美國航班時刻監視系統運行機制研究

陳飛飛，張　陽

（空中交通管理系統與技術國家重點實驗室，南京，210014）

摘　要：隨著國民經濟的不斷發展，空中交通流量快速增長，有限的空域資源導致航班延誤現象日益嚴重。針對此類問題，美國FAA提出協同決策理念（CDM）以提升航班運行決策過程的合理性。為深入理解協同決策理念，對其核心支撐系統-航班時刻監視系統（FSM）的功能以及運行流程進行研究；在FSM系統的研發背景中描述了FSM同CDM的關系，并通過研究CDM GDP的運行流程揭示了FSM在CDM中發揮的重要作用；最后總結了FSM系統對我國民航流量管理發展的借鑒意義。

關鍵詞：空中交通流量管理，協同決策，航班時刻監視，地面等待策略

中圖分類號：V355　文獻標識碼：A

The Research of FSM System Operating Mechanism

Chen Feifei，Zhang Yang

（State Key Laboratory of Air Traffic Management System and Technology，Nanjing　210014，China）

Abstract：With the rapid growth of air traffic flow，the contradiction between the demand and supply become server，and final result in more and more flight delay.To solve this problem，American FAA developed the CDM concept to improve the efficiency of flight operation decision making.To understand the CDM concept，it is need to research the function and operational mechanism of the FAA core Air traffic flow management tool FSM；Firstly，show the relationship between FSM and CDM through the FSM development background，and then explain why FSM is important for CDM GDP operation；finally，summarize the important reference value for the development of China civil aviation air traffic flow management.

Key words：Air traffic flow management；Cooperative decision making；Flight schedule monitor；Ground delay program

0　引言

近年來民航業高速發展，不斷增長的空中交通運輸需求與有限的空域資源間的供需矛盾日益突出，航班延誤問題越來越嚴重，給航空公司帶來巨大經濟損失，降低旅客滿意度[1，2]。為有效解決該類問題，美國聯邦航空管理局（FAA）提出協同決策理念（CDM）。

CDM是一種政府和企業間的聯合行動，旨在通過增強信息交流與共享，構建統一的情景意識，促進資源公平分配以及效能分析來增強空中交通管理能力[3，4]。CDM GDP（增強型地面等待策略）作為CDM理念的第一個應用實例，當前已成為美國主要的流量管理方案之一。

FSM作為美國FAA的核心流量管理工具，其出現為美國實施CDM GDP，地面停止、空中等待等多種流量管理策略奠定了扎實的基礎。FSM能夠充分滿足CDM理念中的增強信息共享的需求，通過獲取CDM各參與方提供的實時運行數據以及由美國Volpe國家運輸系統中心統計的數據，FSM能夠像用戶展示當前機場及空域的空中交通需求信息，幫助空中交通流量管理專家以及航空公司運行人員做出更加合理的決策，保障空中交通流安全、有序、快捷的流通。

自從FSM系統出現以來，其功能持續改進以滿足不同用戶的各類使用需求。目前美國以及加拿大的40多名空中交通管理專家均使用FSM系統監視和管理本國機場及空域的空中交通運行。FSM作為CDM的成功應用典范，對我國空中交通流量管理事業的發展具有重要借鑒意義。

1　FSM系統功能

FSM系統的功能大致可分為兩類：①監視機場及空域的容需平衡狀況；②制定流量管理方案。針對這兩項流量管理功能，FSM提供了4種數據模式，具體包括實時數據模式（LIVE）、歷史數據模式（HIST）、地面延誤工具模式（GDT）和綜合項目模式（IPM）[5]。FSM系統的數據模式（HIST、GDT、LIVE、IPM）在每個組件的標簽頁上顯示，如圖1所示。

實時數據模式（LIVE）以及歷史數據模式（HIST）主要用來監視機場及空域的容需平衡狀況；其中實時數據模式用于監控機場和空域當前的容需平衡狀況，為保證信息的實時性，數據更新周期控制在5min左右。歷史數據模式允許用戶通過存檔的歷史運行數據，對過去的事件進行回顧以便分析總結。

地面延誤工具模式（GDT）以及綜合項目模式（IPM）用于制定流量管理方案；其中GDT模式允許用戶對單個流量管理方案[如增強型地面延誤程序（CDM GDP），地面停止（GS）等]進行建模與發布。而IPM模式支持對多種流量管理方案的組合進行建模與評估，便于找出容需失衡問題的最優解決方案。

當前FSM已在美國本土的航空運行各利益相關方間發揮著重要作用，FSM系統支撐美國FAA的空中交通管制系統指揮中心（ATCSCC）完成以下工作：

（1）監視機場、容量評估區域（FEA）及容量受限區域（FCA）的容需平衡狀況；

（2）對流量管理方案進行建模并發布，支持的流量管理方案包括增強型地面等待策略、地面停止策略、空中等待策略等；

（3）更新航班的預計離場放行時間。

航空公司的運控中心（AOC）使用FSM完成以下工作：

（1）監視機場當前的交通需求與運行限制；

（2）分析流量管理方案對本航空公司航班的影響；

（3）對本航空公司的航班進行調整，并提出航班時隙交易申請。

2　FSM系統運行流程

在流量管理方案的制定與實施方面，FSM已取代了美國之前的增強型流量管理系統（ETMS）的職能，當前美國主要的流量管理方案均可通過FSM制定與發布，支持的流量管理方案類型包括CDM GDP、地面停止（GS）、空中等待等。

地面等待策略（GDP）是空中交通流量管理的一種重要方法，旨在將高昂的航空器空中等待行為轉換為相對低廉的地面等待，以實現保障航空運行安全，降低延誤成本的目標[6]；傳統地面等待程序主要由流量管理部門制定，由于缺乏同航空公司、機場等各利益相關方間的信息共享與交互，難以有效地為航班分配時隙資源。

為解決該類問題，FAA采用CDM理念更新GDP運行程序，生成全新的CDM GDP方案。CDM GDP主要用于解決降落機場的容流失衡問題，通過加強流量管理部門同航空公司、機場等利益相關方間的信息交互與共享，增強流量管理人員對機場交通需求把控能力，并采用時隙分配與交易方法為受影響航班重新分配可用時隙[7-9]，在降低機場總體延誤水平的同時，兼顧各方利益需求，保障航空運行安全，其運行概念圖如圖2所示。本文通過講解CDM GDP的實施過程展示FSM在CDM中的重要作用。

當FAA判定需要對機場實施CDM GDP時，會先采用FSM系統指定GDP預案，并將該預案發布給航空公司，航空公司根據預案信息判定其對自身運行的影響，可對自身航班進行調整或者削減，并將航班削減信息反饋給FAA，當FAA收到航空公司反饋后，會再次評估是否仍需執行CDM GDP，如容需失衡情況已得到緩解，則無須發布，否則FAA將正式發布CDM GDP。CDM GDP的具體運行步驟如下所示：

（1）空中交通管制系統指揮中心（ATCSCC）通過電話會議獲取CDM各參與方的需求，通過FSM制定CDM GDP流量管理方案的具體策略參數。

（2）ATCSCC使用ETMS向CDM參與方發布CDM GDP程序的相關措施建議。

（3）ATCSCC使用FSM系統將具體CDM GDP方案的策略參數發往ETMS。

（4）ETMS系統將CDM GDP方案的策略參數發布給所有相關的FSM用戶終端，并定時更新策略參數信息。

（5）航空公司使用FSM接收CDM GDP方案的策略參數，評估對自身航班的影響，對自身航班進行調整，并通過FSM發布自身航班調整信息。

（6）ETMS通過FSM工具定時收集匯總各航空公司航班的調整信息，并發送給所有相關的FSM用戶終端，進行信息共享。

（7）ATCSCC采用FSM工具獲取各航空公司調整后的航班信息，再次對CDM GDP方案進行模擬，決定是否需要更改或取消，并將結果發布給ETMS系統。

（8）ETMS將CDM GDP方案的策略參數更新信息發布給所有相關的FSM用戶終端。

（9）ATCSCC使用ETMS向CDM參與方發布CDM GDP程序更改后的相關措施建議。

（10）ATCSCC內部網頁上自動更新CDM GDP方案信息。

（11）ATCSCC的流量管理專家在ETMS系統日志上記錄本次CDM GDP方案。

（12）ATCSCC的流量管理專家通過FSM系統生成受CDM GDP方案影響的相關航班的時隙列表。

（13）通過FSM系統將時隙列表發往所有相關的流量管理單位和用戶。

（14）進近/塔臺流量管理協調員向本地的管制員發布CDM GDP方案信息。

（15）航空公司根據時隙列表提交航班替換或者取消電報。

（16）ETMS系統定時獲取航班替換或者取消電報，并將信息發送給所有相關FSM用戶終端。

（17）ETMS向的各管制中心發布受CDM GDP方案影響航班的起飛時隙。

（18）各管制中心向本地塔臺飛行計劃處理系統發布受CDM GDP方案影響航班的起飛時隙。

（19）塔臺管制員通過飛行計劃處理系統獲取受CDM GDP方案影響航班的起飛時隙，并根據要求向受限航班發布放行許可。

（20）在CDM GDP程序實施過程中，ATCSCC的流量管理專家采用FSM系統定期收集并重新分配空閑的航班時隙。

（21）在CDM GDP程序實施過程中，ATCSCC的流量管理專家利用FSM監控CDM GDP的實施狀況。

（22）ATCSCC的流量管理專家使用FSM系統監控CDM GDP方案實施后機場的容流失衡狀況；根據交通流實時運行狀況更改或者取消CDM GDP。

（23）當CDM GDP方案終止或者取消時，ATCSCC發布通告說明CDM GDP程序已被終止或者取消，并取消受影響航班的受控信息。

由上述步驟可知，FSM系統貫穿了CDM GDP流量管理方案的制定、發布、實施、監控、更改、取消等全過程，通過信息共享以及協同決策機制，提高了流量管理方案的可實施性，充分響應了流量管理人員、航空公司、機場等CDM各參與方不同的應用需求。

3　FSM系統的借鑒意義

如今，隨著我國民航業的蓬勃發展，有限空域資源與不斷增長的空中交通需求間的矛盾日益突出，對我國空中交通管理能力提出了嚴峻的挑戰。首先，我國民航可用資源匱乏，受軍方活動影響較多，且空域分類較為單一，導致空域資源利用率不高；其次，空中交通流量管理方法較為單一，多依賴于決策者管制工作經驗，缺乏科學系統支撐，且各航空運行利益相關方間的信息共享程度低，難以準確及時地掌握空中交通流實時運行態勢，導致空中交通管理方法的實施效果難以得到有效保障[11]。

我國民航業界為解決該類問題，開始引入協同決策理念。而FSM作為美國實施CDM GDP的核心系統，對其深入研究有助于理解CDM理念的本質。首先，FSM系統作為信息共享平臺，能夠促進空管、航空公司、機場等航空運行利益相關方進行信息共享，便于各利益相關方及時了解空域運行限制信息，航班實時狀態信息等，提高各參與方對交通流實時運行態勢的感知能力。此外，FSM集成了空域監控以及空中交通流量管理功能，便于運行人員監控空域的容流匹配狀況，并支持對流量管理方案的模擬評估，為流量管理方案制定提供科學支撐，提高空域運行效能，能夠有效解決我國民航當前運行問題，為我國今后流量管理發展提供寶貴的經驗。

4　結束語

航班時刻監視系統是美國FAA實施CDM的核心工具，本文首先通過介紹航班時刻監視系統的研發背景，講述了航班時刻監視系統的由來及其同CDM的密切關系；然后通過研究航班時刻監視系統的功能以及CDM GDP的運行流程，揭示了航班時刻監視系統在CDM中發揮的重要作用。最后通過分析我國民航當前運行問題，提出了航班時刻監視工具對我國民航未來發展具有重要的借鑒意義。

參考文獻

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