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空中交通流量管理分析与研究

　　引言
　　随着我国民航事业迅猛的发展，航空器的数量不断增加，经常出现这样的问题，在一年的某些时期内、在一个星期的某些时间内和在一天的某些小时内，某一空域、某一航线上的飞机过于集中和拥挤或因气候等其他原因造成某一空域的空域管制中心的管制能力无法应付的局面，为此，往往通过流量控制的方式解决问题。随着国内飞行量的增加，因流量控制造成的航班延误量日益增加，流量管制原因和流量管理诱发的其他原因已成为造成航班延误的主要原因之一。同时，流量控制措施常常导致在起飞前的飞行延迟、飞行中的等待、使用不经济的飞行高度层、改变航线或改航、打乱班机时刻、给航空器经营人带来经济与燃油损耗、机场或候机楼的拥挤和旅客不满意等多种负面影响。因此，空中交通流量管理(ATFM)成为民航当前极为迫切的任务。
　　空中交通流量管理（ATFM）服务的目的是：在需要或预期需要超过空中交通管制（ATC）系统的可用容量期间内，保证空中交通最佳地流向或通过这些区域。术语“ATFM”包括组织与处理空中交通流量的各种方法，以此方法进行的任何工作，使得在保证各架航空器安全、有次序和迅速过程中，任一给定的点上或任一给定的区域内所处理的交通总量是与空中交通管制系统的容量相适应。
　　ATFM通过与参与的ATC单位以及各类不同的空域用户保持持续的合作与协调，支持ATC达到其主要目的：
　　* 防止航空器之间的相撞；
　　* 加快并保持空中交通有次序地流动；
　　* 达到可用空间和机场容量最有效率的利用。
　　ATFM从功能的角度上看，是空中交通服务（ATS）的重要功能，是雷达数据处理（RDP）和飞行数据处理（FDP）不可分割的主要功能，即为空管ATC系统必备的功能。
　　ATFM从职能的角度上看，未来航行系统（FANS）特别委员会对ATM是这样定义的：是由地面和空中两部分组成，需要他们双方保证航空器在运行的各阶段安全和有效地活动,通过很好界定的程序，把地面部分和空中部分紧密地一体化。ATM的地面部分包括空中交通服务（ATS）、空域管理（ASM）和空中交通流量管理（ATFM）职能。由此得知，ATFM是ATM的主要组成部分。
　　随着国际民航、中国民航的发展，ATFM越来越体现出其重要性。

　　国内外现状、该领域的技术发展趋势
　　流量管理系统在国际上起源于本世纪70年代中期，最初是为了缓解局部航运阻塞而设计和开发的专用系统，状况与我国现在的状况较为相似。经过80年代和90年代的发展，已成为ATM系统中必不可少的重要组成部分。他们的共同特点是：拥有中央数据库的支持、专门的流量管理部门和先进的流量管理系统。
　　在欧洲，1989年成立了CFMU（中央流量管理机构），为ECAC(欧洲民用航空委员会)的所有成员国提供ATFM服务。CFMU建立在ICAO的CTMO（集中ATFM组织）概念基础上，到1995年底，已初步在欧洲提供以下技术设备：
　　* 有关空中交通需求的战略数据库；
　　* 综合初始飞行计划的处理系统；
　　* 包含飞行计划的战术数据库;
　　* 利用战术数据的工具，特别是间隔自动分配功能；
　　* 连接CFMU与FMP（流量管制席位）和AO（IFR飞行和通用航空的用户）的数据网络；
　　* 进行ATFM规划和质量控制统计的档案数据库。
　　在日本，于1988年设计ATFM系统概念，1991年开始开发，1993年基本完成投入使用,主要由流量管理中心和四个区域管制中心和主要机场终端组成。
　　在美国，FAA（美国联邦航空局）采用ETMS（增强的交通管理系统）用于ATM服务。其中重要组成部分为ASD（航空器状态显示器），安装在ATSCC（空中交通系统指挥中心）和20个ARYCC（航路交通管制中心）和一些需要的TRACON（终端雷达进近管制）设施内，实现其流量管理功能。整个系统在ATM系统集成、监控告警、解决方案、专家系统及评估和易于扩展方面，均显示了其强大的功能。
　　在我国，现尚无专门的流量管理部门和流量管理系统，各管制中心仅通过流量表进行管理。由于民航发展的需求要求，空管局领导非常重视流量管理的发展，天津民航学院、南京航空航天大学、民航二所、民航飞行学院等院所从事ATFM理论和应用系统研究已有一定的的基础，各管制中心和航站也积极支持该项研究的开展，建立飞行流量管理控制系统的条件已具备。

　　待解决的关键技术问题
　　在ATM系统中，实现ATFM功能主要通过以下两种途径，以达到空中交通需求与ATC容量之间的平衡。
　　战略ATFM：在航空器起飞前几个月直到起飞前24小时，主要解决瓶颈问题并采取改善措施。
　　战术ATFM：在航空器起飞前24小时直到实际起飞，主要解决重新规划交通和合理分配时间间隔程序。
　　为此，仍有许多关键技术问题需要解决，主要表现在以下四个方面：
　　(一)管理机构和管理控制的方式
　　在整个ATFM系统中，是采用集中式为主的系统还是采用分布式为主的系统的问题。集中式为主的系统中，所有决策都由系统的中央控制人员作出，各子系统之间的协调工作也由系统的中央控制人员完成。分布式为主的系统中，各种决策都是由子系统的控制人员，在系统的辅助支持下作出，各子系统之间的协调由各子系统的控制人员通过系统提供的各种必要的信息和控制手段与系统交互完成的。管制控制方式的确立，将直接决定ATFM的系统结构。
　　(二)信息源和信息的采集问题
　　要建立真正的ATFM系统，信息源的获取和强大的信息支持是必须的。除了ATFM系统本身的相关信息库（容量库，决策支持库等）外，ATFM必须获取五大信息源动态信息，完成对它们的采集。
　　气象信息：各机场、航线、区域、各高度层现行天气实况和预报的采集，卫星云图的采集，它将是评估ATFM动态容量的重要参数。
　　情报信息：空域信息、航线信息、实时NOTAM信息和飞行程序信息的采集，它将是空域库和航行情报库的基础。
　　雷达信息和ADS信息：各管制中心航路上的航空器的动态信息，提供现行流量。
　　飞行计划：各管制中心所有飞行计划的计划和动态的详细信息。
　　话音信息：所有地面管制中心和航路上航空器的话音信息。
　　我国民航的该五大信息，系统独立，系统结构和数据格式均不一致，许多信息尚未量化，或未联网和集成，实现五大系统的采集问题，是建立ATFM系统的前提。
　　(三)各类信息的相关和融合，及中央数据库的建立
　　转换各类数据，量化各类数据，解决各类数据的相互影响，供中央数据库完全接受，实现数据间的完全相关。将五大信息有效地转换入中央数据库，并实现五大数据的关联。如，气象的变化对飞行计划的影响，对空中航空器飞行时间、飞行速度的影响。NOTAM对空域，雷达系统的影响。话音与雷达系统同步。雷达信息或ADS信息对飞行计划的校正等等。
　　(四)ATFM各类容量模型的建立、ATFM算法的实现、专家系统的建立
　　建立各机场、程序、航路的各类容量的模型，利用算法预计各机场、扇区和某些报告点出现的拥挤，为新的或需更改的飞行计划提供SLOT，提供最优或较优的ATFM解决方案。
　　程序设计和空域的规划的变数多，客观条件要求大，使容量模型的建立比较困难。同时，信息量大，约束条件多，系统的实时要求使算法的求解面临组合爆炸，因计算的复杂而难于求解。这是ATFM本身亟待解决的问题。

　　飞行流量管理控制系统
　　上面提到的关键的技术问题并非难以解决。实际上，随着近几年民航空管的发展和科研技术的进步，几个关键的技术难题已逐步获得突破。我们将建立集成了多雷达数据、飞行计划数据、ADS数据及综合空域情报数据的全国性的飞行流量管理控制系统，控制和管理全国的飞行流量分配。
　　飞行流量管理控制系统的主要功能表现在如下方面：
　　第一方面，以图形显示全国范围的与飞行计划相关的融和雷达和ADS数据的所有在空中的航空器的现行地理位置，并叠加在绘有地理境界线和民航空域情报系统设施的地图上。
　　第二方面，通过监控和告警，预计所有机场、扇区、一些令人关切的报告点的交通要求，并自动提醒交通管制人员将要出现的拥挤。
　　第三方面，对拥挤和将要发生的问题提供解决方案，供交通管制人员选择，解决机场与途中的拥挤和延误问题。
　　第四方面，提供专家系统组件，评估由第三方面功能生成的解决方案，辅助空中交通管制人员决策。
　　第五方面，开放的系统，能灵活地与现有的雷达监视系统、ADS系统、飞行计划系统、空域系统和情报系统、气象系统及民航空管信息数据库实现互联。

　　结束语
　　从我国民航的发展和计划需求来看，在未来几年内，总局空管局、各管制中心、主要机场和终段区，将出现专门的流量管理席位或飞行流量管理控制系统，控制和管理全国的飞行流量分配；同时，ATFM的阶段性成果可应用于ATM各个系统中，包括ATC系统、雷达系统、飞行计划系统、情报系统、空域系统及机场信息系统，并将产生深远影响。