空中交通復(fù)雜性研究進(jìn)展

王紅勇，張加豪，溫瑞英

（中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300）

0 引言

隨著航空運輸?shù)目焖侔l(fā)展，民航飛行流量大幅度增加，空中交通日益繁忙、復(fù)雜。傳統(tǒng)空中交通管理（Air Traffic Management，簡稱ATM）手段與復(fù)雜空中交通態(tài)勢之間的矛盾越發(fā)明顯，不僅嚴(yán)重影響了航空運輸系統(tǒng)運行效率，同時也會導(dǎo)致重大安全隱患。為此，空中交通管理部門必須科學(xué)評價并提升空中交通服務(wù)能力，以保障空中交通的安全和高效。

空中交通管理的任務(wù)是維護(hù)和促進(jìn)空中交通安全，維護(hù)空中交通秩序，保障空中交通暢通，從時間尺度上主要通過空中交通流量管理和空中交通管制服務(wù)來實施交通調(diào)配。空中交通流量管理通過規(guī)劃航班起飛時刻、進(jìn)區(qū)域時刻等，從宏觀、戰(zhàn)略角度保證航班流量與相應(yīng)容量的平衡，但無法針對具有相同流量而不同微觀結(jié)構(gòu)的空中交通態(tài)勢實施不同的管理策略。空中交通管制服務(wù)則側(cè)重于兩架航空器間的間隔保持、沖突解脫等戰(zhàn)術(shù)調(diào)配行為，缺乏從宏觀上考慮空中交通態(tài)勢的演進(jìn)狀況，易出現(xiàn)沖突鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為此，國內(nèi)外研究者引入了復(fù)雜性的概念，從管制工作負(fù)荷、航空器間影響關(guān)系的無序性等多個方面刻畫空中交通態(tài)勢。基于空中交通復(fù)雜性，針對部分航班實施航跡調(diào)整，可以引導(dǎo)、控制復(fù)雜交通現(xiàn)象問題，有效減少沖突鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以及由之帶來的工作負(fù)荷。

雖然空中交通復(fù)雜性的研究成果很多，但其定義以及與工作負(fù)荷、安全等之間的相互關(guān)系依然沒有形成共識，其研究框架及未來發(fā)展趨勢并不明確。為此，本文首先介紹了現(xiàn)有空中交通復(fù)雜性的研究團隊，在厘清了空中交通復(fù)雜性與管制工作負(fù)荷、空中交通復(fù)雜性與空中交通安全之間的聯(lián)系與區(qū)別后，總結(jié)了空中交通復(fù)雜性的不同研究類別。其次，從研究思路角度，將現(xiàn)有空中交通復(fù)雜性研究歸納為基于管制認(rèn)知觀、基于幾何結(jié)構(gòu)觀、基于復(fù)雜系統(tǒng)觀的三種技術(shù)路線，并總結(jié)分析了不同技術(shù)路線的主要內(nèi)容以及優(yōu)缺點。最后，通過新一代空中交通管理系統(tǒng)特征的分析，提出了空中交通復(fù)雜性管理在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)階段的基本內(nèi)涵，并在此基礎(chǔ)上，從復(fù)雜性定義、研究對象、研究內(nèi)容、理論體系等方面指出了空中交通復(fù)雜性研究的未來發(fā)展方向。

1 研究團隊

首篇空中交通復(fù)雜性研究論文發(fā)表于1963年，但自1976年基于“Control Difficulty Index”提出較為完整的空中交通復(fù)雜性概念后，才成為空管領(lǐng)域的研究熱點。美國、歐洲都將其作為基礎(chǔ)性研究列入到新一代航空運輸系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃中，在國際民航組織發(fā)布的航空系統(tǒng)組塊升級計劃中也明確將基于復(fù)雜性的空中交通管理列入最優(yōu)容量及靈活飛行引線的第3個組塊中。

為綜合分析空中交通復(fù)雜性在國內(nèi)外的研究概況，本文選取了Web of Science（WOS）和中國知網(wǎng)（CNKI）兩個數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，檢索時間設(shè)定為2021年9月30日。在WOS數(shù)據(jù)庫中以“Air Traffic Complexity”“Airspace Complexity”為主題詞檢索到自1996年以來25年間的563篇文獻(xiàn)，涉及1 028個研究機構(gòu)中的2 146名作者。在CNKI數(shù)據(jù)庫中以“空中交通復(fù)雜性”“空域復(fù)雜性”為主題詞檢索到自2003年以來18年間的153篇文獻(xiàn)，涉及212個研究機構(gòu)中的404名作者。

圖1 WOS數(shù)據(jù)庫中研究論文作者合作網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Author cooperation network in WOS

圖2 CNKI數(shù)據(jù)庫中研究論文作者合作網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Author cooperation network in CNKI

采用SATI文獻(xiàn)題錄信息統(tǒng)計分析工具對空中交通復(fù)雜性研究團隊的合作關(guān)系進(jìn)行分析，WOS和CNKI數(shù)據(jù)庫的分析結(jié)果分別如圖3～圖4所示，可以看出：在WOS中文獻(xiàn)數(shù)量排名前五的機構(gòu)有南京航空航天大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院、NASA、中國民航大學(xué)、MIT，發(fā)文數(shù)量都在10篇以上；在CNKI中收錄論文數(shù)量排名前五的機構(gòu)有中國民航大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國民用航空飛行學(xué)院、北京航空航天大學(xué)、空軍工程大學(xué)，發(fā)文數(shù)量都在6篇以上。

圖3 WOS數(shù)據(jù)庫中研究論文機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Institution cooperation network in WOS

圖4 CNKI數(shù)據(jù)庫中研究論文機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Institution cooperation network in CNKI

2 復(fù)雜性和工作負(fù)荷

諸多研究表明空中交通復(fù)雜性和管制員工作負(fù)荷之間存在密不可分的相互聯(lián)系。從研究目標(biāo)看，空中交通復(fù)雜性研究的最初目標(biāo)就是為了客觀描述空域扇區(qū)容量，而管制員工作負(fù)荷是扇區(qū)容量最為直接的體現(xiàn)。目前基于管制員工作負(fù)荷的容量評估方法依然是空域容量的四種主要方法之一。因此，空中交通復(fù)雜性對空域扇區(qū)容量的客觀評價無法脫離于空中交通管制員的管制難度、工作量大小的評價。從研究方法看，空中交通復(fù)雜性影響因子大多來源于管制員指揮過程的觀察、管制工作負(fù)荷的變化等，例如爬升航空器數(shù)量、下降航空器數(shù)量、平飛航空器數(shù)量、交通混合系數(shù)等指標(biāo)，來自于相同航空器數(shù)量帶來不同管制工作負(fù)荷這一基本出發(fā)點。同時，對管制工作負(fù)荷的研究也需要考慮空中交通復(fù)雜性的影響，通常需要對具有不同復(fù)雜程度的空中交通場景下的管制工作負(fù)荷進(jìn)行對比分析。但從本質(zhì)來看，空中交通復(fù)雜性與管制工作負(fù)荷之間并非直接相連的線性關(guān)系。

空中交通復(fù)雜性與工作負(fù)荷的關(guān)系如圖5所示，空中交通復(fù)雜性是對管制員所面臨空中交通模式、空域結(jié)構(gòu)、運行環(huán)境的客觀描述，是管制員工作負(fù)荷的根本性驅(qū)動源。

圖5 空中交通復(fù)雜性與工作負(fù)荷的關(guān)系Fig.5 Relationship between complexity and workload

一方面，受設(shè)備質(zhì)量、管制員個體差異、認(rèn)知策略等“中間因素”的影響，同等復(fù)雜程度的空中交通態(tài)勢也可能產(chǎn)生具有較大差異的管制工作負(fù)荷。為反映不同認(rèn)知策略對管制工作負(fù)荷的影響，J.M.Histon等提出了認(rèn)知復(fù)雜性的概念，將其定義為管制員對空中交通態(tài)勢的認(rèn)知難度，并從標(biāo)準(zhǔn)交通流、關(guān)鍵點、分組、責(zé)任移交等四個方面抽象了可縮減復(fù)雜性的典型管制認(rèn)知策略，為從結(jié)構(gòu)模式角度研究管制認(rèn)知復(fù)雜性奠定了基礎(chǔ)，如圖6所示。

圖6 基于結(jié)構(gòu)的抽象模式［10］Fig.6 Structure-based abstractions［10］

另一方面，管制員所做的管制決策受不同管制工作負(fù)荷的影響，這些影響自然也會反作用于空中交通態(tài)勢的演變。例如在飛行沖突解脫過程中，一些缺乏全盤考慮的解脫策略甚至可能導(dǎo)致飛行沖突的多米諾效應(yīng)，從而加劇空中交通態(tài)勢復(fù)雜程度。

考慮到難以充分表達(dá)空中交通復(fù)雜性和工作負(fù)荷之間的關(guān)系，相關(guān)研究者很早就嘗試定義與管制員工作負(fù)荷無關(guān)的復(fù)雜性指標(biāo)。隨著新一代空中交通管理的發(fā)展，飛行沖突解脫等傳統(tǒng)方式下由管制員處理的任務(wù)將逐步由智能化空中交通管理系統(tǒng)、機載自動化系統(tǒng)全部或部分替代。因此，脫離管制員工作負(fù)荷對空中交通態(tài)勢復(fù)雜性的客觀描述將是未來的研究方向。

3 復(fù)雜性和安全

有效地維護(hù)和促進(jìn)空中交通安全是空中交通管理的首要任務(wù)，因此所有的空中交通管理策略都必須考慮其實施后對安全水平的影響程度。從系統(tǒng)角度看，影響空中交通安全的風(fēng)險要素主要包括人為因素、設(shè)施設(shè)備、環(huán)境以及管理等方面。而這些風(fēng)險要素的具體體現(xiàn)便是空中交通事故（碰撞）、事故癥候、工作差錯等不安全事件的數(shù)量。在實際運行中，受限于數(shù)量極少的空中交通事故數(shù)據(jù)，通常采用空中交通態(tài)勢中的飛行沖突次數(shù)來衡量空中交通安全水平。為反映飛行沖突的強度，研究者進(jìn)一步提出了飛行沖突持續(xù)時長、航空器距離偏離間隔標(biāo)準(zhǔn)的程度等沖突風(fēng)險評價指標(biāo)，為全面刻畫空中交通態(tài)勢安全水平奠定了基礎(chǔ)。然而這種過于強調(diào)飛行沖突風(fēng)險的態(tài)勢評價方法，忽略了諸多無飛行沖突但管制員仍需頻繁調(diào)配或者暫時無飛行沖突但受少量隨機因素影響后卻出現(xiàn)大量不可預(yù)測飛行沖突的情景。而基于空中交通復(fù)雜性概念則可以對這些用安全指標(biāo)無法測度的空中交通態(tài)勢進(jìn)行客觀描述，是對空中交通態(tài)勢更為本質(zhì)和全面的描述。事實上，在空中交通復(fù)雜性的早期研究中，本著更為客觀反映扇區(qū)容量的出發(fā)點，研究人員就已經(jīng)篩選出了除潛在沖突之外的諸多非安全類空中交通復(fù)雜性因子，如扇區(qū)內(nèi)航空器總平飛時間、航空器的平均速度、航空器航向改變數(shù)量等。

空中交通復(fù)雜性對空中交通運行安全的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是導(dǎo)致管制人因差錯的概率，二是潛在沖突風(fēng)險的概率。在空中交通管制指揮過程中，管制員需要在極其有限的時間范圍對航空器進(jìn)行調(diào)配，以避免發(fā)生飛行沖突。而空中交通態(tài)勢越復(fù)雜，管制員在短期內(nèi)做出正確決策的壓力就越大，其發(fā)生管制人因差錯的概率就越大，而空中交通運行風(fēng)險水平相應(yīng)就越高，不同復(fù)雜程度下沖突解脫概率如表1所示。R.Tomislav等通過仿真實驗表明，管制員在高復(fù)雜性態(tài)勢下發(fā)生不安全事件的概率是低復(fù)雜性態(tài)勢的571倍。

表1 不同復(fù)雜程度下沖突解脫概率Table 1 Comparison of probabilities to solve the conflict in traffic situations with different levels of complexity

在高復(fù)雜性空中交通態(tài)勢中，航空器間的交互關(guān)系更多，其發(fā)生潛在沖突的可能性也就越大。Wang H Y等通過實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計（如圖7所示），無論是扇區(qū)內(nèi)潛在沖突的總次數(shù)還是每架飛機的平均潛在沖突次數(shù)都隨著復(fù)雜性的增加而增加，其結(jié)論也被S.L.Brázdilová等通過仿真實驗驗證；P.Tamara等采用長達(dá)兩周的歐洲空域?qū)嶋H運行數(shù)據(jù)驗證了復(fù)雜性與沖突風(fēng)險之間存在強相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.829 6。

圖7 空中交通復(fù)雜性與飛行沖突的關(guān)系［13］Fig.7 Relationship between complexity and flight conflict［13］

因此，雖然空中交通復(fù)雜性無法直接應(yīng)用于飛行沖突管理，但空中交通復(fù)雜性的科學(xué)判斷、預(yù)測對空中交通的安全運行至關(guān)重要，而對高復(fù)雜性空中交通態(tài)勢的合理處置將有助于提高空中交通安全運行水平。A.A.Mutlu在對新的運行程序、新設(shè)計的空域進(jìn)行評估時，不同于以往只側(cè)重飛行沖突的評價過程，采用將復(fù)雜性和安全同步考慮的綜合評價方法。

4 復(fù)雜性分類

從研究對象本質(zhì)屬性看，早期研究主要側(cè)重兩類空中交通復(fù)雜性：一類是認(rèn)知復(fù)雜性，反映管制員在處理空中交通時的認(rèn)知負(fù)荷；另一類是交通本身的復(fù)雜性，是從系統(tǒng)角度反映對空域和交通流特征的測度。J.M.Histon等進(jìn)一步將空中交通復(fù)雜性劃分為三類：態(tài)勢復(fù)雜性（Situation Complexity）、感知復(fù)雜性（Perceived Complexity）以及認(rèn)知復(fù)雜性（Cognitive Complexity），認(rèn)為態(tài)勢復(fù)雜性是交通態(tài)勢的本身屬性；感知復(fù)雜性是管制員的主觀體驗；認(rèn)知復(fù)雜性反映管制員在對空中交通態(tài)勢進(jìn)行管制過程中，其工作認(rèn)知模式下的復(fù)雜性，是執(zhí)行管制任務(wù)的過程屬性，受態(tài)勢復(fù)雜性、認(rèn)知模式和策略以及其他因素（如疲勞、壓力）的影響。

J.J.Toy將空中交通復(fù)雜性分為內(nèi)在本身復(fù)雜性（Inherent）和外在展現(xiàn)復(fù)雜性（Apparent）兩類，認(rèn)為內(nèi)在本身復(fù)雜性是由諸如天氣、地形、空域限制、交通密度等空域?qū)傩远a(chǎn)生的復(fù)雜性；而外在展現(xiàn)復(fù)雜性是由管制員的人機接口等所產(chǎn)生的復(fù)雜性，包括交通信息呈現(xiàn)給管制員的方式以及管制員在工作環(huán)境中所使用的其他接口等，例如顯示器類型（有單色、彩色以及觸摸屏等）、顯示器或控制臺的物理布局、管制廳布局、管制自動化系統(tǒng)界面等。

在前人研究基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［10］將空中交通復(fù)雜性從低級到高級分為認(rèn)知復(fù)雜性（Cognitive Complexity）、組織復(fù)雜性（Organizational Complexity）、顯示復(fù)雜性（Display Complexity）及環(huán)境復(fù)雜性（Environmental Complexity）四個層次。認(rèn)為環(huán)境復(fù)雜性包括航空器數(shù)量、天氣、擁擠等交通本身因素，從系統(tǒng)角度來看屬于系統(tǒng)內(nèi)部屬性。組織復(fù)雜性包括目標(biāo)、政策、策略、運行程序等因素。一般來說，這些組織因素是為了有效減輕環(huán)境復(fù)雜性而產(chǎn)生的，但事實上有些組織復(fù)雜性卻會增加空中交通系統(tǒng)的約束，尤其在大流量背景下反而會增加環(huán)境復(fù)雜性。管制員在管制過程中，需要基于大量的空中交通運行信息進(jìn)行決策，為輔助管制員的決策過程，總是期望這些信息能夠快速地、精確地呈現(xiàn)給管制員。而顯示復(fù)雜性就是這些信息通過不同顯示方式所呈現(xiàn)的復(fù)雜性，無效或復(fù)雜的顯示都會產(chǎn)生額外的認(rèn)知復(fù)雜性。認(rèn)知復(fù)雜性是與管制員相關(guān)的，是管制員在實施空中交通管理過程中認(rèn)知難度的體現(xiàn)，決定了空中交通系統(tǒng)的總體能力水平。K.Treleaven等認(rèn)為，應(yīng)該將上述復(fù)雜性層次中顯示復(fù)雜性和認(rèn)知復(fù)雜性合并為計算復(fù)雜性（Computational Complexity）。

5 復(fù)雜性評價

現(xiàn)有針對空中交通復(fù)雜性進(jìn)行評價的研究總體可以歸納為如下三條技術(shù)路線。

5.1 基于管制認(rèn)知觀的研究路線

航班大范圍延誤、空域擁擠等現(xiàn)象引發(fā)了對空域容量尤其雷達(dá)管制扇區(qū)容量進(jìn)行客觀評價的強烈需求，而空中交通復(fù)雜性也隨之應(yīng)運而生。空中交通態(tài)勢中的復(fù)雜性是多種影響因素動態(tài)交織的體現(xiàn)，A.Majumdar等率先開展了空中交通復(fù)雜性影響因素的分析和識別研究。雖然交通密度是最被廣泛認(rèn)可的一類復(fù)雜性因素，但大多研究者也認(rèn)為它并不能反映空中交通態(tài)勢復(fù)雜程度的豐富性。通過直接或間接參考管制員意見，除了交通密度之外的諸多相關(guān)因素逐漸被挖掘出來，如空域因素、交通流因素及環(huán)境因素。空域因素包括扇區(qū)結(jié)構(gòu)、限制空域等，也被稱為空域復(fù)雜性；交通流因素包括潛在沖突數(shù)量、水平接近數(shù)量、航行要素改變數(shù)量等；環(huán)境因素包括雷雨、導(dǎo)航設(shè)施等。在復(fù)雜性因素分析基礎(chǔ)上，NASA等機構(gòu)提出了動態(tài)密度概念，并基于管制工作負(fù)荷對其進(jìn)行了定義。其核心是通過全面評價管制員為保障空中交通安全而產(chǎn)生的物理和精神上的各種活動，一般先根據(jù)不同扇區(qū)的運行特征選取相應(yīng)的典型因素，再基于實際或仿真運行數(shù)據(jù)，結(jié)合管制員對復(fù)雜程度的人為判定或者無線電通話負(fù)荷，采用線性或非線性的方法確定因子權(quán)重，最后綜合相加得出該扇區(qū)的復(fù)雜程度，如式（1）所示。

式中：D為目標(biāo)扇區(qū)的動態(tài)密度（Dynamic Density）；N為典型復(fù)雜性因子數(shù)量；C為包括交通密度的第i個空中交通復(fù)雜性因子值；W為第i個空中交通復(fù)雜性因子權(quán)重。

很多研究者將該方法應(yīng)用于當(dāng)前管制模式下不同類型的空域中，部分研究者為對比預(yù)測未來空中交通的復(fù)雜程度，也嘗試將這種方法應(yīng)用于航空器自主保持間隔運行空域中、亞太地區(qū)在洋區(qū)管制中實施航路自由選擇場景下。

國內(nèi)研究者董德存教授團隊在國內(nèi)率先開展了空中交通態(tài)勢復(fù)雜性因素選取研究；楊家忠教授團隊首次探討了空中交通復(fù)雜度與管制員腦力負(fù)荷的影響關(guān)系，并探討了動態(tài)復(fù)雜性因素對管制員工作負(fù)荷影響；胡明華教授團隊在國內(nèi)率先開展了空中交通復(fù)雜性指標(biāo)體系的精煉研究，首先從前人研究文獻(xiàn)中選取了42個交通類指標(biāo)、7個空域類指標(biāo)，并先后采用了灰色關(guān)聯(lián)聚類、主成分分析等方法對指標(biāo)進(jìn)行了精煉，最后應(yīng)用于區(qū)域管制扇區(qū)、終端管制扇區(qū)交通態(tài)勢的復(fù)雜性分析；趙嶷飛教授團隊引入因子分析、聚類等方法，基于實際管制員陸空通話數(shù)據(jù)探討了復(fù)雜性指標(biāo)與管制員陸空通話負(fù)荷之間的關(guān)系。

近年，隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，空中交通復(fù)雜性研究也呈現(xiàn)了與機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等方法不斷融合的研究趨勢。如曹先彬教授團隊針對小樣本集中的空中交通態(tài)勢復(fù)雜性知識挖掘難題，提出了一種基于知識轉(zhuǎn)移的扇區(qū)運行復(fù)雜性評價框架；針對大量空中交通復(fù)雜度樣本數(shù)據(jù)中的標(biāo)簽噪聲問題，Xie H等提出了一種基于置信學(xué)習(xí)和XGBoost的空中交通復(fù)雜性評估模型及方法，并嘗試將深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于扇區(qū)運行復(fù)雜性中。

從根本上來說，基于管制認(rèn)知觀的空中交通態(tài)勢復(fù)雜性評估，雖然易被管制員理解，但為了使特定扇區(qū)與管制負(fù)荷達(dá)到最大相關(guān)性，必須根據(jù)不同扇區(qū)選擇不同復(fù)雜性因子，且不同扇區(qū)中復(fù)雜性因子的權(quán)值都需特別設(shè)定，因此該方法一直以來不具備普適性。而隨著蓬勃發(fā)展的新一代信息技術(shù)在空中交通復(fù)雜性研究中的不斷融入，以上瓶頸也將有望取得突破。

5.2 基于幾何結(jié)構(gòu)觀的研究路線

要解決基于管制工作負(fù)荷評價空中交通復(fù)雜性時受管制員人因影響的問題，一種可行的思路是從空中交通的時空分布角度出發(fā)，完全基于客觀的航跡數(shù)據(jù)研究空中交通態(tài)勢的內(nèi)在復(fù)雜性。國外D.Delahaye等從反映扇區(qū)內(nèi)航空器群沖突風(fēng)險的角度出發(fā)，提出了基于航空器位置、速度等航跡數(shù)據(jù)量化計算復(fù)雜度的方法，通過對空中交通態(tài)勢幾何結(jié)構(gòu)分析建立了不依賴于管制員主觀認(rèn)知的空中交通復(fù)雜性客觀評估指標(biāo)。主要分為：航跡數(shù)據(jù)處理、航跡間幾何關(guān)系計算、單航空器復(fù)雜度計算，累計所有航空器復(fù)雜度或基于分形維數(shù)、Lyapunov指數(shù)等計算無序性來測度空中交通復(fù)雜度。S.N.Hasan等在基于Lyapunov指數(shù)測量空中交通幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，提出通過航跡規(guī)劃控制復(fù)雜性的方法；R.Marko等以航空器之間的時空幾何關(guān)系為基礎(chǔ)，將生態(tài)系統(tǒng)理論引入到空中交通態(tài)勢分析中。

國內(nèi)基于幾何結(jié)構(gòu)觀的空中交通復(fù)雜性研究成果也比較豐富。胡明華教授團隊率先依據(jù)兩兩航空器之間的迫近性、隨機性及連攜性建立了空域復(fù)雜度評估模型，實現(xiàn)了空中交通態(tài)勢幾何結(jié)構(gòu)描述，認(rèn)為相對位置D可反映航空器i，j之間的迫近程度，而相對速度V則反映了迫近傾向，并通過矢量內(nèi)積（D，V）是否大于0判斷航空器之間是否處于匯聚交通態(tài)勢；胡明華教授團隊還首次提出管型空域概念，建立了兩類繁忙管型空域模型，并采用基于幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性測度指標(biāo)對其評價；董兵在國內(nèi)首次嘗試了通過非線性動力學(xué)等理論建立終端管制區(qū)交通幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性評價模型；張軍院士團隊針對空中交通復(fù)雜度評估預(yù)測精度不足的問題，首次基于隨機線性混雜系統(tǒng)理論提出了一種交通態(tài)勢幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的評估方法；趙嶷飛教授團隊在胡明華教師團隊所建模型基礎(chǔ)上，通過增加沖突解脫指數(shù)對模型進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而依據(jù)單航空器擾動思想提出了基于幾何結(jié)構(gòu)的扇區(qū)復(fù)雜度計算及分布圖示方法。針對終端區(qū)獨特運行特征，趙嶷飛教授團隊通過計算幾何方法首次建立了終端區(qū)內(nèi)五邊到場交通復(fù)雜性模型，并探討了五邊到場交通中復(fù)雜性控制方法。針對自主間隔保持運行下高密度空域的復(fù)雜性，趙嶷飛教授團隊提出了一種基于時序分析法的Lyapunov指數(shù)計算模型，以此測度了交通態(tài)勢的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，并通過對扇區(qū)網(wǎng)格化初步探討了基于復(fù)雜性的扇區(qū)劃分問題。

此外，也有研究者將研究對象聚焦為空中交通流，通過空中交通流復(fù)雜性解釋空中交通復(fù)雜性本質(zhì)。王飛面向空中交通流的復(fù)雜性測度問題，提出了基于小樣本熵和多尺度樣本熵的空中交通流時間序列的復(fù)雜性分析方法；Li S M等基于實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了多態(tài)空中交通流的動態(tài)演化及波動特征等。

通過空中交通態(tài)勢幾何結(jié)構(gòu)的空中交通復(fù)雜性評估方法，剔除了管制員主觀因素的影響，實現(xiàn)了客觀描述空中交通復(fù)雜性的可能，對空中交通態(tài)勢本質(zhì)的理解深入了一大步。

5.3 基于復(fù)雜系統(tǒng)觀的研究路線

復(fù)雜系統(tǒng)尤其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模理論的引入，對空中交通態(tài)勢結(jié)構(gòu)和演化的理解提供了一套有深遠(yuǎn)意義的概念及組織框架，深化了對態(tài)勢結(jié)構(gòu)本質(zhì)的認(rèn)識。但目前依然處于起步和探索階段，主要成果局限于單個或多個管制扇區(qū)局部態(tài)勢的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性測度。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模的核心是對復(fù)雜系統(tǒng)中的節(jié)點以及節(jié)點之間的相互關(guān)系進(jìn)行抽象。在空中交通態(tài)勢網(wǎng)絡(luò)中，航空器被看作為節(jié)點。而最早對航空器之間的相互關(guān)系進(jìn)行全面描述的是歐洲空管效能委員會在2006年提出的復(fù)雜性指標(biāo)，將歐洲空域劃分為20 n mile×20 n mile×3 000 ft的立體網(wǎng)格塊，其中1 n mile=1.852 km，1 ft=0.304 8 m，并針對每個立體網(wǎng)格塊計算航空器之間潛在相互作用的持續(xù)時間。如果航空器在同一小時的時間窗內(nèi)位于同一單元中，則發(fā)生“交互”關(guān)系。交互時間與飛行時間之比稱為“調(diào)整密度系數(shù)”。此外，還根據(jù)潛在的垂直、水平和速度相互作用之和計算得出“結(jié)構(gòu)指數(shù)”，最終將“調(diào)整密度系數(shù)”和“結(jié)構(gòu)指數(shù)”的乘積作為復(fù)雜性值。在前人研究基礎(chǔ)上，趙嶷飛教授團隊首次將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論引入空中交通態(tài)勢建模中，認(rèn)為空中交通態(tài)勢復(fù)雜性的本質(zhì)是空中交通態(tài)勢中的各組成元素在時間、空間上的動態(tài)相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。首先從二維角度建立了空中交通態(tài)勢顯示復(fù)雜性的網(wǎng)絡(luò)模型；在深入挖掘航空器在小范圍內(nèi)聚集現(xiàn)象的科學(xué)問題中，提出了航空器群的概念及其劃分方法。當(dāng)前，該團隊在將研究對象從單個扇區(qū)逐步擴展到多個扇區(qū)的過程中，持續(xù)改進(jìn)模型，已先后建立了多層多級網(wǎng)絡(luò)模型、動態(tài)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型。基于動態(tài)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的空中交通態(tài)勢復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)建模如圖8所示，該網(wǎng)絡(luò)以航空器、航路點、航路段為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并根據(jù)不同類型節(jié)點之間隨時間不斷變化的相互時空關(guān)系為邊，以相互關(guān)系的復(fù)雜性強度為邊權(quán)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型。該模型的好處是可以綜合考慮空中交通態(tài)勢系統(tǒng)中的空域結(jié)構(gòu)、交通流模式等關(guān)鍵要素，并可基于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)視角探討空中交通態(tài)勢復(fù)雜性的演化特征。

圖8 空中交通態(tài)勢復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)建模示意圖［13］Fig.8 Schematic diagram of air traffic situation complexity network［13］

近年來，國內(nèi)其他研究者也開始嘗試將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于空中交通態(tài)勢中的關(guān)鍵節(jié)點識別、沖突解脫、復(fù)雜性評估中，進(jìn)一步拓展了基于復(fù)雜系統(tǒng)觀的空中交通態(tài)勢研究范疇。

6 新一代空中交通管理系統(tǒng)下的復(fù)雜性

當(dāng)前ATM系統(tǒng)源自二戰(zhàn)后建立的雷達(dá)管制體系，由于管制員只能通過雷達(dá)、無線電、導(dǎo)航臺等地基通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備保障航空器安全間隔，也被稱為“地基”ATM。“地基”ATM系統(tǒng)存在兩個不足，一是ATM系統(tǒng)能力受限于管制員個人能力；二是限制了空域資源的充分使用，無法滿足未來空中交通的持續(xù)增長。為此，歐洲和美國紛紛改革當(dāng)前ATM運行概念，在衛(wèi)星導(dǎo)航、數(shù)據(jù)鏈通信、廣域信息管理（System Wide Information Management，簡稱SWIM）、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，簡稱ADS-B）等先進(jìn)技術(shù)支持下的新一代ATM系統(tǒng)中，航空器自主運行則是區(qū)別于“地基”ATM的核心特征，即航空器將在航跡管理方面分擔(dān)管制員保持安全間隔的責(zé)任，如圖9所示。

圖9 空中交通運行方式對比Fig.9 Comparison of air traffic operation modes

在新一代ATM系統(tǒng)中，航空器與空域中其他鄰近航空器以及地面服務(wù)部門之間可相互通訊協(xié)調(diào)，能夠得到實時更新的其他航空器的位置、速度、飛行意圖以及相關(guān)的天氣實況、預(yù)報等。而由于可在飛行過程中修改其飛行剖面用于優(yōu)化飛行里程、燃油消耗等，航空器航跡便具有了較大的靈活性。然而，ATM系統(tǒng)中每一個體的這種靈活性必將影響整個系統(tǒng)的運行性能和安全，尤其當(dāng)處于交通流極度擁擠或多航空器多重相繼沖突的空域態(tài)勢中，每一航空器都需要更多的航跡調(diào)整策略以保障安全，因此這有可能超出機載系統(tǒng)的沖突解脫能力，從而造成空域安全水平下降。而空中交通管理部門通過空中交通復(fù)雜性管理則可在戰(zhàn)略和預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段及時預(yù)測并避免這些態(tài)勢的出現(xiàn)，這也將是新一代ATM系統(tǒng)對空中交通復(fù)雜性研究提出的新需求。

因此，與以往側(cè)重事后復(fù)雜性評估不同，在新一代ATM系統(tǒng)中的復(fù)雜性研究應(yīng)該更關(guān)注其預(yù)測性，并可根據(jù)預(yù)測時長將復(fù)雜性管理劃分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)兩個階段。戰(zhàn)略復(fù)雜性管理應(yīng)該伴隨著航班飛行計劃的制定、調(diào)整等過程的整個生命周期，在對每一航空器、每一可能機動所造成復(fù)雜性的科學(xué)計算下，對航空器的全航跡進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化，其目標(biāo)主要體現(xiàn)在空域中不存在過高復(fù)雜性熱點、戰(zhàn)術(shù)階段復(fù)雜性在各類擾動下的變化量不大、空域所服務(wù)的航空器總量大、航空器總體延誤水平較低且均衡等。戰(zhàn)術(shù)復(fù)雜性管理則基于局部空間范圍（如一個扇區(qū)）、短期時間范圍（如15 min之內(nèi)）內(nèi)更精準(zhǔn)的航跡預(yù)測信息、天氣限制信息等實現(xiàn)航跡的快速調(diào)整，其目標(biāo)是在盡可能遵守戰(zhàn)略復(fù)雜性并避免機載系統(tǒng)及地面系統(tǒng)的飛行沖突探測和解脫超負(fù)荷運行的約束下，實現(xiàn)飛行沖突的快速解脫、最大程度符合不同類型航空器的最優(yōu)飛行性能運行等。

7 展望

即使在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了將近50年的研究之后，測度空中交通和空域復(fù)雜度并將之控制在規(guī)定門限內(nèi)，最終實現(xiàn)基于空中交通復(fù)雜性的管理方面依然存在諸多尚未解決的核心問題。由于空中交通需求的增加、新一代空中交通管理系統(tǒng)的發(fā)展，這些問題的合理解決在未來幾年也將更加迫切。未來，空中交通復(fù)雜性可以在如下四個方面進(jìn)行開展。

（1）空中交通復(fù)雜性定義亟需突破。空中交通復(fù)雜性雖然是國際空管領(lǐng)域的研究熱點，但其定義一直未能統(tǒng)一。大多研究依然受限于當(dāng)前“地基”管制集中決策方式，基于管制員管理交通態(tài)勢的難度或工作負(fù)荷強度來定義空中交通復(fù)雜性。而在以航空器自主保持間隔運行為主要特征的新一代空中交通管理模式中，航空器更為豐富的分布式自主決策行為必將給空中交通態(tài)勢研究帶來新的問題，基于復(fù)雜性本質(zhì)的空中交通態(tài)勢復(fù)雜性定義也亟需突破。

（2）研究對象需要轉(zhuǎn)變。空中交通復(fù)雜性從其誕生起就是以傳統(tǒng)管制方式中單個扇區(qū)或多個扇區(qū)等局部空域為研究對象，對全空域態(tài)勢復(fù)雜性在時空方面的綜合體現(xiàn)考察不足。隨著航空器自主保持間隔概念的發(fā)展，國際同行已逐漸認(rèn)識到基于扇區(qū)分塊運行的復(fù)雜性研究并不足以支撐側(cè)重航跡一體化的航空器自主保持間隔運行，并率先開始轉(zhuǎn)變研究對象。

（3）研究內(nèi)容需要拓展。以往空中交通復(fù)雜性研究主要圍繞影響因素分析、測度體系建立等方面，隨著對問題理解的不斷深入，研究內(nèi)容也不斷拓展到空中交通態(tài)勢演化、控制方面。但總體而言，涉及空中交通態(tài)勢演化的一些本質(zhì)性問題還沒有解決。如空中交通態(tài)勢中各個要素間的耦合關(guān)系如何隨著態(tài)勢的整體演化形成更為復(fù)雜的具有不同層次和功能的耦合網(wǎng)，并如何進(jìn)一步影響演化過程。

（4）理論體系需要完善。目前的研究已從最早采用倚重于管制員經(jīng)驗的主觀測度研究向基于幾何結(jié)構(gòu)觀、復(fù)雜系統(tǒng)觀的客觀測度研究轉(zhuǎn)變，研究者也逐漸試探性引入了非線性系統(tǒng)、分形幾何、復(fù)雜系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中所取得的成果。但總體而言，現(xiàn)有研究對于空中交通態(tài)勢中要素建模、態(tài)勢理解和測度、態(tài)勢演化預(yù)測都沒有建立完整的理論體系。迫切需要以“整體思維”“關(guān)系思維”“動態(tài)思維”“非線性思維”的復(fù)雜系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，構(gòu)建空中交通態(tài)勢復(fù)雜性研究框架。

8 結(jié)束語

對空中交通復(fù)雜性的科學(xué)評價、精準(zhǔn)管控是實現(xiàn)空中交通精細(xì)化管理、從根本上提升空域系統(tǒng)服務(wù)能力的基礎(chǔ)。本文從目前空中交通復(fù)雜性的研究團隊出發(fā)，探討了空中交通復(fù)雜性與管制工作負(fù)荷、空中交通運行安全之間的關(guān)系，總結(jié)了空中交通復(fù)雜性的不同類別，并歸納了現(xiàn)有空中交通復(fù)雜性研究的三種技術(shù)路線，最后結(jié)合新一代空中交通管理系統(tǒng)特征的分析，展望了空中交通復(fù)雜性研究的未來發(fā)展方向。