地面等待策略在管制中的应用

地面等待策略在管制中的应用

朱成浩

中国民航西南地区空中交通管理局四川成都610200

摘要：随着空中交通拥挤问题的日益严重，飞机的地面等待已经变得越来越普遍。地面等待的做法是在目的地机场预计将出现拥挤的时候推迟飞机的起飞时间，因为对于飞机来说在地上等待比在空中等待更经济和安全。

关键词：空中交通管理；指派问题；地面等待

1地面等待的基本概念

地面等待（ground-holding)或者叫门式延迟（gate-holding)、起飞时段分配（slotallocation)是一种缩减阻塞的行之有效的方法。所谓地面等待策略，就是一种将降落机场上空到场航班的被动延迟转化为起飞机场地面离场航班的主动等待的策略、规划和操作的总称，它有特定的目标机场、给定的起始和终止时间并能够设置相关的参数、系数等。

2地面等待的优点

相对于空中等待来说，地面等待有较多的优势。

（1）空中盘旋等待需要消耗大量的油料，比地面等待费用高出许多，这些费用包括：航班的燃油消耗、维修费用等等；

（2）出于安全因素的考虑，旅客不希望在空中滞留太长时间，空中盘旋等待会令旅客产生不安和不满，从而影响民航运输业的经济效益；

（3）避免出现在目的机场上空的由于多架航班同时盘旋而产生的“不可控制”现象。

3地面等待的策略

3.1地面等待问题分类

（1）根据决策制定时间的早晚地面等待问题分为静态和动态两个类型所谓静态，是指在每次求解模型前所有的决策都是提前做好的，比如每段时间(一般是一天)内的计划到场航班数、所有航班在起飞和降落机场之间的飞行时间等都是已知和给定的；而动态则是指相关决策是不断更新的。

（2）根据机场容量是否已知确定地面等待问题可分为确定型和随机型。在地面等待策略研究中，空中交通的操作请求和机场容量的之间的矛盾是问题的关键所在。其中操作请求由各个航班所确定,所以通常是可以预测的；而机场容量，由于天气等客观不确定因素，却是变化迅速不易预测和确定的。

（3）根据对象机场的多少，我们可以将地面等待问题分为单机场地面等待问题(SGHP)和多机场地面等待问题(MGHP)。单机场地面等待问题考虑的对象仅仅是目标机场，但整个问题的处理过程肯定至少要涉及两个机场。地面等待问题的研究初期，研究对象几乎都是单机场，而关于单机场地面等待问题的研究往往忽略了模型的网络或回路（down-the-road）效应，所以多机场地面等待问题随即产生。

（4）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。所谓时间驱动型是指,将所研究的时间段等分为多个小的时间区间，然后分别在这些区间上研究分析航班的地面等待情况，大多数线性规划和动态规划都采用这种时间驱动模式；事件驱动型是指，将所研究系统看作是一个离散事件动态系统(DEDS)，把航班的起飞、到场和着陆视为输入事件，相应的时刻作为系统的服务时间。

3.2地面等待问题的发展和现状

20世纪80年代初，美国联邦航空局(FAA)建立的空中交通控制系统指挥中心(ATCSCC)就曾推出一种地面等待策略，这便是确定型地面等待策略（deterministicgroundholdingpolicy)。Odoni教授首先对地面等待策略进行了系统的描述，并作了深入的研究[2]。Andreatta和Romanin-Jacur对单机场的静态随机模型提出一种动态程序算法(1987)。Terrab针对单机场静态确定型地面等待问题提出了一种有效的算法，对单机场的随机性问题提出了几种经验公式[3]。Andreatta和Brunetta对多机场的地面等待问题进行了卓有成效的研究，并建立了启发式方程[4]。Bertsimas和Stock对多机场地面等待问题建立了一种模型，并在实际中取得了很好的应用。1993年，Richetta和Odoni提出了一种地面等待问题的动态算法，同时还给出了一些关于机场容量的经验公式，虽然，地面等待问题在动态模型研究方面取得了一定的成果，但事实上，多数相关研究仍限于确定性分析。在单机场地面等待问题研究的同时，多机场情形的研究也逐步明确、不断开展。TERRAB虽然提出了静态地面等待问题的一种双机场的经验公式甚至一种封闭三机场的经验公式，但是从网络理论角度看，他的研究仍然没有完全严格考虑到系统的“网络效应”，不应该算是严格意义上的多机场地面等待问题研究。直到1994年，Vranas才首次提出了标准的多机场地面等待问题，并运用数学规划方法对这个确定型的网络流模型进行了求解。Andreatta和Brunetta专门考虑了一类由目的机场引发阻塞的多机场地面等待问题，并对三类典型的多机场地面等待问题模型：VBO模型（由VRANAS，BERTSIMAS和ODONI三人建立，故得名），AT模型(ANDREATTA和TIDONA之缩写）和BS模型进行了比较分析，分别对多机场地面等待问题或相关问题进行了研究。

3.3地面等待问题的研究方法

研究机场流量管理问题时，确定型地面等待策略根据相关部门的预测认为机场在一段时间(一般认为是一天)内的到场容量是已知确定的，进而据此安排此机场到场航班的地面等待。在实际应用确定型地面等待策略时，往往采用机场接纳率(AAR)这个概念，它是指在一段给定的单位时间段内给定机场可以降落的航班数量，从而机场容量的预测便是指各个给定时间段内机场接纳率的预测。显然，当机场接纳率预测比较准确时，自然可以通过将目标机场的空中等待转化为降落机场的地面等待而降低等待费用。20年代90年代初，许多学者关于确定型模型研究做了大量的工作，确定型地面等待策略的优点是模型简单直观，求解也比较方便。但是，确定型模型忽略了机场容量的随机特性，也就是说，一旦机场容量预测完成，则认为该预测是确定、正确的，后边的所有的工作也都将以此为基础而展开。如果预测机场接纳率大于实际的机场接纳率，则使得许多航班到达目标机场后无法降落从而导致空中等待发生；类似地，如果预测机场接纳率小于实际的机场接纳率，则使得许多航班到不得不在起飞机场地面等待同时目标机场却有空余,造成资源浪费。鉴于机场容量的不确定性，通常将地面等待问题看作随机问题来求解。目前，ATCSCC基于CDM(CollaborativeDecisionMaking)策略安排机场到场航班的地面等待，即首先根据先到先服务或者说先预定先分配原则(即如果航班f在时刻表上比航班g先到，那么f将在时段分配上先于g)进行航班时刻的初步分配，然后航空公司ATCSCC之间不断交流，使得每个航空公司有机会重新安排它的航班。CDM策略的应用使得航空公司在地面等待的实施中有了更大的自主权，这更符合商业飞行的意义。

总结

随着中国民航业的迅猛发展，我国的空中拥挤问题将日益严重，地面等待作为一个较为简单的方法，相信有较高的实用性，对于未来我觉得应该更一步的加强对于地面等待的研究。随着科学技术的发展，我相信地面等待一定会空中交通流量管理中产生重要的作用和影响，促进民航业蓬勃的发展。

参考文献

[1]李雄；徐肖豪：航班地面等待模型中的延误成本分析与仿真，南京航空航天大学学报，200,(S2)。

[2]胡运权：运筹学教程，第一版，清华大学出版社，1998年。

[3]王来军；史忠科；荣群山：空中交通管理中的地面等待策略研究，数学的实践和认识，2004,(11)。