趙嶷飛，王夢(mèng)琦

中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300

2006年，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》[1]中，將“新一代國(guó)家空中交通管理系統(tǒng)”列為優(yōu)先主題。經(jīng)歷15年探索和實(shí)踐，以保障飛行安全、提升效率為目標(biāo)的空中交通管理系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，空域管理、交通流管理、間隔管理技術(shù)全面升級(jí)的同時(shí)，技術(shù)體系也逐步形成。本文以構(gòu)建空中交通管理學(xué)科為目標(biāo)，歸納整理現(xiàn)有研究工作，同時(shí)借鑒地面交通工程學(xué)理論和方法，從空中交通工程學(xué)定義、科學(xué)問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)梳理出發(fā)，構(gòu)建學(xué)科知識(shí)體系，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 空中交通管理概念

國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)空中交通服務(wù)附件(附件11，第15版，2018年)[2]中，將空中交通定義為：空中飛行或者機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)運(yùn)行的全部航空器。其中機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)(Maneuvering Area)是指機(jī)場(chǎng)內(nèi)供航空器起飛、著陸和滑行的部分，但不包括停機(jī)坪。機(jī)動(dòng)區(qū)和停機(jī)坪合稱為活動(dòng)區(qū)(Movement Area)或空側(cè)(Air Side)。

ICAO《空中交通管理》(Doc 4444，第16版，2016年)[3]中，對(duì)空中交通管理的定義是：以安全、經(jīng)濟(jì)和高效為目標(biāo)，依靠各類地面和機(jī)載的設(shè)施設(shè)備的不間斷服務(wù)與協(xié)同配合，通過(guò)空中交通服務(wù)(Air Traffic Service，ATS)、空域管理(Airspace Management，ASM)和空中交通流量管理(Air Traffic Flow Management，ATFM)等方式，對(duì)空中交通和空域進(jìn)行動(dòng)態(tài)和一體化管理。

根據(jù)以上定義，空中交通管理概念如圖1所示。在空中或者機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)，飛行員按照既定的飛行計(jì)劃，在空中交通管制員(Air Traffic Controller，以下簡(jiǎn)稱管制員)指揮下飛行，生成包括位置、高度、速度、航向、偏航角度、俯仰角度、滾轉(zhuǎn)角度等航行諸元的飛行航跡。在航空器誕生初期，飛行員主要靠目視觀察航行諸元。20世紀(jì)20年代，高度表、速度表、磁羅盤(pán)、姿態(tài)指示器、無(wú)線電定向儀等機(jī)載航行儀表及地面無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)建成后，飛行員轉(zhuǎn)而依靠?jī)x表掌握飛行狀態(tài)，按照導(dǎo)航設(shè)施規(guī)劃的飛行程序和空中交通規(guī)則，在管制員指揮下，控制航空器位置、高度、速度和航向。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)等星基導(dǎo)航系統(tǒng)逐漸完善，衛(wèi)星導(dǎo)航開(kāi)始逐步取代地基設(shè)備，成為主用航空導(dǎo)航源。

圖1 空中交通管理概念

空中交通管理過(guò)程中，管制員通過(guò)飛行員報(bào)告、雷達(dá)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)等手段和監(jiān)視設(shè)備，掌握航空器位置、高度、速度等信息，然后直接對(duì)飛行員發(fā)出控制指令。按照ICAO空中交通規(guī)則，執(zhí)飛儀表飛行程序(Instrument Flight Rules，IFR)的飛行員必須按照指令控制控制航空器位置、高度、速度和航向。在這一過(guò)程中，管制員事實(shí)上取代了飛行員，成為航空器行為的實(shí)際控制者。在繁忙的管制空域扇區(qū)(根據(jù)交通流特征和管制員工作量，將空域細(xì)分為多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由一名管制員指揮)中，管制員常常需要同時(shí)指揮10架以上的航空器。

空中飛行、地面指揮的空中交通管理方式，并非一蹴而就，而是經(jīng)歷近百年發(fā)展演化，最終形成。

2 空中交通管理發(fā)展歷程

與火車、輪船等交通工具發(fā)展歷程類似，航空器誕生之初主要用于飛行表演。1911年前后，歐美第一批定期運(yùn)輸業(yè)務(wù)開(kāi)通，航空器開(kāi)始成為使貨物、旅客地理位置上轉(zhuǎn)移的運(yùn)輸工具，天空中真正出現(xiàn)了來(lái)往通達(dá)的空中交通。此后100多年，在交通量增長(zhǎng)和航空安全壓力推動(dòng)下，今天的空中交通管理系統(tǒng)逐漸形成。本文主要參考美國(guó)發(fā)展歷史，概述這一發(fā)展過(guò)程。

2.1 空中規(guī)則(20世紀(jì)20年代之前)

1903年12月17日，美國(guó)發(fā)明家萊特兄弟，研發(fā)成功“飛行者一號(hào)”航空器，完成人類歷史上首次可控制的、比空氣重飛行，航空時(shí)代從此來(lái)臨。航空器發(fā)明初期，公眾對(duì)飛行的狂熱，催生出歐美各大城市興建機(jī)場(chǎng)、組織飛行表演的熱潮。早期飛行表演中，觀眾、航空器活動(dòng)不受約束，摔飛機(jī)、傷觀眾事件時(shí)有發(fā)生。1908年9月17日，萊特兄弟中的Orville Wright在飛行表演時(shí)，螺旋槳斷裂，航空器失控墜入觀眾中，1名觀眾死亡。1912年5月30日，美國(guó)西雅圖某機(jī)場(chǎng)飛行表演時(shí)，1名觀眾突然沖到正在起飛的航空器前方拍照，飛行員緊急避讓沖向看臺(tái)，造成觀眾2死12傷。

1913年，面對(duì)嚴(yán)重的安全形勢(shì)，柏林約翰內(nèi)斯塔爾(Johannisthal)機(jī)場(chǎng)出臺(tái)飛行表演10項(xiàng)規(guī)定，明確要求航空器之間、航空器與地面觀眾之間，保持足夠安全距離；要求航跡交叉的兩架航空器，右側(cè)航空器擁有“航行優(yōu)先權(quán)(Right of Way)”，左側(cè)航空器必須主動(dòng)避讓。這10項(xiàng)規(guī)定很快在歐洲各國(guó)機(jī)場(chǎng)流行起來(lái)。1919年，世界上第1個(gè)國(guó)際航空公約——《巴黎公約》中，為“減少重于空氣航空器相撞風(fēng)險(xiǎn)”，制定了約束航空器行為的“空中規(guī)則(Rules of Air)”，將航行優(yōu)先權(quán)、避讓規(guī)則正式上升為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)則在歐洲各機(jī)場(chǎng)執(zhí)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，航空器起飛、降落過(guò)程中，飛行員視線受機(jī)體遮擋，無(wú)法看見(jiàn)后方(下方)活動(dòng)航空器，無(wú)法及時(shí)做出避讓動(dòng)作。這一飛行員無(wú)法克服的困難，最終導(dǎo)致規(guī)則執(zhí)行者——管制員的誕生。

2.2 空中交通管理單位和管制員(20世紀(jì)20—30年代末)

為了落實(shí)空中規(guī)則，1922年，世界上第1個(gè)機(jī)場(chǎng)交通管制員(此后統(tǒng)稱為塔臺(tái)管制員)、第1個(gè)空中交通管制塔臺(tái)(簡(jiǎn)稱塔臺(tái))在英國(guó)倫敦Croydon機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)[4]，其主要任務(wù)是利用指揮旗、信號(hào)燈，向起飛航空器發(fā)布起飛許可，確保起降航空器之間安全間隔。出于同一原因，1929年，美國(guó)第1名塔臺(tái)管制員Archie William League開(kāi)始在圣路易斯機(jī)場(chǎng)指揮航空器起降。

從1911年開(kāi)始，鑒于航空器載重小，但速度快的特點(diǎn)，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)郵政部門(mén)開(kāi)始嘗試使用航空器運(yùn)輸郵件。9月9日，世界第1條定期郵政航空運(yùn)輸航線在英國(guó)開(kāi)通。1918年，幅員遼闊、航空運(yùn)輸需求更為迫切的美國(guó)，開(kāi)始建立連接?xùn)|西海岸的空中郵路。1924年1月，隨著航路信標(biāo)臺(tái)、應(yīng)急備降場(chǎng)、低空通信等地面設(shè)施和機(jī)載航行設(shè)備的完善，全長(zhǎng)4 200 km，連接?xùn)|西海岸，年運(yùn)送1 400萬(wàn)封信和包裹的，跨州航路系統(tǒng)全線開(kāi)通[5]。1925年，航空郵政法案(Air Mail Act of 1925，也稱Kelly Act)批準(zhǔn)私人公司取代政府經(jīng)營(yíng)航空郵政業(yè)務(wù)，一大批航空公司就此誕生，商業(yè)航空運(yùn)輸也由此起步。20世紀(jì)30年代初，隨著波音247、DC-2等全金屬客機(jī)問(wèn)世，航空旅行安全性、舒適性大大提高，旅客運(yùn)輸量開(kāi)始快速增長(zhǎng)，航空運(yùn)輸?shù)?個(gè)黃金時(shí)代到來(lái)了。30年代中期，配備了專職管制員的紐約Newark機(jī)場(chǎng)和芝加哥機(jī)場(chǎng)起降高峰達(dá)到50～60架次/h，成為美國(guó)最繁忙的航空樞紐。

在機(jī)場(chǎng)交通管理接受管制員指揮的同時(shí)，幾千公里空中航路只能依靠飛行員自主保持交通秩序。1935年5月6日、10月7日，環(huán)球航DC-2、美聯(lián)航Boeing 247D先后在航路飛行中墜毀，航路飛行安全引起全社會(huì)關(guān)注。在多家航空公司共同推動(dòng)下，1935年12月1日，全球第1個(gè)航路管制中心在紐瓦克機(jī)場(chǎng)成立。中心管制員負(fù)責(zé)控制航路上航空器次序和間隔，避免多機(jī)同時(shí)到達(dá)機(jī)場(chǎng)上空引發(fā)事故。參照這一模式，1936—1937年，芝加哥、克利夫蘭等7個(gè)航路管制中心相繼建成。

2.3 從程序管制到雷達(dá)管制(20世紀(jì)30年代末—50年代后期)

1938年，美國(guó)聯(lián)邦政府出臺(tái)民用航空條例(Civil Air Regulation)第60部，將飛行分為由地面管制員負(fù)責(zé)防撞的IFR和由飛行員負(fù)責(zé)防撞的目視飛行規(guī)則(Visual Flight Rules，VFR)2大類。這一基礎(chǔ)性法規(guī)，明確了IFR飛行員必須服從管制員指揮的基本原則。此后，隨著商業(yè)運(yùn)輸航班、大型機(jī)場(chǎng)終端區(qū)內(nèi)，強(qiáng)制實(shí)施IFR法規(guī)的出臺(tái)，管制員管轄范圍不斷增大，最終成為空中交通管理的核心。1948年，ICAO 《空中規(guī)則和空中交通管制(Rules of the Air and Air Traffic Control)》(Doc 5500)[6]中，采用VFR和IFR劃分同時(shí)，更進(jìn)一步明確空中交通管制(Air Traffic Control)主要目標(biāo)是：防止航空器相撞，防止航空器撞地，加速和維持空中交通有序流動(dòng)。隨著ICAO標(biāo)準(zhǔn)被各成員國(guó)廣泛接受，這一定義成為全球空中交通管理最核心、最基本的準(zhǔn)則。

航路管制誕生之初，管制員只能通過(guò)飛行員無(wú)線電報(bào)告掌握航空器位置，不僅位置不準(zhǔn)確，通信延遲也大。為了保證安全間隔，管制員不得不使用1套復(fù)雜的控制程序：沿航路建設(shè)多個(gè)無(wú)線電臺(tái)站，航空器飛過(guò)時(shí)必須報(bào)告飛越時(shí)間和高度；2個(gè)航空器匯聚飛行時(shí)，必須滿足大于指定的匯聚角度；航空器飛行高度必須按照規(guī)定的高度層執(zhí)行等。這類方法統(tǒng)稱為程序管制(Procedure Control)或則非雷達(dá)管制(Non-Radar Control)。程序管制下，同一航路上航空器之間必須保持100 km以上飛行間隔。到20世紀(jì)40年末，隨著航空器數(shù)量激增，各大機(jī)場(chǎng)和骨干航路上，已經(jīng)沒(méi)有足夠空間滿足這一要求[7]。誕生于第二次世界大戰(zhàn)中的雷達(dá)，能夠以秒級(jí)的更新周期顯示航空器空中位置，管制員用眼睛觀察雷達(dá)屏幕就能迅速發(fā)現(xiàn)飛行沖突，準(zhǔn)確性、效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于程序管制。雷達(dá)因此迅速用于空中交通監(jiān)視與管理。從1946年起，美國(guó)各大機(jī)場(chǎng)開(kāi)始安裝雷達(dá)，用于監(jiān)視進(jìn)離場(chǎng)航空器和引導(dǎo)航空器5邊飛行。1956年，航路管制中心開(kāi)始配備監(jiān)視距離超過(guò)250海里的航路監(jiān)視雷達(dá)。在雷達(dá)支持下，管制員徹底擺脫了操作繁復(fù)的程序管制方法，轉(zhuǎn)而借助雷達(dá)監(jiān)視航班位置，通過(guò)無(wú)線電控制飛行活動(dòng)，雷達(dá)管制(Radar Control)時(shí)代從此到來(lái)[7]。時(shí)至今日，雖然經(jīng)過(guò)多次技術(shù)升級(jí)，但這一管制模式仍然沒(méi)有根本性的變化。

2.4 航班延誤與交通流管理(20世紀(jì)50—70年代末)

雷達(dá)管制將原有100 km以上飛行間隔，縮減到10 km以下，空域利用率和飛行量因此大幅度提升。1958年，波音707首飛，標(biāo)志著速度更快的噴氣時(shí)代到來(lái)。大量高速航空器的涌入，管制員逐漸成為空中交通流量增長(zhǎng)的瓶頸。1960年代中期，面對(duì)激增的交通量，美國(guó)管制員開(kāi)始抱怨工作量大、工作環(huán)境不佳。與此同時(shí)，航班延誤也在不斷加劇。1968年7月19日，紐約地區(qū)爆發(fā)大面積延誤航班，3 h內(nèi)1927架航班起降受到影響，延誤很快波及全國(guó)。美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)由此認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)有航路和機(jī)場(chǎng)管制已經(jīng)不能滿足要求，必須加強(qiáng)全國(guó)性交通流管理。1970年4月，F(xiàn)AA總部成立中央流量管理機(jī)構(gòu)(Central Flow Control Facility)，7月29日并入應(yīng)急管理等職能后，改名為空中交通管制系統(tǒng)指揮中心(Air Traffic Control Systems Command Center，ATCSCC)。該中心從緩解樞紐機(jī)場(chǎng)延誤角度，協(xié)調(diào)全國(guó)各機(jī)場(chǎng)、各航路管制中心航班起飛、降落時(shí)間，是全球首個(gè)全局性交通流管理機(jī)構(gòu)。與美國(guó)發(fā)展過(guò)程類似，歐洲各國(guó)從1972年開(kāi)始建立國(guó)家級(jí)交通流管理系統(tǒng)，并于1996年合并為全歐洲統(tǒng)一的中央流量管理系統(tǒng)[8]。

20世紀(jì)70年代末，美國(guó)政府出臺(tái)的“航空公司放松管制法案”極大的加劇了航空運(yùn)輸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。大量新出現(xiàn)的航空公司帶來(lái)航空運(yùn)輸量爆發(fā)性增長(zhǎng)和管制員工作負(fù)荷激增。1981年8月3日，全美82%管制員，約12 300名管制員宣布罷工，由此引發(fā)時(shí)至今日仍未完全解決的勞資糾紛問(wèn)題和各方對(duì)空中交通管理發(fā)展方向的思考。從技術(shù)角度看，20世紀(jì)30-40年代確立的、以管制員為核心的空管系統(tǒng)，在經(jīng)歷了雷達(dá)管制、交通流管理之后，管制員有限能力與交通量持續(xù)增長(zhǎng)的矛盾不僅依然存在，而且更加突出，逐漸將成為制約增長(zhǎng)的主要因素。

2.5 下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)(20世紀(jì)80年代末開(kāi)始)

在當(dāng)時(shí)流行的自動(dòng)化理論指導(dǎo)下，1982年9月，F(xiàn)AA出臺(tái)歷史上最大的管制系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃，擬將飛行計(jì)劃自動(dòng)校驗(yàn)、飛行沖突自動(dòng)探測(cè)與解脫等技術(shù)融入空中交通管理，建設(shè)先進(jìn)管制自動(dòng)化系統(tǒng)(Advanced Automation System，AAS)[9]。該計(jì)劃進(jìn)展很不順利，多次推遲之后，1994年宣布重組。幾乎同一時(shí)間，國(guó)際知名航空標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)RTCA(Radio Technical Commission for Aeronautics)提出了“自由飛行(Free Flight)”概念，其核心是IFR飛行可以由飛行員實(shí)時(shí)、自主選擇飛行路線、速度和高度[10-11]?！白杂娠w行”打破了自1938年以來(lái)形成的，由管制員指揮IFR飛行的基本原則，允許飛行員分擔(dān)管制職責(zé)，是管制體制的重大變革。遺憾的是， “自由飛行”實(shí)施中進(jìn)展緩慢，開(kāi)發(fā)的輔助決策自動(dòng)化工具，在小規(guī)模驗(yàn)證后，就停止使用。

與之形成鮮明對(duì)比的是，1999年7月10日，F(xiàn)AA與貨運(yùn)航空公司組織(Cargo Airline Association)聯(lián)合測(cè)試的，能夠讓飛行員之間、飛行員-管制員“互相看見(jiàn)的”ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)技術(shù)卻顯示了巨大生命力，發(fā)展到今天，已經(jīng)成為全球標(biāo)準(zhǔn)，大有取代雷達(dá)之勢(shì)。與ADS-B類似，源于空管二次雷達(dá)應(yīng)答技術(shù)的機(jī)載空中交通告警與防撞系統(tǒng)(Traffic alert and Collision Avoidance System，TCAS)，賦予航空器全新的自主沖突探測(cè)與避撞能力，今天已經(jīng)成為全球航班必備設(shè)施。AAS失敗、“自由飛行”受阻，ADS-B和TCAS蓬勃發(fā)展，已經(jīng)揭示出空中交通管理從單純依靠地面指揮，向空地協(xié)同管理的發(fā)展方向。

2004年初，F(xiàn)AA等7部門(mén)聯(lián)合啟動(dòng)新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)(Next Generation Air Transportation System, NextGen)計(jì)劃，意在研發(fā)2025年后使用的新一代空中交通系統(tǒng)。NextGen提出未來(lái)是基于航跡的運(yùn)行(Trajectory Based Operation，TBO)。飛行員將與管制員密切協(xié)同，共同確定門(mén)到門(mén)四維飛行航跡。管制員將從關(guān)注扇區(qū)內(nèi)少數(shù)航空器速度、高度、航行等航行參數(shù)，發(fā)展為與多部門(mén)共同協(xié)商，動(dòng)態(tài)調(diào)整多條航跡[12]。與美國(guó)幾乎同步，歐盟啟動(dòng)單一歐洲天空空中交通管理研究計(jì)劃(Single European Sky Air Traffic Management Research，SESAR)，同樣將TBO作為重要的發(fā)展方向[13]。

2014年3月19日，歐洲成功完成初始4維(initial 4D，i4D)飛行實(shí)驗(yàn)[14]。整個(gè)飛行過(guò)程中，地面系統(tǒng)通過(guò)地空數(shù)據(jù)鏈，向航空器發(fā)送沿途各點(diǎn)的控制到達(dá)時(shí)間，機(jī)載飛行管理系統(tǒng)根據(jù)這一時(shí)間自動(dòng)控制飛行速度。結(jié)果表明，航空器控制誤差在10 s以內(nèi)，精度遠(yuǎn)高于先行控制方式。2019年3月20日，中國(guó)自主開(kāi)展的天津—廣州間i4D飛行試驗(yàn)同樣獲得成功。2019年9月27日，北京大興機(jī)場(chǎng)開(kāi)航。中國(guó)首套高級(jí)地面活動(dòng)與控制系統(tǒng)投入使用。航空器落地后，系統(tǒng)自動(dòng)生成無(wú)沖突的滑行路線，同時(shí)通過(guò)控制航空器前方燈光顏色引導(dǎo)航空器滑行，管制員僅在設(shè)備故障或航空器違反燈光指令時(shí)才介入指揮。這些突破揭示出新一代空中交通管理系統(tǒng)方向：航空器在沒(méi)有管制員、飛行員直接介入的條件下，完全依靠地面—機(jī)載系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)高精度、安全飛行。

3 空中交通工程學(xué)發(fā)展歷程

空中交通工程學(xué)是為空中交通管理實(shí)踐提供理論指導(dǎo)的1門(mén)學(xué)科，其發(fā)展階段、研究?jī)?nèi)容，必然與當(dāng)時(shí)的現(xiàn)實(shí)需求密不可分。與此同時(shí)，作為1門(mén)新興的學(xué)科，人們對(duì)其自身規(guī)律的認(rèn)識(shí)也經(jīng)歷了1個(gè)從感性到理性的發(fā)展過(guò)程。在以上2個(gè)因素共同作用下，以美國(guó)發(fā)展為主要線索，空中交通工程學(xué)科發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。

3.1 觀察運(yùn)行(20世紀(jì)40年代中期之前)

20世紀(jì)30年代末，隨著波音307等增壓座艙航空器投入使用，空中旅行舒適度大大提高。美國(guó)民航業(yè)借此完成從運(yùn)輸郵件到運(yùn)輸旅客的轉(zhuǎn)變，旅客周轉(zhuǎn)量迅速增長(zhǎng)。與高速發(fā)展極不相稱是，機(jī)場(chǎng)建設(shè)、管理非?；靵y。機(jī)場(chǎng)跑道布局有“米”字、“A”字、“井”字型，甚至圓形。機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)飛行表演和定期航班，航空器與行人、車輛混行。為了保證安全、提升效率，美國(guó)航空主管部門(mén)組建的機(jī)場(chǎng)交通管制咨詢委員會(huì)(Committee On Airport Traffic Control)提出2項(xiàng)措施：定義進(jìn)場(chǎng)盤(pán)旋時(shí)間、進(jìn)場(chǎng)滑行時(shí)間、過(guò)站時(shí)間、離場(chǎng)滑行時(shí)間、離場(chǎng)時(shí)間等5個(gè)觀測(cè)指標(biāo)，定期統(tǒng)計(jì)比較各機(jī)場(chǎng)運(yùn)行狀況，對(duì)比發(fā)現(xiàn)短板和整改方向；將運(yùn)行中好經(jīng)驗(yàn)總結(jié)形成建議標(biāo)準(zhǔn)推廣使用。在這兩項(xiàng)措施推動(dòng)下，美國(guó)各機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行管理程序逐步接近，為統(tǒng)一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

1945年，美國(guó)第1代航路管制員，有美國(guó)空管之父美譽(yù)的Gilbert專著《空中交通管制(Air Traffic Control)》[15]正式出版，標(biāo)志著在充分總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，美國(guó)空中交通管理設(shè)施設(shè)備體系、運(yùn)行規(guī)章體系正式形成。1947年，世界上第1篇空中交通管理問(wèn)題研究文獻(xiàn)問(wèn)世。無(wú)線電物理大師Bowen[16]基于澳大利亞悉尼金斯福德·史密斯機(jī)場(chǎng)(Kingsford-Smith Airport)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了航班實(shí)際落地時(shí)間分布特征和影響因素。表1對(duì)比了Gilbert和Bowen采用的研究方法，可以發(fā)現(xiàn)行業(yè)專家和理論學(xué)者研究方法上的差異。

表1 空中交通管理問(wèn)題研究方法對(duì)比

3.2 容量與安全研究(20世紀(jì)40年代中期—90年代中期)

從1946年開(kāi)始，美國(guó)逐步進(jìn)入雷達(dá)管制時(shí)代。從理論上看，雷達(dá)管制下，航路飛行間隔比程序管制縮小80%以上，飛行量可以相應(yīng)增長(zhǎng)，但這一預(yù)期卻沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。機(jī)場(chǎng)容量首先成為增長(zhǎng)瓶頸。1945年，Gilbert[15]在其空管專著中，用給定時(shí)間內(nèi)航空器最大起降數(shù)量表示機(jī)場(chǎng)容量(Capacity)。1949年11月，美國(guó)聯(lián)邦民航管理機(jī)構(gòu)(Civil Aviation Association，CAA，F(xiàn)AA前身)提出，機(jī)場(chǎng)規(guī)劃時(shí)必須考慮容量問(wèn)題。在標(biāo)定機(jī)場(chǎng)容量同時(shí)，1953年CAA在《空中交通管制系統(tǒng)運(yùn)行(Operation of The Air Traffic Control System)》[17]文件中，首次提出交通流控制(Flow Control)規(guī)則：當(dāng)管制區(qū)內(nèi)IFR航空數(shù)量將超過(guò)所能安全管理的容量，計(jì)劃進(jìn)入?yún)^(qū)域航空器需要延誤時(shí)，可以啟動(dòng)流量控制程序，增加航空器進(jìn)入扇區(qū)和到達(dá)機(jī)場(chǎng)的間距。在政府支持下，容量、延誤、流量控制等運(yùn)行實(shí)踐中率先暴露的問(wèn)題，很快成為空中交通管理研究關(guān)注點(diǎn)。

3.2.1 跑道容量

跑道作為空地交通交匯點(diǎn)，無(wú)疑是機(jī)場(chǎng)容量的決定要素。從理論上講，連續(xù)起降或者起降間隔航空器之間必須保證一定間距，間距越大則跑道容量越小，反之則越大。但在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，前后機(jī)飛行速度和到達(dá)跑道入口時(shí)間、跑道入口布局、機(jī)場(chǎng)跑道構(gòu)型、航空器進(jìn)近程序，甚至跑道附近的空中交通等因素，都會(huì)對(duì)前后機(jī)間距、跑道容量產(chǎn)生影響。延續(xù)Bowen研究，從20世紀(jì)60年代初到70年代中期， Blumstein[18]和Zanieski[19]，從航空器到達(dá)跑道入口時(shí)間、占用跑道時(shí)間入手，先后構(gòu)建了基于確定性因素的解析模型，和基于關(guān)鍵時(shí)間分布特征的隨機(jī)模型，編制了跑道容量計(jì)算公式和查詢圖表，在機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中使用。針對(duì)更為復(fù)雜的影響因素，1964年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校(University of California，Berkeley)和美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)率先開(kāi)展機(jī)場(chǎng)跑道-終端區(qū)仿真研究?；谂抨?duì)論原理，將航空器進(jìn)場(chǎng)過(guò)程用一組串聯(lián)的服務(wù)臺(tái)模擬，重點(diǎn)觀察落地間隔、跑道利用率、流量、延誤等參數(shù)的變化，作為判斷系統(tǒng)容量的依據(jù)。1989年，F(xiàn)AA將多年仿真研究成果整合為全系統(tǒng)機(jī)場(chǎng)-空域快速仿真模型(Airport and Airspace Simulation Model，SIMMOD)，成為后續(xù)全球多款空管系統(tǒng)快速仿真模型的鼻祖。1966年，F(xiàn)AA在大西洋城搭建了一套專門(mén)用于研究的雷達(dá)管制模擬機(jī)，與真實(shí)管制設(shè)備完全一致，由管制員直接上機(jī)指揮模擬航空器運(yùn)行。該設(shè)備可以從管制員角度感受流量水平和容量評(píng)估效果，是SIMMOD等快速仿真模型的細(xì)化和補(bǔ)充。

3.2.2 空域扇區(qū)容量

雷達(dá)管制下，航空器間隔小，交通密度大，管制員觀察態(tài)勢(shì)、做出決策、發(fā)布指令需要消耗大量的精力和體力。因此，空域扇區(qū)容量主要取決于航空器數(shù)量、分布、速度，以及空域扇區(qū)形狀、運(yùn)行規(guī)則等交通要素帶來(lái)的管制工作負(fù)荷和管制員承受能力。從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始，隨著雷達(dá)管制全面鋪開(kāi)，F(xiàn)AA啟動(dòng)管制工作負(fù)荷、扇區(qū)容量和扇區(qū)設(shè)計(jì)研究，目的是形成標(biāo)準(zhǔn)化的扇區(qū)容量評(píng)估方法和扇區(qū)設(shè)計(jì)手冊(cè)[20]。1984年公布的ICAO Doc 9426[21]中，推薦了英國(guó)運(yùn)籌與分析理事會(huì)提出的“DORATASK”方法和德國(guó)Messerschmitt的“MBB”方法。與美國(guó)從交通分析入手不同，歐洲采用從管制員入手，直接觀察和記錄管制員指揮航空器通話、填寫(xiě)進(jìn)程單、與其他管制單位協(xié)調(diào)通話、填寫(xiě)工作日志等“看得見(jiàn)的”工作時(shí)間，采用調(diào)查方法獲得管制員觀察雷達(dá)屏幕、思考管制措施等“看不見(jiàn)的”工作時(shí)間，通過(guò)加權(quán)累加獲得完整的工作負(fù)荷。如果某個(gè)單位時(shí)間段內(nèi)，管制員總工作時(shí)間(即工作負(fù)荷)占單位時(shí)間段總時(shí)間的70%～80%，此時(shí)扇區(qū)內(nèi)航空器架數(shù)，就是空域扇區(qū)容量[22]。借助這一發(fā)現(xiàn)建立的量化關(guān)系，可以根據(jù)航班數(shù)量直接計(jì)算工作負(fù)荷[23]。與機(jī)場(chǎng)容量研究類似，SIMMOD、雷達(dá)管制模擬機(jī)等仿真工具也用于空域扇區(qū)容量研究[24]。

3.2.3 流量控制

機(jī)場(chǎng)、空域扇區(qū)容量量化后，根據(jù)容量約束優(yōu)化流量控制也成為可能。1989年，MIT Odoni等[25]提出非常著名的地面等待模型(Ground Holding Program，GHP)，也被稱為地面延誤模型(Ground Delay Program，GDP)。該模型將繁忙機(jī)場(chǎng)容量轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間內(nèi)可用到場(chǎng)時(shí)隙，將流量控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為延誤最小目標(biāo)下的時(shí)隙優(yōu)化分配問(wèn)題。該模型奠定了空中交通流量管理研究基礎(chǔ)，后續(xù)又用于終端區(qū)、多機(jī)場(chǎng)、航路網(wǎng)交通流管理問(wèn)題研究。需要注意的是，與地面交通流基于流率的管理方法不同，空中交通流量管理從原理上完全承襲了1953年空管規(guī)章中流量控制方法，即直接控制每架航空器的起飛、降落和空中飛行時(shí)間，這一機(jī)制延續(xù)至今[26]。

3.2.4 安全間隔

20世紀(jì)早期空中規(guī)則中提出，為防止相撞，航空器之間必須保持安全間隔。實(shí)施過(guò)程中，安全間隔標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。程序管制中，源于美國(guó)跨州航路系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，制定了同航跡、同高度、同速度航空器10 min縱向間隔標(biāo)準(zhǔn)。使用1次監(jiān)視雷達(dá)后，管制員根據(jù)航空器回波符號(hào)大小確定安全間隔[27]?；诮?jīng)驗(yàn)、人工判斷判定的間隔標(biāo)準(zhǔn)，不可避免帶來(lái)過(guò)大冗余，造成空域資源浪費(fèi)。

1966年，以安全縮小運(yùn)行中的間隔標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，英國(guó)皇家飛機(jī)學(xué)會(huì)(Royal Aircraft Establishment)啟動(dòng)間隔標(biāo)準(zhǔn)、碰撞風(fēng)險(xiǎn)和導(dǎo)航性能研究，Reich[28]提出了經(jīng)典的航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型和間隔標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法，統(tǒng)稱為Reich模型。該模型基于以下場(chǎng)景：航空器沿著管制員制定航線飛行，受導(dǎo)航定位、飛機(jī)操作、高度表等誤差影響，航空器位置、速度、高度都會(huì)以一定概率發(fā)生偏離。航線平行、同一高度或者不同高度飛行的2架航空器，因此可能發(fā)生小于設(shè)定間隔標(biāo)準(zhǔn)的“碰撞”。各個(gè)方向碰撞發(fā)生頻率之和，就是碰撞風(fēng)險(xiǎn)(Collision Risk)。如果碰撞風(fēng)險(xiǎn)低于制定的目標(biāo)安全等級(jí)(Target Level of Safety，TLS)，就認(rèn)為設(shè)定的間隔標(biāo)準(zhǔn)可接受。TLS需要針對(duì)不同運(yùn)行場(chǎng)景和安全管控目標(biāo)確定[29]。Reich模型及后續(xù)改進(jìn)，與TLS共同構(gòu)成間隔標(biāo)準(zhǔn)研究基本范式。自20世紀(jì)60年代誕生以來(lái)，先后用于洋區(qū)航路側(cè)向間隔和組合間隔、程序管制縱向間隔、高度層垂直間隔、近距平行跑道進(jìn)近間隔標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)和縮減研究[30]。1998年，該方法經(jīng)ICAO Doc 9689向全球推薦。中國(guó)基于該標(biāo)準(zhǔn)，成功實(shí)施了垂直間隔標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估和縮小垂直間隔實(shí)踐。實(shí)踐中的成功應(yīng)用，推動(dòng)該框架成為后續(xù)研究基礎(chǔ)[31]。

3.3 認(rèn)識(shí)空中交通管理體系(20世紀(jì)90年代中期—21世紀(jì)初)

20世紀(jì)80年代，伴隨飛行量快速增長(zhǎng)、空域結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，空中交通管理組織規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，管理難度持續(xù)增加。與此同時(shí)，航空公司和旅客對(duì)運(yùn)行限制、航班延誤抱怨越來(lái)越多。在空中交通管理中引入新理念、新技術(shù)已經(jīng)成為各方共識(shí)。1997年，F(xiàn)AA推出“自由飛行”計(jì)劃。該計(jì)劃雖然推進(jìn)不利，但政府主導(dǎo)、大力推動(dòng)的空管系統(tǒng)整體升級(jí)計(jì)劃，還是極大帶動(dòng)了學(xué)科發(fā)展，對(duì)空中交通管理問(wèn)題全面研究由此起步。

3.3.1 空中交通管理系統(tǒng)架構(gòu)

1983年，ICAO成立新航行系統(tǒng)(Future Air Navigation Systems，F(xiàn)ANS)特別委員會(huì)，探討將衛(wèi)星技術(shù)用于航空運(yùn)輸可行性。1991年ICAO第十屆航行委員會(huì)上，F(xiàn)ANS委員會(huì)提出，空中航行系統(tǒng)由通信(Communication)、導(dǎo)航(Navigation)、監(jiān)視(Surveillance)和空中交通管理(Air Traffic Management，ATM)等幾個(gè)部分組成，縮寫(xiě)為CNS/ATM，如圖2所示[32]。

CNS/ATM定義了空中交通管理的基礎(chǔ)語(yǔ)境，影響深遠(yuǎn)，很多國(guó)家都是按照這一框架調(diào)整、甚至重構(gòu)了整個(gè)管理系統(tǒng)。從學(xué)科角度看，這一定義細(xì)分了研究領(lǐng)域，為學(xué)科發(fā)展打下基礎(chǔ)。

CNS/ATM定義雖然將空中交通管理做出細(xì)分，但沒(méi)有明確各組成部分之間邏輯聯(lián)系。這一認(rèn)識(shí)上的不足，體現(xiàn)在“自由飛行”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的管制員輔助決策工具——終端區(qū)自動(dòng)化管制系統(tǒng)(Center-TRACON Automation System，CTAS)中，功能龐雜、適用性差、操作難度大。正因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這一認(rèn)知上的不足，美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、FAA投入資金，開(kāi)始支持空中交通管理體系研究。

1997年，美國(guó)波音公司Bergemeister帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)細(xì)致的調(diào)研，完整定義了空中交通管理功能架構(gòu)，如圖3所示[33]。該架構(gòu)細(xì)致梳理了20世紀(jì)20年代以來(lái)，尤其是雷達(dá)管制出現(xiàn)后，在運(yùn)行中逐漸形成的空中交通管理體系，明確定義了各控制環(huán)節(jié)和相互之間關(guān)系，邁出系統(tǒng)認(rèn)識(shí)空中交通管理問(wèn)題的重要一步。2005年，Haraldsdottir團(tuán)隊(duì)[34]推出新一代功能架構(gòu)。該架構(gòu)面向容量需求，以航跡為核心，將FANS委員會(huì)定義的ATM功能，拓展為空域管理、流量管理、交通管理、間隔管理、信息管理等5個(gè)部分，如圖4所示。這一框架通用性更強(qiáng)，ICAO全球空中交通管理概念中，也借鑒了這一定義，見(jiàn)圖5[35]。

圖2 空中交通管理概念構(gòu)成[32]

圖3 空中交通管理功能架構(gòu)[33]

3.3.2 空中交通工程學(xué)科

1997年，GDP模型提出者Odoni[36]，在美國(guó)航空運(yùn)行研究卓略聯(lián)盟(National center of EXcellence for AviaTion Operations Research，NEXTOR)成立大會(huì)上，提出有待研究的空中交通管理問(wèn)題包括：① 當(dāng)前系統(tǒng)特性;② 不確定性、波動(dòng)性、非線性;③ 計(jì)算機(jī)仿真模型;④ 各利益相關(guān)者的目標(biāo)、行為和交互;⑤ 安全、人因和自動(dòng)化。從學(xué)科角度，以上內(nèi)容整體規(guī)劃了研究對(duì)象、研究問(wèn)題和預(yù)期成果，成為空中交通工程學(xué)發(fā)展中1個(gè)重要里程碑。

圖4 面向未來(lái)容量需求的新一代空中交通管理功能架構(gòu)[34]

圖5 ICAO 提出的全球空中交通管理概念[35]

此后2年，NEXTOR多位專家，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察、問(wèn)卷調(diào)查、當(dāng)面訪談、采集運(yùn)行程序和運(yùn)行數(shù)據(jù)，于2000年前后提出機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通管理架構(gòu)[37-38]。與Haraldsdottir架構(gòu)相比，新架構(gòu)顆粒度細(xì)化到管制席位，同時(shí)采用排隊(duì)論模型、網(wǎng)絡(luò)模型等數(shù)學(xué)方法描述，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能模型與數(shù)學(xué)模型的有效銜接，為后續(xù)學(xué)科研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2000年前后是空中交通工程學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。這一階段美國(guó)形成了穩(wěn)定的投入機(jī)制和研究團(tuán)隊(duì)，前期積累的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和容量、安全方面的研究成果也納入到統(tǒng)一體系之中，學(xué)科研究對(duì)象、研究?jī)?nèi)容和研究方法逐漸成型。空中交通工程學(xué)科從此誕生。

3.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提升(21世紀(jì)初開(kāi)始)

1993年，美國(guó)交通部Volpe研究中心Gilbo[39]將單位時(shí)間內(nèi)(根據(jù)機(jī)場(chǎng)流量大小可以取15、20、30 min)機(jī)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)流量標(biāo)注在直角坐標(biāo)系中，發(fā)現(xiàn)所有點(diǎn)都落在1個(gè)凸多邊形區(qū)域內(nèi)，由此發(fā)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)容量關(guān)鍵特征——跑道容量包線(Runway Capacity Envelope)[39]?？展軘?shù)據(jù)研究雖然不少，采用如此簡(jiǎn)單方法，做出如此重要發(fā)現(xiàn)的卻不多見(jiàn)。

1999—2005年，圍繞總統(tǒng)提出的國(guó)家航空安全目標(biāo)，NASA開(kāi)展航空系統(tǒng)安全監(jiān)視與建模(Aviation System Monitoring and Modeling，ASMM)項(xiàng)目，計(jì)劃自動(dòng)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷參數(shù)間關(guān)系，建立系統(tǒng)工作基線狀態(tài)；連續(xù)檢測(cè)偏離基線狀態(tài)事件，對(duì)航空安全事故做出預(yù)測(cè)[40]。以上方法論雖然在航天飛機(jī)安全管理上成功應(yīng)用，但在規(guī)模更大、情況更復(fù)雜的空管系統(tǒng)中應(yīng)用效果卻并不理想[41]。即便如此，ASMM項(xiàng)目突破了傳統(tǒng)的、偏靜態(tài)的安全研究方法，在基于數(shù)據(jù)直接分析安全態(tài)勢(shì)方面做出了探索。

基于數(shù)據(jù)研究終于在2010年前后取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。這主要得益于兩大關(guān)鍵進(jìn)展：① ADS-B數(shù)據(jù)廣泛使用，研究者可以方便獲得航空器飛行軌跡數(shù)據(jù)[42]；② 機(jī)器學(xué)習(xí)方法快速發(fā)展，為研究者提供了成熟方法庫(kù)。與ASMM項(xiàng)目立足人工建立的多因素安全預(yù)測(cè)模型不同，機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)之中關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到知識(shí)的跨越[43]。

3.4.1 基于機(jī)載飛行數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)

飛行過(guò)程中，受飛行員誤操作、危險(xiǎn)天氣等因素影響，航空器會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)速度、高度等飛行狀態(tài)參數(shù)異常和近地、相撞告警等安全性提示。機(jī)載飛行數(shù)據(jù)記錄儀雖然可以完整記錄這些信息，但由于飛行范圍廣、數(shù)據(jù)量大、參數(shù)關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的、基于預(yù)設(shè)參數(shù)的超限檢測(cè)方法很難發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2011年，MIT的Hansman[44]開(kāi)創(chuàng)性的提出了航班狀態(tài)向量構(gòu)建方法和分析步驟，邁出了用機(jī)器學(xué)習(xí)方法研究航空安全問(wèn)題的第1步，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。2016年，同為NEXTOR成員的Nanduri和Sherry[45]簡(jiǎn)化了航班狀態(tài)向量構(gòu)建方法，提出了基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Neural Networks)的探測(cè)方法，并成功檢測(cè)出潛在異常。后續(xù)研究表明，依據(jù)上述原理，構(gòu)建更為完整的狀態(tài)空間，引入更新的探測(cè)方法，有望深入挖掘隱藏風(fēng)險(xiǎn)[46]。此外，在按照時(shí)間序列分析記錄儀數(shù)據(jù)的同時(shí)，針對(duì)某些特殊運(yùn)行場(chǎng)景，如特定機(jī)場(chǎng)起降、特定飛行階段開(kāi)展異常探測(cè)研究，也有其獨(dú)特價(jià)值。

3.4.2 基于航空器軌跡的異常檢測(cè)

與基于機(jī)載飛行數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)關(guān)注單機(jī)不同，基于軌跡數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)研究，借助空管一/二次雷達(dá)、ADS-B等提供的航空器經(jīng)緯度、氣壓高度、地速、磁航向數(shù)據(jù)，研究某一空域內(nèi)多機(jī)行為。2011年，NEXTOR專家Feron等[47]主持開(kāi)發(fā)AirTrajectoryMiner航跡分析工具?；跉v史軌跡聚類得到軌跡分布模式，判斷新軌跡與之偏差，同時(shí)提醒管制員關(guān)注。該工作基本上延續(xù)了ASMM項(xiàng)目思路，也因此無(wú)法避免類似的不足。

2010年后，隨著S模式空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)(Mode S Air Traffic Control Radar Beacon System，簡(jiǎn)稱Mode S雷達(dá))應(yīng)用，除傳統(tǒng)語(yǔ)音外，地面可以通過(guò)低空數(shù)據(jù)鏈，獲得滾轉(zhuǎn)角、航跡角、真空速等更為精細(xì)的飛行數(shù)據(jù)，為異常檢測(cè)提供了新選擇[48]。法國(guó)學(xué)者Olive和Basora[49]將兩者結(jié)合，聚類ADS-B等傳統(tǒng)軌跡數(shù)據(jù)得到交通流，從Mode S雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取交通流中的異常事件。這一研究方案兼顧兩類數(shù)據(jù)特點(diǎn)，數(shù)據(jù)需求和計(jì)算量也遠(yuǎn)小于機(jī)載數(shù)據(jù)分析方法，適用性更強(qiáng)。從大數(shù)據(jù)分析本質(zhì)上看，不斷提升數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)量和計(jì)算能力，始終是提高探測(cè)準(zhǔn)確性、實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的必然要求。

3.4.3 基于航空器軌跡的交通流研究

早期交通流研究中，只能通過(guò)記錄航空器通過(guò)固定路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如停機(jī)位、跑道入口、起始進(jìn)近定位點(diǎn)、管制扇區(qū)移交點(diǎn)等)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)交通流量，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的航空器行為只能忽略。異常檢測(cè)研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，聚類軌跡數(shù)據(jù)可以得到原本被忽略的路徑結(jié)構(gòu)，交通流研究由此獲得全新視角。

2016年，MIT教授Hansman[50]等，聯(lián)合推出基于軌跡的交通流研究方法論。該方法突破了從固定節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)流量的傳統(tǒng)，提出了從軌跡數(shù)據(jù)中提取實(shí)際交通路徑和路徑上流量的研究框架，在充分兼容傳統(tǒng)方法同時(shí)，也留出離群航班研究空間。美中不足在于，該方法從交通流中僅提取了流量特性，忽略了交通流交互這一更具價(jià)值的問(wèn)題。這一缺憾很快被彌補(bǔ)。2018年，Hansman等[51]在研究紐約、香港、圣保羅機(jī)場(chǎng)終端區(qū)交通流時(shí)，不僅采用效率、可預(yù)測(cè)性指標(biāo)評(píng)估每條交通流，同時(shí)引入航跡管道(Trajectory Tubes)概念，用航跡管道交叉體積，衡量航跡間干擾。至此，基于軌跡的交通流研究框架基本形成。

3.4.4 基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)

除異常檢測(cè)、交通流研究外，大數(shù)據(jù)分析方法在空域流量、航空器航跡預(yù)測(cè)等方面也得到應(yīng)用。與地面交通人、車出行隨機(jī)性強(qiáng)不同，由商業(yè)運(yùn)輸航班為主體構(gòu)成的空中交通計(jì)劃性很強(qiáng)，交通管理部門(mén)可以在航班起飛前1 h得到包含起降機(jī)場(chǎng)、起降時(shí)間、飛行航線等信息的飛行計(jì)劃，因此流量預(yù)測(cè)主要采用以計(jì)劃航線和計(jì)劃時(shí)間為基礎(chǔ)，考慮時(shí)間波動(dòng)的預(yù)測(cè)方法[52]。該方法用飛行計(jì)劃中固定航路結(jié)構(gòu)，代替交通流實(shí)際走向。這一差別決定預(yù)測(cè)結(jié)果僅適用管制扇區(qū)、機(jī)場(chǎng)等較大區(qū)域的流量預(yù)測(cè)。

20世紀(jì)80年代，CTAS工具研制時(shí)，NASA就提出先用飛行動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)航跡、再預(yù)測(cè)流量的思路[53]。該方法需要完整采集各機(jī)型飛行動(dòng)力學(xué)參數(shù)，精確描述進(jìn)場(chǎng)飛行程序，使用復(fù)雜、適用性差。后續(xù)研究轉(zhuǎn)而引入管制員意圖信息，采用線性隨機(jī)系統(tǒng)方法，預(yù)測(cè)航跡狀態(tài)空間變化概率[54]。2015年以后，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，直接從歷史軌跡數(shù)據(jù)、飛行程序數(shù)據(jù)中，學(xué)習(xí)得到單機(jī)、多機(jī)航跡逐漸成為熱點(diǎn)。與前面兩種方法相比，后者可以量化管制員引導(dǎo)、多機(jī)交互等因素，預(yù)測(cè)魯棒性更好[55]。

除航跡預(yù)測(cè)外，歐美學(xué)者還嘗試從分析影響因素出發(fā)，預(yù)測(cè)扇區(qū)高峰流量、跑道占用時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)，同樣取得不錯(cuò)效果[56-59]。

3.5 小 結(jié)

伴隨航空器誕生和空中交通管理發(fā)展歷程，空中交通工程學(xué)從觀察運(yùn)行起步，經(jīng)歷近70年發(fā)展，研究對(duì)象、研究問(wèn)題、研究方法已經(jīng)基本明確。2010年以來(lái)快速發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，則帶來(lái)全新觀察視角和研究方法。與此同時(shí)，雖然面臨交通需求持續(xù)增長(zhǎng)的巨大壓力，以及SESAR和NextGen計(jì)劃的強(qiáng)力推動(dòng)，全球空中交通管理系統(tǒng)仍然維持20世紀(jì)50年代形成基本架構(gòu)，沒(méi)有充分發(fā)揮衛(wèi)星導(dǎo)航、ADS-B等新技術(shù)帶來(lái)的發(fā)展賦能。這一現(xiàn)象暴露各方對(duì)空中交通管理本質(zhì)和規(guī)律認(rèn)識(shí)還不成熟，整體仍處于摸索階段。正因?yàn)槿绱?，將學(xué)科研究成果與工程實(shí)踐相結(jié)合，形成空中交通工程學(xué)知識(shí)體系、研究范式，將對(duì)豐富交通工程學(xué)科內(nèi)涵、推動(dòng)空中交通管理實(shí)踐發(fā)展，奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 空中交通工程學(xué)

4.1 定義及研究對(duì)象

從道路工程學(xué)科派生出來(lái)的交通工程學(xué)科，將人、車、路作為最主要的研究對(duì)象，研究?jī)?nèi)容包括交通特性分析技術(shù)、交通調(diào)查方法、交通流理論、道路通行能力分析技術(shù)、道路交通系統(tǒng)規(guī)劃理論和方法[60]。

參照這一定義和交通工程學(xué)前期研究，空中交通工程學(xué)將人、機(jī)、域之間相互作用關(guān)系，作為最主要的研究對(duì)象，通過(guò)研究各要素相互間內(nèi)在作用規(guī)律及其最佳配合，建立空中交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制和管理理論方法，以及有關(guān)設(shè)施、裝備、法律和法規(guī)等，使空中交通更加安全、高效、低碳、環(huán)境協(xié)調(diào)。如圖6所示。

圖6 空中交通工程學(xué)組成要素和研究目標(biāo)

4.1.1 人-機(jī)-域

“人”是指航空交通運(yùn)輸活動(dòng)直接參與者，包括管制員、航空器駕駛員(以下簡(jiǎn)稱飛行員，Pilot)、飛行簽派員(以下簡(jiǎn)稱簽派員，F(xiàn)light Dispatcher)、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行指揮員等，這些交通管理人員共同對(duì)航空運(yùn)輸?shù)娜^(guò)程實(shí)施管理。中國(guó)民用航空局(Civil Aviation Administrator of China，CAAC)要求飛行員、管制員、簽派員持執(zhí)照上崗。機(jī)場(chǎng)運(yùn)行指揮員必須滿足國(guó)家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)。在如圖1所示的空中交通管理概念中，除被授權(quán)或者面臨緊急情況，飛行員必須按照管制員指令執(zhí)行；簽派員主要負(fù)責(zé)航班起飛前航跡規(guī)劃；機(jī)場(chǎng)運(yùn)行指揮員則負(fù)責(zé)機(jī)坪以內(nèi)的交通指揮，機(jī)場(chǎng)之間的空中交通活動(dòng)完全由管制員控制。因此，本文將主要探討研究管制員行為。

“機(jī)”主要指按照ICAO規(guī)則運(yùn)行、從事旅客和貨物運(yùn)輸?shù)谋瓤諝庵氐?、固定翼航空?Aircraft)。ICAO體系中，將這一類航空器及其承運(yùn)的運(yùn)輸任務(wù)統(tǒng)稱為航班(Flight)。達(dá)到目的地機(jī)場(chǎng)、運(yùn)輸任務(wù)結(jié)束后，航班結(jié)束(也稱為飛行計(jì)劃關(guān)閉)，承運(yùn)航空器轉(zhuǎn)而承擔(dān)其他運(yùn)輸任務(wù)，變?yōu)椤傲硪粋€(gè)”航班。航班是整個(gè)航空運(yùn)輸體系的核心，編制班期時(shí)刻表、飛行準(zhǔn)備、飛行實(shí)施、飛行總結(jié)的組織實(shí)施流程十分嚴(yán)密，各個(gè)環(huán)節(jié)均由專職單位、按照既定的工作程序?qū)嵤?，并接受監(jiān)管。涉及國(guó)外大型樞紐機(jī)場(chǎng)的航班計(jì)劃，則需要由國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(International Air Transport Association，IATA)出面組織協(xié)調(diào)。中國(guó)航班管理流程如圖7所示。

圖7 中國(guó)航班管理流程

為管理航班管理流程中(也稱為航班全生命周期)誕生的大量數(shù)據(jù)，2000年，美國(guó)知名航空咨詢機(jī)構(gòu)MITRE公司，將計(jì)劃的、正在執(zhí)行的和已經(jīng)執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的信息，統(tǒng)一封裝為航班對(duì)象(Flight Object),作為各類空管系統(tǒng)的共同參考[61]。在此基礎(chǔ)上，ICAO、FAA、歐洲航空安全組織(Eurocontrol)聯(lián)合定義了航班信息交換模型(Flight Information eXchange Model，F(xiàn)IXM)，作為航班信息交換國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[62]。

航班無(wú)疑是航空運(yùn)輸管理和支持技術(shù)研究關(guān)注的核心。此外，承擔(dān)飛行訓(xùn)練、農(nóng)林作業(yè)、空中旅游等任務(wù)的通用航空，由于其作業(yè)飛行方式特殊、作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)離交通密集區(qū)域，交通研究需求并不突出。目前正在興起的無(wú)人駕駛航空器，則限于篇幅不再深入。因此，選擇航班代替航空器作為空中交通工程學(xué)研究重點(diǎn)。

“域”是指航空器地面(水面)活動(dòng)、進(jìn)場(chǎng)和離場(chǎng)，以及機(jī)場(chǎng)間飛行使用的區(qū)域，通常包括機(jī)場(chǎng)、航路、管制區(qū)等。早期航空郵件運(yùn)輸實(shí)踐已經(jīng)表明，沒(méi)有目視參考點(diǎn)、應(yīng)急起降點(diǎn)、途中加油點(diǎn)、航路信標(biāo)臺(tái)、無(wú)線電通信站等設(shè)施的支持，天然地面和大氣空間根本無(wú)法保證飛行安全。美國(guó)第一部商業(yè)航空法案(Air Commerce Act，1926)因此明確提出由聯(lián)邦政府規(guī)劃建設(shè)可航行空域(Navigable Airspace)，在可航行空域中劃設(shè)航路的要求。雖然“看不見(jiàn)、摸不著”，但與地面道路一樣，空中航路必須完成大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)才能安全使用。此外，從空中規(guī)則逐步發(fā)展起來(lái)的機(jī)場(chǎng)管制、程序管制、雷達(dá)管制，進(jìn)一步豐富了“域”內(nèi)涵，即空中交通工程中的“域”是接受空中交通管制服務(wù)、在大量助航設(shè)施支持下，可保證飛行安全的空域和機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面。

基于ICAO Annx11中定義概念體系，空中交通工程學(xué)“域”概念內(nèi)涵及發(fā)展過(guò)程，如圖8所示。從圖8中可以看出，航路、終端管制區(qū)、管制機(jī)場(chǎng)、管制地帶等常用行業(yè)術(shù)語(yǔ)內(nèi)涵。為在后續(xù)研究中簡(jiǎn)潔表述，本文推廣ICAO Annex11[63]中管制區(qū)(Control Area)概念內(nèi)涵，用其統(tǒng)一表示接受空中交通管制服務(wù)、具備航行能力的航路、終端管制區(qū)、機(jī)場(chǎng)管制地帶和管制機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)。

圖8 空中交通工程中“域”概念構(gòu)成

經(jīng)過(guò)以上討論，空中交通工程學(xué)人-機(jī)-域研究對(duì)象，可以縮減為管制員-航班-管制區(qū)。本文將據(jù)此討論三者之間相互作用關(guān)系。

4.1.2 管制員-航班-管制區(qū)

簡(jiǎn)化后的空中交通工程學(xué)組成要素及其相互作用關(guān)系，如圖9所示。交通工程學(xué)是研究各組成要素相互作用關(guān)系的科學(xué)。與架構(gòu)于“物理-社會(huì)-信息”三維空間的道路交通系統(tǒng)一致，空中交通管理系統(tǒng)同樣架構(gòu)于助航設(shè)備構(gòu)造的物理空間、管制員和管制單位構(gòu)造的社會(huì)空間和航班信息構(gòu)成的信息空間，組成要素之間交互關(guān)系因此不可能如自然科學(xué)系統(tǒng)那樣完全符號(hào)化、形式化和公理化，而是在更多情況下，表述為某種情境下，關(guān)系原則、行為準(zhǔn)則與技術(shù)原理的混合體?；谶@一認(rèn)識(shí)，如圖9所示，“管制員-航班-管制區(qū)”交互關(guān)系如下：

圖9 聚焦的空中交通工程學(xué)組成要素及其相互作用關(guān)系

1) 運(yùn)行規(guī)則

航班運(yùn)行管理職責(zé)分工、運(yùn)行程序、飛行程序和調(diào)配原則統(tǒng)稱為運(yùn)行規(guī)則，如表2所示。

表2所示規(guī)則中，IFR飛行規(guī)則直接確立了空中飛行、地面指揮的管理體制，是全部運(yùn)行規(guī)則中最為基礎(chǔ)、最為核心的內(nèi)容。從20世紀(jì)90年代起，隨著飛行量迅速增長(zhǎng)，管制員逐漸成為制約交通增長(zhǎng)瓶頸。另一方面，隨著機(jī)載防撞系統(tǒng)(Airborne Collision Avoidance System，ACAS，功能與TCAS類似，本文按照ICAO標(biāo)準(zhǔn)，下文統(tǒng)一使用ACAS)、ADS-B-in等機(jī)載防撞、交通態(tài)勢(shì)感知設(shè)備出現(xiàn)，航空器自主防撞能力大大提高。嘗試在航班IFR運(yùn)行過(guò)程中，融入更多VFR階段，由飛行員承擔(dān)部分防撞職責(zé)，成為各國(guó)飛行規(guī)則使用的總體趨勢(shì)。

2) 管制扇區(qū)

管制扇區(qū)是由1個(gè)席位(通常由1～2管制員配合值守)提供空中交通管制服務(wù)的最小管制單元，航路、終端管制區(qū)、機(jī)場(chǎng)管制地帶和管制機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)的空中交通管理，都是由事先劃分的、多個(gè)管制扇區(qū)配合實(shí)施?！睹裼煤娇湛罩薪煌ü芾硪?guī)則(CCAR93)》[64]要求，必須同時(shí)考慮管制員工作負(fù)荷、空域航行能力、空中交通態(tài)勢(shì)等諸多因素劃設(shè)管制扇區(qū)。

管制扇區(qū)是空中交通管理的直接實(shí)施者，交通擁堵、交通事故都與所在的管制扇區(qū)直接相關(guān)。另一方面，管制扇區(qū)將連續(xù)的交通流分區(qū)管理，將完整的航班飛行過(guò)程分段控制，必然帶來(lái)繁復(fù)的協(xié)調(diào)工作和整體效率的降低。正因?yàn)槿绱?，管制扇區(qū)劃設(shè)及其內(nèi)部交通管理問(wèn)題，一直是學(xué)術(shù)研究和空管實(shí)踐關(guān)注重點(diǎn)。

3) 四維航跡

四維航跡(Four Dimension Tracjectory，4DT)是指用經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間等4個(gè)維度關(guān)鍵點(diǎn)定義的，航班從起飛機(jī)場(chǎng)停機(jī)位到目的地機(jī)場(chǎng)停機(jī)位的完整飛行過(guò)程。在整個(gè)航班生命周期中，隨著各類信息的不斷加入，四維航跡也隨之不斷更新。如圖10所示。

表2 表征管制員-航班交互關(guān)系的運(yùn)行規(guī)則

圖10 四維航跡生成和更新流程

從圖10中可以看出，4DT集成了航班在管制區(qū)中移動(dòng)的完整信息，是空域航行性能、航空器性能和空中交通管理共同作用的結(jié)果。正因?yàn)槿绱?，延誤更少、效率更高、排放更少的4DT是高水平空中交通管理的重要體現(xiàn)，也是科技研究和工程實(shí)踐的努力方向。ICAO規(guī)劃的TBO，同樣以此為基礎(chǔ)。

4) 間隔

間隔(Separation)是由管制員而指定的，2架或者多架航空器之間的縱向、橫向或者垂直距離[65]。為保證安全所需要的最小間隔稱作間隔標(biāo)準(zhǔn)(Separation Minima)。為避免撞機(jī)、撞地，在航空器之間、航空器與地面之間建立間隔確保安全，是最自然、最有效的交通管理方法，間隔因此被成為安全間隔。隨著交通流管理的出現(xiàn)，以減少擁擠為目標(biāo)的間隔控制則成為新的需求?？罩薪煌ü芾黹g隔分類如表3所示。使用中常常需要考慮幾類間隔要求，配置兩架航空器之間的距離。

表3 空中交通管理間隔分類

由于涉及安全底線，間隔始終是空中交通管理研究與實(shí)踐最受關(guān)注的內(nèi)容。各國(guó)工作規(guī)則中，普遍將小于規(guī)定的間隔標(biāo)準(zhǔn)作為認(rèn)定不安全事件和事故的重要依據(jù)。理論研究中，則初步揭示出間隔標(biāo)準(zhǔn)是碰撞風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)定的目標(biāo)安全等級(jí)共同作用的結(jié)果。

隨著交通量持續(xù)提升，持續(xù)降低間隔標(biāo)準(zhǔn)，提升空域容量需求愈加迫切。實(shí)時(shí)掌握航空器周圍大氣條件和交通態(tài)勢(shì)，加強(qiáng)飛行員、管制員動(dòng)態(tài)感知和分析能力，動(dòng)態(tài)配置間隔成為新的發(fā)展方向。

基于空中交通工程學(xué)定義，初步提煉出運(yùn)行規(guī)則、管制扇區(qū)、四維航跡和間隔等空中交通工程學(xué)基本研究對(duì)象，這一概念上的梳理，為認(rèn)識(shí)紛繁復(fù)雜的空中交通管理問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。下面將以構(gòu)造學(xué)科理論體系為目標(biāo)，進(jìn)一步探索學(xué)科核心概念、基本原理和科學(xué)問(wèn)題。

4.2 核心概念與基本原理

從1947年第1篇論文開(kāi)始，“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)”成為空中交通工程學(xué)科近80年發(fā)展主線。歐洲空管專家、SESAR前項(xiàng)目主管Meckiff總結(jié)：2000年以前關(guān)注延誤和容量，2002年德國(guó)überlingen空難之后安全研究成為中心，2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)、2010年冰島火山噴發(fā)大面積航班取消則將運(yùn)行效率、航線網(wǎng)絡(luò)韌性與危機(jī)管理擺在首位。在解決大量實(shí)際問(wèn)題的同時(shí)，對(duì)學(xué)科自身特性的認(rèn)識(shí)卻仍待完善。美國(guó)空管專家、佐治亞理工學(xué)院Clark[66]就指出，從理論層面看，空中交通流動(dòng)性特征、系統(tǒng)管控架構(gòu)等領(lǐng)域基礎(chǔ)性問(wèn)題仍待深入研究。

近10年來(lái)，中國(guó)空中交通量增長(zhǎng)迅猛，目前已與歐洲基本持平，與美國(guó)快速接近。實(shí)踐中的問(wèn)題需要理論指導(dǎo)，所積累的經(jīng)驗(yàn)也需要理論升華。在新的形勢(shì)下，吐故納新、吸收相關(guān)學(xué)科理論與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國(guó)空中交通管理特點(diǎn)和環(huán)境，形成中國(guó)空中交通工程學(xué)理論體系，使之更好地指導(dǎo)學(xué)科發(fā)展和行業(yè)實(shí)踐，是學(xué)科自身發(fā)展必然要求。本文將根據(jù)“核心概念—基本原理—科學(xué)問(wèn)題—關(guān)鍵技術(shù)”學(xué)理鏈[67]。構(gòu)建空中交通工程學(xué)理論體系的基本架構(gòu)。

4.2.1 核心概念

概念是人們對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性認(rèn)識(shí)的凝煉，是對(duì)事物本質(zhì)與內(nèi)在關(guān)系抽象與凝煉的語(yǔ)言表述，理論是以概念為起始點(diǎn)向各個(gè)維度的延展。越能體現(xiàn)研究對(duì)象本質(zhì)屬性的概念在理論體系中越具有根本性和實(shí)質(zhì)性，稱為核心概念。提出核心概念是構(gòu)建理論體系的“第1步”。

在空中交通管理領(lǐng)域，多部國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)提出機(jī)場(chǎng)、管制區(qū)、機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)、航跡等大量定義，形成了領(lǐng)域知識(shí)集合。但從核心概念角度看，現(xiàn)有定義多源于從用途、位置、受管制情況等角度，對(duì)現(xiàn)實(shí)事物分類命名；既缺少?gòu)慕煌ü芾斫嵌?，?duì)事物本質(zhì)屬性的抽象，也缺少對(duì)各類事物共同屬性的凝練，同時(shí)還隱藏了相互之間邏輯關(guān)系。例如，跑道和管制區(qū)位于不同地理位置，分屬不同管制單位，看似差別巨大；但從交通組織與管理角度看，卻同屬有容量屬性的交通單元，非常相似。因此，本文嘗試從構(gòu)造理論體系要求出發(fā)，進(jìn)一步凝練空中交通管理系統(tǒng)各組成部分本質(zhì)屬性，提出以下6個(gè)基本概念：

1) 飛行規(guī)則。在ICAO構(gòu)建的空中規(guī)則體系中，飛行規(guī)則直接決定了空中交通管理體制，即飛行員承擔(dān)防撞責(zé)任的VFR、管制員承擔(dān)防撞責(zé)任的IFR。世界各國(guó)建設(shè)和運(yùn)行的龐大地基空管系統(tǒng)，無(wú)不源于這一基本劃分。

2) 交互網(wǎng)絡(luò)。管制扇區(qū)將管制空域、航班飛行過(guò)程切割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立管理的分區(qū)。伴隨航班飛行進(jìn)程，沿航跡各管制扇區(qū)移交管制權(quán)過(guò)程，構(gòu)成連續(xù)的交互關(guān)系，與空域組織與管理、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理、流量管理、交通同步等交通管理過(guò)程交織，形成連接各交通管理單位的交互網(wǎng)絡(luò)。

3) 復(fù)雜性。Odoni[36]提出的空中交通系統(tǒng)不確定性、波動(dòng)性、非線性特征，實(shí)踐中對(duì)人因可靠性、管制扇區(qū)內(nèi)多機(jī)交通行為、航線網(wǎng)絡(luò)韌性的認(rèn)識(shí)，以及交通系統(tǒng)普遍具有的自適應(yīng)、自組織、邊界開(kāi)放特征，都說(shuō)明了空中交通系統(tǒng)的復(fù)雜性。

4) 安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于影響航空器安全的危險(xiǎn)(Hazard)，安全風(fēng)險(xiǎn)就是經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)得到的，危險(xiǎn)及其后果的嚴(yán)重性和出現(xiàn)概率[68]。根據(jù)嚴(yán)重程度，我國(guó)將危險(xiǎn)細(xì)分為一般差錯(cuò)(Error)、嚴(yán)重差錯(cuò)(Serious error)[64]、一般事故征候(Incident)和嚴(yán)重事故征候(Serious incident)[69]。安全風(fēng)險(xiǎn)是對(duì)危險(xiǎn)及其后果的量化度量。為了避免危險(xiǎn)發(fā)展演化成為直接導(dǎo)致人員、財(cái)產(chǎn)受損的事故(Accident)，空中交通管理主要的任務(wù)就是控制安全風(fēng)險(xiǎn)[70]。

5) 容量?！睹裼煤娇湛罩薪煌ü芾硪?guī)則(CCAR93)》[64]提出，空中交通管制容量(簡(jiǎn)稱容量)通常以指定空域或機(jī)場(chǎng)在一特定時(shí)間內(nèi)最多能夠接受的航空器數(shù)量表示。管制空域和航路結(jié)構(gòu)、管制方式和設(shè)備、使用該空域的航空器導(dǎo)航精度、與天氣有關(guān)的諸種因素以及管制員的工作量等因素都會(huì)影響容量。

6) 效率。單個(gè)航班在門(mén)到門(mén)的過(guò)程中按照自己計(jì)劃的起降時(shí)間和航跡運(yùn)行的能力[71]。延誤是最常用的效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是從時(shí)間角度評(píng)價(jià)效率的重點(diǎn)。從空間角度看，航班偏離計(jì)劃航跡，偏離省時(shí)、省油、減排的優(yōu)化航跡，都可以看作效率降低。

以上6個(gè)基本概念是空中交通管理理論基石，也是應(yīng)用研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)的出發(fā)點(diǎn)。例如，20世紀(jì)40年代容量概念出現(xiàn)后，先后衍生出跑道容量、管制扇區(qū)容量定義，以及解析計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真、工作負(fù)荷測(cè)量等容量評(píng)估方法。2010年冰島火山噴發(fā)造成大面積航班延誤之后，航路網(wǎng)絡(luò)容量成為新的關(guān)注點(diǎn)。20世紀(jì)60年代，安全風(fēng)險(xiǎn)中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)被定義后，很快與交通場(chǎng)景相結(jié)合，出現(xiàn)航空器垂直、水平方向碰撞風(fēng)險(xiǎn)，航空器與地面障礙物碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，以及空域高度層、平行航線、飛行程序保護(hù)區(qū)安全性評(píng)估程序和方法。

4.2.2 基本原理

實(shí)踐中看似不相關(guān)的措施往往源于共同的思考。例如，設(shè)立單向航路、用高度層將東西向交通流分隔、指定不同的進(jìn)出點(diǎn)將進(jìn)離場(chǎng)交通流分開(kāi)，都可歸納為通過(guò)分隔交通流、降低復(fù)雜性。在同一管制扇區(qū)配備2名管制員(也稱“雙崗制”)[72]，航空器飛越障礙物時(shí)配備超障余度，則是通過(guò)增加冗余、減少碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

將空中交通管理活動(dòng)中，管理主體行為基本準(zhǔn)則與管理活動(dòng)運(yùn)作規(guī)則的論斷與定律進(jìn)行歸納，將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)固化與基于基本概念進(jìn)行邏輯推理形成的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，就形成理論體系中的原理。原理是理論體系中邏輯推導(dǎo)功能的體現(xiàn)，類似幾何學(xué)中的公理或者定理?；驹硎峭ㄟ^(guò)邏輯推導(dǎo)構(gòu)造理論體系的“元功能”，可以衍出更多、更具體的邏輯判斷，類似公理。

作為1個(gè)架構(gòu)于“物理-社會(huì)-信息”三維空間的交通系統(tǒng)，空中交通管理系統(tǒng)基本原理符號(hào)化、形勢(shì)化和公理化表述涉及面很廣，很多情境之下只能表述為1種關(guān)系原則和行為準(zhǔn)則，因此，采用文字表述以下5個(gè)基本原理。

1) 復(fù)雜性降解原理。復(fù)雜性是空中交通系統(tǒng)基本屬性。全球互聯(lián)的空中交通系統(tǒng)中發(fā)生的各種事件，往往是多種不確定因素共同作用的結(jié)果，常常會(huì)導(dǎo)致不可知的影響。因此，設(shè)法降低交通復(fù)雜性，就成為控制風(fēng)險(xiǎn)成為必然選擇。2013年底完成的 “京昆空中大通道”空域調(diào)整中，以既有航路航線為主體，調(diào)整個(gè)別航線交通流走向、新增部分航線段，組合成上下行分離、全部連通的組合通道，消除了上下行交通的對(duì)頭沖突，實(shí)現(xiàn)沿途城市之間往返飛行分離。這一秩序上的“梳理”，減低了交通復(fù)雜性，取得安全風(fēng)險(xiǎn)減低49%、管制員工作負(fù)荷降低29%、容量提升40%的顯著效果[73]。

2) 冗余原理?？罩薪煌ㄏ到y(tǒng)安全是技術(shù)因素、人為因素、組織因素共同作用的結(jié)果[74]。其中，技術(shù)因素、人的理性行為具有規(guī)律性，相對(duì)容易界定；但人的非理性行為和更為復(fù)雜的組織因素，定量描述都十分困難。采用冗余原理，應(yīng)對(duì)不確定因素帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)成為必然選擇。前文中提到的“雙崗制”、超障余度，以及建設(shè)的空管自動(dòng)化主用系統(tǒng)之外的應(yīng)急備份系統(tǒng)，都是冗余原理的體現(xiàn)。除減少安全風(fēng)險(xiǎn)外，航班時(shí)刻表編排時(shí)，在航段運(yùn)行時(shí)間、航班過(guò)站時(shí)間中也加入冗余，避免遭遇延誤后影響后續(xù)航班正常性。

3) 信息綜合原理。采用不同管制扇區(qū)，管理同一航班不同飛行階段的分布式管理方式，必然產(chǎn)生建立全球通用的航空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)信息綜合，支持全面態(tài)勢(shì)感知和交通管理的需求[75]。ICAO已經(jīng)規(guī)劃了飛行與流量信息協(xié)作環(huán)境，作為新一代空中交通管理系統(tǒng)基石[76]。今天的空中交通管理系統(tǒng)中，也普遍具備了飛行計(jì)劃集中處理、監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)等功能。

4) 管理協(xié)同原理。在空-地、地-地的分布環(huán)境中，滿足不同交通參與者要求實(shí)施交通管理，不僅需要信息綜合，更需要管理協(xié)同。除航班進(jìn)出不同管制扇區(qū)時(shí)的移交條件協(xié)商這一最常見(jiàn)的協(xié)同外，更大范圍、更多參與者構(gòu)成的協(xié)同還有很多。20世紀(jì)90年代，美國(guó)管制部門(mén)和航空公司共同實(shí)施離場(chǎng)航班協(xié)同決策(Collaborative Decision Making，CDM)程序，通過(guò)互換離場(chǎng)時(shí)隙使得機(jī)場(chǎng)容量利用率顯著提升。進(jìn)入21世紀(jì)后，歐洲機(jī)場(chǎng)各地面保障單位，為控制航班過(guò)站時(shí)間，推出了預(yù)計(jì)撤輪檔時(shí)間協(xié)商程序，被稱為機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策(Airport CDM，A-CDM)。2010年后，中國(guó)CDM系統(tǒng)、A-CDM系統(tǒng)建設(shè)相繼啟動(dòng)，同樣效果不凡。這些實(shí)踐均表明，協(xié)同已經(jīng)成為空中交通管理的客觀要求[77]。

5) 效能化原理。從效能角度研究空中交通管理系統(tǒng)，其目的是用定性或者定量的效能變量描述系統(tǒng)，同時(shí)尋找效能變量之間相互作用關(guān)系(增強(qiáng)或者干擾)；最終圍繞績(jī)效目標(biāo)，建立績(jī)效變量之間的因果關(guān)系[71]?；谛艿姆椒?，是各國(guó)在空中交通管理實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的、復(fù)雜系統(tǒng)管控方法。早在20世紀(jì)40年代，面對(duì)五花八門(mén)的機(jī)場(chǎng)布局和運(yùn)行管理方式，無(wú)章可循的美國(guó)機(jī)場(chǎng)交通管制咨詢委員會(huì)提出5個(gè)效能指標(biāo)，借此發(fā)現(xiàn)了短板和改進(jìn)方向。2009年，ICAO公布《全球航行系統(tǒng)效能手冊(cè)》(Doc 9883)[71]，定義了11大類關(guān)鍵效能領(lǐng)域，再次規(guī)劃借助效能方法，推動(dòng)各國(guó)系統(tǒng)升級(jí)。

4.2.3 邏輯關(guān)系分析

6個(gè)核心概念、5個(gè)基本原理之間邏輯關(guān)系如圖11所示。圖中用矩形框表示核心概念，用橢圓形框表示基本原理，帶箭頭直線表示兩者間的邏輯關(guān)系。

核心概念來(lái)自系統(tǒng)的本質(zhì)屬性，是構(gòu)成理論體系的基石，從研究角度看，則是理論探索應(yīng)該聚焦的問(wèn)題。而核心概念之間邏輯關(guān)系，正是問(wèn)題研究中應(yīng)該遵循的脈絡(luò)。如圖11所示，對(duì)不同空域與機(jī)場(chǎng)環(huán)境中空中交通行為、空中交通管理活動(dòng)的研究，分別驅(qū)動(dòng)了2條邏輯鏈的延伸。復(fù)雜性揭示出交通行為的不確定性，安全風(fēng)險(xiǎn)和容量則分別從兩機(jī)相撞、多機(jī)沖突等角度，認(rèn)識(shí)復(fù)雜性的某一方面?？罩幸?guī)則確定防撞責(zé)任后，管制員能力限制要求細(xì)分管制區(qū)，隨細(xì)分而來(lái)的則是大量交互行為和整體運(yùn)行效率的降低。此外，復(fù)雜性帶來(lái)的管制員交互，交互耗時(shí)帶來(lái)容量下降，防撞調(diào)配帶來(lái)的效率下降，也將兩條邏輯鏈連接起來(lái)。

圖11 核心概念與基本原理之間邏輯關(guān)系

核心概念定義了領(lǐng)域問(wèn)題，基本原理則通過(guò)實(shí)踐總結(jié)、邏輯推導(dǎo)，給出了解答思路。分布的交互網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)信息和人員的分散，加強(qiáng)信息綜合、人員協(xié)同是必然的選擇。應(yīng)對(duì)包含諸多不確定因素的復(fù)雜性問(wèn)題，設(shè)法降低復(fù)雜性，或者增大裕度應(yīng)對(duì)不確定性，同樣是合理的選擇。效能化原理則是解決人-機(jī)-環(huán)-管等要素多重交織難題中積累的智慧。

圖11雖然建立了核心概念與基本原理的邏輯關(guān)系，但從前文分析中不難發(fā)現(xiàn)，很多問(wèn)題仍待深究。例如，復(fù)雜性如何效能化，各類復(fù)雜性都可以降解嗎，交互網(wǎng)絡(luò)能否效能化？這些問(wèn)題正是構(gòu)建理論框架過(guò)程中，用核心概念描述，由基本原理衍生出的科學(xué)問(wèn)題。

4.3 科學(xué)問(wèn)題

理論體系中的科學(xué)問(wèn)題是一類用概念描述并由基本原理推導(dǎo)衍生出來(lái)的具有學(xué)術(shù)品質(zhì)和理論價(jià)值的研究問(wèn)題[67]。以核心概念與基本原理為基礎(chǔ)，提出3個(gè)科學(xué)問(wèn)題：① 空中交通管理系統(tǒng)復(fù)雜性建模；②空中交通管理組織與協(xié)同模式；③ 空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)演化與防范機(jī)理。

4.3.1 空中交通管理系統(tǒng)復(fù)雜性建模

從各自研究問(wèn)題和現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，物理學(xué)、化學(xué)、生物等學(xué)科都對(duì)“復(fù)雜性”概念給予描述和界定。雖各不相同，但研究對(duì)象普遍呈現(xiàn)與環(huán)境高度交互、組成要素自適應(yīng)、整體行為自組織等特征[78]。盧守峰等[79]歸納城市交通系統(tǒng)復(fù)雜性時(shí)，又增加了全系統(tǒng)可以處于非平衡態(tài)等特征。

空中交通管理系統(tǒng)復(fù)雜性研究源于管制扇區(qū)容量研究。1976年，Schmidt[80]發(fā)現(xiàn)僅用航空器數(shù)量無(wú)法準(zhǔn)確衡量管制員指揮工作量后，提出引入管制過(guò)程“復(fù)雜性或者難度”權(quán)重系數(shù)加以修正。復(fù)雜性研究由此啟動(dòng)。1995年，F(xiàn)AA公布的研究報(bào)告中，從分析管制員工作負(fù)荷影響因素出發(fā)，提出了空中交通管理系統(tǒng)復(fù)雜性構(gòu)成要素[81]。綜合后續(xù)研究，空中交通管理復(fù)雜性影響因素如圖12所示。

空中交通管理活動(dòng)中，空中交通復(fù)雜性是管理復(fù)雜性產(chǎn)生的源頭，空域航行性能和認(rèn)知復(fù)雜性都會(huì)增加或者減少管制員工作負(fù)荷。對(duì)比地面交通管理系統(tǒng)，三者分別對(duì)應(yīng)人車交通行為、交通設(shè)施水平和交通管控能力，管制員工作負(fù)荷則代表交通管理帶來(lái)的資源消耗。

除3.2.2節(jié)已經(jīng)介紹的管制員工作負(fù)荷外，有關(guān)概念含義及研究現(xiàn)狀如下：

1) 認(rèn)知復(fù)雜性

認(rèn)知復(fù)雜性，即管制員對(duì)空中交通態(tài)勢(shì)認(rèn)知難度。如前文所述，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，在交通擁堵壓力推動(dòng)下，歐美等國(guó)就著手研究管制員工作負(fù)荷測(cè)量方法。20世紀(jì)80年代初，已經(jīng)形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1994年， RTCA提出“自由飛行”概念后，被動(dòng)測(cè)量方法顯然無(wú)法使用。

圖12 空中交通管理復(fù)雜性組成要素

1996年，Pawlak等[82]提出研究交通態(tài)勢(shì)和管制員認(rèn)知能力關(guān)系，建立工作負(fù)荷計(jì)算新方法的構(gòu)想。以此為基礎(chǔ)，NASA從交通行為分類出發(fā)，將管制扇區(qū)內(nèi)航班航向、速度、高度改變次數(shù)等作為加權(quán)因子，在數(shù)量統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，加權(quán)計(jì)算得到動(dòng)密度(Dynamic Density，DD)，作為工作負(fù)荷超標(biāo)判斷依據(jù)[83]。動(dòng)密度研究成功建立了分類交通行為與管制員工作負(fù)荷之間聯(lián)系，其結(jié)論已經(jīng)用于管制扇區(qū)容量估計(jì)。近年來(lái)，嘗試用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，尋找這種聯(lián)系的研究成為新的熱點(diǎn)[84]。

分析交通行為同時(shí)，管制員認(rèn)知能力研究也在推進(jìn)。2002年，Hansman等[85]從認(rèn)知心理學(xué)角度，發(fā)現(xiàn)管制員面對(duì)有結(jié)構(gòu)的交通流時(shí)，特別留意某些關(guān)鍵點(diǎn)(如交通流匯聚點(diǎn))，有意識(shí)的將航班分組。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，面對(duì)復(fù)雜的交通態(tài)勢(shì)，管制員傾向參考航路航線結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)化的心理模型(Mental Model)，以此降低認(rèn)知復(fù)雜性。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，管制員并非簡(jiǎn)單觀察、記憶航班群行為，而是經(jīng)過(guò)心理加工，構(gòu)建了新的交通場(chǎng)景。該成果雖然尚不能回答，管制員面對(duì)不同交通態(tài)勢(shì)時(shí)的認(rèn)知工作量，但卻基本建立了管制員認(rèn)知架構(gòu)與扇區(qū)交通結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為制定更合理運(yùn)行規(guī)則奠定了基礎(chǔ)。

從認(rèn)知角度開(kāi)展的復(fù)雜性研究，雖然受研究目標(biāo)限制，其關(guān)注點(diǎn)始終置于管制員主觀層面，但卻開(kāi)啟了空中交通行為分析之門(mén)。

2) 空域航行性能

空域航行性能是支持航班按照指定飛行規(guī)則和管制方式安全運(yùn)行的，空域和機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)內(nèi)通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象與情報(bào)服務(wù)能力。該能力代表了保障航空器安全航行和管制員指揮的技術(shù)條件。在圖1所示的空中交通管理架構(gòu)中，技術(shù)保障能力顯然是其中重要一環(huán)。

空中交通發(fā)展早期，地基無(wú)線導(dǎo)航臺(tái)、空地高頻/甚高頻電臺(tái)是主要的航行支持設(shè)施。二戰(zhàn)之后，雷達(dá)迅速成為交通活動(dòng)監(jiān)視的主要手段，交通管理技術(shù)也借此進(jìn)入雷達(dá)管制時(shí)代。受地面臺(tái)址和作用范圍限制，航班飛行只能在有限的航路和機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行，而且因信號(hào)盲區(qū)、電磁干擾等原因，通信監(jiān)視能力迅速下降的同時(shí)，給管制員帶來(lái)額外工作負(fù)荷。而擴(kuò)大飛行范圍、提高系統(tǒng)可靠性只能通過(guò)不斷增加地面臺(tái)站數(shù)量實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代初，為增加儀表著陸系統(tǒng)引導(dǎo)信號(hào)覆蓋范圍，提升航班進(jìn)場(chǎng)速度，F(xiàn)AA提出“進(jìn)近通道”運(yùn)行概念。在跑道五邊方向，構(gòu)建一個(gè)定位精度均勻的扇形區(qū)域，航班在其中可以自由選擇進(jìn)近線圖，借此取代儀表著陸系統(tǒng)(Instrument Landing System，ILS)標(biāo)記的、狹窄的下滑道。按照這一概念研發(fā)的微波著陸系統(tǒng)(Microwave Landing System，MLS)雖然因頻率限制為取得成功，但根據(jù)運(yùn)行需求標(biāo)記導(dǎo)航性能(Performance Based Navigation，PBN)的技術(shù)原理卻由此誕生[86]。

20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，以星基技術(shù)為代表的新航行系統(tǒng)發(fā)展迅速，除極地等少數(shù)區(qū)域外，全球絕大部分海洋和陸地被衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)覆蓋。同時(shí)隨著衛(wèi)星導(dǎo)航地基、星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的完善，按照PBN原理，面向不同飛行階段定位要求，“訂制”不同空域的航行性能成為可能。

20世紀(jì)90年代，ICAO采用從運(yùn)行需求倒推技術(shù)系統(tǒng)指標(biāo)的“逆向方法”，先后提出所需導(dǎo)航性能(Required Navigation Performance，RNP)，所需通信性能(Required Communication Performance，RCP)和所需監(jiān)視性能(Required Surveillance Performance，RSP)概念，按照不同飛行階段定位和空地通信需求，定義CNS系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。這一方式分別量化了通信導(dǎo)航設(shè)備設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，為最終形成統(tǒng)一、量化的空域航行能力奠定了基礎(chǔ)。2016年，ICAO提出通信與導(dǎo)航性能相互融合的、基于性能通信與導(dǎo)航(Performance-Based Communication and Surveillance，PBCS)概念，以及與之相對(duì)應(yīng)的基于性能的間隔(Performance-based separation)標(biāo)準(zhǔn)。該工作已經(jīng)初步建立了空域通信、導(dǎo)航性能和管制間隔標(biāo)準(zhǔn)之間聯(lián)系?？梢灶A(yù)料，更多的空域航行性能指標(biāo)都會(huì)以類似方式納入交通管理之中，成為標(biāo)記管理能力的重要標(biāo)志。2020年，陳志杰團(tuán)隊(duì)[87-88]提出數(shù)字空域系統(tǒng)概念，啟動(dòng)了對(duì)空域航行性能計(jì)算問(wèn)題的全面探索。

雖然早在20世紀(jì)90年代，空域航行性能就被列入復(fù)雜性影響因素，但相關(guān)研究并不多見(jiàn)。其原因在于復(fù)雜性研究多關(guān)注雷達(dá)管制下的管制扇區(qū)內(nèi)部航班交通行為，在這一范圍內(nèi)空域航行性能分布均勻、對(duì)航班交通行為影響不大。但隨著網(wǎng)絡(luò)級(jí)復(fù)雜性問(wèn)題的出現(xiàn)，以及無(wú)人機(jī)引發(fā)的超低空使用需求，該問(wèn)題重要性將更加凸顯。

3) 空中交通復(fù)雜性

空中交通復(fù)雜性，即空域復(fù)雜性(Airspace complexity)，是拋開(kāi)管制員主觀感受，站在客觀角度開(kāi)展的航班交通行為研究，是對(duì)空中交通內(nèi)稟屬性(如航班速度、航向、位置)的觀察和理解。從圖12中可以看出，空中交通復(fù)雜性是認(rèn)知復(fù)雜性和管制員工作負(fù)荷的源頭。

從復(fù)雜性概念高度交互、自適應(yīng)、自組織含義出發(fā)，空中交通復(fù)雜性研究也嘗試從航班群、航班流和交通網(wǎng)絡(luò)角度，尋找空中交通系統(tǒng)呈現(xiàn)的整體行為。采用的研究路線分為兩大類：① 完全從系統(tǒng)最基礎(chǔ)的組成要素——航班出發(fā)，通過(guò)分析航班微觀交互行為，把握系統(tǒng)總體特征，也被稱作空中交通內(nèi)稟復(fù)雜性研究；② 借鑒地面交通復(fù)雜性研究，分別從交通流、交通網(wǎng)絡(luò)視角，研究某些交通參數(shù)時(shí)空分布復(fù)雜性和演化機(jī)制問(wèn)題。從研究目的看，這2類研究分布針對(duì)空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)、容量和效率等本質(zhì)屬性，是空中交通工程學(xué)理論體系的重要組成部分。

空中交通復(fù)雜性研究框架如圖13所示。從圖中可以看出，空中交通復(fù)雜性研究對(duì)象包括以下3類：航班群、一二維航班流、空中交通網(wǎng)絡(luò)。

航班群是指在同一管制員防撞責(zé)任區(qū)內(nèi)活動(dòng)的、接受指揮的多個(gè)航班。如圖1所示，空中交通管理系統(tǒng)中管制員取代飛行員，成為航班交通行為的實(shí)際控制者。管制員在沖突調(diào)配過(guò)程中，為了避免產(chǎn)生新的沖突，需要同時(shí)兼顧轄區(qū)內(nèi)多個(gè)航班，實(shí)施整體調(diào)配，轄區(qū)多個(gè)航班也因此呈現(xiàn)一種整體性交通行為。根據(jù)管制員能力水平，空域條件復(fù)雜的雷達(dá)管制扇區(qū)中，航班群規(guī)模通常小于12架。

圖13 空中交通復(fù)雜性研究框架

2000年，法國(guó)學(xué)者Delahaye和Puechmore[89]抓住航班群管理中最關(guān)心的沖突與避撞問(wèn)題，利用航空器i和j相對(duì)距離矢量Dij與相對(duì)速度矢量Vij，分別表示沖突過(guò)程中兩機(jī)接近度和接近率，以此為基礎(chǔ)，度量典型沖突場(chǎng)景中的交通形勢(shì)及其演化規(guī)律，揭示管制扇區(qū)整體交通行為的復(fù)雜性。本方法源自航班相對(duì)位置分析，也因此被稱作幾何無(wú)序性方法或者交通無(wú)序性方法。除關(guān)注管制扇內(nèi)部交通外，另一思路是研究新進(jìn)入航班與內(nèi)部已有航班的沖突態(tài)勢(shì)，認(rèn)為復(fù)雜性是管制扇區(qū)受到擾動(dòng)后管理的復(fù)雜程度[90]。該方法被稱作交通擾動(dòng)方法。上述2個(gè)方法，因同源于速度、航向、位置等空中交通內(nèi)稟屬性分析，合稱為內(nèi)稟復(fù)雜性研究[91]。

交通擾動(dòng)研究中，Lee等[90]采用復(fù)雜性圖示化方法(Complexity Map)，顯示管制扇區(qū)內(nèi)部沖突態(tài)勢(shì)，隨航班進(jìn)入位置、航向變化情況，為控制航班進(jìn)入條件提供了直觀依據(jù)。復(fù)雜性圖示方法因此成為面向應(yīng)用的新研究方向。2011—2013年，筆者等[92-93]提出采用空域中，航班保護(hù)區(qū)重疊情況作為沖突態(tài)勢(shì)度量方法，并構(gòu)建了跑道五邊到場(chǎng)交通復(fù)雜性圖，作為控制航班進(jìn)近間隔的依據(jù)。近年來(lái)，隨著自主飛行概念出現(xiàn)，自由航路空域沖突管理成為新的研究重點(diǎn)。王紅勇和郭宇鵬[94]在Lee的基礎(chǔ)上，除考慮進(jìn)入位置和航向影響外，新增進(jìn)入航班航速對(duì)柵格空域復(fù)雜性影響，同時(shí)將復(fù)雜性圖拓展到水平、垂直方向，較好地揭示了靈活空域復(fù)雜性特征，也成為復(fù)雜性圖研究最新進(jìn)展。

航班相互迫近是沖突前兆，關(guān)注安全風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜性研究自然將其作為重點(diǎn)。但如果進(jìn)一步分析沖突成因，不難發(fā)現(xiàn)在固定的航路航線網(wǎng)絡(luò)中，路徑交叉、匯聚必然蘊(yùn)含沖突風(fēng)險(xiǎn)，同樣值得從復(fù)雜性角度研究。2014—2015年，王紅勇等[95-96]提出以航班為節(jié)點(diǎn)，航班之間連線為邊，航班對(duì)之間復(fù)雜性作為權(quán)值，構(gòu)造管制扇區(qū)沖突態(tài)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)，用網(wǎng)絡(luò)的平均度或者網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)表示管制扇區(qū)整體復(fù)雜性。2018年，Wang等[97]進(jìn)一步將航路點(diǎn)、航段作為節(jié)點(diǎn)引入沖突態(tài)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)，用各節(jié)點(diǎn)歐式距離，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)間邊權(quán)值函數(shù)，用動(dòng)態(tài)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)特性描述復(fù)雜性。這些研究在構(gòu)建航班群沖突態(tài)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)了航班-管制扇區(qū)結(jié)合的復(fù)雜性研究。

在交通密集的管制扇區(qū)中，一架航班沖突解脫機(jī)動(dòng)(如改變高度層、航向、速度等)可能誘發(fā)新的沖突。隨著時(shí)間推進(jìn)，新沖突誘發(fā)新機(jī)動(dòng)過(guò)程不斷重復(fù)，還可能影響更多航班改變位置，從而改變整個(gè)扇區(qū)交通態(tài)勢(shì)。西班牙學(xué)者Radanovic等[98]將這一現(xiàn)象命名為空中生態(tài)系統(tǒng)(Aerial Ecosystems)。根據(jù)其含義稱為沖突解脫生態(tài)系統(tǒng)。從形式上看，這一概念與沖突態(tài)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)有些類似，也使用圖描述生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)航班之間沖突關(guān)系[99]。兩者最大不同是，前者從整個(gè)扇區(qū)視角，按照每對(duì)航班之間復(fù)雜性構(gòu)建扇區(qū)沖突網(wǎng)絡(luò)；后者從單航班視角，基于所有可能的沖突解脫算法描述航班節(jié)點(diǎn)間關(guān)系，按照沖突、機(jī)動(dòng)、新沖突、新機(jī)動(dòng)的順序，隨著時(shí)間的推進(jìn)依次構(gòu)建沖突網(wǎng)絡(luò)。此外，前者支持管制員整體把握扇區(qū)情況，后者可以為當(dāng)前航班找到1條沖突最少路徑。

航班流是指多架航空器移動(dòng)成列后展現(xiàn)的整體行為，可以用流量、速度、密集度等指標(biāo)描述。沿同一條航路飛行或者起降機(jī)場(chǎng)相同的多架航空器都會(huì)形成航空器流?，F(xiàn)有研究中，將沿同一方向移動(dòng)的稱為一維航班流，交叉或者匯聚的稱為二維航班流。雖然現(xiàn)有航班流研究較少采用復(fù)雜性說(shuō)法，但多篇論文采用Lyapunov 指數(shù)等分析方法，發(fā)現(xiàn)航班流存在混沌現(xiàn)象。這一過(guò)程與經(jīng)典復(fù)雜性研究吻合，因此將航班流特性分析，也納入空域復(fù)雜性研究。

交通流量模型源于采用排隊(duì)模型分析跑道容量，航班到達(dá)率等成為最早的交通流研究。20世紀(jì)40-50年代，Bowen[16]嘗試從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出發(fā)，建立跑道起飛、到場(chǎng)流量分布規(guī)律，作為跑道交通流仿真和容量估算的初始條件。這一研究隨著跑道容量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和SIMMOD仿真工具完善趨于平靜，研究重點(diǎn)也逐漸轉(zhuǎn)向流量預(yù)測(cè)。前期發(fā)現(xiàn)的機(jī)場(chǎng)交通流量不確定性特征，在管制扇區(qū)流量預(yù)測(cè)中同樣被發(fā)現(xiàn)，也成為研究重點(diǎn)[100]。

2010年以后，ADS-B等航班軌跡數(shù)據(jù)的普及，以及數(shù)據(jù)聚類方法的成熟為研究提供了便利。各國(guó)學(xué)者延續(xù)前期工作的同時(shí)，在航班流量預(yù)測(cè)上也有所發(fā)現(xiàn)。2015年，Simaiakis和Balakrishnan[101]用D/Ek/1排隊(duì)模型表示航班從推出到起飛離場(chǎng)過(guò)程，用運(yùn)行數(shù)據(jù)估計(jì)了模型參數(shù)。該研究重點(diǎn)雖不是交通流分析，但卻統(tǒng)計(jì)得到了整個(gè)離場(chǎng)過(guò)程的交通流量分布規(guī)律，分析范圍和研究顆粒度比早期研究顯著提升。2017年，王超等[102]利用最大Lyapunov 指數(shù)、遞歸圖和關(guān)聯(lián)維數(shù)，從混沌與分形角度對(duì)交匯航路交通流量時(shí)間序列進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)時(shí)間尺度為2、5、10、15 min 時(shí)表現(xiàn)出混沌特性；隨著時(shí)間尺度增大，則表現(xiàn)出更強(qiáng)的隨機(jī)性。與此發(fā)現(xiàn)類似，2018—2019年，Zhang等[103]利用非線性方法，對(duì)北京首都機(jī)場(chǎng)交通流量混沌特性進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)尺度為10、15、30、60 min 時(shí)，起飛、降落、起降總流量時(shí)間序列均具有混沌特性，呈現(xiàn)分形特征；交通流量可預(yù)測(cè)性同時(shí)受樣本大小和噪聲影響，相同預(yù)測(cè)步長(zhǎng)下，可預(yù)測(cè)性隨著樣本數(shù)據(jù)量增加而減小。上述結(jié)論，在發(fā)現(xiàn)空中交通混沌現(xiàn)象的同時(shí)，也可以從理論層面解釋美歐日空中交通流量管理系統(tǒng)中，戰(zhàn)術(shù)、預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段流量統(tǒng)計(jì)時(shí)間尺度設(shè)定為15、20、30 min的原因。

綜上所述，交通流量模型以單位時(shí)間交通流量作為研究對(duì)象，主要用于：① 在容量評(píng)估、交通流量預(yù)測(cè)和管理模型中，基于流量分布特性估計(jì)模型參數(shù)。這類研究以美國(guó)學(xué)者居多；② 幾位中國(guó)學(xué)者從流量時(shí)間序列入手，分析其混沌特征，嘗試從用理論上探索交通流量可預(yù)測(cè)性問(wèn)題。這一類研究雖然成果不多，但卻為機(jī)頭對(duì)時(shí)距模型、跟馳模型等微觀交通模型，提供了宏觀印證。

地面交通研究中，用車頭間距、車頭時(shí)距描述交通流中前后相鄰兩車距離或者通過(guò)某一點(diǎn)的時(shí)間差。兩者是同一概念的不同量度單位，均與宏觀交通流三要素(流量、密度、速度)密切相關(guān)[104]。地面交通復(fù)雜性研究發(fā)現(xiàn)，雖然交通流基本圖模型可以展現(xiàn)交通參數(shù)間非線性關(guān)系，但更適合定性描述，車頭時(shí)距則是是更好的定量度量工具[105]。這一經(jīng)驗(yàn)很快被中國(guó)學(xué)者引入空中交通系統(tǒng)復(fù)雜性研究。

與地面一維交通流不同，即使在同一航路、沿同一航向飛行航班也可能分布在不同高度層。如何判定航班尾隨關(guān)系(也稱跟馳關(guān)系、跟隨關(guān)系)就成為首先需要回答的問(wèn)題。其次，同一跑道落地航班，即使沿不同航路進(jìn)場(chǎng)、進(jìn)近，相互之間同樣存在尾隨關(guān)系。第三，因間隔調(diào)配等原因，航班可能在管制員指揮下偏出航路，由此導(dǎo)致交通流中各航班路徑長(zhǎng)度不同，車頭時(shí)距和間距方法是否能用，是否等價(jià)仍待檢驗(yàn)。

2018年，王超和朱明[106]采用與地面交通最相似的方案，僅將同一段航路上、沿同一方向、同一高度層航班看作同一交通流，統(tǒng)計(jì)了機(jī)頭時(shí)距分布規(guī)律，并嘗試用對(duì)數(shù)正態(tài)分布和二元混合分布擬合。2020年，Wang等[107]根據(jù)歷史軌跡統(tǒng)計(jì)得到的、進(jìn)場(chǎng)航路上各點(diǎn)到達(dá)最后進(jìn)近定位點(diǎn)最短時(shí)間，定義最短剩余時(shí)間(Shortest residual time)概念，據(jù)此標(biāo)定進(jìn)場(chǎng)交通流中各航班次序和機(jī)頭時(shí)距?；谠摲桨福⒘藱C(jī)頭時(shí)距與交通流擁擠狀態(tài)(擁擠態(tài)、穩(wěn)定態(tài)、自由態(tài))之間關(guān)系。該研究不僅表明空中、地面交通流的相似性，其提出的最短剩余時(shí)間概念與ICAO Doc 9883[71]中空中交通管理系統(tǒng)效率定義完全一致，更進(jìn)一步揭示了交通流效率與擁擠的關(guān)系。

跟馳模型是微觀地面交通流理論核心內(nèi)容之一，其中最經(jīng)典的刺激—反應(yīng)模型是根據(jù)本車和前車距離、速度等關(guān)系決定本車反應(yīng)[108]。從理論上說(shuō)，出于同樣的防撞需求，管制員指揮的空中交通流也應(yīng)該遵循這一規(guī)律，但誘發(fā)后機(jī)跟馳行為的刺激項(xiàng)，控制跟馳過(guò)程的敏感系數(shù)，以及跟馳過(guò)程中盤(pán)旋等待、變更高度層、偏出航路等航班特有機(jī)動(dòng)動(dòng)作，則需要進(jìn)一步研究。

2015年，張洪海等[109]將管制間隔標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際間隔之間偏差，作為刺激項(xiàng)和敏感系數(shù)，即前后機(jī)距離大于或者小于間隔標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，都會(huì)誘發(fā)跟馳行為。跟馳過(guò)程中，調(diào)整高度、速度優(yōu)先，距離不足時(shí)，采用大角度偏出航路機(jī)動(dòng)增加間隔。同年，張洪海等[110]采用模糊邏輯方法提出了航空器動(dòng)態(tài)期望間隔控制策略。上述研究分別針對(duì)單股、單次匯聚、多次匯聚交通流建立了跟馳行為仿真模型，基于仿真結(jié)果展示了交通流速度、密度和流量等基本參數(shù)之間的相互關(guān)系。雖然同為交通問(wèn)題，但因機(jī)機(jī)間隔、控制邏輯與地面交通差別很大，空中交通是否存在地面交通流行為，一直沒(méi)有定論。以上研究依靠仿真手段，從邏輯上證實(shí)了空地交通流存在相似的擁擠態(tài)勢(shì)。

2016年，Yang等[111]在上述仿真研究基礎(chǔ)上，采用交通流基本圖模型，基于實(shí)際數(shù)據(jù)分析了廣州機(jī)場(chǎng)終端內(nèi)兩條匯聚航線，發(fā)現(xiàn)交通流有4個(gè)獨(dú)立的交通相，即自由流(Free)、暢通流(Smooth)、半穩(wěn)定流(Semi-stable)和擁擠流(Congested)。2017年，分析廣州白云機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪和滑行道交通流時(shí)，也發(fā)現(xiàn)存在自由流和擁擠流2個(gè)相[112]。2020年，Ma等[113]獨(dú)辟蹊徑，基于微觀碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，借助圖像識(shí)別方法，同樣發(fā)現(xiàn)空中交通流存在正常態(tài)(Normal State)、過(guò)渡態(tài)(Transition State)、擁堵態(tài)(Overload State)等3類交通流態(tài)勢(shì)。上述研究基于實(shí)際數(shù)據(jù)分析，再次表明空中交通流雖然密度、流量遠(yuǎn)小于地面交通，但確實(shí)存在類似的交通流特性，可以采用相同或者類似的方法，研究和控制空中交通復(fù)雜性。

連接全球各機(jī)場(chǎng)的空中航路，構(gòu)成了覆蓋全球的空中交通網(wǎng)絡(luò)。1968年、2020年紐約機(jī)場(chǎng)擁擠、冰島空域關(guān)閉，引發(fā)的全國(guó)性乃至全球性航班延誤，都說(shuō)明空中交通網(wǎng)絡(luò)上各機(jī)場(chǎng)、各管制區(qū)間存在的密切聯(lián)系，需要從更為宏觀的層面，把握其整體行為。

20世紀(jì)末，以小世界網(wǎng)絡(luò)和無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)為代表的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究取得突破性進(jìn)展，為從宏觀層面認(rèn)識(shí)空中交通問(wèn)題提供了全新手段。與航班群關(guān)注航班對(duì)沖突風(fēng)險(xiǎn)，航班流研究流量、密度、速度3要素關(guān)系及演變不同，網(wǎng)絡(luò)分析關(guān)注由航班流串聯(lián)起來(lái)的，機(jī)場(chǎng)、航路點(diǎn)、管制區(qū)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的整體特征。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、時(shí)空分布復(fù)雜性及其流量演化機(jī)制問(wèn)題，是研究的關(guān)鍵所在，也是研究的關(guān)鍵性基礎(chǔ)科學(xué)理論問(wèn)題[114]。

與網(wǎng)絡(luò)模型關(guān)注宏觀網(wǎng)絡(luò)特征不同，還有1類模型雖然同樣立足機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，但其研究關(guān)注航班延誤微觀傳遞過(guò)程，目的是構(gòu)建機(jī)場(chǎng)間航班延誤傳播模型。從數(shù)學(xué)方法上看，兩類模型差別較大，但因兩者研究問(wèn)題相近，且均與機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此本文也將其歸入空中交通網(wǎng)絡(luò)研究。

代表性的空中交通網(wǎng)絡(luò)研究模型如表4[115-119]所示。

機(jī)場(chǎng)、航線網(wǎng)絡(luò)是航空運(yùn)輸系統(tǒng)最基本的組成部分，航空公司運(yùn)營(yíng)、空域機(jī)場(chǎng)規(guī)劃、空中交通管理等均與之密切相關(guān)?？罩薪煌ňW(wǎng)絡(luò)尤其是其中的航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)始終是研究熱點(diǎn)。但從構(gòu)建交通運(yùn)輸工程理論體系角度，空中航行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與容量、效率之間的關(guān)系更值得關(guān)注。

與機(jī)場(chǎng)、管制扇區(qū)容量廣受關(guān)注不同，空中航行網(wǎng)絡(luò)研究更多集中在連通性、魯棒性、韌性等典型網(wǎng)絡(luò)特性研究，但與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所能容納的活動(dòng)航班數(shù)量并不直接相關(guān)。為滿足交通管理實(shí)踐需要中，歐盟法規(guī)中將流量管理造成的平均航班流量管理延誤,即航班實(shí)際推出時(shí)間與計(jì)劃推出時(shí)間偏差(Air Traffic Flow Management Delay)作為衡量網(wǎng)絡(luò)容量指標(biāo)[120]。該方法忽略延誤產(chǎn)生機(jī)理，將空中交通管理系統(tǒng)作為黑箱處理，與基于工作負(fù)荷的管制扇區(qū)容量評(píng)估方法類似，僅能用于工程化的事后分析。針對(duì)這一不足，2015年，Pien等[116]在歐洲空中航行網(wǎng)絡(luò)魯棒性研究時(shí)，提出用網(wǎng)絡(luò)最大流(Maximum network flows)表征網(wǎng)絡(luò)容量的新思路，同時(shí)定義相關(guān)區(qū)域指數(shù)(Relative Area Index，RAI)，用以標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)(機(jī)場(chǎng)、航路點(diǎn)、管制扇區(qū))容量下降對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響。

表4 空中交通網(wǎng)絡(luò)研究模型

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，空中航行網(wǎng)絡(luò)效率被定義為航班在網(wǎng)絡(luò)中飛行的燃油效率、航空乘客旅行距離[121]；或者從網(wǎng)絡(luò)魯棒性角度，機(jī)場(chǎng)隨機(jī)關(guān)閉或者發(fā)生蓄意攻擊時(shí)網(wǎng)絡(luò)保持性能的能力[122]。從以上定義出發(fā)，相關(guān)研究都表明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與效率密切相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)效率會(huì)隨之下降。與前文中效率定義相比，現(xiàn)有空中航行網(wǎng)絡(luò)效率研究，雖關(guān)注了航班燃油效率，但更為重要的網(wǎng)絡(luò)中航班計(jì)劃執(zhí)行能力研究卻并不充分。在組成航班計(jì)劃的起降時(shí)間和飛行航跡之中，起降時(shí)間執(zhí)行偏離在航班延誤研究中已經(jīng)涉及。

在ICAO定義的效能體系中，延誤是效率指標(biāo)的組成部分，因其廣受各方關(guān)注，航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、空中航行網(wǎng)絡(luò)中，航班延誤傳播問(wèn)題，始終是研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有研究路線基本形成航班鏈和機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)兩條技術(shù)路線。實(shí)際運(yùn)行中，交通擁堵、惡劣天氣、空域限制、旅客晚到等因素都會(huì)誘發(fā)航班延誤。在由同一航空器執(zhí)飛多個(gè)航段形成的航班鏈中，前序航班延誤無(wú)疑會(huì)影響后續(xù)航班的正常性。顯然，航班鏈?zhǔn)茄诱`傳播最主要的原因，也是研究延誤演化的重要線索。早期研究從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中著手，尋找航班鏈中延誤出現(xiàn)時(shí)間、發(fā)生致因和后續(xù)變化過(guò)程[123]。Xu等[124]在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，量化了航班鏈上各航段延誤發(fā)生的條件概率。Odoni等[125]從機(jī)場(chǎng)角度，引入排隊(duì)模型表示機(jī)場(chǎng)服務(wù)過(guò)程，用航班鏈將各個(gè)機(jī)場(chǎng)排隊(duì)模型串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，成功揭示了網(wǎng)絡(luò)中延誤演化過(guò)程。另一類研究基于表4中提到的航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，基于航班鏈建立機(jī)場(chǎng)間延誤傳播關(guān)系，用機(jī)器學(xué)習(xí)方法直接預(yù)測(cè)機(jī)場(chǎng)平均延誤[126]，或者用網(wǎng)絡(luò)特性指標(biāo)展示延誤傳播帶來(lái)的影響[127]。由于社會(huì)影響大，航班延誤傳播始終是研究熱點(diǎn)。當(dāng)前研究在揭示延誤傳播機(jī)理、機(jī)場(chǎng)受波及情況的同時(shí)，延誤損失度量、航班延誤預(yù)報(bào)，尤其是大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)技術(shù)研究同樣廣受關(guān)注[128]，相關(guān)成果已經(jīng)在空中交通流量管理、航空公司運(yùn)行管理、旅客出行誘導(dǎo)中廣泛應(yīng)用。

4.3.2 空中交通管理組織與協(xié)同模式

與其他領(lǐng)域的管理活動(dòng)類似，空中交通管理活動(dòng)本質(zhì)上也可以看作以管制員為主體的管理者對(duì)航班這一被管理者的管理。經(jīng)過(guò)百年由點(diǎn)到線、由線到網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，空中交通管理組織已經(jīng)從單一機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)、單一航路管制中心發(fā)展為覆蓋全國(guó)空中航行網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜系統(tǒng)。典型的空中交通管理組織及其與機(jī)場(chǎng)、航空公司運(yùn)行部門(mén)的協(xié)作關(guān)系如圖14所示。

圖14 空中交通管理組織

需要說(shuō)明的是，按照4.1節(jié)定義的研究框架，圖14中忽略了組織中航空情報(bào)、空域規(guī)劃等非對(duì)空指揮部門(mén)，簡(jiǎn)化了中央流量管理單位和管制扇區(qū)之間的管理層級(jí)。此外，按照主要功能，將美國(guó)ATCSCC、歐洲網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理中心(Network Manager Operations Centre，NMOC)，中國(guó)空管局運(yùn)行管理中心統(tǒng)稱為中央流量管理單位。按照ICAO Doc9854[35]定義，完整的空中交通管理功能如圖5所示。同樣基于4.1節(jié)定義的研究框架，沖突管理(Conflict management，CM)、交通同步(Transportation synchronization，TS)和需求與容量平衡(Demand-capacity balancing，DCB)是關(guān)注重點(diǎn)。

在整體組織架構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，針對(duì)被管理對(duì)象和特定的管理任務(wù)，組織管理過(guò)程和方式會(huì)呈現(xiàn)某種穩(wěn)定的原則、規(guī)則和方法，即管理組織模式。該模式是管理組織中主體構(gòu)成的、管理事權(quán)配置、運(yùn)作流程、組織結(jié)構(gòu)、決策支持綜合形成的組織整體行為與功能原理等[78]。按照4.2.2節(jié)提出的管理協(xié)同原理，分布式管制扇區(qū)分時(shí)段管理連續(xù)四維航跡的工作方式，必然導(dǎo)致協(xié)同成為最主要管理組織模式。因此，認(rèn)識(shí)協(xié)同模式特征與機(jī)理，就成為空中交通工程學(xué)基本理論問(wèn)題之一。協(xié)同模式是空中交通管理決策的前提。Clark[129]、Brinton[130]和Okuniek[131]等專家，正是基于塔臺(tái)管制員、機(jī)坪管制員協(xié)同模式，改進(jìn)了離場(chǎng)交通管控結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了更優(yōu)的決策算法和離場(chǎng)輔助決策工具。

協(xié)同模式在空中交通管理決策問(wèn)題中應(yīng)用如圖15所示。空中交通管理組協(xié)同模式如表5[132-136]所示。

圖15 空中交通管理組織協(xié)同模式應(yīng)用

分布式管理特征決定了空中交通管理組織中協(xié)同模式的普遍性。與實(shí)踐中靈活多樣的協(xié)同方式相比，現(xiàn)有研究更多關(guān)注固定組織結(jié)構(gòu)上微觀協(xié)同行為。2019年，王興隆等[137]在空中航行網(wǎng)絡(luò)上疊加管制扇區(qū)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建機(jī)場(chǎng)、航路與管制扇區(qū)三層相依網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)掘交通流行為與管理架構(gòu)關(guān)系的研究，就是這一思路代表。與之相比，由于缺乏機(jī)理上的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)有變結(jié)構(gòu)、跨組織協(xié)同僅能依據(jù)固定規(guī)則程序完成，很難應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境[138]。

TBO概念出現(xiàn)后，全生命周期、全航跡、全體成員、全部功能的協(xié)同需求，必將帶來(lái)更為復(fù)雜的管理組織模式。面對(duì)復(fù)雜交通態(tài)勢(shì)，組織內(nèi)外管理者、被管理者，通過(guò)動(dòng)耦合、自適應(yīng)、自組織等方式，形成邊界靈活、時(shí)效性更強(qiáng)的組織結(jié)構(gòu)，推出有針對(duì)性的全新管理功能，將成為空中交通管理組織運(yùn)作的常態(tài)。

4.3.3 空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)演化與防范機(jī)理

空中交通管理主要的任務(wù)就是控制安全風(fēng)險(xiǎn)。如圖11所示，安全風(fēng)險(xiǎn)與空中交通系統(tǒng)復(fù)雜性和交互網(wǎng)絡(luò)代表的空中交通管理組織直接相關(guān)。圖3、圖4所示系統(tǒng)功能架構(gòu)中，則將安全責(zé)任落實(shí)到扇區(qū)交通管制、飛行員感知、航空器飛行等環(huán)節(jié)。這些內(nèi)容明確了安全風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生機(jī)理與防范方式，是空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)研究的出發(fā)點(diǎn)。

1) 空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)

安全無(wú)疑是航空運(yùn)輸系統(tǒng)最關(guān)注的問(wèn)題。美國(guó)、歐洲都設(shè)有專門(mén)的航空安全管理機(jī)構(gòu)。中國(guó)在中國(guó)民用航空局內(nèi)，設(shè)有航空安全辦公室。針對(duì)空中交通管理系統(tǒng)安全，我國(guó)在民航局空管行業(yè)管理辦公室內(nèi)，民航局空中交通管理局內(nèi)，均設(shè)有專門(mén)的安全管理部門(mén)。從機(jī)構(gòu)設(shè)置中可以看出，空中交通管理系統(tǒng)安全既是整個(gè)航空運(yùn)輸系統(tǒng)安全的組成部分，也有其獨(dú)特性。

表5 空中交通管理組織協(xié)同模式

Brooker[139]將航空運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)分為3類：① 安保風(fēng)險(xiǎn)，因劫機(jī)、恐怖襲擊等帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；② 飛行風(fēng)險(xiǎn)，完全由機(jī)載設(shè)備故障、災(zāi)難性環(huán)境影響、飛行員自身原因?qū)е碌娘L(fēng)險(xiǎn)，且管制員無(wú)法緩解；③ 空中交通管理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，由空中交通管理系統(tǒng)原因造成的風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)致因

圍繞空中交通管理系統(tǒng)防撞目標(biāo)，在分析航班危險(xiǎn)接近事件、相撞事故數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，Brooker[140]將空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)致因歸納為3類，如圖16所示。空中交通管理體制、管理規(guī)則與程序、空域結(jié)構(gòu)，機(jī)載防撞系統(tǒng)和地面沖突告警系統(tǒng)，管制員和飛行員對(duì)交通態(tài)勢(shì)的監(jiān)視及發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)的及時(shí)干預(yù)，共同構(gòu)成安全防護(hù)體制，每個(gè)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的漏洞，則可能成為事故致因。20世紀(jì)中期以來(lái)，多起飛行事故均表明，人-機(jī)-域耦合是其中最主要的風(fēng)險(xiǎn)致因[141]。

人-機(jī)-域耦合風(fēng)險(xiǎn)致因研究涉及因素廣、研究難度大。ICAO Doc 9859推薦了REASON模型、SHEL(S-Software-軟件、H-Hardware-硬件、E-Environment-環(huán)境、L-Livewire-生命件)模型，作為基本分析框架。更為細(xì)致的研究主要采用失效樹(shù)(Fault Tree)、事件樹(shù)(Event Tree)等因果分析模型，或者借助系統(tǒng)建模方法，從分析不安全事件中尋找聯(lián)系[142]。如3.4節(jié)所述，大數(shù)據(jù)分析方法興起后，挖掘不安全事件與交通特性參數(shù)之間因果關(guān)系逐漸成為研究熱點(diǎn)。

2) 空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)

在以防撞為核心任務(wù)的空中交通管理系統(tǒng)中，航班空中相撞無(wú)疑是最嚴(yán)重的交通事故，是安全風(fēng)險(xiǎn)控制最主要的著眼點(diǎn)。

按照?qǐng)D16所示分析框架，空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)(Collision Risk，CR)用公式表示為[139]

CR=(∑(Rc×Pf×Tc×Ks)

(1)

式中：Rc表示沖突航跡(如偏離航跡)出現(xiàn)的頻率，在管制員指揮下，Rc表示未被管制員發(fā)現(xiàn)沖突航跡出現(xiàn)頻率；Pf表示飛行員和管制員，在ACAS、地面短期沖突告警(Short Term Conflict Alert，STCA)設(shè)備支持下，未采取有效防撞措施概率；Tc表示關(guān)注空域內(nèi)(如管制扇區(qū)、平行進(jìn)近航線上等)沖突航跡數(shù)量；Ks是用航空器外形尺寸、保護(hù)區(qū)大小，以及相對(duì)速度表示的沖突嚴(yán)重程度；∑表示對(duì)全部可能的沖突類型求和。

經(jīng)典的Reich模型沒(méi)有考慮防撞/沖突告警系統(tǒng)及管制員調(diào)配帶來(lái)的碰撞緩解，是式(1)的簡(jiǎn)化形式。式(1)中Rc代表的沖突是碰撞的前提，當(dāng)航班位置完好性(Position Integrity)，活動(dòng)意圖合理性(Reasonable Intent)喪失時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)沖突航跡[140]。

當(dāng)定位設(shè)備“正?！边\(yùn)行時(shí)，當(dāng)雷達(dá)、GPS、高度表、測(cè)量誤差不嚴(yán)重時(shí)，當(dāng)顯示器工作正常時(shí)，當(dāng)信號(hào)未損壞或丟失時(shí)，系統(tǒng)具有此功能。位置完好性是是對(duì)航空器水平和垂直位置保持能力、雷達(dá)等監(jiān)視設(shè)備數(shù)據(jù)處理與顯示精度的度量。在忽略管制員干預(yù)的洋區(qū)航路側(cè)向間隔、高度層垂直間隔評(píng)估及縮減研究中，位置完好性是最主要的碰撞風(fēng)險(xiǎn)致因[140-141]。

管制員是否做了稱職管制員認(rèn)為合理(盡管可能不完美)的行為。飛行員是否做了其他飛行員認(rèn)為是正當(dāng)?shù)淖龇?盡管可能不是理想的決定)。意圖合理性通常是指理解錯(cuò)誤和判斷失誤，屬于人為因素問(wèn)題。前文中提到的認(rèn)知復(fù)雜性，以及圍繞管制員、管制員團(tuán)隊(duì)、管制組織開(kāi)展人因差錯(cuò)(Human Error)、人因可靠性(Human Reliability)研究，都是對(duì)這一復(fù)雜問(wèn)題的探索[142]。

據(jù)Brooker[140]估計(jì)，位置完好性占碰撞風(fēng)險(xiǎn)的10%，意圖合理性占85%，其余5%來(lái)自系統(tǒng)復(fù)雜性。這一估計(jì)表明人因是風(fēng)險(xiǎn)管控重點(diǎn)。

在ACAS等機(jī)載防撞設(shè)備成熟之前，位置完好性和意圖合理性帶來(lái)的沖突，以及沖突嚴(yán)重程度Ks和沖突密度Tc是最直接的碰撞風(fēng)險(xiǎn)致因。歐美深入研究后，提出危險(xiǎn)分析、概率分析、仿真分析、人因分析等四類碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析方法[143-144]。

從20世紀(jì)末開(kāi)始，伴隨下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)概念的提出和發(fā)展，在安全領(lǐng)域也出現(xiàn)了ACAS、STCA等告警設(shè)備，和機(jī)載自主間隔保持(Airborne Separation Assurance Systems)和戰(zhàn)術(shù)間隔保持環(huán)境(Tactical Separation Assured Flight Environment)等新的防撞概念。由于涉及空地系統(tǒng)、管制員與飛行員之間復(fù)雜交互，相關(guān)研究并不充分。早期主要通過(guò)分析告警統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、構(gòu)建失效樹(shù)等黑箱方法評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn)[145-146]。2013年，Netjasov等[147]用著色Petri模型，量化了ACAS與碰撞風(fēng)險(xiǎn)之間關(guān)系，在認(rèn)識(shí)Pf機(jī)理上取得突破。

3) 間隔標(biāo)準(zhǔn)

如4.1.2節(jié)所述，ICAO、FAA、CAAC等民航管理機(jī)構(gòu)將保障安全所需的最小間隔作為標(biāo)準(zhǔn)，要求管制員、飛行員必須遵守，因此最小間隔俗稱為間隔標(biāo)準(zhǔn)。

間隔標(biāo)準(zhǔn)是空管規(guī)章的核心。中國(guó)和ICAO類似，從水平與垂直、IFR與VFR、管制方式(塔臺(tái)管制、程序管制與雷達(dá)管制)、航空器尾流強(qiáng)度等幾個(gè)方面設(shè)定間隔標(biāo)準(zhǔn)[3,64]。FAA間隔標(biāo)準(zhǔn)尤其是雷達(dá)間隔標(biāo)準(zhǔn)更為復(fù)雜，需要根據(jù)建設(shè)雷達(dá)種類和數(shù)量、監(jiān)視目標(biāo)到雷達(dá)天線距離和方位、航班所處飛行階段等諸多條件確定[148]。這一現(xiàn)象說(shuō)明，除碰撞風(fēng)險(xiǎn)外和TLS外，空域航行性能、空中交通網(wǎng)絡(luò)特性、航班流特性等諸多因素都會(huì)影響間隔標(biāo)準(zhǔn)[149]，如圖17所示。Netjasov[150]總結(jié)的空域系統(tǒng)規(guī)劃與評(píng)估方法如表6所示。

圖17 確定間隔標(biāo)準(zhǔn)方法

4.3.4 科學(xué)問(wèn)題匯總

科學(xué)問(wèn)題不是具體的實(shí)際問(wèn)題，而是理論思維領(lǐng)域中，面對(duì)已知理論無(wú)法解釋的異常現(xiàn)象和客觀事實(shí)時(shí)，從完善突破現(xiàn)有理論角度提出的研究問(wèn)題?；谶@一認(rèn)識(shí)，本文在4.3.1～4.3.3節(jié)中，以航班、航班群。航班流、空中交通網(wǎng)絡(luò)不同顆粒度，分別從空中交通特征、交通管理組織，以及最受關(guān)注的安全風(fēng)險(xiǎn)角度，梳理了空中交通工程學(xué)中，研究對(duì)象認(rèn)知過(guò)程中形成的科學(xué)問(wèn)題，如圖18所示。

上述科學(xué)問(wèn)題展現(xiàn)出空中交通管理系統(tǒng)復(fù)雜性、隨機(jī)性和不確定性的本質(zhì)屬性，以及空中交通工程學(xué)工程與管理跨學(xué)科融合特征。這一認(rèn)識(shí)上的進(jìn)展，將為學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展完善奠定基礎(chǔ)。

表6 空域系統(tǒng)規(guī)劃與評(píng)估方法

4.4 關(guān)鍵技術(shù)

與科學(xué)問(wèn)題探索不同，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)直接服務(wù)于交通管理實(shí)踐，需求更為強(qiáng)烈、發(fā)展速度更快。近百年發(fā)展過(guò)程中，跑道容量評(píng)估、空域扇區(qū)容量評(píng)估、到場(chǎng)交通流控制、沖突探測(cè)與解脫，先后成為代表性的運(yùn)行管理技術(shù)。20世紀(jì)80年代起步的空中交通管理體系研究，則形成了對(duì)支撐技術(shù)體系的認(rèn)識(shí)。

從1983年CNS/ATM功能劃分，2005年 面向未來(lái)容量需求的新一代空中交通管理功能架構(gòu)(圖4)和ICAO Doc 9854(圖5)中，空中交通運(yùn)行支撐技術(shù)可以分為“軟”“硬”兩類。前者側(cè)重信息獲取與處理，包括航空通信、航空導(dǎo)航、航空監(jiān)視、航行信息管理、機(jī)載飛行管理。后者側(cè)重人、機(jī)、域交通行為協(xié)同調(diào)控，包括空域組織與管理、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理、流量管理、交通同步、沖突管理等子領(lǐng)域，以及與之相關(guān)的航空公司運(yùn)行管理。按照空中交通工程學(xué)定義，本節(jié)將重點(diǎn)關(guān)注后者子領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。

圖18 空中交通管理系統(tǒng)管控重點(diǎn)與科學(xué)問(wèn)題

4.4.1 空域扇區(qū)容量分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

作為最重要的飛行資源，空域組織與管理經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：根據(jù)飛行需求劃設(shè)機(jī)場(chǎng)空域，建立連接各個(gè)機(jī)場(chǎng)的空中航路，在交通密集的機(jī)場(chǎng)終端區(qū)劃設(shè)進(jìn)離場(chǎng)航線，從飛行安全角度建立航路和機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航、通信、監(jiān)視、氣象服務(wù)設(shè)施，為每個(gè)管制席位劃設(shè)管制扇區(qū)。這其中，管制扇區(qū)是實(shí)現(xiàn)如圖1所示控制邏輯的前提和基礎(chǔ)，無(wú)疑最為關(guān)鍵。如前文所述，雖然航空器群行為及交通復(fù)雜性研究仍待深入，但實(shí)踐中已經(jīng)形成了基于管制工作負(fù)荷的扇區(qū)容量評(píng)估方法。在此基礎(chǔ)上，將空域分割為管制工作負(fù)荷均衡的多個(gè)扇區(qū)就成為后續(xù)研究重點(diǎn)。

空域分割方法分為2類：一是直接將空域離散為大小相等的多邊形(可以是矩形、三角形、六邊形)；然后計(jì)算每個(gè)多邊形中的流量、交通復(fù)雜性和工作負(fù)荷；最后以工作負(fù)荷平均分布為目標(biāo)，用聚類、整數(shù)規(guī)劃等方法尋找多邊形組合方案，確定扇區(qū)邊界[151]。二是采用泰森多邊形(Voronoi diagrams)將2D空間分割成多個(gè)不重疊的凸多邊形，通過(guò)優(yōu)化泰森多邊形分割節(jié)點(diǎn)，或者不斷迭代劃分，找到平衡工作負(fù)荷的劃分方案[152]。按照同一航空器進(jìn)出同一扇區(qū)不能超過(guò)1次的運(yùn)行要求，扇區(qū)形狀必須是凸多邊形。泰森多邊形法完美的解決了這一問(wèn)題，因而得到廣泛應(yīng)用。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著星基導(dǎo)航、通信技術(shù)廣泛用于航空，飛行具備了更大的靈活性。2007年，NASA Ames研究中心的Kopardekar等[153]提出了新的空域設(shè)計(jì)理念——?jiǎng)討B(tài)空域構(gòu)型(Dynamic Airspace Configuration)，其內(nèi)涵是通過(guò)引入新型空域結(jié)構(gòu)(如管道型、走廊型、高速路型、平行航路等)、自適應(yīng)空域(Adaptable Airspace，根據(jù)流量與容量匹配情況，動(dòng)態(tài)變動(dòng)扇區(qū)邊界)、通用空域(Generic Airspace，任何管制員、任何設(shè)備條件下都可以指揮的空域)，實(shí)現(xiàn)從交通流適應(yīng)空域結(jié)構(gòu)(Flow Follows Structure)，向空域結(jié)構(gòu)適應(yīng)交通流(Structure Follows Flow)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。這一領(lǐng)域目前仍然是研究熱點(diǎn)。實(shí)踐中，SESAR也提出并實(shí)施了靈活航路空域(Free Route Airspace，F(xiàn)RA)項(xiàng)目，在歐洲多地劃設(shè)FRA，支持航空器自主選擇飛行路線[154]。面向2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，歐洲還將推出動(dòng)態(tài)航路、動(dòng)態(tài)劃分管制扇區(qū)等更為靈活空域管理方式[155]。

4.4.2 機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估與場(chǎng)面擁擠管理

早在20世紀(jì)40年代，機(jī)場(chǎng)容量就成為運(yùn)行中最關(guān)心的問(wèn)題。到70年代末，基本形成了了解析計(jì)算、快速仿真和實(shí)時(shí)仿真等機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估方法。2000年前后，多名NEXTOR經(jīng)過(guò)實(shí)地觀察，完整定義機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理框架的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)航空器起飛跑道外排隊(duì)等待是最常見(jiàn)的機(jī)場(chǎng)擁擠現(xiàn)象[156]。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面擁擠管理由此開(kāi)始關(guān)注跑道構(gòu)型管理(Runway Configuration Management，RCM)和以滑出過(guò)程為重點(diǎn)的離場(chǎng)控制。

跑道構(gòu)型可以定義為[157]：機(jī)場(chǎng)內(nèi)供航空器起降活動(dòng)跑道數(shù)量、位置和朝向，以及在IFR或者VFR規(guī)則下，活動(dòng)跑道起降方向及運(yùn)行方式(包括未使用、全起飛、全降落，起降混合等)。對(duì)于擁有多條跑道的大型樞紐機(jī)場(chǎng)，跑道構(gòu)型是風(fēng)向風(fēng)速、進(jìn)離場(chǎng)流量、飛行程序、機(jī)場(chǎng)噪音和排放限制、滑行道布局、停機(jī)位等諸多因素共同作用的結(jié)果，選擇過(guò)程還需要考慮管制工作程序、管制員習(xí)慣等主觀因素以及足夠的提前量，目前主要采用混合整數(shù)規(guī)劃建模求解[158]。

2007年MIT的Balakrishnan與NASA專家合作，觀察美國(guó)Dallas-Fort Worth(DFW)機(jī)場(chǎng)滑行管理流程時(shí)發(fā)現(xiàn)，控制離場(chǎng)航空推出時(shí)間、到場(chǎng)航空器滑行路線，可顯著減少場(chǎng)面擁擠[159]?；谶@一發(fā)現(xiàn)，后續(xù)研究隨之分為兩類：一是將機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)停機(jī)位、機(jī)坪、滑行道、跑道，用節(jié)點(diǎn)和邊(Node-Link)組成的網(wǎng)絡(luò)圖表示，將航班滑出問(wèn)題轉(zhuǎn)化為該網(wǎng)絡(luò)上的路由問(wèn)題，以總滑行延誤最小、總滑行排放最小等為目標(biāo)，用整數(shù)規(guī)劃方法求解[160]。該方法需要對(duì)滑出航班進(jìn)行連續(xù)控制，管制員工作負(fù)荷大增；二是Khadilkar等[161]提出的，按照一定時(shí)長(zhǎng)，控制航空器從各個(gè)停機(jī)位推出速率。該方法控制效果稍差，但使用簡(jiǎn)單，很快在美國(guó)多個(gè)機(jī)場(chǎng)推廣。

4.4.3 網(wǎng)絡(luò)交通流分析與管理

流體力學(xué)里，采用歐拉方法描述任一時(shí)刻流場(chǎng)中各種參數(shù)分布，采用拉格朗日方法描述每個(gè)粒子從某一時(shí)刻起的運(yùn)動(dòng)軌跡。這兩類方法也成為空中交通流分析與控制的出發(fā)點(diǎn)[66]。

2002—2004年間，美國(guó)學(xué)者M(jìn)enon等[162]引入交通量Q，開(kāi)始用歐拉方法描述交通流整體行為。法國(guó)學(xué)者Bayen等[163]完全借鑒地面交通流理論，定義了交通量Q、航路上平均速度v和平均飛機(jī)流密度K等交通流狀態(tài)參數(shù)，推導(dǎo)了空中航行網(wǎng)絡(luò)交通流歐拉模型。另一類交通流模型稱作集合模型(Aggregate Model)，非常類似機(jī)器學(xué)習(xí)方法，用矩陣表示空域系統(tǒng)中各個(gè)管制中心、各個(gè)時(shí)刻的交通量，通過(guò)矩陣變換預(yù)測(cè)管制中心流量[164]。上述研究，從不同角度定義了空中交通流參數(shù)，建立了基于歐拉方法的研究框架。與拉格朗日方法相比，這些方法關(guān)注交通流預(yù)測(cè)和控制，適用于宏觀問(wèn)題研究。2008年，Sun和Bayen[165]充分發(fā)揮兩類方法優(yōu)勢(shì)，將扇區(qū)看做二維流片，用歐拉方程預(yù)測(cè)流量，用拉格朗日方法(整數(shù)規(guī)劃)優(yōu)化流量，實(shí)現(xiàn)了新的突破。

20世紀(jì)70年代，空中交通擁擠激增的背景下，美國(guó)成立里國(guó)家流量管理機(jī)構(gòu)，實(shí)施了單、多機(jī)場(chǎng)GDP等全國(guó)性流量控制程序，以及控制航班距離和過(guò)點(diǎn)時(shí)間等區(qū)域性流量控制措施。2006年，F(xiàn)AA推出空域流量程序(Airspace Flow Program，AFP)，采用類似GDP的原理控制航空器起飛時(shí)間，減少空域擁擠[166]。與GDP、AFP類似，歐洲根據(jù)空域和機(jī)場(chǎng)容量，采用計(jì)算機(jī)輔助時(shí)隙分配(Computer Assisted Slot Allocation，CASA)方法，控制航空器起飛時(shí)間[167]。美國(guó)GDP、歐洲CASA本質(zhì)上都是一套航班離場(chǎng)時(shí)隙分配規(guī)則，雖然確保了時(shí)隙分配的公正、透明，卻很難兼顧效率，尤其是整體效率。

1989年，Odoni等[25]在其經(jīng)典的GDP模型中，率先引入拉格朗日方法描述到場(chǎng)交通流，同時(shí)提出通過(guò)控制單機(jī)，減少航班總延誤的管控策略。2011年，Odoni等[168]提出一種新的整數(shù)規(guī)劃模型，涵蓋起飛、巡航和著陸等飛行階段，全面整合地面等待、改航、調(diào)速和空中等待等控制策略，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)、空域交通流的整體優(yōu)化。2019年，歐洲空管研究中心(Eurocontrol Experimental Centre，EEC)提出增強(qiáng)型時(shí)隙分配方法(Enhanced CASA，ECASA)，也嘗試通過(guò)微調(diào)部分航班時(shí)隙，減少整體延誤[169]。GDP、CASA等流量管理程序的深入研究和成功應(yīng)用，代表了拉格朗日方法被廣泛接受，成為交通流控制方法的主流。這一方法最大問(wèn)題是，相應(yīng)的優(yōu)化過(guò)程需要精確測(cè)算空域機(jī)場(chǎng)容量值，單機(jī)控制實(shí)施難度和工作量較大。

隨著ICAO Doc9750[170]航空系統(tǒng)組塊升級(jí)計(jì)劃(Aviation System Block Upgrades，ASBU)的推出和實(shí)施，TBO運(yùn)行和管控模式，效率、可預(yù)測(cè)性、公平性等新評(píng)價(jià)指標(biāo)，都會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)交通流管理新關(guān)注點(diǎn)。

4.4.4 進(jìn)場(chǎng)交通組織與管理

從終端區(qū)走廊口下降到降落跑道起始進(jìn)近定位點(diǎn)的進(jìn)場(chǎng)過(guò)程中，航空器不僅需要連續(xù)下降高度，還需要持續(xù)調(diào)整前后機(jī)間距，確保安全匯入降落交通流。與此同時(shí)，不斷下降的進(jìn)場(chǎng)航空器還要避免與不斷爬升的離場(chǎng)航空器發(fā)生沖突。交通態(tài)勢(shì)復(fù)雜、管制指揮困難、安全隱患眾多，決定了進(jìn)場(chǎng)交通組織與管理始終是空中交通管理的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代中期，NASA主持開(kāi)發(fā)了終端區(qū)自動(dòng)化進(jìn)場(chǎng)管理系統(tǒng)(Center-TRACON Automation System，CTAS)，并在美國(guó)達(dá)拉斯沃思堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試[171]。CTAS面向整個(gè)進(jìn)場(chǎng)流程，集成了進(jìn)場(chǎng)航線解析、進(jìn)場(chǎng)航跡運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、基于經(jīng)驗(yàn)的跑道分配和進(jìn)場(chǎng)排序、航跡沖突探測(cè)與解脫等關(guān)鍵技術(shù)，為管制員自動(dòng)生成降落跑道、降落次序、航路下降時(shí)間、最后進(jìn)近次序和間距等指揮建議，是迄今為止功能最完整的進(jìn)場(chǎng)管理系統(tǒng)。遺憾的是，CTAS最終沒(méi)有獲得FAA使用許可。

除自動(dòng)化系統(tǒng)外，國(guó)內(nèi)外各大機(jī)場(chǎng)都使用排序航線規(guī)范進(jìn)場(chǎng)交通秩序[172]。2006年，Hoffman等[173]推出一種新型排序航線——點(diǎn)融合航線(Point Merge)，在建立進(jìn)場(chǎng)秩序同時(shí)，占用空間大大減少。2017年， Liang等[174]基于TBO概念，針對(duì)平行跑道機(jī)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)管理問(wèn)題，提出將點(diǎn)融合排序航線、進(jìn)場(chǎng)排序算法、航跡優(yōu)化算法相互融合，生成航空器完整進(jìn)場(chǎng)航跡的全新設(shè)想。這一綜合性解決方案，代表了進(jìn)場(chǎng)交通組織與管理技術(shù)的最新動(dòng)向。

4.4.5 建立間隔與沖突管理

建立間隔的方式，與航班空中位置測(cè)量方式直接相關(guān)。早期機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)飛行時(shí)，由于缺乏有效的測(cè)量手段，間隔只能由飛行員、管制員目視判斷。這類間隔方法也因此稱為目視間隔。1928年，Kollsman發(fā)明世界首個(gè)高精度機(jī)載氣壓高度表，高度表可以單獨(dú)顯示本機(jī)到設(shè)定基準(zhǔn)氣壓面的垂直距離。借助這一功能，以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為基準(zhǔn)氣壓面，空中交通管理部門(mén)將空域按照氣壓表高度分層(如300、600、900 m…)，規(guī)定每架航空器都只能按分層飛，除上升下降外，不能呆在兩層中間，垂直間隔也由此設(shè)定。

機(jī)場(chǎng)間航路飛行開(kāi)始后，沿航路布置的信標(biāo)臺(tái)成為航空器定位的重要參考。管制部門(mén)借鑒軌道交通區(qū)間閉鎖原理，控制兩個(gè)航路信標(biāo)臺(tái)之間只有一架航空器，借此配備了縱向水平間隔。隨著信標(biāo)臺(tái)逐漸被無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)施取代，這種地面定位臺(tái)站加飛行員位置報(bào)告程序的方法，最終發(fā)展為程序管制間隔方法。

20世紀(jì)50年代雷達(dá)管制出現(xiàn)后，除了沿用基于高度層的垂直間隔保持方法，水平間隔則完全改為管制員指揮飛行員動(dòng)態(tài)調(diào)整。與程序管制依靠地面信標(biāo)臺(tái)標(biāo)定水平縱向間隔不同，實(shí)踐中航空器水平距離完全由管制員從雷達(dá)屏幕上測(cè)量，安全間隔則根據(jù)雷達(dá)精度、顯示目標(biāo)大小、管制員和飛行員反應(yīng)時(shí)間等因素確定，稱為雷達(dá)間隔方法[175]。雷達(dá)管制間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于程序管制間隔，對(duì)管制員反應(yīng)時(shí)間、調(diào)配能力、執(zhí)行能力提出更高要求的同時(shí)，也極大增加了工作負(fù)荷。1986 年美國(guó)Cerritos上空撞機(jī)事件，暴露出雷達(dá)間隔在大流量中的安全隱患，由此推動(dòng)ACAS誕生和發(fā)展。借助機(jī)載防撞系統(tǒng)告警和動(dòng)作提示，成為一類新的間隔保持方法。

基于氣壓高度表的垂直間隔、基于雷達(dá)的水平間隔和基于機(jī)載防撞系統(tǒng)的新一類間隔，構(gòu)成了防止航班撞地、相撞的主要間隔方法。當(dāng)按照某一間隔方法，兩航班之間、航班與地面障礙物之間距離小于對(duì)應(yīng)的間隔標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，或者兩機(jī)到達(dá)最接近點(diǎn)(Closest Point of Approach，CPA)時(shí)間小于設(shè)定值時(shí)，就認(rèn)為航班之間存在沖突。沖突探測(cè)與解脫(Conflict Detection and Resolution，CD&R)就是探測(cè)航班在未來(lái)一段時(shí)間發(fā)生沖突可能性，以及據(jù)此提出規(guī)避沖突飛行機(jī)動(dòng)的過(guò)程。Kuchar和Yang[176]將CD&R過(guò)程，分解為航跡預(yù)測(cè)、沖突告警、沖突解脫等環(huán)節(jié)，并從地面、機(jī)載設(shè)備等角度研究探索建立有效的防撞機(jī)制。2016年發(fā)布的ICAO Doc 9750[170]全球空中航行計(jì)劃中，提出綜合管制自動(dòng)化系統(tǒng)與機(jī)載系統(tǒng)CD&R功能，構(gòu)筑空中安全風(fēng)險(xiǎn)防范安全網(wǎng)(Safety Nets)的思想。如圖19所示。

圖19明確了現(xiàn)有空中交通管理架構(gòu)中，CD&R技術(shù)作用環(huán)節(jié)，同時(shí)展現(xiàn)出空地、地地、空空融合是該技術(shù)的發(fā)展方向。

鑒于空地融合的發(fā)展趨勢(shì)，將統(tǒng)一的地基、機(jī)載沖突探測(cè)與解脫方法歸納如圖20所示。

依據(jù)實(shí)時(shí)位置探測(cè)和航跡預(yù)測(cè)結(jié)果，CD&R方法分為確定型、概率型兩大類。前者基于相對(duì)準(zhǔn)確的航跡預(yù)測(cè)和間隔標(biāo)準(zhǔn)判斷沖突。后者基于位置分布概率和失去間隔概率、虛警率等優(yōu)化目標(biāo)，預(yù)測(cè)未來(lái)某段時(shí)間沖突概率。與之對(duì)應(yīng)的沖突解脫建議中，也包括確定型、概率型兩類避撞航跡，供管制員、飛行員選擇[176]。如圖20所示，在防撞系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，需要從真實(shí)沖突數(shù)據(jù)中提煉沖突特征，建立航空遭遇模型(Aircraft Encounter Model)，用于驗(yàn)證避撞航跡優(yōu)化算法魯棒性[177]。

圖19 增加安全網(wǎng)空中交通管理系統(tǒng)

圖20 地基、機(jī)載沖突探測(cè)與解脫方法

2005年，ICAO定義全球空中交通管理運(yùn)行概念中，將應(yīng)對(duì)撞機(jī)墜地問(wèn)題的各種措施統(tǒng)一定義為沖突管理，分為戰(zhàn)略沖突管理、間隔保持和避撞等3個(gè)層次[35]。CD&R問(wèn)題對(duì)應(yīng)間隔保持、避撞兩個(gè)層次。

另一類偏學(xué)術(shù)劃分方法，根據(jù)沖突預(yù)測(cè)時(shí)間提前量分為戰(zhàn)略(30 min以上，也稱長(zhǎng)期)，戰(zhàn)術(shù)(10～30 min，也稱中期)，運(yùn)行(10 min以內(nèi)，也稱短期)等3個(gè)階段[178]。與上述劃分方法略有不同，Eurocontrol按照2、20 min區(qū)分短期、中期和長(zhǎng)期沖突告警。

作為空管領(lǐng)域最核心的問(wèn)題，沖突管理技術(shù)研究?jī)?nèi)容非常豐富，目前已經(jīng)逐步形成了以碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型為基礎(chǔ)的間隔保持技術(shù)、以飛行力學(xué)和優(yōu)化控制方法為支撐的空地CD&R技術(shù)。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)等新型航空器進(jìn)入空域，該技術(shù)重要性將愈加凸顯。

4.4.6 關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)

與科學(xué)問(wèn)題來(lái)源的抽象思維不同，關(guān)鍵技術(shù)主要來(lái)源于實(shí)踐。戴世強(qiáng)等[179]在研究地面交通流時(shí)，曾經(jīng)提出以下研究方法：觀測(cè)實(shí)驗(yàn)→建立數(shù)學(xué)模型→提出新的或者利用、發(fā)展舊的數(shù)學(xué)方法→求解實(shí)際問(wèn)題獲得解答→與觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照、比較、檢驗(yàn)。ICAO出臺(tái)《全球空中航行系統(tǒng)效績(jī)手冊(cè)》(ICAO Doc 9883)[71]、《空中交通管理系統(tǒng)要求手冊(cè)》(ICAO Doc 9882)[75]2部手冊(cè)，也推薦了類似的空中交通系統(tǒng)分析和研究方法。

借鑒這一方法，在運(yùn)行觀察、參數(shù)測(cè)量與統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，將以上5大類關(guān)鍵技術(shù)及其中各項(xiàng)內(nèi)容，歸納為如圖21所示的空中交通管理關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)。

圖21 空中交通管理關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)

5 結(jié) 論

伴隨航空運(yùn)輸發(fā)展起來(lái)的空中交通工程，由于其獨(dú)特的三維運(yùn)行方式、地面管控模式，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)既有別于航空科學(xué)與技術(shù)學(xué)科飛行力學(xué)與飛行控制問(wèn)題，也不同于公路、鐵路、船舶、管道運(yùn)輸交通管理方式的交叉學(xué)科特征。

空中交通工程學(xué)是研究人-機(jī)-域之間相互作用關(guān)系的科學(xué)。圍繞安全、高效、低碳3大管控目標(biāo)，已經(jīng)形成了空中交通管理系統(tǒng)復(fù)雜性建模、空中交通管理組織與協(xié)同模式、空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)演化與防范機(jī)理等3類有待深入認(rèn)識(shí)的科學(xué)問(wèn)題，和空域扇區(qū)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估與場(chǎng)面擁擠管理、網(wǎng)絡(luò)交通流分析與管理、進(jìn)場(chǎng)交通組織與管理、建立間隔與沖突管理等5類仍在研究中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在世界各國(guó)專家、學(xué)者共同努力下，上述科學(xué)、技術(shù)問(wèn)題研究不僅取得初具規(guī)模，而且在解決安全風(fēng)險(xiǎn)管控、交通擁擠疏導(dǎo)等重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中發(fā)揮了不可替代的作用。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著TBO這一全新運(yùn)行方式的推出，這一作用將更加明顯。

作為一門(mén)年輕的交叉學(xué)科，空中交通工程學(xué)還有很多問(wèn)題有待深入：該領(lǐng)域問(wèn)題研究和知識(shí)創(chuàng)造方法論是什么？航空器單機(jī)、群、流行為模型是否存在統(tǒng)一的基礎(chǔ)理論？能否在天氣等隨機(jī)擾動(dòng)作用下，建立全空域、全流程航空器精確控制方法？融入無(wú)人機(jī)運(yùn)輸、亞軌道飛行、太空交通管理之后，更加靈活、先進(jìn)的運(yùn)行與管控方式是什么……大量新問(wèn)題持續(xù)涌現(xiàn)，既體現(xiàn)了空中交通工程學(xué)科旺盛的生命力，更為學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展指明了方向。