zhǎng)度減少約1/2的條件下，交通瞬間占用率提升了約2倍.王莉莉等[18]以中國(guó)機(jī)場(chǎng)吞吐量、度中心性和地域重要為考慮因素，提出一種基于Floyd算法和角度限制的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.Colon等[19]從圖論的視角出發(fā)，提出一種基于Voronoi圖的管型網(wǎng)優(yōu)化方法，基于國(guó)際航空協(xié)會(huì)提供的東亞國(guó)際機(jī)場(chǎng)起降架次，構(gòu)建的35條管型網(wǎng)絡(luò)可以服務(wù)67個(gè)機(jī)場(chǎng)間約82.8%的航班量.

基于機(jī)場(chǎng)群聚類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)布局方法有效提升了服務(wù)范圍，增大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋交通量，但如何合理的選取初始機(jī)場(chǎng)數(shù)量，以及最優(yōu)的聚類(lèi)數(shù)目成為該方法的關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響到最終網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小，再者，該方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)還是相對(duì)靜態(tài)，只是滿(mǎn)足了管型航路運(yùn)行概念中的大容量特征.

3.3 基于空中交通密度聚類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)布局方法

基于交通密度聚類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)布局方法空中交通流進(jìn)行分析和聚類(lèi)，構(gòu)建滿(mǎn)足空中交通實(shí)際運(yùn)行需求的管型航路網(wǎng)路，設(shè)計(jì)良好的網(wǎng)絡(luò)還能與氣象信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管型航路網(wǎng)柔性的調(diào)整和動(dòng)態(tài)激活與關(guān)閉.

Sheth等[20]提出一種基于航班密度的管型航路網(wǎng)設(shè)計(jì)方法，將美國(guó)本土空域劃分相同大小網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格中的航班數(shù)量并選取數(shù)量較大網(wǎng)格，將航班的起止機(jī)場(chǎng)進(jìn)行分類(lèi)，其后選取最繁忙的50個(gè)機(jī)場(chǎng)對(duì)作為起止節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建管型航路網(wǎng)絡(luò).Xue等[21]提出了一種基于Hough變換的管型航路網(wǎng)絡(luò)布局方法.基于Hough方法對(duì)航空器的大圓航跡轉(zhuǎn)換為Hough空間中的點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)格聚類(lèi)方法選擇Hough空間中密度最大的60個(gè)聚類(lèi)中心構(gòu)建管型航路網(wǎng)并基于遺傳算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化.

Yousefi等[22]提出了一種基于速度矢量的管型航路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.將航空器歷史航跡離散化處理，并提出一種基于速度矢量距離的聚類(lèi)方法，構(gòu)建管型航路網(wǎng)絡(luò).采用建立滑動(dòng)窗口框架，對(duì)航路元素中的中心線(xiàn)的坐標(biāo)，航道數(shù)、航路激活時(shí)間等進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，實(shí)時(shí)改變管型航路走向，有效避免惡劣天氣或利用高空風(fēng).Han等[23]對(duì)Xue的研究進(jìn)行了改進(jìn)，提出通過(guò)對(duì)航跡位置進(jìn)行分類(lèi)(國(guó)內(nèi)/國(guó)際)，綜合考慮每條航跡的權(quán)重，采用層次分析法進(jìn)行聚類(lèi)劃分，以自由鏈接圖模擬特殊使用空域，構(gòu)建了中國(guó)的無(wú)沖突管型航路網(wǎng).

基于空中交通密度的網(wǎng)絡(luò)布局方法從航班實(shí)際航跡入手，能準(zhǔn)確的識(shí)別空中交通的發(fā)展趨勢(shì)，定位空中交通擁堵時(shí)空點(diǎn)，可體現(xiàn)管型航路柔性和動(dòng)態(tài)性的特征.由于管型航路的特殊性，現(xiàn)有研究尚未提出系統(tǒng)的管型航路網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合管型航路特性從效率、容量、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等方面對(duì)其展開(kāi)研究.

4 管型航路運(yùn)行效能分析

效能分析是管型航路研究的重要方向，其目標(biāo)是客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估管型航路的關(guān)鍵運(yùn)行特征，根據(jù)管型航路效能分析對(duì)象的不同，相關(guān)研究可劃分為單條管型航路效能分析和管型航路網(wǎng)絡(luò)效能分析.

4.1 單條管型航路效能分析

單條管型航路效能分析是指通過(guò)對(duì)單條管型航路的物理結(jié)構(gòu)及航空器運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行建模，采用人機(jī)環(huán)仿真或分析的方法度量管型航路的效能指標(biāo).現(xiàn)有研究主要從容量、風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜度等方面展開(kāi).

管型航路容量是指單位時(shí)間內(nèi)，航路可服務(wù)的最大航空器數(shù)量.Welch等[24]研究表明，航空器運(yùn)行速度、飛行間隔和航道數(shù)量成為了決定管型航路容量的關(guān)鍵因素.在速度獨(dú)立模式下，文獻(xiàn)[14]指出，以3 min為航空器縱向間隔，包括五股航道的單層管型航路的最大容量應(yīng)為100架次/h.文獻(xiàn)[18]以5 n mile距離為最小縱向間隔，分別指定單股航道的巡航速度為492，476，460，444和428 kn，評(píng)估得出包括五股航道的管型航路最大容量為460架次/h.在速度獨(dú)立模式下，準(zhǔn)確評(píng)估航路容量較為困難.葉博嘉等[25]以雙股的近距平行Q-航路為基礎(chǔ)，結(jié)合航空器動(dòng)力學(xué)模型和控制理論，提出一種可換道、超越的自主間隔管理的仿真模型，在以5 n mile為最小縱向間隔，管型航路最大容量為230架次/h.

管型航路風(fēng)險(xiǎn)是指航空器在管型航路中自主間隔管理時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的概率.航空器在自主間隔管理下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)主要通過(guò)人機(jī)環(huán)建模和蒙特卡洛仿真方法來(lái)研究.在管型航路中，文獻(xiàn)[17]以短期沖突告警和侵入告警次數(shù)為指標(biāo)，研究表明管型航路與傳統(tǒng)扇區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)水平近似，且構(gòu)建管型航路也不會(huì)影響傳統(tǒng)扇區(qū)的運(yùn)行.Ye等[26-27]提出一種面向管型航路的航空器自主間隔管理方式，當(dāng)航空器之間預(yù)計(jì)小于最小安全間隔時(shí)，可執(zhí)行航道切換和航道脫離來(lái)避免風(fēng)險(xiǎn).研究以航空器的換道概率和航道脫離概率為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，通過(guò)蒙特卡洛仿真表明，管型航路的換道概率和航道脫離概率分別為0.31%和0.27%.Shortle等[28]采用分布式的間隔管控方法，基于動(dòng)態(tài)事件樹(shù)和可靠性圖的方法，確定航空器的最終碰撞概率約為10-9次/h.Wang等[29]對(duì)管型航路的出入口運(yùn)行及航空器在水平方向的匯聚進(jìn)行了碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析，表明當(dāng)航空器地速為485 kn，航路中心水平間隔為13 n mile時(shí)，航空器滿(mǎn)足國(guó)際民航組織提出的5×10-9次/h橫向碰撞風(fēng)險(xiǎn).

管型航路的復(fù)雜度主要是指航空器在管型航路中運(yùn)行時(shí)的內(nèi)在困難程度.文獻(xiàn)[29]以航空器沖突解脫次數(shù)為復(fù)雜度指標(biāo)，建立了一條涵蓋3個(gè)高度層(頂端、底端的運(yùn)行層和中間的超越層)的管型航路，設(shè)置了4股、8股和12股可選航道，對(duì)608架次航班進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)表明在設(shè)置管型航路后，航路階段復(fù)雜性降低了17.71%，但總體復(fù)雜度增加了9.14%.Bilimoria等[30]以動(dòng)態(tài)密度為復(fù)雜性，建立一條由兩股平行航道組成的管型航路，可選飛行高度層包括FL310～F330，研究發(fā)現(xiàn)管型航路對(duì)現(xiàn)有空域的影響隨著高度層的增加呈非線(xiàn)性快速增長(zhǎng).張晨等[31]是采用基于連攜性的交通復(fù)雜性測(cè)度指標(biāo)，建立了基本管型空域模型和增強(qiáng)型管型空域模型，研究配置管型航路的必要性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，管型航路交通復(fù)雜性顯著優(yōu)于無(wú)約束空域結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性水平，非常適宜高密度交通區(qū)域的運(yùn)行.

其他與效能相關(guān)的研究還包括：Chen等[32]提出一種基于交通流的規(guī)劃算法，設(shè)計(jì)出管型航路的位置、路徑和使用時(shí)間等，研究表明管型航路可以有效減少航空器的離場(chǎng)延誤和空中延誤.Nakamura等[33]基于實(shí)際飛行數(shù)據(jù)對(duì)管型航路中航空器的運(yùn)行效率分析，研究通過(guò)測(cè)試不同航空器機(jī)型、重量、高度和速度來(lái)設(shè)計(jì)管型航路，研究表明管型航路可有效降低航空器飛行油耗并減少空中交通延誤.Chen等[34]對(duì)使用不同間隔標(biāo)準(zhǔn)下管型航路的運(yùn)行效能進(jìn)行了分析，研究采用仿真方法模擬了航空器在管型航路中的運(yùn)行，并采用基于信息熵的多目標(biāo)優(yōu)化算法評(píng)估管型航路的吞吐量、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、排放和延誤.

4.2 管型航路網(wǎng)絡(luò)效能分析

管型航路網(wǎng)絡(luò)效能分析是指從多條或網(wǎng)絡(luò)的視角評(píng)估管型航路的效能.文獻(xiàn)[11-13]構(gòu)建了11個(gè)飛行班次較大城市之間的管型航路網(wǎng)，并以服務(wù)航空器架次、管制員工作負(fù)荷、空域復(fù)雜性為指標(biāo)，采用離散事件仿真方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，研究表明當(dāng)航班量增加137%時(shí)，管制員工作負(fù)荷增加量為109%，而空域復(fù)雜性則減少了38%.文獻(xiàn)[28]分析了五種不同方法構(gòu)建的管型航路網(wǎng)絡(luò)，以管型航路網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)占用率、交通總量占用率、航空器沖突次數(shù)、航路交叉角度和頻率5個(gè)指標(biāo)對(duì)管型航路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行效能分析，研究指出，良好設(shè)計(jì)的管型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)具備高占用率和低沖突率，并能同時(shí)減少管型航路外的沖突次數(shù).文獻(xiàn)[20]構(gòu)建了包括13個(gè)城市和29條航路的管型網(wǎng)絡(luò)，提出以額外飛行距離與正常飛行距離比(ε)為指標(biāo)進(jìn)行分析，研究表明管型航路網(wǎng)的利用率隨ε的增加呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，當(dāng)ε取0.4時(shí)網(wǎng)絡(luò)利用率可達(dá)到33%.文獻(xiàn)[23]基于FACET仿真平臺(tái)，研究管型航路網(wǎng)在緩解因惡劣天氣產(chǎn)生空中交通延誤時(shí)的效果.以天氣預(yù)測(cè)信息為動(dòng)態(tài)約束條件，提出在8 h內(nèi)構(gòu)建15～27條管型航路網(wǎng)絡(luò)的方案，仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用管型航路網(wǎng)絡(luò)疏導(dǎo)空中交通擁堵時(shí)，平均可以減少12%地面延誤，0.27%空中延誤和9.6%延誤成本.Homola等[35]采用“人機(jī)環(huán)”仿真的方法研究了管型航路網(wǎng)絡(luò)的潛在效益和可行性.研究聘請(qǐng)了13名退休管制員和7名飛行學(xué)員參與，采用高密度交通流和最大交通量進(jìn)行壓力測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景劃分為無(wú)管型航路環(huán)境、管型航路專(zhuān)用環(huán)境和管型航路混用環(huán)境，實(shí)驗(yàn)表明在管型航路專(zhuān)用環(huán)境中，當(dāng)僅允許裝備了數(shù)據(jù)通信設(shè)備的航空器使用時(shí)，管型航路可獲得最大的吞吐量和最小的管制員工作負(fù)荷.

5 結(jié) 論

綜上所述，管型航路作為面向未來(lái)新航行系統(tǒng)的新型空域概念，其研究與發(fā)展方興未艾.管型航路可有效突破管制員工作負(fù)荷瓶頸，降低空中交通復(fù)雜性，提升空域容量，并能在保障空域安全的情況下快速緩解空中交通擁堵，是未來(lái)空中交通管理領(lǐng)域的革新的重點(diǎn)之一.未來(lái)關(guān)于管型航路的研究與發(fā)展，作者認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面：

1) 管型航路與機(jī)場(chǎng)終端區(qū)聯(lián)合運(yùn)行模式研究 管型航路作為一種高空高速航路，具備超強(qiáng)的空中交通吞吐率.當(dāng)高密度交通流達(dá)到達(dá)機(jī)場(chǎng)終端區(qū)時(shí)，必須安全、快速地落地才能充分發(fā)揮管型航路的最佳效能，而現(xiàn)有終端區(qū)結(jié)構(gòu)和交通流運(yùn)行模式尚無(wú)法支撐管型航路的應(yīng)用.因此，管型航路與終端區(qū)聯(lián)合運(yùn)行模式研究，應(yīng)成為未來(lái)重點(diǎn)關(guān)注的方向.

2) 管型航路網(wǎng)柔性特征研究 現(xiàn)有管型航路網(wǎng)研究的本質(zhì)是重構(gòu)交通流的空間布局，在交通量密集區(qū)域構(gòu)建管型航路以緩解運(yùn)行壓力.然而，由于缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)氣象信息的融合，構(gòu)建出的管型航路網(wǎng)無(wú)法充分發(fā)揮其靈活性的優(yōu)勢(shì).因此，如何有效的融合歷史、實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)氣象信息以展現(xiàn)管型航路柔性特征，應(yīng)成為未來(lái)研究?jī)?yōu)先考慮的方向.

3) 管型航路的動(dòng)態(tài)激活/關(guān)閉特征研究 管型航路的一個(gè)重要用途是快速緩解空中交通擁堵.然而，現(xiàn)有的研究缺乏對(duì)機(jī)場(chǎng)/航路關(guān)閉、惡劣天氣、流量管控等實(shí)時(shí)信息的建模與分析，在突發(fā)性擁堵產(chǎn)生時(shí)，無(wú)法有針對(duì)性和選擇性地激活/關(guān)閉管型航路，管型航路的運(yùn)行成本和效益方面還有待提升和優(yōu)化.因此，如何靈活高效的使用管型航路應(yīng)成為未來(lái)研究改進(jìn)和發(fā)展的方向.