多机场协同放行的应用研究

　　摘要：民航交通运输的持续旺盛需求促进了空中交通流量的迅速发展，密集的机场布局和繁忙航路形成的空中交通拥挤已经成为制约航班放行的重要因素。本文以各相关方协同决策和多机场协同放行为中心，从航班运行的实际运行体制着手，系统全面地分析影响航班放行的因素条件，构建算法模型，提出解算思路，对多机场协同放行系统的建设具有实际的指导参考意义，以有效减少航班延误、提升航班正点率。

　　引言

　　近年来，伴随着我国民航业的迅猛发展，航空交通流量得到了大幅度的提升，随之而来的空中交通拥堵和频繁的航班延误等现象，给服务于整个航班运行的机场、空管、航空公司等单位的运行管理带来了一系列巨大的挑战。多机场协同放行（CDM on Metroplex）是以单机场协同决策（A-CDM）为基础，在一定的内外部条件下（既考虑相对静态的战略环境也考虑相对动态的战术环境），考虑多机场体系中各个机场与航班放行有关的多个相关方的信息进行综合决策的过程，决策的目的是通过改变流量需求与保障资源的平衡关系实现各机场航班的合理放行，避免资源浪费和秩序混乱。多机场系统问题的解决思路可以从时间、空间和时空混合三种方式着手，在战略上通过空域优化、计划调整和程序设计来解决热点拥塞，在战术上主要通过对流量的实时调整，目前实现流量调整的主要方式包括空中调整（调整速度、调整航迹等）和地面调整（地面等待、滑行策略等)。本文从多机场协同放行系统的关键问题入手，将全面地考虑影响航班放行的各种因素条件，紧密结合航班协同运行体制，并设计多机场航班协同放行排序算法。

　　一、多机场协同放行系统原理

　　多机场协同放行的基础是实现多机场区内航班实时运行信息的集成和共享，建立各参与部门间共同的情景意识，目的是提高区内交通流的预测性，利于空管部门和地面运行保障部门合理分配空域和地面服务的有限资源，避免旅客在机舱长时间等待和航空器在空中长时间的盘旋等待，创建安全、有序的运行环境。多机场协同放行主要在单机场离场排序系统和多机场放行系统两个层面，离场排序系统解决本场出港航班在跑道约束、场面约束条件下实施起飞预排序；多机场放行排序系统的主要作用是在繁忙航路范围，依据间隔限制，解决多机场起飞向繁忙航路汇聚的问题。离场排序的主要任务是对使用指定跑道离场的航空器按照既定的排序规则进行排列，确定先后次序以及具体时隙，离场排序的目标是充分使用跑道可用的离场时隙，使跑道吞吐量最大化，减少出港航班延误，减少航班滑出后的等待时间。航路排序的主要任务是分析内外部在走廊口（交叉点）的限制，对加入航路的航空器按照既定的排序规则进行排列，确定先后次序以及具体间隔，航路排序的目标是合理安排加入航路的航班流以满足本航路下游接收方的间隔要求，同时满足航路所经管制单元容量需求。

　　二、多机场协同放行系统应用

　　（一）航班排序数学模型

　　多机场协同放行航班序列求解即每个航班的放行时刻计算式非常复杂的决策过程，数学模型建立如下。

　　1.定义各类数据集合。

　　a.本地区范围内参与协同放行的机场集合A。对于该集合的每一个机场，具有以下属性：机场唯一标识、机场名称、机场停机位信息、机场跑道信息、停机位到跑道头推出和滑行时间、跑道运行策略、跑道运行间隔规定、进离港移交点、进离场航线数据以及使用策略。

　　b.与本地区范围相关的所有飞行计划集合F。对于该集合中的任何一个飞行计划，具有以下属性：航班号，起降机场，飞行类型，计划状态，任务性质，预计起飞时间，预计飞越各航路点的时间，预计飞行中所经过的扇区，进入扇区的时间，预计落地时间，优先级别等。

　　c.地区范围内的所有扇区集合S。该集合中的每个扇区具有以下属性：扇区名，扇区性质（高空扇区、进近扇区），扇区水平位置坐标，扇区上下限高度，各扇区管制容量等。

　　d.地区范围内的所有移交点集合P。该集合中的每个移交点具有以下属性：移交点名称，类型（区内移交点、外区移交点），移交点处的管制间隔规定，移交点处的流控限制，预计飞越移交点的航班队列，经过决策处理后的飞越移交点的航班序列。

　　e.航路集合R。该集合中包含了本地区范围的关键航路，对这些航路上飞行的航班必须满足航路间隔约束。

　　f.流量控制限制集合C。该集合中包含了本区和外区发布的流控限制信息。外区发布吸纳之本区的流控，影响的是从本区飞往外区的航班，也就是说对需要放行的航班必去考虑外区流控；本区发布的流控限制外管制区进入本区的航班，外区进来的航班少了，本区航班放行量就会增大。

　　（二）解算思路

　　根据航空公司提交的FPL 报文，对每个航班进行计划数据的预处理得到计算所需的各种计划属性，采用上述模型，安全航班的优先级从高到低依次插入排序，插入过程中必须满足所有的约束条件。（1）对航班的优先级进行划分：在空中飞行的航班优先级为最髙级；对未起飞的航班优先级排第二，人工干预指定移交时间的排第三；其余航班为第四级；同时支持人工更改优先级序列。（2）对航班集合中的每一个航班信息，通过分配的跑道名称、预测的飞行轨迹信息中的航路点名称对比可以确定该航班将经过的路线受哪几个约束。（3）插入队列，优先级为前三档次的航班直接插入队列占定时隙，剩余的为地面上未起飞的航班，即需要计算放行时隙的航班，插入队列方法如下：

　　a.对这一级别的航班需要进行排序优先级的定义，考虑航班起飞机场的优先级、航空公司提交FPL 报文的时间先后、FPL 报文中的撤轮挡时间先后等规则进行优先级的赋值，从高到低插入，每个航班需要依次检查该航班插入时与队列中已占定时隙的航班之间是否满足各种约束条件，若经过扇区则需判断是否超出容量。b.如果所有约束条件都满足，记录该航班的延误值为0，若存在不满足约束的情况，则计算要满足所有约束航班需要推迟起飞的时间差，即该航班的最小延误值。c.对所有的航班按照上述方法依次执行，得出所有航班的最小延误值，排序完成。

　　最后，利用计算得到的每个航班的建议起飞时间，减去该航班的停机位到跑道头的滑行时间，就是该航班的建议推出时间。该方法未考虑滑行过程中的冲突问题，因此需要考虑各基层的场面运行实际情况，设置一个滑行冗余量，这样可保证建议起飞时间的可用性。建议推出时间等于跑道头时间减去推出滑行时间减去滑行冗余量，航空公司和机场将该时间作为最晚关闭舱门的时间即可。通过上述过程的求解，将得到的放行数据通过 CDM 信息平台发布到各协作运行单位，就可以实现多机场协同放行。

　　结语

　　航班延误给机场的正常运行带来了一系列的挑战，为解决航班延误问题，国内机场通过引入机场协同决策系统，掌握航班运行的整体信息，以方便各运营方通过及时的信息交流，达到决策意见的统一，尽可能保障航班的正常运行。通过建设和应用多机场协同放行系统，运用基于计算机智能技术的决策算法能产生相对合理、高效的航班序列，有效减少管制员的工作负荷，较大提升空域资源利用率和机场运行保障效率，并有效促进航班正点率的提高。

　　参考文献：

　　[1] 朱媛, 李洁. 多机场协同决策技术及系统实现[J]. 信息技术与信息化,2017(11):81-83.

　　[2]瞿也丰.中欧枢纽机场航班协同放行需求与对策研究［J].航空计算技术,2019(07):59-62.