尹嘉男，馬園園，胡明華

(1.南京航空航天大學(xué) 國(guó)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(guó)帝國(guó)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007)

0 引 言

隨著世界航空運(yùn)輸市場(chǎng)的持續(xù)、快速和蓬勃發(fā)展，不斷增長(zhǎng)的空中交通需求與相對(duì)有限的機(jī)場(chǎng)資源供給之間的矛盾日益凸顯，導(dǎo)致諸多機(jī)場(chǎng)面臨高頻次飛行沖突、超負(fù)荷運(yùn)行壓力、大面積擁堵延誤等一系列挑戰(zhàn)，這對(duì)機(jī)場(chǎng)資源的精細(xì)化調(diào)度、空中交通的高效化管控等領(lǐng)域提出了高要求[1-2]。為有效提升機(jī)場(chǎng)資源供給，切實(shí)滿足空中交通需求，民航當(dāng)局通過(guò)機(jī)場(chǎng)新改擴(kuò)建、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行方案優(yōu)化等挖潛措施大力推進(jìn)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)擴(kuò)容增效。明確機(jī)場(chǎng)資源總量、盤(pán)活機(jī)場(chǎng)資源存量、做強(qiáng)機(jī)場(chǎng)資源增量，以充分釋放機(jī)場(chǎng)資源紅利、發(fā)揮機(jī)場(chǎng)資源的最大效益，成為航空運(yùn)輸各利益相關(guān)方的共同目標(biāo)。

機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度問(wèn)題共涉及概念內(nèi)涵、體系框架、發(fā)展脈絡(luò)、發(fā)展趨勢(shì)、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二。在全面分析國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)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)度的發(fā)展脈絡(luò)與趨勢(shì)問(wèn)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 發(fā)展脈絡(luò)

本節(jié)厘清機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度研究與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，將其依次概括為“明確資源總量”“盤(pán)活資源存量”“做強(qiáng)資源增量”三個(gè)方面，分別用于解決“資源有多少”“資源怎么用”“資源夠不夠”的問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度發(fā)展脈絡(luò)Fig.1 Development of resource scheduling in airfield area

從理論視角來(lái)看，脈絡(luò)1、脈絡(luò)2與脈絡(luò)3之間承前啟后、層層遞進(jìn)、循環(huán)往復(fù)，從而確保機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度的可持續(xù)發(fā)展。但是，在航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展早期，大量的機(jī)場(chǎng)工程建設(shè)需求促使許多國(guó)家在機(jī)場(chǎng)資源存量足夠的情況下，仍會(huì)對(duì)資源增量問(wèn)題進(jìn)行規(guī)劃，因此圖1中的脈絡(luò)2與脈絡(luò)3在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上存在一定的交織。

1.1 明確資源總量

在“明確資源總量”階段，資源供給能力為主要量化指標(biāo)，例如機(jī)場(chǎng)容量、空域容量等，這也是“盤(pán)活資源存量”的理論依據(jù)。

跑道作為機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)內(nèi)公認(rèn)的最易引發(fā)機(jī)場(chǎng)擁堵和航班延誤的運(yùn)行資源，成為早期機(jī)場(chǎng)資源供給能力評(píng)估領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。從20世紀(jì)40年代，跑道進(jìn)場(chǎng)容量開(kāi)始得到E.G.Bowen等[3]的關(guān)注，之后諸多學(xué)者對(duì)跑道容量進(jìn)行了全面研究，將跑道進(jìn)場(chǎng)容量研究工作逐步擴(kuò)展至跑道離場(chǎng)容量[4]、跑道進(jìn)離場(chǎng)混合容量[5]等方面。為研究跑道進(jìn)場(chǎng)率與離場(chǎng)率的相互制約關(guān)系，G.F.Newell[6]通過(guò)分析機(jī)場(chǎng)流量、容量與服務(wù)率間的差異，提出進(jìn)離場(chǎng)率之間滿足凸?fàn)钋€關(guān)系。E.P.Gilbo[7]通過(guò)挖掘分析機(jī)場(chǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)進(jìn)離場(chǎng)匹配點(diǎn)數(shù)據(jù)頻次，建立了跑道容量包絡(luò)線(Runway Configuration Capacity Envelope,簡(jiǎn)稱RCCE)的估計(jì)方法。隨后的幾十年里，亦有諸多學(xué)者對(duì)跑道容量包絡(luò)線問(wèn)題進(jìn)行了研究，建立了相應(yīng)的非線性凸函數(shù)計(jì)算公式，并基于進(jìn)場(chǎng)率與離場(chǎng)率之間的相互制約關(guān)系開(kāi)展其他的資源調(diào)度問(wèn)題研究[8-9]。除了采用統(tǒng)計(jì)分析法繪制RCCE之外，還可通過(guò)典型的“四點(diǎn)法”進(jìn)行確定，對(duì)應(yīng)的進(jìn)離場(chǎng)耦合關(guān)系如圖2所示。

圖2 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)進(jìn)離場(chǎng)容量曲線Fig.2 Capacity curve of arrival/departure in airfield area

在圖2中，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的容量計(jì)算場(chǎng)景如下：

P1：跑道僅用于進(jìn)場(chǎng)；

P2：在P1的前提下，自由插入離場(chǎng)；

P3：跑道用于進(jìn)-離交錯(cuò)運(yùn)行；

P4：跑道僅用于離場(chǎng)。

隨著機(jī)場(chǎng)資源供給能力評(píng)估需求的不斷增長(zhǎng)，評(píng)估對(duì)象由最初的跑道逐漸擴(kuò)充至滑行道、停機(jī)位以及整個(gè)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)[2,10-12]。根據(jù)理論研究和應(yīng)用實(shí)踐等不同視角，研究機(jī)場(chǎng)容量分類問(wèn)題[13-16]。例如，極限容量、理論容量、實(shí)際容量、運(yùn)行容量和計(jì)劃容量等。通過(guò)分析機(jī)場(chǎng)容量與航班延誤、管制負(fù)荷之間的關(guān)系，目前建立的多個(gè)容量和延誤模型已成功應(yīng)用于諸多大型機(jī)場(chǎng)[17-18]。

傳統(tǒng)的靜態(tài)容量評(píng)估主要面向戰(zhàn)略層面，為航班時(shí)刻優(yōu)化、戰(zhàn)略流量管理等提供數(shù)據(jù)支持，不能有效滿足預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)層面的航空運(yùn)輸決策需求。因此，考慮惡劣天氣(強(qiáng)對(duì)流、風(fēng)切變、雷暴、積冰、火山灰等)、突發(fā)事件等動(dòng)態(tài)因素，對(duì)容量變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，成為近幾年容量管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[19-20]。氣象影響下的航空運(yùn)輸管理始于20世紀(jì)90年代，主要聚焦強(qiáng)對(duì)流天氣覆蓋區(qū)域內(nèi)航班飛行路徑的繞行時(shí)機(jī)及距離研究[21-22]。為了解決強(qiáng)對(duì)流天氣影響條件下的特殊離場(chǎng)航路選擇問(wèn)題，美國(guó)研發(fā)了航路可用率計(jì)劃工具，在紐約多機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)取得了良好的應(yīng)用成效[23-24]。針對(duì)不同的天氣條件，通過(guò)對(duì)歷史天氣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的容量情況進(jìn)行分析，可建立機(jī)場(chǎng)容量情景樹(shù)或天氣類型決策樹(shù)，進(jìn)而得到每類天氣條件下的機(jī)場(chǎng)容量分布[25-27]?？紤]天氣預(yù)報(bào)的時(shí)間誤差、位置誤差、范圍誤差、強(qiáng)度誤差等因素，J.Mitchell等研究了不確定性預(yù)報(bào)條件下的機(jī)場(chǎng)容量預(yù)測(cè)問(wèn)題[28-29]。

1.2 盤(pán)活資源存量

在“盤(pán)活資源存量”階段，資源使用效率為主要關(guān)注焦點(diǎn)，例如跑道容量利用率、停機(jī)位容量利用率等，這也是“做強(qiáng)資源增量”的重要前提。對(duì)現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)資源存量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，全面提升現(xiàn)有資源的使用效率，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的最大效益，是飛行區(qū)資源調(diào)度領(lǐng)域的核心關(guān)鍵任務(wù)。相較其他兩個(gè)階段而言，目前研究主要聚焦如何盤(pán)活機(jī)場(chǎng)資源存量，因此該階段的飛行區(qū)資源調(diào)度模型和方法最多，主要集中于跑道資源調(diào)度、滑行道資源調(diào)度、停機(jī)位資源調(diào)度、資源一體化調(diào)度四個(gè)方面。

1.2.1 跑道資源調(diào)度

在跑道資源調(diào)度方面，最早的研究工作始于20世紀(jì)70年代，R.G.Dear[30]提出的約束位置交換(Constrained Position Shifting,簡(jiǎn)稱CPS)概念，即航班在排隊(duì)序列中的位置偏移量不能超過(guò)某一固定數(shù)值，這一概念得到了后續(xù)大量研究的廣泛引用[31-33]?？v觀跑道資源調(diào)度研究概況，其在大多數(shù)情況下通常與航班起降調(diào)度、航班排序等問(wèn)題被看作一個(gè)整體問(wèn)題進(jìn)行研究。實(shí)際上，跑道資源調(diào)度(特別是跑道分配)是航班進(jìn)離場(chǎng)排序的核心要素。跑道資源調(diào)度問(wèn)題作為直接影響機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)運(yùn)行效率的關(guān)鍵所在，經(jīng)歷了由進(jìn)場(chǎng)向離場(chǎng)、由進(jìn)場(chǎng)/離場(chǎng)向進(jìn)離場(chǎng)、由單跑道向多跑道的逐漸演變與發(fā)展，相關(guān)的建模手段、求解算法等豐富多樣[34-40]。在調(diào)度建模視角方面，跑道資源調(diào)度問(wèn)題通常被轉(zhuǎn)換為車間作業(yè)調(diào)度問(wèn)題、旅行商問(wèn)題、M/G/1和M/D/1排隊(duì)問(wèn)題等其他領(lǐng)域的相似問(wèn)題，排序方法涵蓋先到先服務(wù)(First Come First Served,簡(jiǎn)稱FCFS)、約束位置交換、時(shí)間提前量、延誤交換、滑動(dòng)時(shí)間窗等。針對(duì)跑道構(gòu)型與運(yùn)行方式的差異，相關(guān)進(jìn)近、獨(dú)立離場(chǎng)、隔離運(yùn)行、混合運(yùn)行等不同跑道運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的資源調(diào)度問(wèn)題亦得到了更為深入和細(xì)化的研究[2,37-40]。除了預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)層面的跑道資源調(diào)度之外，荷蘭國(guó)家航空航天中心提出了多跑道分配戰(zhàn)略規(guī)劃方法，按年度為各類航空用戶制定跑道使用計(jì)劃[41]。跑道資源調(diào)度問(wèn)題為典型的NP-hard問(wèn)題，求解方法目前已涉及遺傳算法、蟻群算法、A*算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、貪婪搜索算法、分支定界算法、隱枚舉算法等[33]。在評(píng)估跑道資源調(diào)度性能時(shí)，經(jīng)常采用FCFS這一經(jīng)典策略作為算法對(duì)比分析的標(biāo)尺[2,40,42-44]。

近幾年，基于跑道容量包絡(luò)線對(duì)跑道運(yùn)行模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置得到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。在對(duì)跑道運(yùn)行模式進(jìn)行配置時(shí)，考慮的因素包括機(jī)場(chǎng)天氣條件(盛行風(fēng)、能見(jiàn)度)、跑道布局、跑道可用性、交通需求、環(huán)境因素(減噪程序)等[45]。在戰(zhàn)略模式配置方面，主要考慮機(jī)場(chǎng)天氣的不確定性因素，對(duì)跑道運(yùn)行模式進(jìn)行戰(zhàn)略配置[46]。在戰(zhàn)術(shù)模式配置方面，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的氣象信息及交通需求信息，建立跑道配置優(yōu)化模型或概率預(yù)測(cè)模型，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的跑道運(yùn)行模式進(jìn)行配置，以提升跑道系統(tǒng)的一體化運(yùn)行效率[2,37,47-50]。

1.2.2 滑行道資源調(diào)度

在滑行道資源調(diào)度方面，20世紀(jì)60年代由W.Luffsey等[51]開(kāi)始最早的研究工作。在滑行規(guī)劃方面，建模視角主要集中于滑行路徑規(guī)劃(Routing)和滑行時(shí)刻規(guī)劃(Scheduling)兩個(gè)方面[52-53]。由于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面系統(tǒng)中的滑行道節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常多，滑行資源使用沖突和航空器運(yùn)行沖突現(xiàn)象頻發(fā)，調(diào)度復(fù)雜性隨著機(jī)場(chǎng)的具體運(yùn)行條件不同而不同。若某一機(jī)場(chǎng)的交通流量較小，則滑行路徑優(yōu)化問(wèn)題可簡(jiǎn)單地通過(guò)對(duì)每架航空器依次應(yīng)用最短路徑算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如Dijkstra算法[2]。但是，傳統(tǒng)的單架航空器路徑規(guī)劃思路并不適用于復(fù)雜機(jī)場(chǎng)，為避免復(fù)雜機(jī)場(chǎng)高峰運(yùn)行時(shí)段的資源占用沖突，需設(shè)計(jì)更為高效、穩(wěn)健，并可同時(shí)應(yīng)用于所有航空器的路徑規(guī)劃算法[54-56]?；械蕾Y源調(diào)度建模的優(yōu)化目標(biāo)主要涉及最小化延誤時(shí)間、滑行時(shí)間、停機(jī)坪擁堵程度、場(chǎng)面滑行沖突等，建模手段包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,簡(jiǎn)稱CAD)、Petri網(wǎng)等，優(yōu)化算法涵蓋Dijkstra最短路徑算法、A*尋路算法、全局Floyd軌跡搜索算法、遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法和分支定界算法等[2,57-59]。

滑行道資源作為航空器的場(chǎng)面運(yùn)行區(qū)域，存在穿越?jīng)_突(A)、交叉沖突(B)、追尾沖突(C)、對(duì)頭沖突(D)等諸多運(yùn)行沖突[2,53,60]，如圖3所示。

圖3 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)滑行道運(yùn)行沖突分類Fig.3 Classification of surface conflicts in airfield area

滑行規(guī)劃模型的約束限制主要在于避免各類滑行沖突，Kuchar等[61]對(duì)空中交通管理領(lǐng)域的68種沖突探測(cè)與解脫模型進(jìn)行歸類整理與對(duì)比分析，為場(chǎng)面沖突管理的研究提供理論依據(jù)。針對(duì)滑行路徑初始規(guī)劃、滑行路由動(dòng)態(tài)指派、滑行路由實(shí)時(shí)更新等不同階段，相應(yīng)的滑行道沖突管理機(jī)制與算法也得到了深入研究[58,62]。為從原則上避免滑行道對(duì)頭沖突，航空器的場(chǎng)面滑行過(guò)程應(yīng)盡量遵循“固定、單向、順向、循環(huán)”的原則[2,53]。

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面滑行過(guò)程具有高度的復(fù)雜性、隨機(jī)性和不確定性，對(duì)其態(tài)勢(shì)進(jìn)行評(píng)估成為近幾年的研究熱點(diǎn)。在任意的機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)離場(chǎng)滑行時(shí)間已被公認(rèn)為評(píng)價(jià)場(chǎng)面滑行態(tài)勢(shì)復(fù)雜度和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，滑入和滑出時(shí)間的增大會(huì)導(dǎo)致航空器燃油成本以及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的增加，并對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊產(chǎn)生噪音污染、氣體排放等環(huán)境影響。目前場(chǎng)面滑行時(shí)間預(yù)測(cè)研究主要通過(guò)分析滑行時(shí)間的影響因素，采用概率統(tǒng)計(jì)方法建立相應(yīng)的直線或曲線回歸模型。除了回歸分析方法之外，增強(qiáng)學(xué)習(xí)、決策樹(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法近幾年也開(kāi)始用于滑行時(shí)間預(yù)測(cè)[63-71]?？紤]到當(dāng)前滑行態(tài)勢(shì)研究主要聚焦場(chǎng)面滑行時(shí)間，而忽略了其他態(tài)勢(shì)要素，文獻(xiàn)[68]分別針對(duì)單航空器視角和機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)視角，建立了涵蓋5大類、19小類的場(chǎng)面滑行態(tài)勢(shì)因子體系，提出了各類滑行態(tài)勢(shì)因子的計(jì)算方法，建立了場(chǎng)面滑行復(fù)雜度評(píng)估模型，對(duì)滑行態(tài)勢(shì)因子與滑行時(shí)間、滑行延誤之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究。

1.2.3 停機(jī)位資源調(diào)度

在停機(jī)位資源調(diào)度方面，20世紀(jì)70年代由J.P.Braaksma[72]開(kāi)始最早的研究工作。在停機(jī)位分配方面，建模對(duì)象聚焦進(jìn)場(chǎng)航空器，即為每一架進(jìn)場(chǎng)航空器指派停機(jī)位資源，以確保其在跑道降落之后按照相應(yīng)的滑行路徑滑行至指定的停機(jī)位?？?。航空旅客作為機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的服務(wù)對(duì)象，其利益需求在早期的停機(jī)位資源調(diào)度研究中得到重點(diǎn)體現(xiàn)，且優(yōu)化目標(biāo)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均集中在旅客滿意度方面[2,73-74]。例如，最小化進(jìn)場(chǎng)/離場(chǎng)/國(guó)內(nèi)/國(guó)際/中轉(zhuǎn)等各類旅客的行走距離、旅客平均行走距離，以及旅客總行走距離等[75-76]。在考慮旅客滿意度的同時(shí)，場(chǎng)面擁堵、滑行延誤等問(wèn)題逐漸得到關(guān)注，優(yōu)化目標(biāo)涵蓋最小化場(chǎng)面沖突、航空器滑行時(shí)間、航空器燃油消耗等[53,77-81]。在算法設(shè)計(jì)方面，與跑道資源調(diào)度和滑行道資源調(diào)度類似，停機(jī)位資源調(diào)度也采用了大量成熟的算法進(jìn)行求解[76-83]。

為從原則上避免停機(jī)位區(qū)域運(yùn)行沖突，應(yīng)在滑行路線設(shè)計(jì)與引導(dǎo)層面盡量規(guī)避機(jī)位密集區(qū)的航空器運(yùn)行沖突[2,53]。以指廊式停機(jī)坪區(qū)域?yàn)槔?，航空器可采用“中間進(jìn)、兩邊出”的滑行規(guī)則，從而可在很大程度上減少進(jìn)場(chǎng)航空器與離場(chǎng)航空器之間的滑行道對(duì)頭沖突。停機(jī)位密集區(qū)的進(jìn)離場(chǎng)航空器運(yùn)行路線示意如圖4所示，其中進(jìn)場(chǎng)航空器均從中間滑行線滑入指定的停機(jī)位，而離場(chǎng)航空器在推出停機(jī)位后均從兩邊的滑行線滑出機(jī)坪。以3號(hào)停機(jī)位為例，?？吭撏C(jī)位的航空器進(jìn)場(chǎng)滑行路徑為A→B→C→D→E→F，離場(chǎng)滑行路徑則為F→G→E→H→I→J→K。

圖4 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)停機(jī)位運(yùn)行沖突管理Fig.4 Gate conflict management in airfield area

在推出率控制方面，建模對(duì)象主要聚焦離場(chǎng)航空器，且考慮進(jìn)場(chǎng)航空器對(duì)離場(chǎng)滑行的影響，即為每個(gè)時(shí)間片指定最大的離場(chǎng)放行航空器數(shù)量，通過(guò)停機(jī)位等待的方式代替不必要的滑行等待和跑道頭等待，從而減少場(chǎng)面滑行沖突和擁堵?tīng)顩r[84-86]。推出率控制的一般步驟為：

(1)設(shè)定單位時(shí)間粒度(例如，15 min)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)中每個(gè)時(shí)間片對(duì)應(yīng)的離場(chǎng)滑行量、起飛率、到達(dá)率等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；

(2)建立離場(chǎng)滑行量、起飛率、到達(dá)率之間的關(guān)系曲線，形成不同到達(dá)率對(duì)應(yīng)的離場(chǎng)推出率控制場(chǎng)景集合；

(3)根據(jù)待預(yù)測(cè)時(shí)間片的到達(dá)率、當(dāng)前的離場(chǎng)滑行量，以及相應(yīng)的離場(chǎng)推出率控制場(chǎng)景，對(duì)待預(yù)測(cè)時(shí)間片的起飛率進(jìn)行計(jì)算；

(4)基于當(dāng)前的離場(chǎng)滑行量、待預(yù)測(cè)時(shí)間片的起飛率，計(jì)算在待預(yù)測(cè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)刻仍未結(jié)束滑行的離場(chǎng)航空器數(shù)量；

(5)結(jié)合預(yù)先設(shè)定的離場(chǎng)滑行量閾值，以及步驟(4)返回的數(shù)值，計(jì)算待預(yù)測(cè)時(shí)間片的推出率。

對(duì)于離場(chǎng)滑行量閾值，可由空中交通管理人員根據(jù)機(jī)場(chǎng)滑行資源的最大效益、管制服務(wù)能力上限等情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置[87-88]。

1.2.4 資源一體化調(diào)度

在跑道資源調(diào)度、滑行道資源調(diào)度、停機(jī)位資源調(diào)度的研究基礎(chǔ)上，飛行區(qū)資源一體化調(diào)度問(wèn)題于20世紀(jì)90年代末開(kāi)始得到關(guān)注[89-90]，相關(guān)的理論研究主要集中在2000年之后[91-93]。ICAO于2013年發(fā)布《航空系統(tǒng)組塊升級(jí)(Aviation System Block Upgrades,簡(jiǎn)稱ASBU)》規(guī)劃，并將其納入DOC 9750《全球空中導(dǎo)航計(jì)劃(第四版)》中。以2013年、2018年、2023年和2028年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，劃分Block 0～Block 3四個(gè)組塊，明確了各組塊對(duì)應(yīng)的重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容[94-96]。“機(jī)場(chǎng)運(yùn)行”這一性能提升領(lǐng)域作為四大組塊的升級(jí)重點(diǎn)示意圖如圖5所示。

圖5 機(jī)場(chǎng)運(yùn)行性能提升領(lǐng)域組塊升級(jí)計(jì)劃Fig.5 Block upgrades plan in the performance improvement area of airport operations

“機(jī)場(chǎng)運(yùn)行”性能提升領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)為進(jìn)場(chǎng)管理(Arrival Manager,簡(jiǎn)稱AMAN)、離場(chǎng)管理(Departure Manager,簡(jiǎn)稱DMAN)和場(chǎng)面管理(Surface Manager,簡(jiǎn)稱SMAN)之間的一體化運(yùn)行，即在2023年實(shí)現(xiàn)AMAN與DMAN之間的集成，2028年實(shí)現(xiàn)AMAN、DMAN與SMAN之間的集成。

目前，飛行區(qū)資源一體化調(diào)度研究主要包括場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度、跑道與場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度兩個(gè)方面，并且大多數(shù)聚焦場(chǎng)面資源(涵蓋滑行道、停機(jī)位)聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題[2,97-101]。在場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度研究方面，建模對(duì)象聚焦停機(jī)位分配及進(jìn)離場(chǎng)滑行過(guò)程，即在滿足場(chǎng)面運(yùn)行限制的條件下，為每架進(jìn)場(chǎng)航空器指派停機(jī)位資源，為每架進(jìn)離場(chǎng)航空器指派滑行路徑和滑行時(shí)刻，以確保場(chǎng)面滑行過(guò)程的高效和順暢。美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,簡(jiǎn)稱NASA)于1998年提出一體化場(chǎng)面運(yùn)行的概念，研制了機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度著陸與場(chǎng)面運(yùn)行(Low-Visiblity Landing and Surface Operations,簡(jiǎn)稱LVLASO)原型系統(tǒng)，并在亞特蘭大哈茲菲爾德-杰克遜國(guó)際機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證[90]。理論研究層面的場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)涵蓋最大化吞吐量，最小化滑行延誤，最小化滑行時(shí)間，最小化燃油消耗，最小化氣體排放等[102-105]，相應(yīng)的求解算法與1.2.2～1.2.3節(jié)類似。事實(shí)上，場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題在本質(zhì)上與滑行道資源調(diào)度、停機(jī)位資源調(diào)度問(wèn)題類似，主要區(qū)別在于問(wèn)題的復(fù)雜度較高[2,91-93,97,99-100,104]。

由于場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度主要對(duì)應(yīng)SMAN，而跑道資源調(diào)度涉及AMAN和DMAN，因此跑道與場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度即為AMAN、DMAN、SMAN之間的集成[92-93,97-99,106]。Deau等人指出，跑道與場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題的復(fù)雜度非常高，在AMAN、DMAN、SMAN之間的集成中，尤其以DMAN與SMAN的集成難度最大。原因在于離場(chǎng)航班具有高度的動(dòng)態(tài)性和不確定性，需遵循特定的起飛時(shí)隙，且受到進(jìn)場(chǎng)航班的影響[92]。研究表明，70%以上的航班延誤發(fā)生在離場(chǎng)航班發(fā)出開(kāi)車請(qǐng)求至機(jī)位推出之間的10～20 min內(nèi)。在此期間，航空運(yùn)輸管理人員很難實(shí)現(xiàn)對(duì)離場(chǎng)活動(dòng)的精確預(yù)測(cè)，這就需要確保此階段結(jié)束之后的決策活動(dòng)具有快速和精準(zhǔn)的系統(tǒng)響應(yīng)能力。因此，如何在滿足場(chǎng)面運(yùn)行、跑道起降過(guò)程涉及的各類約束限制的條件下，建立通用性的飛行區(qū)資源一體化調(diào)度模型，并提高一體化調(diào)度算法的快速性和穩(wěn)健性，成為目前跑道與場(chǎng)面資源聯(lián)合調(diào)度領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，這也將成為未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)[91-93,107-110]。

1.3 做強(qiáng)資源增量

在“做強(qiáng)資源增量”階段，資源擴(kuò)容規(guī)劃為主要發(fā)展主題，例如跑道容量規(guī)劃、機(jī)場(chǎng)容量規(guī)劃等。通過(guò)制定一系列提升機(jī)場(chǎng)和空域容量水平的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)中長(zhǎng)期資源供給能力提升方案進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保機(jī)場(chǎng)資源供給可以滿足未來(lái)空中交通需求。

為明確機(jī)場(chǎng)容量提升的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和規(guī)劃時(shí)機(jī)，美國(guó)FAA于1968年發(fā)布了編號(hào)為No.150/5060-lA的咨詢通告《國(guó)家機(jī)場(chǎng)規(guī)劃中的容量標(biāo)準(zhǔn)》[111]，用于確定美國(guó)機(jī)場(chǎng)應(yīng)何時(shí)啟動(dòng)新的跑道、滑行道和停機(jī)位等資源建設(shè)項(xiàng)目，以有效提升機(jī)場(chǎng)容量；之后，F(xiàn)AA陸續(xù)發(fā)布了編號(hào)為No.150/5060-3A的咨詢通告《長(zhǎng)期規(guī)劃中的容量標(biāo)準(zhǔn)》[112]《機(jī)場(chǎng)容量提升計(jì)劃》[113]《機(jī)場(chǎng)和航路提升修正案》[114]及其修訂版[115]，對(duì)美國(guó)未來(lái)機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估技術(shù)、容量需求、容量提升措施以及容量提升項(xiàng)目資助計(jì)劃等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃。隨著機(jī)場(chǎng)容量規(guī)劃的不斷精細(xì)化，如何確定基準(zhǔn)容量成為科學(xué)指導(dǎo)容量規(guī)劃的重要數(shù)據(jù)參考，因此FAA發(fā)布了編號(hào)為No.150/5060-5的咨詢通告《機(jī)場(chǎng)容量與延誤》[116]，綜合考慮機(jī)場(chǎng)起降比例、復(fù)飛比例、滑行道布局等因素，公布了19種典型跑道結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的容量估計(jì)模型，該通告成為業(yè)界不同跑道構(gòu)型容量規(guī)劃的重要參考。之后，將跑道容量基準(zhǔn)確定逐漸擴(kuò)展至整個(gè)航空系統(tǒng)[117]。為制定歐洲機(jī)場(chǎng)跑道容量提升措施，EUROCONTROL陸續(xù)發(fā)布了《跑道容量提升指南》[118]《機(jī)場(chǎng)空側(cè)容量提升實(shí)施手冊(cè)》[119]《機(jī)場(chǎng)空側(cè)容量提升中的安全評(píng)估》[120]《容量規(guī)劃指南與評(píng)估》[121]《容量評(píng)估與規(guī)劃指導(dǎo)文件》[122]，以及每年更新一次的《歐洲中期空中交通管理網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃評(píng)估》報(bào)告[123-124]，對(duì)歐洲地區(qū)網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃過(guò)程進(jìn)行了總體闡述，涉及容量規(guī)劃工作流程、未來(lái)容量需求評(píng)估、容量規(guī)劃任務(wù)、容量規(guī)劃安全評(píng)估等內(nèi)容。相比美歐等航空發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，中國(guó)官方發(fā)布的容量管理文件主要停留在機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估方法與流程的指導(dǎo)層面[2]。中國(guó)民航局空管局發(fā)布了《空域容量評(píng)估方法指導(dǎo)材料》[125]，對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行容量、最大容量、航班時(shí)刻安排容量等術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義，并規(guī)范了四類容量評(píng)估方法；發(fā)布了《空域建模與評(píng)估實(shí)施方法指導(dǎo)材料》[126]，對(duì)我國(guó)開(kāi)展空域建模與評(píng)估工作的具體流程、關(guān)鍵指標(biāo)，以及分析案例等進(jìn)行了描述；發(fā)布了《機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估管理暫行辦法》[127]，規(guī)定了機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估流程與要求，為開(kāi)展航班時(shí)刻分配、協(xié)調(diào)與管理等工作提供了方法指導(dǎo)。另外，《中國(guó)民用航空發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃》對(duì)2016-2020年的空域容量提升目標(biāo)、資源擴(kuò)容規(guī)劃、排堵保暢措施等進(jìn)行了描述[128]。

2 發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度已呈現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程一體化、技術(shù)方法高效化、系統(tǒng)工具智能化、管理機(jī)制協(xié)同化、運(yùn)行環(huán)境綠色化等發(fā)展趨勢(shì)，下面分別針對(duì)以上各趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 運(yùn)行過(guò)程一體化

在航空運(yùn)輸“門(mén)到門(mén)”運(yùn)行概念的引導(dǎo)下，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度逐漸呈現(xiàn)多階段、一體化和全方位的管理特征。傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度主要聚焦單一資源(跑道、滑行道、停機(jī)位等)和單一運(yùn)行過(guò)程(進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng))，已無(wú)法滿足機(jī)場(chǎng)資源的一體化調(diào)度需求。在空域視角下，運(yùn)行過(guò)程的一體化主要體現(xiàn)在場(chǎng)面資源一體化調(diào)度、跑道與場(chǎng)面資源一體化調(diào)度等。在航空器視角下，運(yùn)行過(guò)程的一體化主要體現(xiàn)在場(chǎng)面交通流一體化調(diào)度、航空器起降一體化調(diào)度、外界因素(軍航/通航活動(dòng))干擾下的交通流一體化調(diào)度等。在運(yùn)行階段視角下，運(yùn)行過(guò)程的一體化主要體現(xiàn)在戰(zhàn)略階段、預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段以及戰(zhàn)術(shù)階段資源調(diào)度的一體化，例如在戰(zhàn)略層面的機(jī)場(chǎng)航班時(shí)刻優(yōu)化中，通過(guò)主動(dòng)規(guī)避不必要的飛行沖突及延誤，有效提高戰(zhàn)術(shù)階段的航班運(yùn)行效率；在預(yù)戰(zhàn)術(shù)層面的跑道運(yùn)行模式配置中，通過(guò)對(duì)跑道資源組合方式和交通流組織模式進(jìn)行規(guī)劃，有效提高戰(zhàn)術(shù)階段的跑道運(yùn)行能力。

2.2 技術(shù)方法高效化

技術(shù)方法是盤(pán)活機(jī)場(chǎng)資源存量的關(guān)鍵所在。隨著全球航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)物理結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜、空中交通流量愈發(fā)增大、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行指揮和空中交通管理流程愈發(fā)精細(xì)，加之機(jī)場(chǎng)運(yùn)行和航班運(yùn)行過(guò)程中存在諸多的動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性和不確定性(例如，惡劣天氣、重大活動(dòng)、突發(fā)事件、設(shè)備故障等)，以及空管人為因素的影響，這對(duì)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度的高效化提出了高要求，例如方法的科學(xué)性、模型的有效性、算法的穩(wěn)健性、技術(shù)的實(shí)現(xiàn)性等。從建模視角上來(lái)看，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度的本質(zhì)為優(yōu)化控制問(wèn)題，而高性能優(yōu)化正是機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度的重要手段。另外，空域靈活使用、基于航跡運(yùn)行、廣域信息管理、協(xié)同決策等新理念的逐步深化，促使機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度領(lǐng)域產(chǎn)生相應(yīng)的技術(shù)變革。因此，如何提高機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度技術(shù)方法的高效化，協(xié)調(diào)空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司等多利益主體，均衡安全、容量、效率、環(huán)境等多性能目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)等多階段協(xié)同，成為機(jī)場(chǎng)適應(yīng)未來(lái)航空運(yùn)輸發(fā)展的大勢(shì)所趨。

2.3 系統(tǒng)工具智能化

航空運(yùn)輸業(yè)高度依賴于系統(tǒng)工具，涉及大量的人機(jī)交互操作，具有“人-機(jī)-環(huán)-管”多因素耦合特征，其信息化水平對(duì)業(yè)務(wù)流程、管理模式、運(yùn)行績(jī)效等方面均有重要影響。為高效調(diào)度機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源，航空運(yùn)輸管理人員必須借助大量的輔助決策系統(tǒng)工具，例如管制自動(dòng)化系統(tǒng)、空中交通流量管理系統(tǒng)、空域管理與評(píng)估系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面資源管理系統(tǒng)等。隨著航空運(yùn)輸新概念、新技術(shù)和新應(yīng)用的不斷發(fā)展，以及云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空運(yùn)輸業(yè)已走向跨界融合和多學(xué)科交叉發(fā)展之路，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度信息化建設(shè)正從“自動(dòng)化”向“智能化”過(guò)渡，智慧空管、智慧機(jī)場(chǎng)、智慧民航、數(shù)字化空域、航空大數(shù)據(jù)等理念開(kāi)始萌芽發(fā)展，這對(duì)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度系統(tǒng)工具的智能化提出了高要求。智能化系統(tǒng)工具的使用必將有助于提高機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源利用率，降低航空運(yùn)輸管理人員工作負(fù)荷，為機(jī)場(chǎng)運(yùn)行性能和航班運(yùn)行效率的增強(qiáng)提供輔助決策支持。

2.4 管理機(jī)制協(xié)同化

管理機(jī)制是實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度安全、有序和順暢的軟環(huán)境，與機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度的技術(shù)方法和系統(tǒng)工具等互為補(bǔ)充。航空運(yùn)輸生產(chǎn)中的多元化利益需求促使諸多利益相關(guān)方被納入到機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度決策中。尤其是在CDM理念的驅(qū)動(dòng)下，多個(gè)航空運(yùn)輸生產(chǎn)主體共同參與機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度活動(dòng)。CDM是涵蓋空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司等多方的聯(lián)合決策機(jī)制，通過(guò)協(xié)調(diào)各方利益實(shí)現(xiàn)收益最大、損失最小的有效手段。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度決策中的“協(xié)同”主要體現(xiàn)在空域協(xié)同(跑道協(xié)同、停機(jī)位協(xié)同)，流量協(xié)同(航班協(xié)同、軍民航空器協(xié)同)，空域與流量協(xié)同(跑道配置)，利益方協(xié)同(空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司之間的聯(lián)合決策)等方面。因此，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度決策者需兼顧管理機(jī)制的協(xié)同化對(duì)技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的影響，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、系統(tǒng)和機(jī)制三者之間的深度融合和全面兼容，提高機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度的透明性、公平性和有效性。

2.5 運(yùn)行環(huán)境綠色化

在全球關(guān)注節(jié)能減排的大環(huán)境下，航空運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已逐漸意識(shí)到發(fā)展綠色航空運(yùn)輸?shù)闹匾院途o迫性，構(gòu)建“環(huán)境友好、資源節(jié)約、低碳環(huán)保”的綠色航空運(yùn)輸體系已成為全球航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。機(jī)場(chǎng)在規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和發(fā)展過(guò)程中同樣面臨燃油消耗、氣體排放、噪音污染等環(huán)境問(wèn)題。世界各國(guó)和地區(qū)正掀起一場(chǎng)以“綠色”為發(fā)展理念，以“節(jié)能減排”為任務(wù)重點(diǎn)的“綠色航空”革命，以期在未來(lái)航空業(yè)環(huán)保市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，并爭(zhēng)奪碳排放問(wèn)題的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。例如，通過(guò)優(yōu)化滑行過(guò)程、連續(xù)下降進(jìn)近、連續(xù)爬升離場(chǎng)等舉措，提高航空器運(yùn)行效率，縮短航空器飛行距離，減少航空器氣體排放和噪音污染等。因此，如何優(yōu)化機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度過(guò)程，降低航空公司燃油成本，減少航空器在場(chǎng)面滑行/進(jìn)近著陸/起飛爬升階段的碳?xì)?、碳氧和氮氧等氣體化合物的排放量，降低航空器運(yùn)行對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊環(huán)境的噪音污染，成為機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度適應(yīng)未來(lái)綠色航空運(yùn)輸發(fā)展的大勢(shì)所趨。

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度研究與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)可依次概括為“明確資源總量”、“盤(pán)活資源存量”、“做強(qiáng)資源增量”三個(gè)方面。其中，“明確資源總量”用于解決“資源有多少”的問(wèn)題，聚焦資源供給能力；“盤(pán)活資源存量”用于解決“資源怎么用”的問(wèn)題，聚焦資源使用效率；“做強(qiáng)資源增量”用于解決“資源夠不夠”的問(wèn)題，聚焦資源擴(kuò)容規(guī)劃。上述三個(gè)發(fā)展脈絡(luò)之間緊密關(guān)聯(lián)，共同確保機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度的可持續(xù)發(fā)展。

考慮機(jī)場(chǎng)新改擴(kuò)建工程項(xiàng)目的論證實(shí)施、建設(shè)周期、建設(shè)成本等因素，通過(guò)做強(qiáng)機(jī)場(chǎng)資源增量的手段來(lái)提升機(jī)場(chǎng)運(yùn)行性能并不是航空運(yùn)輸業(yè)提高效率的首選方式。采用科學(xué)高效的飛行區(qū)資源調(diào)度方法，盤(pán)活機(jī)場(chǎng)資源存量，提高機(jī)場(chǎng)資源利用率，成為提升機(jī)場(chǎng)運(yùn)行性能的最經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的不二選擇。在此過(guò)程中，需加強(qiáng)飛行區(qū)資源供給能力的準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)，明確機(jī)場(chǎng)資源總量，為盤(pán)活機(jī)場(chǎng)資源存量提供科學(xué)依據(jù)。

機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)資源調(diào)度問(wèn)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(shì)、近期熱點(diǎn)和主要挑戰(zhàn)等諸多方面。該研究分為三個(gè)系列，本文僅為研究系列之二。在之前的研究系列之一中，已對(duì)飛行區(qū)資源調(diào)度的基本概念與框架進(jìn)行了探討。在后續(xù)的研究系列之三中，將分析飛行區(qū)資源調(diào)度的研究熱點(diǎn)與挑戰(zhàn)等問(wèn)題。