季節(jié)　王超學(xué)

摘 要： 航班總量的持續(xù)增長使得航班安全保障的壓力不斷加大。在空域資源有限、航空管制工作繁重的大型國際機(jī)場，航班動態(tài)信息的準(zhǔn)確、可靠性將為制定有效地管制調(diào)配措施提供有力的依據(jù)。為了準(zhǔn)確預(yù)測特定區(qū)域中某個航路點在某一時間段的航班流量，給管制人員提供參考，便于提前靈活、合理地制定管制策略，避免空域資源浪費，為各級決策部門制定發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃提供重要依據(jù)?；诓煌桨嗔髁啃畔⒃唇⒔M合預(yù)測模型，通過遺傳算法對組合模型的權(quán)重值進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)西安管制區(qū)域構(gòu)建出了空域流量預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)架。

關(guān)鍵詞： 空中交通； 航班動態(tài)； 流量預(yù)測； 組合預(yù)測； 遺傳算法

中圖分類號：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）03-27-03

0 引言

隨著改革開放和國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國民航迎來了空前的發(fā)展機(jī)遇[1]。根據(jù)民航總局2003年至2012年民航機(jī)場生產(chǎn)統(tǒng)計公報顯示，我國民航發(fā)生了翻天覆地的變化。2003年，民航國內(nèi)通航機(jī)場126個（不含香港和澳門），定期航班通航城市125個；2012年，我國境內(nèi)民用航空機(jī)場共有183個，定期航班通航城市178個[2]。在民航業(yè)整體運營中起到關(guān)鍵作用的空管部門所掌握的數(shù)據(jù)、信息是否準(zhǔn)確十分重要?？沼蛄髁款A(yù)測系統(tǒng)是一套能夠適應(yīng)當(dāng)前和今后空管自動化體系發(fā)展要求的信息處理系統(tǒng)。本文結(jié)合空域流量預(yù)測系統(tǒng)在西安管制區(qū)域內(nèi)的實際應(yīng)用，對如何準(zhǔn)確預(yù)測特定區(qū)域中某個航路點在某一時間段的航班流量進(jìn)行分析、探討，為空管人員提前、靈活、合理地制定管制策略，避免空域資源浪費，以及為各級決策部門制定發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃提供重要依據(jù)。

1 空域流量預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用的必要性

空中交通管理是民用航空運輸業(yè)安全的核心。高度的信息化管理為航空器安全起飛和著陸，使航空器之間保持安全的飛行間隔起到了不可忽視的保障作用。近年來，國家對西部經(jīng)濟(jì)的有力扶持促進(jìn)了西安區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，西安咸陽國際機(jī)場作為全國第八大國際機(jī)場，其航班年增長量排到了全國第四位。目前，西安管制區(qū)域受到了一些因素的限制，經(jīng)常會出現(xiàn)在某一時間段內(nèi)或空域內(nèi)的航班過于集中和擁堵的現(xiàn)象。這些因素包括：周邊管制區(qū)域限制，終端的排序要求，管制區(qū)內(nèi)雷達(dá)覆蓋及通訊設(shè)備使用效果欠佳，西安咸陽國際機(jī)場停機(jī)位數(shù)量、地面保障能力有限，以及區(qū)域內(nèi)復(fù)雜天氣的影響等，這些不利因素導(dǎo)致了飛行沖突頻繁、管制調(diào)配難度增大、航班延誤等問題。這不僅增加了空管的工作負(fù)荷，給航空公司帶來了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時也引起了旅客滿意度下降等多種負(fù)面影響。因此，提高區(qū)域內(nèi)空中交通管制工作容量和質(zhì)量成為難題，科學(xué)地實行空中交通流量的監(jiān)控和管理是解決問題的關(guān)鍵。

預(yù)測學(xué)運用觀察、歸納、演繹、推理等分析方法，運用數(shù)學(xué)模型和試驗方法，根據(jù)客觀的歷史資料、實際經(jīng)驗和教訓(xùn)，研究客觀事物的發(fā)展趨勢和規(guī)律，從而在技術(shù)上保證預(yù)測結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。需求預(yù)測是預(yù)計未來在運輸系統(tǒng)內(nèi)或?qū)嵤┲锌赡軙卸嗌俳煌炕蚩停ㄘ洠┻\輸量。預(yù)測的目的在于研究和掌握事物的發(fā)展規(guī)律，最終使人們對事物的未來發(fā)展有一個估計和推斷[3]。要合理安排空域需要預(yù)測流量、制作預(yù)案?，F(xiàn)行的航班統(tǒng)計與流量預(yù)測數(shù)據(jù)的生成采用人工手段、在數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)統(tǒng)計時效性、流量預(yù)測準(zhǔn)確性等方面均有所欠缺?？沼蛄髁款A(yù)測系統(tǒng)的開發(fā)，可使流量預(yù)測更準(zhǔn)確地幫助空中交通管制員獲得未來時段內(nèi)的飛行流量變化、預(yù)先做好計劃和預(yù)案、降低盲目飛行流量管理對航班正常率的影響、有準(zhǔn)備地應(yīng)對重大和突發(fā)事件，為管理部門制定更有效、合理的飛行計劃提供參考數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)緩解空域流量擁堵、完善流量控制預(yù)案、提高管制工作安全運行能力的目的。

2 基于遺傳算法的流量組合預(yù)測模型研究

組合預(yù)測方法是基于一個基本假設(shè)，即只用一種方法不能夠精確地描述出預(yù)測過程和預(yù)測結(jié)果，多個方法的組合可以彼此彌補各自模型存在的不足，可以說，組合預(yù)測法同時聚集了多種單個預(yù)測方法的優(yōu)點，其預(yù)測效果明顯地優(yōu)于單個預(yù)測方法。在利用組合模型預(yù)測流量的時候，首先，以誤差方差之和最小為目標(biāo)建模；其次，要根據(jù)不同預(yù)測方法的特點進(jìn)行綜合分析建模；最后，應(yīng)用適合的優(yōu)化算法確定預(yù)測模型各參數(shù)的權(quán)重，以保證預(yù)測結(jié)果的精確性[4]。組合算法的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確地確定各種預(yù)測方法的加權(quán)系數(shù)，最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)可以充分利用各單項預(yù)測方法的優(yōu)點使組合預(yù)測效果達(dá)到最佳[5]。

遺傳算法（Genetic Algorithm）是模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過程的計算模型，它是由美國Michigan大學(xué)J.Holland教授于1975年首先提出來的。GA是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法，它具有大規(guī)模并行隨機(jī)搜索能力，尋優(yōu)能力強，收斂速度快，適合解決復(fù)雜的全局優(yōu)化問題， 在解決空中交通管理問題中也有成功的應(yīng)用[6-7]。

本文以西安地區(qū)空域AR03扇區(qū)2012年8月份30天的航班流量為樣本數(shù)據(jù)（包括航班時刻表、PLN報文、管制經(jīng)驗信息數(shù)據(jù)），應(yīng)用遺傳算法，按照組合預(yù)測算法的思路，對流量組合預(yù)測模型的權(quán)重值進(jìn)行優(yōu)化，其參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 遺傳算法參數(shù)值的設(shè)置

[參數(shù)名稱＼&參數(shù)值＼&交叉算法＼&單點交叉＼&群體規(guī)模＼&100＼&變量個數(shù)＼&3＼&適應(yīng)度函數(shù)＼&＼&最大迭代次數(shù)＼&500＼&各個體生存概率＼&＼&交叉概率＼&0.3＼&變異概率＼&0.25＼&]

表1模型中航班時刻表、PLN報和管制員工作經(jīng)驗權(quán)重應(yīng)用遺傳算法分別評估為0.203、0.286、0.511。表2列出了該扇區(qū)某月30天流量的實際值以及分別用根據(jù)航班時刻表預(yù)測、PLN報文預(yù)測和管制員經(jīng)驗信息預(yù)測所得出的預(yù)測值。以當(dāng)月1日為例：（0.203×679+0.286×698+0.511×692）≈690，即組合預(yù)測表明，在這一天該機(jī)場將會有690架飛機(jī)進(jìn)、離場。表2中各縮寫的意義為：SLZ-實際流量值；LYZ-流量預(yù)測值；WC%-流量誤差百分比（[LYZ-SLZ]/SLZ*100%）。

表2 各種預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果的比較

[時間＼&SLZ＼&航班時刻表預(yù)測＼&PLN報文預(yù)測＼&管制經(jīng)驗信息預(yù)測＼&組合預(yù)測＼&LYZ＼&WC%＼&LYZ＼&WC%＼&LYZ＼&WC%＼&LYZ＼&WC%＼&0801＼&687＼&679＼&1.164＼&698＼&1.161＼&692＼&0.728＼&690＼&0.364＼&0802＼&677＼&670＼&1.034＼&685＼&1.182＼&685＼&1.182＼&681＼&0.548＼&0803＼&709＼&703＼&0.846＼&717＼&1.128＼&702＼&0.987＼&705＼&0.518＼&0804＼&685＼&680＼&0.730＼&693＼&1.168＼&690＼&0.730＼&688＼&0.401＼&0805＼&638＼&631＼&1.097＼&643＼&0.784＼&641＼&0.47＼&639＼&0.086＼&0806＼&616＼&610＼&0.974＼&623＼&1.136＼&621＼&0.812＼&618＼&0.367＼&0807＼&670＼&678＼&1.194＼&676＼&0.896＼&667＼&0.448＼&672＼&0.294＼&0808＼&672＼&680＼&1.190＼&679＼&1.042＼&673＼&0.149＼&676＼&0.628＼&0809＼&694＼&691＼&0.432＼&706＼&1.729＼&696＼&0.288＼&697＼&0.374＼&0810＼&678＼&665＼&1.917＼&689＼&1.622＼&671＼&1.032＼&673＼&0.747＼&0811＼&682＼&673＼&1.320＼&697＼&2.199＼&676＼&0.88＼&679＼&0.381＼&0812＼&671＼&662＼&1.341＼&683＼&1.788＼&678＼&1.043＼&674＼&0.512＼&0813＼&635＼&624＼&1.732＼&643＼&1.260＼&630＼&0.787＼&631＼&0.643＼&0814＼&675＼&662＼&1.926＼&681＼&0.889＼&679＼&0.593＼&675＼&0.067＼&0815＼&685＼&673＼&1.752＼&695＼&1.460＼&692＼&1.022＼&687＼&0.318＼&0816＼&678＼&689＼&1.622＼&695＼&2.507＼&686＼&1.18＼&689＼&1.575＼&0817＼&698＼&686＼&1.719＼&708＼&1.433＼&690＼&1.146＼&693＼&0.787＼&0818＼&686＼&681＼&0.729＼&693＼&1.020＼&689＼&0.437＼&688＼&0.222＼&0819＼&675＼&663＼&1.778＼&686＼&1.630＼&679＼&0.593＼&676＼&0.125＼&0820＼&624＼&633＼&1.442＼&629＼&0.801＼&628＼&0.641＼&630＼&0.903＼&0821＼&679＼&670＼&1.325＼&685＼&0.884＼&672＼&1.031＼&674＼&0.727＼&0822＼&689＼&681＼&1.161＼&697＼&1.161＼&684＼&0.726＼&686＼&0.468＼&0823＼&694＼&680＼&2.017＼&703＼&1.297＼&699＼&0.720＼&694＼&0.054＼&0824＼&699＼&690＼&1.288＼&706＼&1.001＼&704＼&0.715＼&700＼&0.201＼&0825＼&706＼&693＼&1.841＼&713＼&0.992＼&701＼&0.708＼&701＼&0.688＼&0826＼&674＼&667＼&1.039＼&679＼&0.742＼&678＼&0.593＼&675＼&0.157＼&0827＼&679＼&670＼&1.325＼&681＼&0.295＼&678＼&0.147＼&676＼&0.395＼&0828＼&688＼&678＼&1.453＼&695＼&1.017＼&692＼&0.581＼&689＼&0.088＼&0829＼&699＼&690＼&1.288＼&705＼&0.858＼&695＼&0.572＼&696＼&0.487＼&0830＼&686＼&681＼&0.729＼&692＼&0.875＼&689＼&0.437＼&687＼&0.193＼&平均誤差＼&1.324＼&1.243＼&0.733＼&0.458＼&]

從表2可知，組合預(yù)測方法的預(yù)測誤差為0.458%，分別根據(jù)航班時刻表、PLN報文、管制員工作經(jīng)驗信息進(jìn)行流量預(yù)測的預(yù)測誤差分別1.324%，1.243%，0.733%。可見組合預(yù)測值與實際流量值間的誤差最小，更接近實際航班流量。

圖1給出了四種預(yù)測算法的誤差比較，其中，組合預(yù)測誤差曲線總體上在其他三種算法誤差曲線下方，這也從側(cè)面說明通過組合預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果精度明顯優(yōu)于其他預(yù)測方法。（圖1中：SCH為基于航班時刻表預(yù)測結(jié)果；FPL主要為基于PLN報文預(yù)測結(jié)果；EXP為基于管制員經(jīng)驗數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果；COM為3種數(shù)據(jù)源組合預(yù)測結(jié)果。）

圖2是組合預(yù)測值與實際值比較，從圖2中可以看出，組合預(yù)測流量曲線幾乎與實際流量曲線相重疊，由此可看出組合預(yù)測流量與實際流量相當(dāng)接近。

圖1 四種預(yù)測算法誤差的比較

圖2 未考慮隨機(jī)因素時組合預(yù)測值與實際值比較

3 空域流量預(yù)測系統(tǒng)的基本構(gòu)架

空域流量預(yù)測系統(tǒng)的構(gòu)建不僅需要有效結(jié)合上述組合預(yù)測的模型算法，還應(yīng)明確預(yù)測的對象、內(nèi)容和目標(biāo)。通過對西安區(qū)域管制工作進(jìn)行需求調(diào)研和分析，其基本流量預(yù)測需求應(yīng)滿足如下功能。

⑴ 系統(tǒng)可以預(yù)測指定空域單元在未來某一時段內(nèi)的航班流量，并且，預(yù)測過程中要考慮隨機(jī)因素的影響，盡可能提高預(yù)測的實時性和精確度。

⑵ 系統(tǒng)的流量預(yù)測結(jié)果可以多種方式顯示輸出，比如柱狀圖、點圖、曲線圖和列表等。

⑶ 系統(tǒng)的相關(guān)查詢指標(biāo)應(yīng)用顏色、標(biāo)記等方式醒目標(biāo)識功能，為用戶提供便捷的使用界面，便于用戶對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析、對比和統(tǒng)計。例如，當(dāng)空域的航班流量超過空域服務(wù)容量時需要發(fā)出紅色告警。

⑷ 系統(tǒng)可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，查看選定空域（航線、扇區(qū)、終端區(qū)）、機(jī)場航班流量的分布與發(fā)展趨勢，并可實現(xiàn)根據(jù)查詢條件對航班信息進(jìn)行篩選、排序等功能。

⑸ 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息維護(hù)功能。操作人員可通過人機(jī)界面對相關(guān)航班流量信息進(jìn)行查詢、修改、保存、刪除等操作。

據(jù)此，設(shè)計空域流量預(yù)測系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。其模塊功能簡述如下。

⑴ 參數(shù)管理塊，該模塊用于執(zhí)行流量預(yù)測前對預(yù)測參數(shù)的檢驗、修正、保存等功能，完成預(yù)測前的初始化工作。

⑵ 流量預(yù)測模塊，即系統(tǒng)的核心模塊。該模塊完成進(jìn)港、離港、飛越、全部四種條件下的流量預(yù)測功能。

⑶ 報告點查詢模塊，該模塊根據(jù)用查詢設(shè)定的報告查詢條件和時間段，可查詢出選定報告點相關(guān)聯(lián)的所有航班詳細(xì)信息，為管制人員提供航路報告點的航班流量信息，為制定流量管理策略提供參考依據(jù)。

⑷ 視圖模塊，該模塊完成流量預(yù)測結(jié)果的圖形顯示，主要包括四種圖形：時刻-架次圖、時刻-航班圖、時刻-點圖、時刻曲線圖，時間軸和圖形以柱狀、離散點狀、曲線三種表現(xiàn)形式繪制。

[流量預(yù)測邏輯功能層次圖][參數(shù)管理][流量預(yù)測][報告點查詢][視圖模塊][預(yù)測時間間隔＼&飛行區(qū)域及航路點＼&預(yù)測日期及時間段＼&航班時間類型預(yù)測＼&][進(jìn)港流量預(yù)測＼&離港流量預(yù)測＼&飛越流量預(yù)測＼&全部飛行狀態(tài)預(yù)測＼&][時刻架次視圖＼&時刻航班視圖＼&時刻點視圖＼&時刻曲線圖＼&][查詢條件編輯＼&條件節(jié)點編輯＼&報告點查詢＼&]

圖3 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

空域流量預(yù)測系統(tǒng)可以根據(jù)流量管理的需要，選擇預(yù)測時段及空域信息（包括扇區(qū)范圍、航線、航路點與報告點位置）。之后對所選時段的航班信息包括航班時刻表、PLN報文、管制經(jīng)驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行調(diào)取（其中數(shù)據(jù)信息可以進(jìn)行人工錄入或修正），啟動基于遺傳算法的流量組合預(yù)測程序，對航班信息優(yōu)化預(yù)測，選擇輸出結(jié)果的信息類型如T-N（時刻-架次）、T-P（時刻-航班）。流量預(yù)測系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

[流量預(yù)測開始] [選定預(yù)測區(qū)域、時間] [航班信息數(shù)據(jù)庫][基于遺傳算法的組合預(yù)測程序][選擇輸出信息類型（T-N、T-P）][預(yù)測結(jié)果輸出] [航線、航路點、

扇區(qū)數(shù)據(jù)庫][航班時刻表][PLN報文][管制經(jīng)驗信息]

圖4 流量預(yù)測系統(tǒng)工作流程

流量預(yù)測系統(tǒng)部分預(yù)測功能簡述如下。

⑴ 航班執(zhí)行狀態(tài)預(yù)測：根據(jù)設(shè)定的預(yù)測項目（即航班執(zhí)行狀態(tài)中進(jìn)港、離港、飛越、全部四種狀態(tài)之一），預(yù)測出所有滿足執(zhí)行狀態(tài)條件的航班流量。

⑵ 航班時間類型預(yù)測：根據(jù)航班的活動狀態(tài)（起飛、落地、飛越）設(shè)定時間類型，即每種航班活動狀態(tài)對應(yīng)的實際、預(yù)計、計劃、延時四種航班時刻為流量預(yù)測的分類尺度，預(yù)測出所有滿足時間類型條件要求的航班流量。

⑶ 流量預(yù)測結(jié)果查詢：對先前的流量預(yù)測結(jié)果進(jìn)行查詢，根據(jù)輸入的查詢條件（可以是單位航班號、起飛站、落地站、機(jī)型等信息）和查詢?nèi)掌谶x項（指當(dāng)天或當(dāng)前顯示）對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行模糊查詢，并將查找結(jié)果顯示在列表區(qū)域中。

⑷ 流量預(yù)測歷史結(jié)果回放：將保存的歷史流量預(yù)測數(shù)據(jù)讀取出來進(jìn)行反序列化后，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識別的流量預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)，并以圖形形式顯示到繪圖區(qū)域。此功能用于管制人員對歷史預(yù)測場景進(jìn)行重現(xiàn)，為其對歷史流量預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)查詢、分析提供便利。

4 結(jié)束語

空域流量預(yù)測系統(tǒng)的開發(fā)是對西安空域的航班流量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測處理所展開的有益嘗試與探索。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠減輕空中交通管制員的工作量和工作強度，對保障航班正常性和飛行安全，提高空管服務(wù)質(zhì)量也將起到積極地促進(jìn)作用。目前，該系統(tǒng)的各部分可拓展功能仍在進(jìn)一步完善之中，相信在不久的將來，它將在空管一體化的整體構(gòu)架中發(fā)揮更加重要的作用。

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