終端空域規劃理論與方法（簡體書）

《終端空域規劃理論與方法》可作為高等院校空中交通規劃與管理專業高年級本科生和研究生的教學用書，也可作為從事空域規劃研究的技術人員和管理人員的參考書。

章緒論
空中交通管理( air traffic management，ATM)的任務是：有效地維護和促進空中交通安全，維護空中交通秩序，保障空中交通暢通。空中交通管理包括空中交通服務、空中交通流量管理和空域管理。空域規劃設計是空域管理中的一項重要工作。在研究空域規劃設計之前，有必要明確空域的基本概念和屬性，了解空域規劃理論的研究現狀。
1.1空域基本概念和屬性
空域是實現空中交通的物理空間，是空中交通服務提供者向空域用戶提供服務的場所。終端空域是描述環繞某個機場提供空中交通服務空域。終端空域交通系統是航空器起飛進入航路或者從航路進港飛行的一個過渡空域系統，該系統由標準進離場航線、進近程序、進離場移交點、等待航線和塔臺管制區組成，其中進近程序包括起始進近航線、中間進近航線、后進近航線和復飛程序。進場的飛機從進場移交點開始按照標準儀表進場航線和進近程序飛向后進近定位點，然后落地（或者復飛），離場的飛機按照標準儀表離場程序，爬升到規定高度從離場移交點離開終端空域加入航路飛行。
盡管空域是人們對地面以上三維空間的一種劃分，但是隨著人們對航空活動認識的深入以及空中交通服務的不斷改善，空域被賦予了更加幸富的屬性，可以歸納為以下五點。
(1)空域的資源屬性：空域是國家的公共資源，具有稀缺性，可滿足國防、運輸和科技活動的利益需求，這種資源的優化配置應當保證各類空域用戶的整體需求大。
(2)空域的主權屬性：空域的權屬關系從法律上進行了規定，國際民航組織公約規定，各國對其領土上空享有主權，這決定了各個國家對于管轄空域具有占有、使用、收益和終支配權。
(3)空域的時間和空間屬性：任何飛行活動必然存在對于空域的時間和空間的占有，這種占有一方面具有可再生性，即空域釋放后，其他用戶可正常使用：另一方面，具有獨占性，形成不同用戶對于同一時空下空域資源的競爭，需要通過靈活使用空域等手段科學配置空域資源。
(4)空域的服務屬性：為保障空域安全有序地運行，一方面需要在地面、航空器或衛星配備通信、導航和監視設備；另一方面需要空中交通管理部門提供相應空域的飛行情報、空中交通管制等空中交通服務。
(5)空域的運行限制屬性：出于政治、經濟、軍事、安全以及空中交通服務等方面的需要，在設置空域的時候通常還要對將在其中運行的飛行活動附加一些限制條件，如飛行規則、機載設備、飛行方向等。
1.2研究的意義和必要性
隨著經濟的迅速發展，民用航空業進入了飛速發展時期，航空運輸業持續高速發展為世界經濟發展做出了重要的貢獻，同時也使某些空域面臨著越來越嚴峻的飽和和擁堵態勢。有限空域資源與交通需求之間的矛盾日益突出，造成大量航班延誤，帶來巨額經濟損失，也增加了航空運輸系統不安全事件的隱患。據預測到2025年歐美航空運輸量可達到目前的2~3倍，由此可見，提升航空運輸系統的容量迫在眉睫。歐洲的SESAR(Single European Sky ATM Research)項目和美國的NGATS (Next Generation Air transportation System)頊目都提出在未來10~15年建立至少能容納當前空中交通量3倍的航空運輸系統，其中空中交通資源的科學設計和有效管理是一個重要方面。我國于2007年完成了《中國民航新一代空中交通管理系統發展總體框架》的制定，并將其列為重要研究議題。因此，空域資源的有效配置和科學規劃設計成為空中交通管理研究的重要議題之一。
根據國際民航組織文件對終端管制區的定義，終端管制區是指設在一個或幾個主要機場附近的空中交通服務航路匯合處的管制區。終端空域是描述環繞某個機場提供空中交通服務空域，包括終端管制區、管制區域、管制地帶、特殊規則應用地帶和機場交通地帶等空域。終端空域是整個空中交通系統中一個復雜的子系統，所有航路飛行的飛機由航路通過終端空域人口之一脫離航路，并融合到進場航線飛行，后通過不同的進近航線飛向跑道降落。該空域具有航路結構復雜，空域資源有限，飛行流量和管制難度較大的特點，是整個空域容量提升的瓶頸。同時，我國空中交通管制員隊伍薄弱，部分管制員超負荷工作，考慮到終端空域復雜的空中交通運行環境，這些都直接影響到飛行安全和航空運輸業酌效益。因此，如何有效利用終端空域和管制資源成為空域規劃研究者和管理者面臨的緊迫問題。
終端空域扇區優化設計作為空域規劃理論的重要組成部分，是解決空域和管制資源有效配置的一種重要理論和方法。根據國際民航組織對于管制扇區的定義，管制扇區（以下簡稱扇區）是指各個國家的空域規劃部門將管制空域參照國際民航組織的相關文件劃分基本管制單位，每個扇區對應設立一個管制席位，對于所轄空域提供空中交通管理服務，以保障飛行安全和有序。國際民航組織的空域扇區規劃文件大多是各個成員國空域扇區規劃經驗的總結，多采用定性分析的方法，缺乏建立在嚴格數學模型基礎上的定量分析。在這種相對粗獷的方法的指導下，我國的一些終端空域管制員工作負荷存在不均衡的現象。一部分扇區的管制員工作負荷較小，工作強度較小，設備的利用率和管制員的工作效率較低，而另外一些扇區的管制員工作負荷超出了管制員所能承受的程度，對飛行安全產生了不利影響。僅通過這種定性的空域扇區規劃工作，易造成不同扇區在不同時段的管制員工作負荷不均衡的情況，進而降低空域的利用率和安全性。終端空域扇區優化設計理論和方法，可以提高我國民航管理部門對終端空域空中交通的安全水平，舍理分配和使用管制資源和空域資源。
終端空域的交通預測和容量預測是開展空域規劃設計的前提和基礎。而對空域設計方案的評價，特別是定量的科學評價，又是獲取合理空域規劃方案的重要手段。兩者都是終端空域規劃理論不可或缺的重要組成部分。終端空域是空中交通密集的復雜系統，空中交通流量和空域容量的準確預測以及終端空域規劃方案合理科學的評價，都是終端空域規劃理論研究中值得探討和亟待解決的重要問題。
終端空域容量預測是實施空中交通資源有效管理與合理配置的一項關鍵技術。目前，眾多地區為適應交通需求增長新建和擴建機場，如何準確預測終端空域容量是民航規劃和建設部門亟待解決的首要問題。終端空域容量是指在的系統結構、管制規則和安全等級下，考慮可變因素（人為因素、天氣因素等）的影響，在單位時間內所提供或能提供服務的航空器架次。終端空域由若干管制扇區構成，扇區是空中交通管制的小業務單位，通過分析扇區的管制員工作負荷水平來確定空域運行容量，這已經得到業界的公認。同時，由于受復雜天氣的影響，終端空域容量并非定值。據美國聯邦航空局調查，美國國家空域系統由于天氣原因導致的航班延誤是非天氣原因導致延誤的2倍，65%—75%的超過15分鐘的航班延誤是天氣原因直接導致的，天氣是影響終端空域容量的主要因素。復雜天氣下對終端空域容量的準確預測一直是空中交通管理的難題。因此，復雜天氣下的終端空域動態容量預測研究對于高效使用空域資源、管制資源和科學實施終端空域的規劃設計和空中交通流量管理，終實現終端空域空中交通安全、有序和高效運行具有重要意義。
本書在國家白然科學基金委員會——中國民航局民航聯合研究基金“面向空中交通資源管控的復雜天氣下終端空域動態容量預測及仿真研究”( No:U12331)和“終端空域規劃若干關鍵問題研究”(No:60979018)的資助下，在空域容量和空域安全性等空域性能指標的約束下，通過借鑒公路交通規劃理論、人類動力學理論、數據挖掘方法和交通仿真技術等，建立終端空域規劃相關理論方法和規劃評價方法。通過本書的研究，探索符合我國國情的終端空域規劃及評估的理論和方法。
1.3終端空域規劃理論研究回顧
終端空域是整個空中交通的樞紐，具有航線和機場分布密集，交通復雜程度較高，對管制指揮的安全性要求較高等特點。依照交通運輸規劃設計的普遍規律，本書著重圍繞終端空域的規劃提出了如下四方面問題，即空中交通預測、終端空域扇區容量預測、空域扇區規劃方法和空域規劃后評估依次討論和研究。在俞紹上述四個問題之前，需要了解外新一代空中交通管理系統中空域規劃和管理方面的研究進展。
1.3.1外新一代空中交通管理系統中空域規劃和管理進展
經濟的快速發展為航空運輸業提供了良好的發展機遇。預測顯示，到2025年，美國對航空運輸的需求將增長到現有水平的3倍，而歐洲到2020年對航空運輸的需求也將翻倍。我國在過去短短十幾年時間，航空運輸發展以15%增長，2006年我國航空運輸總周轉量位居世界第二位，已經成為民航大國。為適應航空業發展的需要，歐美等國家和地區先后提出了SESAR項目和NGATS項目，通過運用空管新技術，實現空中交通的安全性和容量需求。我國也于2007年提出了建設中國民航新一代空中交通管理系統‘糾。在空中交通新技術的引領下，空域規劃和容量管理成為其中一項重要的研究內容。
1．美國的下一代空中交通管理系統
美國為了建設一個更加安全、高效的國家空管系統，滿足2003~2013年航空運輸的容量需求，于1999年1月提出了美國國家空域系統規劃。該規劃提出將在完善現有空管結構和體制的基礎上，大力加強衛星導航、地空數據通信和綜合監視等新航行系統技術。該規劃還強調航空公司、軍民航空管和機場等部門的信息共享和飛行協同決策，在保證飛行安全的同時，增加空域容量，提高空域使用效率。隨后，在2002年美國聯邦航空局發布了國家空域系統運行發展計劃( operational evolution plan，OEP)。OEP在現有空管系統結構下，采用新的通信、導航和監視技術，實現飛行的跟蹤和定位，采用更加智能的輔助決策系統，綜合考慮航行情報、氣象等多方面因素，實現對空域資源的優化配置和國家空域系統的重新設計；采用新的管制程序，增加機場及航路的飛行容量，保證飛機安全飛行。OEP更加強調信息共享、協同決策(collaborative decision making，CDM)等技術特征。2005年，美國推出了NGA工S計劃。該系統是一個全球性的復雜系統，關系到公眾和若干（國有和私有）利益關系方，這個系統包括國家防御、國土保安、空中交通管理、商業和通用航空經營者及機場，涉及旅客、貨物和軍事飛行以及休閉飛行。NGATS將把用于國家防御與民用飛行的能力整合在一起，為民用、軍事使用者提供服務，使航空旅行更加有效率和效益，更加安全。
在空域規劃和容量管理方面，該系統提出協同運行的概念，目的是平衡飛行運營人的目標與空域整體性能，并實現容量管理、應急流量管理和航跡管理。其中，容量管理可以從飛行的幾年前開始，并持續到飛行運行的當天。它包含長期管理和短期管理，配置現有的空域，也配置空域相關資源并協調長期的員排班計劃。長期容量管理通常需要數月乃至數年，包括開發新程序、設計空域、研究開發運用新技術、評估并減輕環境因素影響、分析安全和保安，以及與廠商、飛行運營人和其他利益相關方的合作等。短期容量管理通過配置人員、空域結構、基于性能的服務等資源提升容量。
2．歐洲的單一天空計劃
歐洲針對目前各國空域劃分過小的問題，于1999年啟動了“歐洲單一天空”的運行概念，先后得到了歐盟委員會、理事會和議會的批準，并于2004年4月進入立法階段。其目標是消除不連續的空中交通管理，提高空中交通管理的控制能力及決策能力，適應歐洲航空運輸業的發展。到2020年，SESAR項目將實現以星基為基礎，一體化的通信、導航、監視，通過毽立通用數據交換網絡，伽利略導航衛星系統、雷達聯網和自動相關監視系統，實現對歐洲高空空域的統一協調指揮，以大限度地提高空域安全、容量和效率，同時明確了對環境的保護和社會效益的體現，對公眾服務的正常和舒適性要求。該系統提出了具體運行目標：當前容量3倍的容量，安全性能提高10倍，每次飛行對環境的沖擊減少10%，以及減少一半的空管成本。
歐洲單一天空計劃所采取的許多行動都涉及空域的組織結構規劃和使用問題。因此，歐盟委員會建立了歐洲高空飛行情報區、功能空域區塊、空域分類、空域設計（航路和扇區）、靈活使用空域、空中交通流量管理等六方面規則，力爭獲得國際民航組織的支持，并在規則制定上確保與國際民航組織的框架保持一致。在空