陳 愷，曾培彬，蔡 浩

(1.中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局 廣西分局，南寧 530000；(2.中國民用航空汕頭空中交通管理站，廣東 汕頭 515000；3.汕頭大學(xué) 工學(xué)院，廣東 汕頭 515000 )

0 引言

流量預(yù)測為空中交通管制員(以下簡稱管制員)提供航路容量、航路降落次序等信息并提供分配建議航路時隙，給出合理的航班流量管控決策，實現(xiàn)航班流量的有序管理和優(yōu)化空域效能，是當前空中交通管制(以下簡稱空管)研究的熱點。

當前較為常見的方法有利用同一航班有規(guī)律的歷史軌跡進行四維飛行航跡預(yù)測實現(xiàn)預(yù)測[1]、運用混合估算對航空器飛行狀態(tài)和模型進行估計進行預(yù)測設(shè)計[2]、研究隨機線性混合系統(tǒng)預(yù)測航空器飛行狀態(tài)的改變導(dǎo)致的4D航跡剖面改變[3-4]進行預(yù)測設(shè)計、研究高斯混合模型并對航班相鄰時刻位置偏移量建模，利用機器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化預(yù)測模型[5]等。這些研究為航跡預(yù)測開拓了新的算法思路，然而空管是動態(tài)變化較大、實時性要求較高的工作，要求模型具有良好的魯棒性和預(yù)測的準確性，符合現(xiàn)場運行狀態(tài)的預(yù)測模型通常是需要多次驗證的復(fù)雜模型，復(fù)雜程度比上述文獻提出的理論研究更加復(fù)雜。與此同時，在實際現(xiàn)場運行中復(fù)雜算法可能會對空管流量預(yù)測系統(tǒng)的運行帶來較大的開銷，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，這對于空管工作而言是不可接受的。利用DTW算法匹配模型[6]和元胞傳輸預(yù)測模型[7]相對上述模型復(fù)雜程度要低，在空管流量預(yù)測系統(tǒng)具有更為實際的應(yīng)用價值。

實際上，空管行業(yè)規(guī)范近年已逐步規(guī)范相關(guān)監(jiān)視信息處理，信息源比以往更加豐富多樣，這些可以為流量預(yù)測提供較好的應(yīng)用資源，節(jié)省流量預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本。基于空管現(xiàn)場實際運行需求，本文設(shè)計了一種利用實時的空中交通管制自動化系統(tǒng)(以下簡稱空管自動化系統(tǒng))綜合航跡數(shù)據(jù)和飛行計劃數(shù)據(jù)，建立4D航跡剖面模型，并能根據(jù)航空器運行態(tài)勢實時修正預(yù)測航跡，實現(xiàn)區(qū)域航班流量精確預(yù)測的方法。

1 空管數(shù)據(jù)源及關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 系統(tǒng)應(yīng)用的空管數(shù)據(jù)源

綜合航跡數(shù)據(jù)是空管自動化系統(tǒng)多種監(jiān)視源(雷達、ADS-B等)綜合處理產(chǎn)生的系統(tǒng)航跡與飛行計劃數(shù)據(jù)融合的航跡信息，包含目標航跡的WGS-84坐標、高度、速度、航向角和24位地址碼等，通過解析目標的綜合航跡數(shù)據(jù)，流量系統(tǒng)可實時獲取航空器的運動態(tài)勢。

與此同時，空管自動化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范指出[8]，空管自動化系統(tǒng)應(yīng)可通過網(wǎng)絡(luò)或串口形式的方式輸出給予其他系統(tǒng)。這為本設(shè)計提供了較好的基礎(chǔ)，直接采用空管自動化系統(tǒng)綜合航跡進行開發(fā)，航跡更新周期在合理范圍可進行調(diào)節(jié)，航跡更新速度快，完全滿足流量系統(tǒng)開發(fā)所要求的高時效性和穩(wěn)定性，同時也提高了開發(fā)效率。

MH4029.3是民用航空空中交通管制自動化系統(tǒng)第3部分：飛行數(shù)據(jù)交換規(guī)范[9]。其指出基礎(chǔ)飛行數(shù)據(jù)交換報文(以下簡稱：IFPL)，用于空管自動化系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)間基礎(chǔ)飛行數(shù)據(jù)交換，其主要包含航班號、起降機場、航班起降時間、航路等信息。流量系統(tǒng)可通過IFPL報獲取航跡的計劃信息，建立計劃航跡剖面模型，當計劃信息變更時，重新修正計劃航跡剖面，使計劃航跡具備良好的計劃迭代性。

1.2 改進型4D航跡預(yù)測算法

在航空器實際飛行過程中，特別是在雷雨繞飛情況下，航空器會偏離航路飛行，因此，要對偏航航空器的4D預(yù)測航跡進行修正，此處提出計劃航跡和雷達航跡偏離的自動相關(guān)算法：

圖1 航跡飛行圖

此外，計劃航跡和雷達航跡相關(guān)一般考慮以下匹配因子：航跡T到達最近一個航路點的時間τi，航向角αi，偏離角βi，與航段的距離λi。

設(shè)航路寬度為20 km，當d<10 km時，認為該航空器是沿著當前航段飛行，經(jīng)過某一航路點后，以當前航路點過點時間為基準，利用等角航跡預(yù)測算法[14]進行后續(xù)航路過點時間的推算，更新4D剖面航路。當d>=10 km時，表示該航空仍在航段范圍內(nèi)，但屬于偏航飛行，則需將航跡T當前航向角與后續(xù)航段的航向角進行比較，以最小角度差值作為航跡T的最終預(yù)測位置點，并以航跡T當前時間、速度和高度等信息來推算到達目的位置的時間，更新后續(xù)航路的過點時間，從而更新4D剖面模型。

1.3 改進型流量統(tǒng)計算法

實時飛行流量計算是流量管理系統(tǒng)一個重要組成部分。計算管制空域內(nèi)的流量關(guān)鍵在于判斷航空器所處的空域。因此，可以將空域投影在平面進行分析，進而轉(zhuǎn)化成平面的點空域、線空域、面空域。

1.3.1 改進型點空域統(tǒng)計

點空域流量主要包含航路的固定點、導(dǎo)航點、邊界點的流量，傳統(tǒng)的判斷方法是以該導(dǎo)航點坐標為圓心、某一經(jīng)驗值參數(shù)為半徑的圓設(shè)定過點判斷范圍，當航空器的平面投影進入判斷范圍，則判定該航空器為某航路導(dǎo)航點的流量目標，如圖2所示。這種方式能夠簡單處理正常飛行的航空器過點判斷，然而，航空器在實際飛行過程中，在航路導(dǎo)航點附近可能存在偏航情況(特別是雷雨季節(jié)或軍航活動較頻繁的區(qū)域)，利用這種方式的計算容易出現(xiàn)誤判，計算過點時間也有較大的誤差。因此，此處引入一種改進型點空域飛行流量統(tǒng)計模型，如圖3所示。A、B、C分別為航路上3個航路固定點，線段BD為航路點B的角平分線，即∠α=∠β。航空器與角平分線相交于角P，角度為φ，∠α，∠β，∠φ均是相對于正北方向的角度值。已知A、B、C的WGS-84系坐標經(jīng)緯度，通過高斯投影[15]算法將其轉(zhuǎn)換成平面直角坐標系，得到A、B、C點坐標分別為PA(XA,YA),PB(XB,YB),PC(XC,YC)。

利用余弦定理推算出：

圖2 常規(guī)點空域?qū)崟r飛行流量計算模型

圖3 改進型點空域?qū)崟r飛行流量計算模型

1.3.2 改進型線空域統(tǒng)計算法

航空器A、B、C、D分別位于不同高度層，其平面投影依次為a、b、c、d，e和f是航路上的導(dǎo)航點，r是航路寬度。傳統(tǒng)的航路流量計算方法主要通過獲取航空器的平面投影位置進行流量計算。如圖4所示，a、b、c在航路范圍內(nèi)，d不在航路范圍內(nèi)，說明此時航路流量為3架次。但此方法無法滿足常見的航空器偏離航路后再回到航路飛行的情況。因此，此處提出一種利用航向角來判斷航空器運動趨勢，實現(xiàn)航路流量實時計算的方法。

圖4 常規(guī)線空域?qū)崟r飛行流量計算模型

圖5 改進型線空域?qū)崟r飛行流量計算模型

假設(shè)四邊形A1A2B2B1是AB段航路，A和B是導(dǎo)航點，航路寬度為20 km，B1和B2是B的對稱點，長度為10 km。∠BAC是航空器沿航路由A飛行至B相對正北方向的航向角，∠B1AC和∠B2AC是航空器在航路寬度范圍內(nèi)，左右偏離航路到達B點相對正北方向的最大航向角，如圖5所示。因此，判斷航空器平面投影是否在有效航路范圍內(nèi)，可以通過雷達數(shù)據(jù)實時獲取航空器航向角。若采集的航向角∠β滿足∠B1AC≤∠β≤∠B2AC,則可判斷航空器沿航路飛行，并將其歸納為該航路的實時流量隊列。算法步驟如下：

由上述可知，A和B點的平面坐標可通過高斯投影計算，則：

(1)

∠BAC=∠1

(2)

(3)

(4)

∠B1AB2為等腰三角形，因此，∠B2AC=∠BAC+∠4；∠B1AC=∠BAC-∠4；本設(shè)計通過引接空管自動化系統(tǒng)的綜合航跡和MH4029.3飛行計劃信息，便可使用簡單的算法實現(xiàn)航路實時流量計算。假設(shè)多架航空器由導(dǎo)航點e進入航路，先通過綜合航跡直接獲取航空器的當前航向角矢量，所獲取的航向角與系統(tǒng)離線自定義的OBA表(存放所有航路導(dǎo)航點之間的最大和最小航向偏移角)進行比較，并以此判斷航空器的運動趨勢；另一方面，系統(tǒng)可以通過空管自動化系統(tǒng)的IFPL報文中的扇區(qū)字段sector獲取航空器當前管制扇區(qū)。實際運行中，系統(tǒng)將對滿足述條件的航空器出現(xiàn)頻度進行統(tǒng)計，當出現(xiàn)次數(shù)大于系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)時，目標航空器的呼號、扇區(qū)等信息將存入系統(tǒng)設(shè)置的航路流量HashMap[16]表，進入航路的實時流量統(tǒng)計隊列。當已進入隊列的航空器航向角或扇區(qū)管制權(quán)限發(fā)生變更時，系統(tǒng)不再對該航空器進行航路流量統(tǒng)計，算法流程如圖6所示。

圖6 航路飛行流量計算流程圖

面空域流量計算可以等效為具備管制扇區(qū)的航空器就直接列入該空域的流量統(tǒng)計隊列，系統(tǒng)則可以直接利用IFPL報中的sector字段對航空器進行扇區(qū)歸類統(tǒng)計。

2 算法的驗證與實現(xiàn)

文獻[6]提出通過分析雷達數(shù)據(jù)及交通流特性，將扇區(qū)交通流按一定原則劃分成5種標準模式，然后利用DTW算法對選取測試序列進行模式匹配，最后統(tǒng)計該模式下扇區(qū)最大流量，求出扇區(qū)的運行容量。對于某管制扇區(qū)短時間內(nèi)航班預(yù)測流量過大時，管制員會根據(jù)空域情況實時調(diào)整航空器的航路或高度。在這種情況下，均會觸發(fā)自動化系統(tǒng)重新對該航空器4D剖面計算模型修正，根據(jù)4D軌跡和管制區(qū)、扇區(qū)的物理關(guān)系，更新管制區(qū)內(nèi)扇區(qū)之間交接點和每個航路報告點的所屬扇區(qū)。因此，隨著航空器改航頻率越高，交通流模式聚類匹配相似度越低，在一定程度上影響了扇區(qū)容量計算的精度。

采用2020年1月20 日南寧(ZGNN)區(qū)域雷達記錄數(shù)據(jù)及飛行計劃數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含同一時間段各管制扇區(qū)的流量信息，研究本文流量統(tǒng)計算法與DTW統(tǒng)計算法在特定空域條件下扇區(qū)流量變化情況，得到扇區(qū)與航空器飛行高度關(guān)系實測流量散點如圖7所示。

其中，E1,E2,E3為南寧空域低扇，E4,E5,E6分別對應(yīng)E1,E2,E3的高扇。由圖7可知，本文所研究的統(tǒng)計算法得到E1扇區(qū)接管航班的密度大于E4扇區(qū)，是由于相鄰廣州管制區(qū)限制飛行高度，導(dǎo)致以往由E4扇移交給廣州的航班大部分轉(zhuǎn)移至E1扇區(qū)接管，并按指定高度對外移交；由于DTW統(tǒng)計算法仍根據(jù)歷史序列進行模式匹配，得到E4扇區(qū)接管航班的流量密度較大，與實際運行情況有所差異。對于其它扇區(qū)，由于沒有出現(xiàn)外管制區(qū)限高飛行或雷雨繞飛等情況，利用本算法和DTW統(tǒng)計算法得到的航空器流量密度值基本保持一致性。

圖7 特定空域下兩種統(tǒng)計算法流量對比圖

采用某天南寧終端區(qū)空域航班較為正常的實際數(shù)據(jù)進行流量預(yù)測實驗，如圖8所示?；谠麄鬏?shù)念A(yù)測模型[7]也能較好描述了正常時間段內(nèi)航班流量預(yù)測波動趨勢，預(yù)測結(jié)果稍比本算法粗略，誤差波動大于基于偏航修正的4D航跡預(yù)測模型。而在具體工程實踐上，該算法的元胞劃分需要根據(jù)空域具體情況進行，機場的終端區(qū)特別是低緯度機場終端區(qū)的夏季天氣變化較大(如南寧機場)，不可預(yù)測情況較多，航空器需要采用多種管制策略，對于元胞傳輸預(yù)測而言算法實現(xiàn)困難。如若需要進行工程設(shè)計，該算法需要機器學(xué)習(xí)，針對不同環(huán)境進行參數(shù)的快速自我設(shè)置，算法實現(xiàn)復(fù)雜度較高。

圖8 兩種預(yù)測方法與實際流量對比圖

在實現(xiàn)方法上利用C/S架構(gòu)，設(shè)計了一種基于JAVA的改進型流量預(yù)測系統(tǒng)(如圖9所示)，具備了動態(tài)態(tài)勢界面、4D航跡剖面建立、流量預(yù)測與統(tǒng)計、流量告警和算法預(yù)測對比等功能。圖10是某一天南寧空域在雷雨天氣下E1管制扇區(qū)實時流量預(yù)測圖，為方便分析，此處統(tǒng)計04∶00至18∶00共16個時刻的流量預(yù)測和實際接管架次。與此同時，系統(tǒng)繪制了基于傳統(tǒng)的工程實現(xiàn)方式(飛行計劃FPL對流量進行預(yù)測)、雷達航跡修正預(yù)測、4D航跡預(yù)測以及系統(tǒng)預(yù)測的折線圖。從圖中可知，統(tǒng)計的16個時刻中，飛行計劃FPL進行預(yù)測只有2個時刻點與實際接管架次數(shù)一致，這也說明空管工作具有較強的實時動態(tài)性，提前120小時內(nèi)的飛行計劃[10]并無法完全實現(xiàn)流量預(yù)測的精準。

圖9 南寧流量預(yù)測系統(tǒng)

圖10 不同預(yù)測算法對同一扇區(qū)實時流量預(yù)測圖

在凌晨05∶00，接管架次是統(tǒng)計所有時刻中架次最少的時刻，4D航跡預(yù)測和系統(tǒng)預(yù)測能較好匹配實際接管架次，其他預(yù)測方法也較為接近實際接管架次，這是因為扇區(qū)區(qū)域內(nèi)航空器架次少，空管的可控余量較大，管制員對區(qū)域內(nèi)的航空器的人為干預(yù)會更少，飛行復(fù)雜度降低，F(xiàn)PL計劃預(yù)測、雷達修正和4D航跡預(yù)測算法能夠簡單滿足預(yù)測。此種情況下，系統(tǒng)改進的預(yù)測算法將更加貼近實際，預(yù)測結(jié)果架次與實際接管架次一致。在13∶00時刻，南寧空管現(xiàn)場該扇區(qū)空域出現(xiàn)午后大面積雷雨，不少航空器需要進行繞飛，從圖中可以看出，所有預(yù)測算法預(yù)測的架次都與實際接管的架次有一定的差異，但系統(tǒng)改進算法在實現(xiàn)中表現(xiàn)出最優(yōu)的效果，誤差率僅為4.3%，其他方法預(yù)測誤差率皆大于10%。隨著統(tǒng)計航班量的增加，系統(tǒng)預(yù)測算法預(yù)測的誤差將會進一步的下降。

從總體走勢可以看出，系統(tǒng)設(shè)計的預(yù)測算法繪制的折線總體較其他算法預(yù)測折線更加貼近實際接管架次折線，采用本文的改進型4D航跡預(yù)測(偏航修正)比常規(guī)4D航跡預(yù)測方法更能真實接近實際扇區(qū)接管航班的架次數(shù)量。通過系統(tǒng)實際運行所采集的數(shù)據(jù)表明，在復(fù)雜天氣情況下，基于偏航修正的4D航跡預(yù)測，更能有效、準確地預(yù)測航路、扇區(qū)交通流量。

由圖11可知，航跡平面投影法和運用航向角投影法所統(tǒng)計的航班流量與實際航路交通流量基本一致，但運用航向角投影法只需通過獲取航跡綜合航跡的航向角，與離線系統(tǒng)離線定義OBA表比較，算法具備實時性和高效性，能減少系統(tǒng)開銷。

圖11 管制區(qū)域重要航路流量統(tǒng)計圖

3 結(jié)束語

目前，系統(tǒng)已經(jīng)在民航廣西空管分局空中交通管制現(xiàn)場投入使用，用戶體驗較好?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

1)該融合空管自動化系統(tǒng)綜合航跡和IFPL計劃信息的4D航跡剖面預(yù)測模型，結(jié)合基于偏航修正的4D航跡預(yù)測算法和改進型流量統(tǒng)計算法，能有效改善航跡預(yù)測和統(tǒng)計的誤差，實現(xiàn)高精度的4D航跡預(yù)測和流量統(tǒng)計。

2)空中交通流量預(yù)測是一個數(shù)據(jù)變化實時性較強的處理過程，需要針對現(xiàn)場實際運行進行大數(shù)據(jù)挖掘以提高相關(guān)算法和系統(tǒng)的運行的準確度。后續(xù)研究將利用二進制氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)(GRIB)和其它航路氣象信息融合做進一步的數(shù)據(jù)挖掘，并綜合考慮管制意圖等因素，建立更為完善的4D航跡模型，進一步提高航跡預(yù)測精度。