对流天气下空域通行能力短缺预警及响应综述

对流天气是空域通行能力短缺的主要原因之一。为了解决这一问题,需要通过理论和实践创新,建立对流天气条件下空域通行能力短缺的预警和应急响应机制,提高空域资源配置效率。从对流天气影响信息解释转换、容量评估与预警及空域响应预案三个方面梳理了国内外研究现状,总体趋势是:对流天气逐渐通过各种解释转换模型被量化为对空域和航路的影响;对流天气下空域通行能力主要受管制员工作负荷的限制,只有准确评估对流天气下的工作负荷,才能做出正确的通行能力短缺预警;对流天气响应方案,逐渐由地面等待、增加同航迹间隔、返航、备降等高耗能的流量控制措施,转向以灵活使用空域预案确保改航方案的实施方向发展。课题的应用前景是可以化解对流天气下交通需求与空域通行能力不平衡的矛盾,提高预警准确度,减少响应前置时间,提高流量管理与容量管理协同运行的效率,减轻对流天气造成的航班延误,减少航空器运行成本,实现节能减排的要求。     

美国空中交通流量管理体系及其对我国流量管理建设的启示（二）

(续上期)协同决策(Collaborative Decision Making)一般来说,管制部门的主要任务是:间隔航空器、充分利用空域资源和避免管制员工作量过载。而航空公司的主要任务包括:保证航班正点起飞并准时飞抵目的地、确保旅客转机、航班和飞行机组的衔接、降低燃油消耗。当出现恶劣天气等不正常因素时,流量管理中心与航空公司、以及空域其他用户之间密切合作,确保最大限度地实现各方目标,联邦航空局称这种合作为“协同决策”(CDM)。     

基于Netlogo的终端区进场交通流建模与仿真

终端区进场交通流特性参数研究对于解决复杂空域结构下航空器拥堵、航班延误具有重要的实际意义。基于元胞传输模型将进场航线划分元胞,并且在数理推导的基础上,基于Netlogo仿真建模平台搭建进场交通流元胞传输模型仿真环境,对进场交通流的宏观涌现行为进行仿真模拟,得到交通流基本参数速度、流量、密度之间演变趋势。研究结果表明,终端区进场交通流三大基本参数之间存在明显的数量关系,关系曲线相对应分为自由流、拥挤流和阻塞流三种状态,并且受到管制间隔、飞行程序、管制策略的影响。利用相关研究成果,可通过改变管制策略、调整管制间隔、优化飞行程序的方法使得交通流特性向着可预知的方向演变,因此对终端区交通态势的判断具有应用价值。     

恶劣天气条件下航路网络修复优化

针对恶劣天气条件下可用空域资源不足导致的航班大面积延误问题,基于复杂网络修复理论和交通流分配理论,借鉴交通网络设计思想提出了一种航路网络修复优化策略。首先,建立了航路网络修复场景,基于气象信息生成了恶劣天气飞行受限区。然后,建立了上层模型以修复成本最低为目标函数、下层模型为多约束交通流分配模型的双层规划修复模型,应用改进粒子群算法对模型整体进行求解,结合K最短路径算法对下层模型进行求解。最后,提出局部和全局两类指标对航路网络修复效果进行评估。基于典型航路网络,以两类基础修复策略为对比方法,同时对比了实际运行结果,研究了不同修复策略的修复效果和适用性。仿真结果表明：航路网络修复优化策略既能弥补原有拓扑结构修复策略的结构受限不足,又能解决拓扑结构调整修复策略带来的巨额协调费用问题,能够保证在对正常运行航班干扰最小的同时,以最小的修复成本使所有受影响的航班都恢复正常运行,对于减缓航路拥堵和航班延误有极大的意义。     

空中交通网络流量短期概率预测方法

流量预测是空中交通流量管理的重要内容。为提高空中交通流量预测的准确性和时效性,减小空域拥堵和航班延误,促进空中交通流快速、高效的运行,在确定性流量预测方法的基础上研究空中交通网络流量短期概率预测方法。通过分析不确定性因素影响航空器飞行时间的概率分布规律,建立了不确定性条件下航空器航段经验飞行时间和偏差数据库,提出了空中交通网络流量短期概率计算方法及预测算法。实例验证结果表明,所提概率预测方法与确定性预测方法相比更接近实际运行结果,预测准确率提高了18.6%,更能适用于复杂多变的空中交通环境。     

基于速度分布的纵向碰撞危险REICH模型初步研究

随着空中交通流量的快速增长,迫切需要缩小间隔标准,提高空域容量和减少航班延误。针对纵向间隔,为计算飞机间的纵向碰撞率提供了一种新方法。首先,研究了飞机速度分布情况,建立了纵向碰撞概率模型;然后,以概率论为工具,根据纵向碰撞概率和REICH模型,建立了纵向碰撞危险模型,推导出了计算纵向碰撞率的方法;并利用概率论中的3 s法则,分析了初始距离、纵向碰撞概率、飞行时间以及飞机速度均方差等对纵向碰撞率的影响;最后,通过仿真算例和分析讨论得出130 km的纵向间隔安全可行,可为确定航路飞行过程中飞机间纵向间隔提供参考。     

突发事件下大规模空中交通流量管理的组合优化模型

为了解决危险天气和军航活动对管制运行的影响，使用动态网络流方法对突发事件下短期空中交通流量调度问题展开研究。首先，结合中国民航管制的特点，分析了突发事件对流量管理的影响。同时，根据航路航线网络及其高度层的特点，给出了网络和高度层的数学描述，并根据机型将航空器分成大、中和小3种交通流，介绍了使用多品种流描述3种机型的必要性；其次，根据网络拥挤程度随时间和流量变化的特点、危险天气随机变化的特点、空中等待和地面等待费用差异的特点构建了3个优化目标，考虑机场容量、扇区容量、航班连续性和扇区连续性约束建立了多目标优化模型；再次，针对军航活动时需要协调空域的特点，多品种流模型求解时间复杂度高，不能适应短期流量管理的缺陷，改进了逐步宽容约束法，设计了一种阶段式求解的近似算法；最后，以西南空管局管制的空域为例，利用实际流量数据，设计了3个场景进行仿真。结果表明，所提模型和算法能有效求解突发事件下的短期流量调度问题，算法效率比起传统算法在大流量下更具优势。     

基于飞行需求的航路动态管理

针对空域与飞行需求日益突出的矛盾,以及目前空域管理运行模式难以满足持续增长的飞行需求,提出了一个航路动态调整模型.模型在考虑空管的实施情况、空中交通流量情况和天气情况相关的条件下,对航路进行动态调整,动态的开放和使用临时航路,优化航路区域容量从而减轻航班延误.然后利用动态规划及整数规划方法相结合,求解模型得出航路动态调整的最优方案.最后利用典型空域进行了验证,结果表明所建立的模型能够大大减少航班延迟成本与航路管理成本,优化空中交通的顺畅运行.     

不同管制方法下空域运行的燃油经济性与仿真分析

为了提高空域运行的燃油经济性,提出了不同管制方案下空域运行的燃油经济性模型,通过仿真实验．对比分析了不同管制方案和飞机群体在空域运行的燃油消耗量。实验结果表明：通过使用该模型可以从管制方法上节省整体空域中飞机群体的燃油消耗,同时证明了该模型的可行性。指出了不同管制方法对空域运行的燃油经济性的影响和空管绩效评估的一项新指标。     

TBO模式下终端区进场交通流优化模型与仿真分析

持续增长的交通需求量和日趋饱和的可用空域资源促使未来空中交通管理向基于航迹运行（TBO）的精细化管理模式转变。在TBO概念的基础上，依据目前繁忙机场终端区常见进场航线结构，提出了对应TBO模式下的截点直飞方式与融合点方式进场交通流优化模型，并以法国戴高乐机场终端区为例，构建了仿真运行环境。基于实际飞行计划与雷达记录轨迹模拟生成了航空器四维航迹，而后运用上述2种模型对进场交通流进行了优化，根据仿真结果对特定交通流参数展开了对比分析。研究结果表明，模型可通过航迹选择、时隙分配、顺序交换及动态间隔等方式有效化解终端区内潜在的航空器冲突并保持交通流安全高效运行，同时在一定程度上揭示了TBO模式下交通流的部分运行特性，为以四维航迹为核心的未来空中交通管理策略提供了理论支持。     

空中交通管制员技能评估主成分分析方法

为改善空中交通管制员技能评估方法,以管制员作业结果评估为立足点,建立了涵盖空中交通流密度、管制运行安全性能、管制运行效率性能及管制员工作负荷等4类因子的管制员技能定量评估指标体系,并给出了基于主成分分析法的管制员技能定量评估方法。经各等级管制员雷达模拟机多场景测试验证,采用新方法对100个测试样本的评估结果符合实际;相比通过管制教员观察管制员作业过程得出人工评定结果的传统方法,新方法的科学性、客观性及适用性更优。     

受限航路空域自主航迹规划与冲突管理技术

为了解决在基于航迹运行的空中交通管理自动化系统中人机意识同步的问题，以航路运行为对象，开展了面向受限空域的自主四维航迹（4DT）冲突探测与解脱（CD&R）技术研究。基于自由航线空域（FRA）环境，提出基于栅格的空域离散化处理与计算方法；在此基础上，提出受限空域自主航迹运行两阶段方法：阶段1运用可视图（VG）法和Dijkstra算法，实现了满足限制区约束的航空器期望航迹快速规划；阶段2提出航迹可达时空域模型及其图形化表达方法，并基于连续飞行动力学推导出了不同情况下的航空器位置更新模型，并采用局部冲突探测与解脱方法，以飞行距离最短为目标，实现航空器自主路径与速度联动规划，从而支撑空地、人机认知同步的无冲突四维航迹生成；最后，以中国西部典型空域为运行场景开展仿真实验，验证了所提方法的计算高效性和模型有效性，并对栅格尺寸和探测距离这2个关键参数进行了灵敏度分析。结果表明，所提方法能够支撑复杂空域高密度运行环境自主航迹运行，为推动自主空中交通系统发展提供了新思路和新方法。     

空中交通流量信息发布系统数据规划研究

由于缺乏对空中交通信息的共享,在空中交通流量不断增长的状况下,一方面管制员的负荷不断增加,另一方面造成空域资源的浪费和大量的航班延误,所以有必要建立空中交通流量信息发布系统向民航各部门发布统一的信息.数据库是信息发布系统的核心,所以对数据进行规划是数据库建设的基础性工作.参考美国的空中交通管制系统指挥中心(ATCSCC)的信息发布系统的相关内容,对我国的空中交通流量信息发布系统的数据规划进行了研究,建立了系统的业务模型,分析绘制了系统数据流程图,说明了系统数据模型的建立过程.     

基于交通波模型的交叉点航班排序研究

为了缓解在终端区的航班延误问题,保证空中交通的安全有效运行,引入交通波模型针对交叉点航班的排序进行研究,首先对交通波模型的具体原理以及在空中交通管理问题中的应用进行分析,然后构建以延误成本为目标函数的排序模型,结合交通流的实际运行状况进行分析,确定决策变量.最后进行仿真实验,实验结果显示这种方法的总延误成本要小于FCFS算法,可以证明基于交通波模型的交叉点航班排序方法是有效的.     

考虑危险天气的终端区动态容量评估

危险天气是影响航空运输飞行安全和导致航班延误的重要原因。随时间变化的危险天气决定了空域的动态容量。准确、及时的动态容量预测可以提高飞行安全性,也可以提高管制员的工作效率。在分析随时间变化的危险天气的基础上．提出用实时飞行受限区划设来表征危险天气：并给出了终端区空域网络图;应用最大流最小割理论找到受天气影响的终端区空域容量的瓶颈,建立了终端区动态容量评估模型;通过对某终端区危险天气进行算例分析．验证了模型的有效性和可行性。     

Preoperational testing of data link-based air traffic managementsystems in Magadan, far East Russia

The Global Positioning System (GPS) has been used in many ways which were unimagined by its original planners and implementers. This paper discusses one such application; the surveillance of commercial aircraft in a developing airspace environment. GPS provides system users with the ability to determine their own position with an accuracy, reliability and cost that is unprecedented. Voice procedures augmented by radar have been the primary tools for air traffic surveillance since the end of World War II. But for some countries the equipage of aircraft with GPS and a data link capable of carrying position reports to the ATC authorities is providing a viable alternative to long-range secondary radar systems. In the summer and fail of 1995, ARINC installed and demonstrated equipment in Magadan, Russia which permits air traffic controllers of MagadanAeroControl to monitor GPS position reports generated by aircraft as far away as Canada and the South Pacific. The position reports were displayed against maps and flight tracks. This equipment has clearly demonstrated an alternative technology for the upgrading of the ATC system in Siberia and other remote areas