尹嘉男,马园园,胡明华
(1.南京航空航天大学 国家空管飞行流量管理技术重点实验室,南京 211106) (2.英国帝国理工学院 土木与环境工程系交通研究中心,伦敦 SW7 2AZ) (3.中国电子科技集团公司 第二十八研究所,南京 210007)
随着全球航空运输业的持续、快速和蓬勃发展,民用机场在数量、规模和密度方面增速明显。机场作为航空运输基础设施、空中交通起降场所和临空经济发展依托,在全球城市互联互通,综合交通体系建设和国民经济社会发展中的地位和作用愈发重要。机场资源调度是挖掘资源效益,优化飞行流量,缓解拥堵延误,增强飞行性能的有效手段,已成为航空运输管理的重要组成部分和重点发展方向。在整个机场系统内,飞行区是进离场航空器的直接活动区域,其资源调度问题已被公认为机场资源调度体系的最关键环节[1-2]。
机场飞行区资源调度问题涉及概念内涵、体系框架、发展脉络、发展趋势、近期热点和主要挑战等诸多方面,本文为该研究系列之一。在全面分析国内外机场运行管理领域的理论研究和应用实践成果的基础上,重点聚焦飞行区资源调度的基本概念与框架问题,以期为航空运输领域科学发展提供方向指引和参考依据。
本节分别从国际公约、理论研究和行业规范视角对飞行区的基本概念进行界定,分析飞行区的一般运行过程,并阐述飞行区资源调度的内涵。
1.1.1 国际公约视角
在国际民航组织(International Civil Aviation Organization,简称ICAO)制定的《国际民航公约附件14:机场》中,并未直接对“飞行区”进行定义,而介绍了机动区(Maneuvering Area)和活动区(Movement Area)的概念[3]。其中,机动区是指除停机坪之外,用于航空器起飞、着陆和滑行的区域;活动区是指用于航空器起飞、着陆和滑行的区域,包括机动区和停机坪两部分。
1.1.2 理论研究视角
在航空运输科学研究领域,不同学者根据各自研究需求对“飞行区”的界定也存在略微差异。大多数研究将机场划分为飞行区,航站区,进出机场的地面交通系统三部分。其中,飞行区为航空器的主要活动区域,又称为“空侧”,包括跑道、滑行道和停机坪[4-6];航站区和进出机场的地面交通系统为旅客和车辆的主要活动区域,又称为“陆侧”。另外,“场面”一词也得到国内外诸多学者的广泛使用,主要包括滑行道和停机位两大资源[7-9]。
1.1.3 行业规范视角
在行业管理方面,中国、美国、加拿大等国对“飞行区”的界定也存在明显差异。根据中华人民共和国民用航空行业标准《民用机场飞行区技术标准:MH 5001-2013》,飞行区(Airfield Area)是指供航空器起飞、着陆、滑行和停靠使用的场地,包括跑道、升降带、跑道端安全区、滑行道、机坪以及机场周边对障碍物有限制要求的区域[10]。根据美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,简称FAA)规章Section 139.5规定,机场活动区是指跑道、滑行道以及其他用于航空器滑行、起飞和着陆的区域,但不包括停机坪区域,该定义与国际民航组织给出的建议存在明显差异[11]。根据加拿大交通运输部民用航空术语体系(Civil Aviation Terminology System,简称CATS),机场活动区定义则与国际民航组织完全一致,包括机动区和停机坪两部分[12]。
可以看出,跑道、滑行道和停机坪作为机场飞行区的三大关键资源已成为航空界的普遍共识。因此,本文主要聚焦跑道、滑行道和停机位资源,研究机场飞行区资源调度问题。
机场飞行区进离场活动的一般运行过程,以及飞行区与终端区、航站区和地面交通系统等其他机场区域之间的衔接关系如图1所示。
图1 机场飞行区进离场活动
飞行区进离场活动的一般过程如下:①进场活动:进场航空器在跑道着陆并经快速脱离道离开跑道后,在机场管制席、地面管制席、流量管理席等席位的指挥下,按照相应的场面滑行引导规则和运行冲突调配策略,经由滑行道系统完成进场滑行过程,最终到达停机坪区域和指定的停机位;②离场活动:离场航空器在放行许可发布席、机场管制席、地面管制席、流量管理席等席位的指挥下,由停机位推出或自主滑出,并按照相应的场面滑行引导规则和运行冲突调配策略,经由滑行道系统完成离场滑行过程,最终到达跑道完成滑跑和起飞活动。考虑机场物理布局、管制策略及运行状况等因素,飞行区的进离场滑行过程可能涉及连续滑行、滑行等待、跑道穿越等不同操作[13-14]。
航空运输具有运行高速、自主性弱、不能随停、多方决策等特点,特别是在运行环境、活动载体和管理机制等方面,与铁路、公路、水路、管道等其他运输方式存在明显差异。机场飞行区资源调度过程的耦合作用关系如图2所示。
图2 机场飞行区资源调度的耦合作用关系
机场飞行区资源调度涉及人、机、环、管等多元因素,其解决难度随着空域、交通、机制、环境的日益复杂而不断增大。其中,空域复杂性主要体现在跑道构型多元,滑行网络庞大,机位布局密集等方面;交通复杂性主要体现在大流量,高密度,小间隔等方面;机制复杂性主要体现在多因素耦合,多主体协同,多利益权衡等方面;环境复杂性则主要体现在特殊地形,多变气象,突发事件等方面。
资源调度是指对各种资源进行合理有效地测量、分析和使用,已广泛存在于交通、信息、电力、水务等领域[15-17]。机场飞行区资源调度旨在对跑道、滑行道和停机位等资源进行科学配置,优化飞行区资源使用策略,充分发挥飞行区资源的最大效益,特别是在诸多大型繁忙机场,空中交通需求已接近、达到甚至超过机场资源供给,频繁引发资源“供”与“需”之间相互失衡的场合。因此,机场飞行区资源调度的主要任务是确保资源“供”与“需”之间的相互匹配[16],实现供需平衡(Demand Capacity Balancing,简称DCB),如图3所示。机场飞行区资源调度的最终目标是挖掘资源效益,优化飞行流量,缓解拥堵延误,增强飞行性能,推动机场资源规划、管理和使用方式由粗放式向精细化转变。
图3 机场飞行区资源供需平衡示意
在对机场飞行区资源调度问题建模时,可将其转化为其他调度领域的类似问题。例如,若把跑道/滑行道/停机位和航空器分别比作生产调度领域的“机器”和“工件”,则飞行区资源调度是加工时间与作业顺序相关的车间作业调度问题,而且是典型的非确定性多项式困难(Non-deterministic Po-lynomial Hard,简称NP-hard)组合优化问题。随着航空器数量的不断增加,调度算法的执行时间将呈指数增长,并且很难得到一个精确的全局最优解[18]。
通过全面分析当前国内外有关机场运行管理领域的研究与应用情况,本文在探讨机场飞行区资源调度问题时,不仅聚焦狭义层面上的资源“运行控制”,而且还涉及广义层面上的资源“规划管理”,二者均被纳入“调度”的范畴。
机场飞行区资源调度体系是理论方法、系统工具、管理机制等要素及其相互关系共同组成的集合。本节对飞行区资源调度体系的基本框架,体系要素以及各要素之间的逻辑关系进行了分析。
针对机场飞行区资源调度的研究与应用情况,其体系框架包括理论方法、系统工具、管理机制三大要素,如图4所示。
图4 机场飞行区资源调度基本框架
在机场飞行区资源调度体系中,理论方法为基础核心,涵盖供需分析、优化调度和使用评估三部分;系统工具为辅助手段,是理论方法的技术实现,包括原型系统和应用系统两部分;管理机制为制度保障,与理论方法和系统工具间相辅相成。在机场资源调度过程中,空管、机场和航空公司之间存在明显的信息共享和行为交互,使得管理机制成为飞行区资源调度过程中不可忽视的重要内容[19]。尤其是在协同决策(Collaborative Decision Making,简称CDM)机制的驱动下,传统的飞行区资源调度正向协同调度领域快速发展,视角涵盖多主体协同、进离场协同和多阶段协同等,相应的理论方法和系统工具也不断地丰富拓展和更新换代[20-21]。
2.2.1 理论方法
根据机场飞行区资源调度内涵、解决思路和实施过程,可将相关的理论方法分为资源供需分析、资源优化调度和资源使用评估。其中,资源供需分析用于量化输入,通过分析飞行区资源的供给状况和需求状况,明确飞行区资源供需匹配关系;资源优化调度用于制定方案,通过建立各类飞行区资源优化调度模型及算法,实现机场资源使用的最大效率;资源使用评估用于验证输出,通过建立飞行区资源性能指标体系及评估方法,对机场资源调度方案的实施效果进行评价。
(1) 资源供需分析
根据1.3节的飞行区资源调度内涵,为实现供需平衡,前提是对“供给”和“需求”进行科学量化,在此基础上便可分析二者之间的相互匹配关系(超量、临界、未超量),如图5所示。
图5 机场飞行区资源供需关系分析
在对飞行区资源调度问题建模时,常用的“供给”和“需求”量化方法主要包括:
①“供给”的量化处理:一是直接以“容量”进行表征[22-24],可通过数学模型、仿真评估、统计分析等方式量化,包括静态容量、动态容量、运行容量三类,如图6所示。随着时间的不断变化,静态容量为单一固定值,形成一条直线;动态容量为连续变化值,形成一条曲线;运行容量则为离散变化值,形成多条分段直线。二是间接以“间隔”进行表征,在不计算容量值的情况下对资源进行调度[16,25-28],原因在于:容量值作为模型参数进行输入时,其数值设置的客观性和准确性会对资源调度效果产生影响。事实上,“间隔”与“容量”之间是可以相互转换的,在统一量纲的前提下,单位时间内以最小时间间隔运行时的最大航空器数量(即间隔的倒数)便为理论上的“容量”[23]。
图6 机场飞行区资源供给容量分类
②“需求”的量化处理:一是根据航班时刻表,飞行计划中的航班进离场时间,以及标准的航空器滑入、滑出时间,采用计划信息作为模型的输入条件对资源需求进行预测,并实施资源调度[27-31]。二是结合航班时刻表、飞行计划以及各种动态和随机因素,考虑需求的不确定性问题,对需求进行预测分析,进而实施资源调度[25-26,32-35]。
(2) 资源优化调度
本节从“个量”和“总量”视角对飞行区资源优化调度理论方法进行阐述,研究框架如图7所示。
图7 机场飞行区资源优化调度研究框架
在跑道资源调度方面,个量调度侧重跑道起降调度,总量调度侧重跑道运行模式配置。其中,跑道起降调度主要从时间视角(跑道时隙、起降时间)和空间视角(航班序列、跑道分配)对跑道资源进行优化调度,从微观运行控制层面确保起降活动的安全、有序和高效运行[1,16,21,25-29,36]。跑道运行模式配置主要对跑道资源组合方式和交通流组织模式进行优化管理,从宏观供需管理层面实现机场跑道资源的供需平衡[24,37-39]。
在滑行道资源调度方面,个量调度侧重滑行规划,总量调度侧重滑行态势感知。其中,滑行规划主要从时间视角(滑行时刻规划)和空间视角(滑行路径规划)对滑行道资源进行优化调度,从微观运行控制层面确保航空器滑行活动的安全、有序和高效运行[9,14,18,22,40-43]。滑行态势感知主要对当前及未来的场面滑行态势进行评估预测,并对场面滑行的复杂度进行分析,从宏观态势感知层面准确把握滑行活动的总体运行状况[44-49]。
在停机位资源调度方面,个量调度侧重停机位分配,总量调度侧重推出率控制。其中,停机位分配聚焦进场航空器,侧重资源个量调度,对每架航空器的停机位使用需求进行优化控制[50-54]。推出率控制聚焦离场航空器,侧重资源总量控制,对特定时段内的离场航空器数量进行合理规划[55-58]。
飞行区资源一体化调度综合考虑跑道、滑行道、停机位等各类资源的调度需求,侧重飞行区内两种及两种以上资源的集成调度问题,对整个飞行区系统的时空资源进行联合配置,例如场面资源联合调度,跑道与场面资源联合调度等[8,14,59-64]。
(3) 资源使用评估
航空发达国家和地区以及国际民航组织一直努力推进航空运输系统效能的统一度量和管理,针对安全、容量、效率、环境等诸多方面,建立多套独立、成体系的效能评估体系。借鉴航空运输系统效能评估理念,机场飞行区资源调度的评估框架如图8所示。
图8 机场飞行区资源调度评估框架
美国国家空域系统效能评估体系研究始于20世纪90年代初,由FAA与MITRE公司先进航空系统研发中心(Center for Advanced Aviation System Development,简称CAASD)共同发起[65-66]。1995年,FAA系统容量办公室(FAA’s Office of System Capacity,简称ASC)与航空用户、空中交通服务部门共同制定空中交通管理系统效能评估体系以及度量方法,所涉及的4类关键效能指标包括灵活性、可预测性、可达性、延误[67]。随后,美国ASC逐步扩大空中交通管理系统效能评估指标的度量范围,并改进相应的度量方法。自1998年开始,FAA每年均会对美国空中交通管理效能进行评估,并根据效能评估结果发布美国空管效能和财务年度报告。
欧洲效能评估体系发展基本与美国同步,欧洲航行安全组织(European Organisation for the Safety of Air Navigation,简称EUROCONTROL)于1998年成立了空中交通管理系统效能评估委员会(Performance Review Commission,简称PRC),制定欧洲空中交通管理系统效能评估指标及其度量方法,并于1999年发布《欧洲航行安全组织空中交通管理系统效能评估报告》,所涉及的10类关键指标包括:安全、延误、成本效益、飞行效率、可预测性、环境、公平性、可用性、灵活性、可达性[68-69]。自1998年开始,PRC每年均会发布一份欧洲空中交通管理系统效能评估报告,对欧洲空管系统运行状况进行分析,并针对各国空管运行存在的问题提出相应的改进建议。
国际民航组织于2003年举办的第11届空中航行大会提议在ICAO框架内制定空中交通管理系统效能评估标准,从全球、地区和国家等不同层面制定基于不同目标的效能评估标准框架协议,在世界范围内开展最低限度的空中交通管理系统效能评估工作[70-71]。ICAO于2004年颁布《空中导航服务提供者的效能管理和考核》,2009年颁布《全球效能手册》,所涉及的11类关键指标包括:安全、安保、环境、成本效益、容量、效率、灵活性、可预测性、可用性和公平性、参与及协同、全球互用性,用于指导各缔约国的效能考核工作。
中国民用航空局(Civil Aviation Administration of China,简称CAAC)于2016年发布《空管单位安全效能管理应用指导材料》,建立了一套空管安全效能指标,着重规范空管安全政策和目标、航空安全风险管理、安全保证、安全促进措施等内容[72]。另外,相关学者对机场效能管理体系的系统框架、指标体系、评估方法和组织实施等内容进行研究[73]。
针对美国和欧洲地区的空管运行数据,FAA和EUROCONTROL对其空管效能进行了综合对比分析[74-75]。可以看出,在上述各个国家、地区以及国际组织所建立的航空运输系统效能体系中,安全、容量、延误、效率、环境、公平性、可预测性等指标已成为共同关注的焦点,也是飞行区资源使用评估中的关键评价指标。
2.2.2 系统工具
结合2.2.1节中涉及到的理论方法研究情况,机场飞行区资源调度系统工具主要集中在资源供给评估,跑道资源调度,场面资源(滑行道资源、停机位资源)调度三大领域。
(1) 资源供给评估
在资源供给评估领域,FAA研制的机场和空域仿真模型(Airport and Airspace Simulation Model,简称SIMMOD)以及相应的PRO和PLUS派生工具,波音公司旗下的杰普逊公司研制的全空域及机场模拟器(Total Airspace and Airport Modeller,简称TAAM),MITRE公司研制的机场容量仿真分析工具(Airport Capacity Analysis Through Simulation,简称ACATS),EUROCONTROL研制的重组空中交通管制数学仿真工具(Re-organized ATC Mathematical Simulator,简称RAMS)和区域网络容量预测可视化工具(Network Estimation Visualization of ACC Capacity,简称NEVAC),CAAC研制的空域管理与评估系统(Air Space Management and Evaluation System,简称ASMES)等,均可对机场及空域资源的供给能力和空中交通活动进行快速仿真[16,76-79]。
(2) 跑道资源调度
在跑道资源调度领域,成熟的系统工具主要包括美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA)艾姆斯研究中心研制的最后进近间隔工具(Final Approach Spacing Tool,简称FAST),EUROCONTROL研制的进场管理工具(Arrival Manager,简称AMAN)和离场管理工具(Departure Manager,简称DMAN),澳大利亚交通及地区服务部研制的跑道分配工具(Runway Allocator,简称RA)等,以及欧洲各国机场根据AMAN和DMAN系统概念框架研制本地化进离场管理系统,例如英国伦敦希思罗机场的OSYRIS,法国巴黎戴高乐机场和比利时布鲁塞尔机场的MAESTRO,德国法兰克福机场和慕尼黑机场的4D-PLANNER等[16,28,36,80-83]。上述工具均可通过分析历史或实时雷达航迹数据,飞行计划及航空气象等信息,辅助用户制定跑道资源调度方案,经测试取得良好的应用成效。
(3) 场面资源调度
在场面资源调度领域,美国NASA艾姆斯研究中心与FAA于2000年合作开展场面管理系统(Surface Management System,简称SMS)的研制工作,并于2004年完成运行概念的验证[84]。EUROCONTROL自20世纪90年代开始研制机场协同决策(Airport Collaborative Decision Ma-king,简称A-CDM)机制以及配套的系统工具,经过近20年的摸索建设与应用实践,目前已广泛应用于欧洲地区的诸多大型机场[85]。国际民航组织于2004年发布Doc9830文件《先进场面活动引导与控制系统(Advanced-Surface Movement Guidance and Control System)》,简称A-SMGCS手册,对其运行需求、性能要求、实施指南和具体事宜等进行详细描述,并提出其具体分类、布局实施、设备更新等方案。另外,比利时Airtopsoft公司研制的空中交通优化快速仿真工具(Air Traffic Optimization,简称AirTOp),德国亚琛机场研制的机场综合仿真技术(Comprehensive Airport Simulation Technology,简称CAST)工具,德国航空航天中心(German Aerospace Center,简称DLR)研制的滑行道和停机坪管控系统(Taxi and Ramp Management and Control System,简称TARMAC)等,均可为机场滑行道资源调度以及机场场面资源的联合调度等提供辅助决策工具支持[16,86-87]。
2.2.3 管理机制
飞行区资源调度过程涵盖不同利益主体、不同交通类型、不同决策阶段,本节分别对多主体协同管理机制、进离场协同管理机制和多阶段协同管理机制进行阐述。
(1) 多主体协同管理机制
欧洲自20世纪90年代开始研究A-CDM机制,用于支撑空中交通管理部门、机场运行指挥部门和航空公司运行控制部门等多利益主体更好地实施各自的业务活动,并辅助各航空运输部门进行高效决策[16,19-21,23,85,88-89]。为更好指导欧洲机场协同决策系统建设,EUROCONTROL和国际航空运输协会(International Air Transportation Association,简称IATA)于2006年联合发布了《机场协同决策实施手册》,目前已进行多次修订[90]。该实施手册旨在将传统的以流量管理为主,单向信息集成的协同运行理念延伸至以机场运行为核心的机场协同运行,可大大增强空管、机场、航空公司等航空运输生产部门之间的信息共享与协同决策能力,并有效提升航班运行效率、机场运行性能和服务品质。
机场协同决策的概念要素主要包括信息共享,里程碑方法,可变滑行时间,协同离场前排序,不利条件下的协同决策和航班更新协同管理六类[16,85,90]。以里程碑方法为例,图9给出了航班放行涉及的16类里程碑事件。
A-CDM机制经过近20年摸索建设与应用实践,已在机场资源调度机制优化和系统建设方面积累了大量经验,目前已有30余个欧洲大型机场建设成A-CDM运行机场。其优势主要在于:改善航空器预测能力,提升机场运行性能,节约航空运输成本,优化机场资源利用,减少空中交通流量和容量管理席位的工作负荷,减少机场拥堵和航班延误,减少环境污染等。目前,A-CDM已得到国际航空运输协会的认可,并在中美等国推广应用。
(2) 进离场协同管理机制
美国MITRE公司提出高密度进离场管理(High Density Departure and Arrival Traffic Management,简称HDDAM)机制,运行概念如图10所示,出现恶劣天气或其他影响机场运行能力的事件时,旨在对不同管制单位的人员职责进行重新整合,将管制核心转移至最有效的决策者,从而实现对机场进离场交通流的高效管理[91]。
图9 机场协同决策里程碑方法
图10 高密度进离场管理运行概念
在此概念框架下,通过融合自动化和态势共享展示功能,协助所有管制单位对空中交通进行高效规划和管理,并推动个体与单位之间的高效决策。对于离场航班,航路交通管制中心(Air Route Traffic Control Centers,简称ARTCC)负责设置所有定位点的容量,终端雷达管制中心(Terminal Radar Approach Control Facilities,简称TRACON)负责为机场分配容量时隙,满足航路交通管制中心的容量限制和空域需求,机场交通管制塔台(Airport Traffic Control Towers,简称ATCT)负责为每个时隙分配满足运行要求的航班,此方法可保证每个管制单位均能管理辖区范围内的交通。对于进场航班,采取类似于离场航班的方法进行管理,即每个机场交通管制塔台负责设置机场容量,终端雷达管制中心负责为每条进场航路分配进场时隙,航路交通管制中心负责为航班分配可用进场航路。
(3) 多阶段协同管理机制
除了航空运输生产主体之间的协同管理机制之外,对于机场不同运行阶段的资源供需平衡协同管理模式也得到研究和关注。图11所示为长期规划、中/短期规划和执行层面等不同阶段对应的机场供需平衡管理模式,该过程由资源驱动,不同阶段的供需平衡过程存在一定差异并相互衔接。每一个独立的过程均从“外部世界”接收或是向其提供数据信息,例如空管中心、航空公司/机场具体数据(虚线)或是早期规划周期(实线)中实施的供需平衡。
在平衡机场资源供需时,考虑的主要因素包括空域运行要求、交通需求、可用容量计划和解决方案目录等。供需失衡探测案例主要包括:不满足目标性能水平的探测,跑道负载计划的确定和修正,滑行道负载计划的确定和修正,停机位负载计划的确定和修正,除冰资源负载计划的确定和修正等。
图11 机场资源供需平衡管理模式
结合2.1节和2.2节阐述的相关内容,在机场飞行区资源调度体系中,理论方法、系统工具和管理机制等要素之间相互交互,存在一定的逻辑关系,具体如图12所示。
图12 机场飞行区资源调度体系要素逻辑关系
从图12可以看出,理论方法、系统工具、管理机制三者之间存在双向的交互反馈。理论方法为系统工具研发的基础,而系统工具的运行性能对理论方法的改进完善和丰富发展提出新的要求;系统工具是理论方法的技术实现,也是管理机制实施的“硬环境”;管理机制是理论方法建模和系统工具研发的“软环境”,而理论方法建模和系统工具研发能反映管理机制的优劣。在理论方法体系模块中,资源供需分析是飞行区资源调度的基础研究支撑,资源优化调度是飞行区资源调度的核心研究内容,资源使用评估则是飞行区资源调度的效果评价手段。
为切实解决机场飞行区资源调度问题,需加强多阶段、多视角、多目标、系统化的研究与应用。多阶段涵盖战略、预战术、战术等,也可包括事后分析;多视角涵盖微观与宏观、进场与离场、民航与军航、时间与空间、静态与动态、常态与应急等;多目标涵盖安全、容量、延误、效率、环境、公平性、可预测性等;系统化包括跑道、滑行道、停机位等资源的集成考虑,以及规划设计、运行管理、性能评估的集成考虑。
从国外航空运输系统发展历程来看,原型系统研发在工程建设中具有不可替代的重要作用,也是后续商业系统开发的基础,可大大减少因需求不确定而导致的额外开发成本,并提高系统在实际运行中的可用性。在使用一套成熟的飞行区资源调度系统之前,需经历概念论证、系统设计、原型系统研发与测试、商业系统研发与测试、正式运行与推广等一系列过程。
机场飞行区资源调度问题研究的涉及面广,包括概念内涵、体系框架、发展脉络、发展趋势、近期热点和主要挑战等诸多方面。该研究分为三个系列,本文仅为研究系列之一。在后续的研究系列之二和研究系列之三中,将分别对飞行区资源调度的发展脉络与趋势,研究热点与挑战等问题进行深入的研究与分析。