虹桥机场进港流量优化研究

摘要

航班延误的问题，在世界范围内普遍存在，如何有效缓解空中交通拥堵，加速航班流动，减少航班延误已成为当今民航界的热点课题。本文针对上海虹桥国际机场进港航班进行优化研究，对加快进港速度，减少早高峰航班空中及地面延误时间有实际意义。本文首先介绍了研究背景及意义，其次对虹桥机场以及其所在的上海终端管制中心进行了介绍，说明了机场跑道、滑行道布局结构，管制间隔，指出了造成航班延误的主要原因。论文针对虹桥机场流量分布、延误特征等统计数据，结合经典的流量优化模型构造了虹桥机场航空器进港优化模型，该模型以总延误时间最小为目标函数，加入了动态优化的方法，并结合了虹桥机场的航班实际运行数据，采用本文算法对早高峰、晚高峰进港航班序列进行优化排序，并对优化结果进行了统计分析，发现优化后的航班空中等待时间较少，并有效的减轻了航班延误的状况。最后对全文研究进行了总结和展望。

关键词：空中交通管理；航班延误；航班正点率；优化方法

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目录

TOC\o"1-3"\h\z\\l""引言1

\l""1．绪论1

\l""1.1研究背景1

\l""1.2国内外研究现状3

\l""1.2.1民航业的诞生3

\l""1.2.3国内研究5

\l""1.3本文内容与结构安排6

\l""2.上海虹桥国际机场概况7

\l""2.1虹桥机场背景资料7

\l""2.4.1造成航班延误的主要原因13

\l""2.4.2造成虹桥机场航班延误的主要原因13

\l""3.虹桥机场进港流量优化模型及优化方法15

\l""3.1模型及优化方法的前提条件15

\l""3.2模型构造16

\l""3.2.1重要变量16

\l""3.2.2约束函数及目标函数16

\l""3.3优化方法16

\l""3.4算法流程图18

\l""4.虹桥机场进行进港优化实例19

\l""4.1虹桥机场进港延误统计及问题分析19

引言

本文论题是“虹桥机场进港流量优化研究”，那么何谓“进港优化”？虽然所有人都能理解它的意思，但要确实解释“进港优化”是什么，多半需要思考、组织语言，在此我们先对题目做出解释。

“优化”的意思是，为了更加优秀而“去其糟粕，取其精华”。“进港”一词虽只有两个字，但其实包含着航空器进入进近空域，排队，等待，盲降，落地等诸多步骤。“进港优化”即是采用更好的手段、方法使航空器进港这一过程更加顺畅，以减少空中等待时间，增大空域利用率。让后续航空器无阻地，并准时地完成进港这一过程。这就是我对“进港优化”的理解。

但是怎么样才能体现对进港的优化呢，那无疑就是时间，或者说航班正点率。航班正点率是衡量航空公司运行效率和服务质量的重要标准。一旦说到航班正点率，那么又不得不提到“航班延误”，航班延误是指延误航班是指超过班期时刻表公布的离站时间后15分钟（北京、浦东、广州以及境外机场为30分钟，虹桥、深圳机场25分钟，成都、昆明机场20分钟）之后起飞的航班，或者在班期时刻表公布的到达时间15分钟之后落地的航班 [1] 。本文将围绕“航班延误”、“航班正点率”这两个问题来展现对进港航班的优化研究。

1．绪论

1.1研究背景

改革开放以来，我国国民经济蓬勃发展，这为我国航空运输事业的发展提供了良好的外部环境。但是，伴随着民用航空运输业的不断发展，我国的空中交通系统面临着日趋严重的空中交通拥堵问题。航空器数量以及飞行量的不断增加，因流量控制产生的航班延误数量也在不断增加，不仅给航空器经营人和机场当局带来了不小的经济损失，而且也给相关的空中交通管理部门带来了许多负面影响，造成了管制工作的被动，航空运输的优势地位也由此大打折扣。因此，分析和研究解决流量控制的关键问题和方法，对保证飞行安全，维护空管声誉，有着极其深远的意义。

对于进港航空器的排序对于航班延误是很重要的一个环节。当从多个方向汇聚来的飞机汇到某机场时，必须以一定的顺序和安全的间隔将他们合理的排到同一条进港航路上。在保证安全的前提下，应尽可能减少延误。当进港到达高峰时段时，从各个方向来的飞机以接近甚至超过机场接收能力的到达率到场，所以必须优化进港的初始阶段，尽量缩短飞机着陆所占用的总时间。飞行总流量的个体是执行航班任务的航空器。当航空器在起飞、航路巡航和落地的整个飞行过程中与其他的航空器汇合到一起，就形成了空中总的飞行群体。当飞行群体的数量在某一空域增大到一定程度时，这样就产生流量的拥堵问题，既对航空器的安全飞行造成了影响，也对地面的空中交通管制员造成指挥上的压力。为了更好地保证航空器正常飞行，管制员就要对航空器实施有效的流量控制，保证飞行安全畅通。飞行流量的形成具有偶然性，所以流量的存在不可能是均匀的，但在某一时段某一空域内，流量的相对集中却存在着一定的规律。

​

一月二月三月四月

亚洲区48.576.1112.799.2

欧洲区56.871.467.386.3

北美区91.289.888.676.7

​图1-1我国航班正点率（2000~2012）

1.2国内外研究现状

1.2.1民航业的诞生

1903年12月17日，美国人威尔伯·莱特和奥维尔兄弟共同发明的飞机首次成功升空，开创了人类航空的新纪元。1909年11月，世界上第一家航空公司——德国飞艇股份公司成立。美国最早的班机商业航线于1914年1月1日设立。最早的航空公司有布兰尼夫国际航空、泛美航空、达美航空、联合航空（最初为波音的子公司）、环球航空、西北航空和东方航空等。1919年，现存历史最悠久的几家航空公司，荷兰皇家航空，哥伦比亚航空，捷克航空，澳大利亚航空，墨西哥航空相继成立。

1909年9月21日，“中国航空之父”冯如造出第一架飞机，1911年2月，冯如将他创办的广东飞行器公司从美国迁回广州，并带回两架自制的飞机。由于当时清王朝处在风雨飘摇之中，时局动荡，冯如在国内造飞机的愿望未能实现。清王朝被推翻后，冯如于1912年8月25日在飞行表演中，飞机失事，不幸受伤殉职。广东飞行器公司因此无疾而终。1928年6月，国民党政府交通部开始筹办民用航空业，中国民航业自此拉开序幕。1929年5月，中国最早的民航机构——沪蓉航空管理处，在南京成立，同年7月8日开通上海—南京航段。1949年，新中国成立以后立即着手建设和发展民航事业，同年11月2日，中国民用航空局成立，揭开了我国民航事业发展的新篇章。11月9日“两航起义”，当时的中国航空公司，中央航空公司总经理刘敬宜、陈卓林率领12架飞机回到北京、天津，为新中国民航建设提供了一定的物质和技术力量。1950年新中国开通两条国内航线，并在苏联的帮助下开通三条中国飞苏联国际航线，自此新中国的民航业正式起步 [3-4] 。

1.2.2国外研究

西方国家民航业起步早，相应的也更早遇到空域饱和，空中管制能力超负荷，航班延误等问题。虽然早在二十世纪六十年代，国外就开始了交通流量管理的研究，并召开了一系列相关会议。但直到现在，哪怕世界第一大航空市场的美国，也深受此困扰。据统计，2009~2011年，美国航班正点率为79.69%、76.75%和75.46%，呈逐年下滑趋势。美国MITRE中心的高级航空系统部开发了名为 Tool(DPAT)的仿真工具，它通过对编队飞行的飞机进行仿真，在深入分析飞机的延误特征的基础上，根据数据指定区域内的实时容量需求，并对空域内的航线进行最优化规划[5]。美国运输部和联邦航空局，使用容量提升和需求管理方式来治理航班延误，并出台了多项管理政策，例如最终拥挤管理规则（Final Rule）；高密度规则(The High Rule)；时刻表小时上限制；航班时刻拍卖，但是效果并不显著[6]。除了国家层面上的法规外，众多学者也做了大量研究，最早在1948年，Bowen和提出了假定服从泊松分布的到达流模型；Paolo以航班延误时间最短为目标建立的流量分配模型；Gilbo以航空公司利益为前提，通过航班优先级的概念，研究流量协同优化方案[7-9]；1981年，等人建立了进港航班离散时间模型；1991年，Dear和第一次提出了静态排序和动态排序的思想，他们根据终端区排序的特点，把航班排序问题分为静态排序过程和动态排序过程，并建立了终端区单跑道航班排序的静态和动态模型[10]；1993年，Abela等人以遗传算法理论为基础，将终端区排版看作为一个0-1混合整数规划问题，以此建立了整数规划模型，并用遗传算法求解了该模型[11]；1995年，和Odoni在航班调度问题中考虑了时间窗，并针对于此提出了一些启发方法；Willy 用回归方法对数据进行分析，研究飞机晚到与执行下一航班之间的联系。

利用已有的数据建模，建立相应的数学模型，把延误划分为进港延误和离港延误，分别从不同的角度对离港延误和进港延误进行分析[12]；1999年，针对繁忙的机场提出了航班调度的时空网络模型，他在模型中引入了航班飞行弧、延误弧、加速弧以及航班的到达节点、离港节点、供给节点、需求节点，并把这些节点和弧在时空网示意图上直观地表示出来，模型的目标函数为航班延误时间的最小化；2006年，Dai and Liou建立人工神经网络模型，估算航班进港延误，该系统的神经网络建模与传统的回归分析相比，具有不可替代的优越性[13]。

1.2.3国内研究

中国民航业发展历史短，仍属于起步阶段，所以发展势很迅猛。据2015年的官方数据统计，我国民航在册飞机架数3141架，与十年前相比翻了两番；旅客吞吐量6.8亿人次，是十年前的7倍以上；颁证运输机场183个，较2003年143个颁证运输机场增加了40个。这些数据都让人有日新月异的感觉，但是这过快的发展速度同样导致了很多隐患问题：机场布局不合理，一线城市附近机场密集，起降航空器常常互相干扰；航路规划不科学，体现不出直线最短的物理概念，在空中飞行时往往会走很多“弯路”。追根溯源的话，这属于历史遗留问题，在中国，天空属于空军。我国实行的空防空管一体化方针，空防为首。因此我国80%的领空是军方空域，由空军控制，民航可用空域不到20%，而在西方发达国家这一比例正好相反。

民用航空受空军活动制约严重，伴随着大量的控制区、限制区、禁区，天空之路并没有我们抬头仰望看着那么空旷自由。

在民航改革迟迟没有进展的前提下，为了尽可能地利用现有空域，优化交通流量，中国学者提出了很多流量优化方法。例如，史忠科等人根据机场流量最优化问题提出了一种折衷考虑解的最优性及求解复杂性的线性规划模型[14]；1998年，胡明华在研究单跑道受限地面等待策略问题的基础上，建立了新流量实施管理算法[15]；民航华北空中交通管理局和清华大学CIMS工程研究中心在2000年底，共同开发研制了一种空中交通指挥检测系统（）。在这个集成化的综合信息平台上，从天气因素的角度对机场和终端区建立了一种多品种的动态网络流的模型，这个模型解决了终端区的多机场之间的空中等待方面的问题[16]。

2004年清华大学的马正平、崔德光把机场延误分为着陆延误和出发延误，分析连续航班之间的虚拟数学函数关系，建立机场延误的优化模型，该模型中，把机场实际容量，所需着陆容量，天气因素等作为变量因子，在着陆和起飞的过程中，提出分次放行，放行后再优化的流量管理的协同决策[17]。

2006年，李姝、张学军针对我国空中交通流量管理中出现的大规模航班延误情况，根据多个机场实际起飞和降落容量的约束，建立了一种考虑航班取消的多机场地面等待策略数学模型，并提出求解该模型的有效算法。在所提模型与算法的基础上，选择我国三大机场实际数据进行仿真。对比了取消航班与不取消航班两种情况结果，仿真结果验证了模型与算法的有效性与实用性[18]。同年，姜巍巍为解决航班延误问题，提出了一种考虑机场网络的廷误累加效应及连续航程航班影响的多机场空中交通流量管理模型。该模型采用地面等待策略，对机场网络中各机场的延误情况进行综合考虑。当某些机场容量受恶劣天气或其他突发情况影响发生变化，使延误无法避免时，能够合理分配机场的出发和到达容量，减少航班的空中延误[19]。

2007年，李习凤在研究现有模型的基础上，建立了考虑机场起降综合容量限制和延误成本的多机场地面等待策略修正模型，在制定航班优先级的基础上提出了基于航班优先级的求解算法，并以北京首都机场、广州白云机场和上海虹桥机场的航班数据对模型进行了仿真，验证了模型的有用性[20]。

但目前国内大量应用的仿真方法是仍是借助模拟机，完全再现机场运行情况，这种方法的确能非常精确地反映出一个单位的实际情况，结论也是很有说服力的，但它对于一些小概率事件对整体容量的影响不能给出全面结论。

1.3本文内容与结构安排

本文主要探讨虹桥机场进港航班优化。限于时间、能力及条件，本文以分析模型为主要研究方法，对进港航空器序列进行重新排列，减轻航班延误的严重程度，提高航班正点率，增大机场跑道的使用效率，以达到进港流量优化的目的。

主要介绍了进港优化的意义，研究背景，以及对国内外对航班延误的研究情况进行了简单的介绍，明确了研究目的以及主要研究内容。

是上海虹桥机场的相关介绍。

是建立航班延误的数学模型，并介绍优化方法。

中，结合虹桥机场实际航班的数据，对进港进行重新排列，统计优化之后的延误情况，并比较改善情况。

是对本文的总结和展望。总结本文的主要内容并对所做工作进行评价，对工作的不足进行分析。

2.上海虹桥国际机场概况

2.1虹桥机场背景资料

上海市，位于东海之滨，是中国的第一大城市，是中国的经济、交通、科技、工业、金融、贸易、会展和航运中心。上海虹桥国际机场就坐落于上海西部，距离市中心仅13.3公里，是中国最重要、最繁忙的机场之一。 (​http:​\/​​\/​i8.qhimg​\/​.jpg​)上海虹桥国际机场（IATA代码：SHA，ICAO代码：ZSSS），位于上海市西郊，距市中心约13公里。虹桥机场基本只有中国国内航线及港澳台和日韩等航线，大部份国际航线 (​http:​\/​​\/​baike.so​\/​doc​\/​.html" \t "http:​\/​​\/​baike.so​\/​doc​\/​​)由上海市的另一个机场——上海浦东国际机场 (​http:​\/​​\/​baike.so​\/​doc​\/​.html" \t "http:​\/​​\/​baike.so​\/​doc​\/​​)负责。

上海虹桥国际机场（ICAO代码ZSSS，IATA代码SHA），简称虹桥机场。始建于1907年，原本只是一个小型军用机场，新中国成立之后，自1963年开始连续三次改建和扩建，达到了4E级民用机场，多少年来，它一直是上海空港的代名词,一度承担着连接上海与世界的重任。直到1999年上海浦东国际机场建成通航，顺利实现航班东移后，虹桥机场才退居二线，仅承担国内客运任务（保留国际航班备降功能）。2007年，时任国务院总理的****拜访日本与韩国时达成协议，虹桥机场与日本东京羽田机场，韩国首尔金浦机场定期航班开始通航。2010年虹桥2号航站楼和第二条跑道建成并投入使用，同年与台北松山机场，澳门机场，香港机场定期航班开始通航，客流量得到明显提升，2010年总计保障飞机起降架次，与2009年的保障飞机起降架次形成鲜明对比。2013年，虹桥机场共保障飞机起降架次，完成旅客吞吐量3559.96万，货邮吞吐量32.51万吨，居全国第四[21]。

2.2虹桥机场气象特征

上海位于中纬度地区，地处我国东南海沿海长江入海口，属热带季风气候，具有海洋性气候特征。全年气候温和，湿润，雨量充沛。全年风向有明显季节性变化。气候特点为：春季多雨，夏季闷热，秋高气爽，冬季湿冷。

虹桥机场春季（3~5用）多阴雨，多低云，骤冷骤热，天气多变；夏季（6~8月）多阴雨，多雷暴，多阵性降水。同时机场还会受到台风，暴雨，雷电等灾害性天气的侵袭；秋季（9~11月）多雨，早晨多雾；冬季（12~2月）时有寒潮袭击，造成偏北大风和冻害。12月，1月多浓雾，有形成时间早，浓度大，范围广，持续时间长的特点，对飞行影响大。

表2-1虹桥机场气候资料

月份月平均气温（℃）平均相对湿度(%)平均气压(QNH)

最高最低

一月6.61..7

二月9.83..4

三月13.17..4

四月18.013..4

五月22.618..9

六月26.422..3

七月30.225..9

八月30.826..4

九月26.621..5

十月22.016..3

十一月16.610..2

十二月9.05..6

年平均19.314..4

2.3虹桥机场场面结构与空域结构

2.3.1上海终端管制区简介

[22]上海终端管制区基本以虹桥机场为中心，半径100至120公里左右，高度6000米（含）以下的空域。管辖区内民航机场共有6个（浦东国际机场、虹桥国际机场、无锡机场、南通机场、龙华通用航空机场、高东通用航空机场）；飞艇起降点（孙桥）一个；军民合用机场一个；空海军机场4个。其中进近管制范围于为雷达管制，于2001年8月20日起实行，雷达间隔标为航空器最小水平间隔6公里，垂直间隔为300米。雷达引导空域外只能指挥航空器按航路航线飞行准。

2.3.2虹桥机场所在空域介绍

上海虹桥机场基准点坐标 （18L/36R跑道中心），位于上海进近管制区中心位置，机场周围地形平坦，净空条件好。虹桥机场东面为浦东机场空域，起降航班易发生冲突；东南面是上海市区禁空区；西面有无锡硕放军民合用机场，嘉兴军用机场，光福军用机场，都有相应的高度限制以及飞行禁区；北面有大场军用机场，崇明军用机场，易受军方活动影响。

图2-1上海虹桥国际机场所在空域结构

2.3.3场面结构

图2-2上海虹桥机场场面结构图

扩建后的上海虹桥机场拥有两座航站楼，两座航站楼之间是它的两条平行跑道，新旧跑道相距365米，属于近距平行跑道[23]。虹桥机场是国内第一例采用这种跑道在两座航站楼之间的设计的机场。虹桥机场目前常规运行模式采用西起东落的平行跑道相关运行模式。但在实际运行时，早高峰时段使用就近平行跑道相关运行模式,即两条跑道同时用于起飞，航空器根据停机位置，选择较近的那条跑道进行起飞，并有安全间隔限制，直到第一架航班落地之后才恢复常规运行。

由于常规运行时的西起东落规则，在东航站楼（虹桥一号航站楼）的出港航空器需要通过H4连接道穿越东跑道，经由B滑行道到达西跑道跑道口；同理，进港航空器的停机位在西航站楼（虹桥二号航站楼）一侧的话，需要在脱离跑道后，经滑行道B到西跑道尾端，通过H2连接道到达西航站楼一侧。

具体滑行路线如下图所示：

图2-3虹桥机场常规运行模式滑行路线图

虹桥机场双跑道18L/36R，18R/36L物理特征如下表所示：