“以拉代推”的繁忙机场离场计量新方式探析

□ 北京航空航天大学 张明华 杨 杨/文

随着航空运输业的持续快速发展，航空运输总体需求与繁忙机场离场保障能力之间的矛盾日趋激烈。航空器滑行剐蹭、跑道头长时间排队等待等安全威胁、运行降效问题频繁出现，吸引了全球航空交通界的共同关注和研究探讨。例如，国际民航组织在机场协同决策（A-CDM）基础上提出“全面机场管理（TAM）”运行概念，以推动更大范围时空维度的信息共享和协同决策。美国国家航空航天局（NASA）、德国宇航中心（DLR）、美国麻省理工学院（MIT）等研制机场离场放行管理（SARDA）、离场优化与场面滑行集成管制（CADEO& TRACC）、机场推出率控制（PRC）等验证系统，旨在通过先进自动化决策功能提升繁忙机场离场保障能力。

对我国航空运输业而言，不可避免会面临上述问题。截至2020年，我国航空旅客运输量连续16年稳居全球第2位，运输机场数量过去10年增长37.7%，而运输机场完成起降架次增长63.6%，并已形成京津冀、长三角、粤港澳、成渝四大世界级机场群，建成北京、上海、广州、西安等十大国际航空枢纽，旅客吞吐量千万级繁忙机场达39个，三千万级繁忙机场已有11个。面向高密度环境下的安全、高效运行需求，加强我国繁忙机场离场保障能力建设已经成为行业共性难题，迫切需要新技术与应用支撑。

近年来，离场计量（Departure Metering）作为提升繁忙机场离场保障能力的新技术之一，受到研究界的重点关注。离场计量通过对离场航班的推出放行过程进行精细化控制，一方面减少离场滑出时间，提高运行效率；另一方面缩短跑道头等待队列长度，以避免跑道不充分利用（具体而言，若跑道头等待队列长度设置为零，即航空器无需等待即可起飞，则难以应对存在随机扰动时，航空器无法及时达到跑道头的不确定性，从而导致跑道的不充分利用。因此，在离场计量中，通常要求跑道头等待队列保持非零的较小长度）。围绕该技术，美国麻省理工学院Hamsa Balakrishnan教授团队，中国民航大学杨东、侯文涛等国内外研究者均开展了相关研究。其中，Balakrishnan教授团队较早开发的航班推出率精准估计与反馈控制工具在美国波士顿机场塔台进行了24小时应用测试，平均滑出时间减少约4.4分钟。目前，该团队进一步考虑从机位到走廊口点的机场场面—空域整体运行，研究各关键节点的精细化控制方法，缩短跑道头等待队列、支持进离场与场面协同运行等，持续拓展丰富离场计量的技术手段和应用场景。

在上述研究工作基础上，本文以我国某繁忙机场为例，引介推出率精准估计与反馈控制方法，并挖掘离场计量背后蕴含的思维方式变革，为推动离场计量技术的应用落地，增强我国繁忙机场离场保障能力提供参考。

推出率精准估计与反馈控制案例分析

本文以某繁忙机场10个月（2020年9月至2021年6月）的实际运行数据为例，考虑目视气象条件（VMC）和主用跑道运行模式的场景（该场景占比超过50%），统计得到：10.5%运行时段的航班平均滑出时间高达23.4分钟，比总平均滑出时间高出41.3%（详见图1红框部分），离场运行效率明显降效。进一步，从输入输出关系上，深入分析该机场离场运行情况，详细考察在途率—离场率的折线函数关系，其中，在途率是指当前机场场面上处于滑出状态（已推出但未起飞）的航班量，离场率是指当前时刻下一15分钟时段内起飞的航班量。这里，折线函数斜率为0表示离场运行的“相变点”（在途率、离场率分别为9和8，详见图2红色圆圈）。可见：在该点上，若持续新增航班推出，在途率上升而离场率不增加，导致滑出航班减速或等待，平均滑出时间大幅上升，离场运行降效加剧；而若终止航班推出，待滑出航班量得以消化后再重启，又将导致机场整体运行处于“不饱和”（跑道的不充分利用）与“拥堵”（离场运行降效）的交替跳变。

图1 ：某机场主用运行模式下平均滑出时间热图

图2 ：某机场主用运行模式下在途率—离场率数据分布情况

以下从运行场景分类、在途容量精准估计、推出率反馈控制三方面，具体介绍推出率精准估计与反馈控制方法。

（一）运行场景分类

根据现有相关研究和实际运行经验，离场计量受气象条件、跑道运行模式、进场需求、机型混合结构、停机位分配等多种因素的影响，本文选取前三种主要因素进行分析。具体而言，气象条件对离场运行至关重要，可分为目视气象条件（VMC）和仪表气象条件（IMC），在不同的气象条件下，空管单位采取不同运行策略；跑道运行模式或跑道使用策略并非一成不变，根据实际运行情况或气象条件进行动态调整，航空器滑出路径选择和滑出时间均随之改变；进场需求与离场需求共享机场场面资源，存在相互耦合影响。

本文以5000米能见度为标准将气象条件分为2类（大于5000米、小于5000米），并选取“02L起飞|02R降落”“02L起飞|02R起降”“02L起降|02R降落”3类跑道运行模式（共占比97.61%），进而将运行场景分为6类（如表1所示）。此外，考虑每15分钟间隔内降落航班量作为进场需求。

表1 ：某繁忙机场运行场景分类

图3给出不同运行场景下在途率、离场率数据分布情况。箱型图表示任意在途率对应的离场率数值集合，蓝色线/橙色线分别代表不同在途率对应箱型图平均值/中位值的连线。可见，对于任意运行场景，在途率与离场率之间存在着明显一致的数量关系，即离场率随在途率的增加而增加，最终趋于稳定状态。然而，不同运行场景下离场率趋于稳定时所对应的在途率各不相同，表明不同运行场景下离场运行能力的差异。例如，02L起降|02R降落跑道运行模式（见图3中最右边两个子图）下的离场率随着在途率增加，较快达到稳定状态，02L起飞|02R降落跑道运行模式（见图3最左边两个子图）次之，02L起飞|02R起降跑道运行模式（见图3中间两个子图）下最慢。

图3 ：某繁忙机场各运行场景下在途率—离场率数据分布情况

（二）在途容量精准估计

离场率随在途率增长达到稳定状态时的数值为离场容量，体现机场的离场服务能力；离场率达到稳定状态时对应的在途率为机场当前运行模式下的在途容量，是衡量机场运行状态的关键指标，若在途航班量高于在途容量，机场则会陷入拥堵降效状态。基于上述在途率—离场率的折线函数关系和实际运行数据，将在途容量估计建模为最小二乘估计问题，计算得到在途率—离港率折线函数斜率为0的相变点（详见图2红色圆圈），以表示使该机场处于“饱和—非拥堵”的离场运行状态对应的在途率—离场率估计值，作为下一步推出率控制的数据基准。图4给出了综合考虑气象条件、跑道运行模式、进场需求等不同运行场景下的该机场在途容量估计结果。其中，不同颜色折线代表同一运行场景下不同进场需求下离场率与在途率的函数关系。

从进离场运行的角度看，进离场航班之间存在较强的耦合关系，若进场需求增加，机场的离场容量和在途容量均将减小。例如，在图4的子图1中，进场需求为0时，离场容量和在途容量分别为10和15，而当进场需求取值为11时，离场容量降为6，在途容量降为12。

从跑道运行模式的角度看，隔离运行模式向半混合运行模式的转变将较大幅度提升机场的离场容量和在途容量。例如，在图4的子图1（隔离运行模式，02L起飞|02R降落）和子图2（半混合运行模式，02L起飞|02R起降）中，进场需求为0时，离场容量分别为10和13，在途容量分别为15和20。

图4 ：综合考虑气象条件、跑道运行模式、进场需求的离场率估计

（三）推出率反馈控制

根据机场运行场景（能见度、跑道运行模式、进场需求），结合在途率—离场率函数估计值，首先给出使机场处于“饱和—非拥堵”离场运行状态的在途容量Nctrl、下一时间间隔的离场率预测值Np，并通过信息管理系统计算得到当前正在滑出的航班量Nt，则推出率反馈控制的逻辑如下（详见图5）：若Nt≥Np，则可知当前场面滑出航班中将有Nt－Np个航班持续滑行至下一时间间隔；且若Nctrl≥Nt－Np，则下一时间间隔的建议推出率设定为Nctrl－Nt－Np。

图5 ：推出率反馈控制逻辑

上述思路实际上是基于传统阈值控制启发式方法的改进方案：并非等机场场面达到拥堵状态时再控制航班从停机位推出（容易导致“走走停停”），而是通过在高离场需求时有效控制航班推出速率，使得机场场面运行避免陷入拥堵降效状态，同时保证跑道资源的充分利用（持续“稳步前行”）。表2以某繁忙机场2021年12月18日07∶00～12∶00真实运行数据为例，给出了实施推出率反馈控制的结果样例。其中，07∶00～09∶30期间，由于早出港航班需求旺盛，机场采用半混合运行模式，09∶30之后恢复常用的隔离平行运行模式。该表格最后一类是基于不同跑道运行模式和动态进场需求计算提供的航班推出率建议值（绿、蓝、橙、红等不同颜色代表推出率限制程度逐渐增强）。

表2 ：推出率反馈控制结果样例（2021年12月18日）

“以拉代推”的离场计量思维变革

上面引介的以推出率精准估计与反馈控制为代表的离场计量技术，受生产制造、地面交通等领域定量在制品法（CONWIP）的启发，突破了传统航班推出放行的思维定势。本节尝试从“推式生产（Push Production）”向“ 拉 式 生 产（Pull Production）”转变的角度，进一步理解离场计量技术带来的思维变革。

传统生产制造一般采用推式生产，即每道工序都根据生产计划，尽其所能快速完成生产任务，然后，无论下游工序是否有需要，全数将零件推至下游工序，往往导致不必要的库存积压。针对上述缺陷，拉式生产（例如，看板）根据客户需求组装产品，下游工序根据需要加工多少产品，要求上游工序制造正好需要的零件，即下游工序拉动上游工序进行生产。相比推式生产具有的按预测或计划组织生产、各工序独立、超量或超前生产、制造周期长等特点，拉式生产具有按需求组织生产、前后工序关联、超准确生产、制造周期短等特点。

从上述背景看，离场计量技术采取了“以拉代推”的基本思路，将离场运行环节看作上下游工序，以完成航班起飞作为最终交付产品、跑道起飞容量作为客户需求量，当前工序接收下游工序的生产指令，不断向上游工序传递生产指令，最终反向确定对第一道工序的需求（即推出放行环节的推出率），从而避免运行拥堵、减少滑出时间。这里，生产指令体现为该运行环节的缓冲区队列长度（定义为等待通过该运行环节的航班队列长度），即通过动态匹配下游生产需求与自身处理能力，控制所需处理与所能处理的航班间数量关系，发布合理的缓冲区队列长度，以维持该运行环节处于“饱和—不拥堵”状态。具体而言，跑道头等待点处（以及停机坪出口、滑行道交叉点等其他关键运行环节）可设置较小缓冲区，作为生产指令发布给其上游环节，既确保航班连续起飞，起飞时隙不出现空置，又缩短跑道头等待时间。通过以上分析可知，当运行不可避免地受到随机扰动影响时，实际运行无法完全符合预先计划，离场计量技术能够较好适应动态运行场景的不确定性，有望发展成为提高繁忙机场离场保障能力的实用技术。