摘要：众所周知，地面等待是一种缩减空中交通拥堵的有效策略，其基本原理就是当预测到空中拥挤将发生时，尽量将航班在目的地的空中延迟转化为在起始地的地面等待。相对于空中延迟，地面等待可以避免目标机场上空出现的多架航班延迟与盘旋导致的不可控现象，具有安全（飞机在地面显然比在空中安全）、节约（减少航油使用）的优点。总之，地面等待策略是机场流量管理中解决机场容量问题的重要方法之一。本文分析了机场流量管理中地面等待问题优化模型。
关键词：机场流量管理；地面等待；优化模型；
随着中国民用航空事业的迅速发展，由于机场容量的限制而带来的交通阻塞、航班延误等问题已经变得越来越突出。航班延误不仅给旅客带来诸多不便，使航空公司蒙受经济损失，而且严重威胁到机场及空域的安全。因此，研究有效的空中交通流量管理（ATFM）方案已经成为当前民航空管部门亟待解决的问题。国外对多机场地面等待问题的研究起步较早，中国对多机场问题的研究相对于国外起步较晚，目前还处在研究的初步阶段。
一、机场流量管理中地面等待问题优化模型
1.假设及特点
（1）模型的简化假设。在建立模型前，先对问题作几点简化：一是不考虑随机因素的影响。本文建立的是宏观模型，认为航班在执行飞行过程中，所花费的时间是确定的，那些详细的不确定因素的影响一般都放在微观模型中去考虑。二是忽略航路中及管制区域的容量限制，只考虑各机场的起飞和降落容量限制。中国目前采用的航路管理体制导致航路及管制区域的容量约束复杂，这对大型线性规划方程的求解十分不利。而事实上，多航班延误都是由于机场原因造成的，航线等其他容量限制的影响很小。三是认为航班在飞行中无空中等待。空中等待费用要远远大于地面等待，在以总花费最小为目标函数的模型中优化结果是不会存在空中延误的。另外，这点简化与地面等待策略的基本出发点是完全吻合的，所以在本文的模型中忽略空中等待。四是认为各机场的容量能保证所有航班在允许的延迟时间范围内执行飞行。一般情况下，在交通高峰期过后机场的容量会是远大于飞行需求的，所以这点假设也是合理的。
（2）模型的特点。在国内对多机场地面等待问题已有的研究中，通常假设机场的起飞容量是无穷的，只考虑到达容量约束。事实上，国内多数机场都只有一条跑道，飞机起降共用该跑道，少数拥有双跑道的机场，两条跑道也非独立运行，机场的起飞容量和到达容量必然互相制约，存在耦合约束。在本文的模型中充分地考虑了机场起飞容量和到达容量的约束。模型中还进一步考虑了连续航程航班对延误带来的累积效应，连续航程约束是多机场模型与单机场模型的最本质区别。
2.建立模型。最初时段前和最终时段后的地面等待和空中延迟均为０。以总延迟费用Ｃ 最小，同时尽可能减少机场的空闲容量以充分利用机场资源，地面等待问题模型为：
，式中表示可能在时段W到场的航班，包括计划到场航班、随机到场航班和上一时段推后的航班，要么被批准届时到场，要么继续进行地面等待；表示时段ｉ空中延迟的航班数量等于此时到场航班数量加上前一时段空中延迟的航班数量再减去此时所利用的机场到场容量；表示样本ｑ在时段ｉ发生空中延迟的航班数量不少于本时段需要降落的航班数量减去本时段能够降落最大航班数量（到场容量）。建立事件微观模型，将航班的到场状况看成一个离散事件系统，其中航班初始到场时刻为系统输入，降落所消耗时间为系统的服务时间，最终降落时刻为系统输出。空中延迟，进而确定航班的到场时段，但是具体的到场时刻无法确定，因而可能造成时间累积误差，为此，需要给出事件微观模型。当空地延迟费用比增加时，优化结果中地面等待时间将增大，空中延迟进一步减少，这也说明了地面等待策略的有效性以及空地延迟费用比对优化效果的直接影响。
3.模型优化。模型是混合整数规划问题，解决这类问题的优化算法很多。考虑到模型是一个广义的多机场模型，没有对网络中机场节点数目和航班数目进行限制，应采用一种适合求解大规模整数规划问题的方法。本文采用经典的分支定界法。分支定界法的基本思想就是采用深度优先搜索策略，具有较高的求解效率。值得注意的是约束条件关于机场起飞容量和到达容量的约束，双跑道运行情况下目视飞行规则的容量曲线，在求解之前必须将非线性容量约束函数转化为线性函数。模型的目标就在于根据规则及容量约束，优化分配4 h 内3个机场的到达和出发航班，使总延误最小。各机场的地面等待延误的差别可以通过对各机场分别设置不同的系数来实现，包括各机场的到达和出发延误架次以及总延误时间段。优化后的流量分配方案有效地消除了交通流量的峰值，在容量约束范围内合理地安排了航班的起降。
二、地面等待策略
1.拥挤现象的产生。拥挤的发生主要表现为机场跑道系统容量或空管扇区容量在某段时间过饱和。拥挤主要是因为每天的流量高峰时段和每年航班的高峰期，另外恶劣气象条件下机场或航路区域服务效率显著降低也是造成拥挤的重要因素。
2.拥挤现象的解决方法。空中交通拥挤现象的解决主要依赖于流量控制，主要控制方法有以下几种：一是地面等待策略，将在目的机场因拥挤可能产生的空中延误前移至起飞机场的地面等待。二是空中等待，让飞机在较高的高度层进行空中等待。三是变更航线，对于拥挤的一些空域，修改某些飞机的航线或计划，使其避开拥挤空域。四是航线匝口控制，对于流量拥挤的航线或终端区，调节其流入量。五是飞行速度调节法，通过调节飞机的航行速度，来避开流量拥挤。就以上几种解决方案而言，只有地面等待为非空中控制，其余几种都是飞机在飞行中进行控制，故而地面等待所产生的经济效益最好，为现在空中交通流量控制的主要手段。
3.地面等待问题分类。根据不同的标准，有以下分类结果：一是根据决策时间制定的先后，地面等待问题可分为静态和动态两种类型。二是根据机场容量是否确定，地面等待问题可分为确定型和随机型。三是根据涉及的机场数量，地面等待问题可分为单机场地面等待问题和多机场地面等待问题。其中单机场地面等待问题考虑的对象仅仅是目标机场。四是根据系统驱动模式的不同，地面等待问题可分为时间驱动型和事件驱动型。
4.地面等待策略。所谓地面等待就是在飞机延误无法避免的情形下，推迟起飞，用地面等待方式吸收航路中的空中等。待。地面等待策略就是确定飞机的最佳起飞时间，通过起飞机场的地面等待调节空中交通网络的航班流量，尽量保持航班的流量不超过机场、空域的容量，减少延误时间，从而降低延误损失，提高相关资源的利用率，保证飞行的安全与准时。优化后的起降容量满足了两个机场的最大容量限制，机场不再拥挤。从模型的计算过程可以看出，该模型能够消除因机场容量限制发生拥挤而产生的延误，可以有效地增加正常航班的数量，减少航班的地面等待时间，从而降低成本损耗。采取优化措施后，让该航班在下一个时间片内降落。经过模型优化后，平滑了交通量，减少起飞和降落密度。
空中交通流量管理由于具有巨大的经济效益，如今已成为世界很多科研机构的研究对象，其目的就是优化航班的飞行时间，从而使得延误费用达到最小，另外使得飞机的航行变得安全。地面等待策略是空中交通流管理中通常采取的一种策略，因为该策略经济、安全。
参考文献：
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论文作者:杨振华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：机场论文; 地面论文; 航班论文; 容量论文; 模型论文; 拥挤论文; 流量论文; 《基层建设》2018年第5期论文;