機場進場管理工具體系方法論研究

胡鈺明

摘 要： 本文針對機場進場管理（AMAN），提出了一套研究該問題的方法論。本文討論了研究進場管理相關的背景、目標、主要問題及研究思路。本文的目的并不是就進場管理中某一個具體問題進行研究，而是希望從宏觀層面提出應當如何采取相對合理的方式，開展進場管理的研究工作，并提出一些值得進一步探索的方向。

關鍵詞：空中交通管理，進場管理，AMAN，進離場排序

0引言

進場管理系統（簡稱AMAN）主要研究解決繁忙終端區落地航班調配的問題。對于任何一個繁忙機場、繁忙終端區來說，對于進場航班的管理都是一項需要時刻集中注意力的工作。與出港航班流相比，管制員對進場航班流的控制能力相對較弱，主要表現在以下三個方面：

一是可預測性差。由于種種原因，各管制單位間、尤其是跨區域管制單位間尚未共享綜合雷達航跡信息、場面動態信息等，導致管制員無法有效、精確地掌握航空器在進入本區域前的狀態、位置數據。因此，進場流量對當班管制員來說，基本上可以視為一個隨機事件。何時、在何方向將會出現強度如何、持續度如何的進場流量，在目前是比較難預測的，時刻存在流量超過容量的潛在風險。所以，現行工作中，多采取協議間隔、流控等形式進行彌補，但又無法發揮每個扇區的最大效率。

二是可調配度小。由于我國空域特點，進場流量集中出現的終端區范圍內往往空域狹小、航路密集。當不同方向同時出現進港流時，管制員需要依靠經驗判斷預計達到最后進近點的時間，進而做出決策。當實際情況與預案出現偏差時、或是突發事件發生時，空域中無規劃好的可用于臨時調配的空域，管制員往往采取指定空間讓機組自行盤旋等待的策略，既不利于安全，也不利于管理。

三是與出港流量高度相關。進港航班與出港航班最終將在跑道上產生爭用，因此，兩股航班流無法完全隔離開進行分析。尤其是一些地區進離港航線尚未分離，導致存在潛在沖突的空域大大增加，不利于安全調配。進港航班流量的管理，必須以技術手段為依托，綜合考慮進、出港航班流量需求，統籌安排，才有可能實現運行順暢、有序。

本文希望探討進場管理中的若干重要問題和研究方向，以點帶面，引出進場航班流量管理支持系統設計的一些思路。

1研究目標

本研究希望通過研究進場航班流量分布與調配方法，并在終端區進場扇區、區管中低空扇區等單位建設配置相應的進場管理決策支持系統工具，達到理順進場航班流量、減輕管制員、飛行員工作壓力，減少進場航班空中盤旋等待，縮短航班進場時間，減少航空器落地后地面滑行時間的目標，從而使運行更為順暢，燃油消耗更為經濟，資源分配更為合理。

通過研究進場航班流的管理，本研究希望覆蓋以下兩個方面的目標：

一是安全性目標。安全性目標是建立在提高可預測性的基礎上，利用空域規劃、預戰術建議、策略選擇等方式協助進場管制員提前做好預案，應對可能出現的進場流量。安全性目標主要包括：

提升航班流的可預測性。進場航班流的可預測性是所有進場流量管理工作的基礎。提升可預測性，主要需要從數據源入手。

化解潛在飛行沖突。通過對關鍵資源使用情況的計劃和監控，在航班流跟蹤、預測的基礎上，實時發現潛在的飛行沖突，并提供必要的決策支持信息，幫助管制員做出合理的決策。

平衡容量-流量關系。通過預測和管理，實時監測未來一段時間的空域需求與資源可用性，在預計出現超容量的情況下，及時提供合理的流量管理策略供現場領班參考。

二是經濟性目標。經濟性目標是實現了安全性目標后，在其之上，綜合考慮各利益相關方的利益訴求，選擇合理的進場管理方式，實現各方利益平衡與最大化的目標。經濟性目標主要包括減少傳統的航空公司燃油消耗、機場停機位分配、減少停機位變更、縮短地面滑行時間等，同時，筆者也認為，應將平均降落時間及平均管制通話量這兩項因素，作為空管方面的經濟性指標納入考慮。

2主要研究問題

2.1進場航班流量管理策略

研究進場航班流量管理的策略問題。主要包括：

空中延誤消耗分配策略：研究對于必要的空中延誤，在何階段、以何種方式進行延誤，對運行安全壓力小、且較為經濟的消耗策略。空中延誤可通過在區管高空減速、走廊口外盤旋、終端區內盤旋等方式完成。因此，需要研究相應的策略，更為科學、經濟的選擇延誤分配方式。

進離港比例分配策略：研究如何更加合理、有效的分配機場進離港比例，達到預期加權延誤（空中 + 地面）代價最小，從而實現節能減排的策略問題。

空中等待區設置方法：研究空域結構中空中等待區設置的方式方法與策略問題，包括高空、中低空、終端區等待區設置的一般性原則。

2.2智能進場程序、跑道分配決策支持工具原型

研究在有多條跑道的機場終端，具有一定適用性的智能進場程序、跑道分配決策支持工具原型系統。該系統能夠按照預設的目標，在進近相關扇區，提前給出進場程序及跑道分配選擇建議，協助管制員提前做出跑道選擇決策，實施航班就進跑道落地，并減少空中盤旋等待時間、減少地面滑行時間，從而達到節能減排的目的。

2.3進、離場排序系統協同運行工作機制

目前各地區正在建設的協同決策系統中，離場排序模塊已經在減少關艙門等待、開車后等待方面發揮了一定作用。但就單機場而言，由于跑道時隙屬于爭用資源，割裂的研究離港排序或進場管理，都會導致運行層面的一系列問題。因此，需要研究進場排序與離場排序的協同運行工作機制，在進場流量管理策略、智能進程程序及跑道分配工具的基礎上，探索、研究進場排序與離場排序的協同運行機制，使離場排序、進場管理工具都能夠最大限度的發揮作用。

3 AMAN系統工具體系方法論

3.1進場管理系統能力模型

為了衡量開展進場管理的條件，評估進場管理系統實施的效果，本文提出如下進場管理系統能力模型：

進場管理系統能力模型分為四個級別：可追蹤、可預測、可管理、可優化。每個級別依次代表了更高的進場管理能力。

3.2可追蹤級

達到這個等級的終端區，應具備對于進場航班流量持續不斷的追蹤能力，并能夠向進場管理系統（AMAN）輸出所需要的基本信息，包括航空器的位置、速度、高度、總數量等。這一級別應通過建設相應的雷達、空管自動化系統實現，也是實施進場管理、研發進場管理系統的最低能力要求。

本等級需要建設的工具集是：飛行數據集成平臺。

飛行數據集成平臺完成進場管理所需數據的集成工作。需要集成的數據包括：航班計劃、航班動態、位置、速度信息。

在這一級別，AMAN工具框架結構如下圖所示：

3.3可預測級

可預測級是指在保持航班流量可追蹤的條件下，進場管理系統能夠根據航空器當前的狀態信息及預戰術分配，結合一定的規則與算法，對未來一段時間內航空器的狀態進行合理預測。可預測級包括兩個子級：一是內部可預測，主要是對已進入終端區、還未落地的航班，對其飛行軌跡、速度、時間等信息可以進行預測。具備內部可預測能力，可以在終端區內部實施一些管理目標，如沖突化解、就近落地等。二是外部可預測，主要是指由終端外推一定的時間范圍或距離范圍，實現可預測性。達到這一級別的終端區，管制員可以對流量分布情況有一個相對精確的掌握，并在這一能力等級上加入動態預警引擎，對潛在沖突進行預警，從而避免出現不安全事件。達到本級后，標志著進場管理的安全性目標基本實現。

本等級需要建設的工具集是：航跡預測模型工具；飛行航跡測量工具；

航跡預測模型工具主要完成雷達航跡推算預測功能。在終端區內，上升、下降頻繁，飛行軌跡較多，航路航線曲折，因此不能簡單利用靜態時間推算的方法進行航跡預測。測量工具將根據飛行器能力、實時位置、速度矢量、已分配的策略等信息，對飛行軌跡進行相對精確的測量與預測。

飛行航跡測量工具主要完成對航空器位置、高度、速度的持續測量及矯正，并將結果與航跡預測模型工具進行交互，從而修正下一步的預測結果。

在這一級別，AMAN工具框架入下圖所示：

3.4可管理級

可管理級是指管制員可以根據數據基礎而不是主觀判斷，采取一些預戰術管理措施。運行規程中已經為各種條件下的進場航班流制定了相應的管理策略，具備應對大多數突發事件的能力；能夠監控不滿足計劃要求的情況或潛在不安全情況（如間隔過小、大小型機跟隨、交叉飛行等），能夠以技術手段進行告警。達到這一級別后，進場管理手段由人為經驗為主轉變為以技術數據為主，主觀決策轉變客觀決策，并能夠及時發現不安全事件。

本等級需要建設的工具集是：靜態進場策略分配工具；告警引擎；安全預警引擎；專用進場管理HMI終端。

靜態進場策略分配工具主要完成進場流量管理預案的匹配工作。該工具對每個進港航班，按照預設的方式分配進場管理策略，如特定走廊口航班采取特定的進場航線、等待程序、落地跑道等。

告警引擎主要完成對于設定的特定場景、業務條件等進行告警的功能。告警引擎可以設計為分布式輪詢方式，通過接受數據集成平臺所輸出的信息，定時檢測是否出現了符合告警條件的航空器并發布告警信號。

安全預警引擎可以采用時序系統仿真方法，根據測量工具輸出的預測信息，結合預設的業務預警條件，對一段時間之后的預計交通流情況進行判斷并產生預警信號。

HMI終端主要完成將策略、告警信息向管制員進行展示、并接受管制員交互信息的功能。

在這一級別，AMAN工具框架入下圖所示：

3.5可優化級

可優化級是指，在滿足管理計劃要求的前提下，針對一些特定的場景或突發事件，能夠以自動或半自動的方式提供優化策略建議；對運行過程中產生的與計劃的偏差，可以及時提供有效的補救措施建議；在滿足安全性目標的前提下，提供考慮各種經濟性指標的運行建議。管制方式改為航空器進入終端區前，系統即給出運行方案，管制員選擇合適的方案執行，并監控執行狀態。

達到這一級別的終端區，主要決策選項由支持系統做出，管制員工作量大大減輕，主要精力可以集中在策略的執行上，而無需參與到復雜的決策運算過程。同時，具備實施更高級的進場流量管理戰術策略的能力，如盤旋下降高度、精確落地時間控制等，同時兼顧安全性與經濟性指標。

本等級需要建設的工具集是：預演工具；優化器；動態策略分配工具；

預演工具主要完成對已分配或將要分配的運行策略建議在未來一段時間范圍內、特定條件下的運行結果進行模擬仿真和預演，并能夠計算一些關鍵性能指標。

優化器主要完成在既定環境、約束條件、運行偏好等要求下，最優策略或次優策略的搜索、比對及建議功能。優化器主要依靠多變量多元約束求解、人工智能算法、數據挖掘等方式，以整體或局部目標函數最小或最大為目標，搜索可行的解，進而轉換成為調配策略建議。

動態策略分配工具根據實時運行情況，結合特定的運行規則，在恰當的時機或事件出現時，調用優化器根據預設的算法模型，搜索滿足特定目標的最優解或次優解，并將其結果展示為進場流量管理策略供管制員進行選擇。

在這一級別，AMAN工具框架入下圖所示：

4結束語

本文就進場管理的策略及進場管理系統的建設、能力評估提出了初步的思路，可用于分步驟建設進場管理系統。可以看到，隨著級別不斷提升，技術難度、數據源要求等也隨之提升。尤其到了優化器環節，核心技術仍然掌握在少數國外巨頭如IBM手中。但筆者認為，依靠自主創新與良好的建設模式，循序漸進的不斷進行研究、開發、驗證，我們完全有能力建設具有自主知識產權的、符合我國特色的進場管理系統，為更好的理順進場航班流、協調好進場與離場流量的關系盡一份力。

參考文獻：

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