美国航班时刻监视系统运行机制研究
陈飞飞，张 阳
（空中交通管理系统与技术国家重点实验室，南京，210014）
摘 要：随着国民经济的不断发展，空中交通流量快速增长，有限的空域资源导致航班延误现象日益严重。针对此类问题，美国FAA提出协同决策理念（CDM）以提升航班运行决策过程的合理性。为深入理解协同决策理念，对其核心支撑系统-航班时刻监视系统（FSM）的功能以及运行流程进行研究；在FSM系统的研发背景中描述了FSM同CDM的关系，并通过研究CDM GDP的运行流程揭示了FSM在CDM中发挥的重要作用；最后总结了FSM系统对我国民航流量管理发展的借鉴意义。
关键词：空中交通流量管理，协同决策，航班时刻监视，地面等待策略
中图分类号：V355 文献标识码：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
近年来民航业高速发展，不断增长的空中交通运输需求与有限的空域资源间的供需矛盾日益突出，航班延误问题越来越严重，给航空公司带来巨大经济损失，降低旅客满意度[1，2]。为有效解决该类问题，美国联邦航空管理局（FAA）提出协同决策理念（CDM）。
CDM是一种政府和企业间的联合行动，旨在通过增强信息交流与共享，构建统一的情景意识，促进资源公平分配以及效能分析来增强空中交通管理能力[3，4]。CDM GDP（增强型地面等待策略）作为CDM理念的第一个应用实例，当前已成为美国主要的流量管理方案之一。
FSM作为美国FAA的核心流量管理工具，其出现为美国实施CDM GDP，地面停止、空中等待等多种流量管理策略奠定了扎实的基础。FSM能够充分满足CDM理念中的增强信息共享的需求，通过获取CDM各参与方提供的实时运行数据以及由美国Volpe国家运输系统中心统计的数据，FSM能够像用户展示当前机场及空域的空中交通需求信息，帮助空中交通流量管理专家以及航空公司运行人员做出更加合理的决策，保障空中交通流安全、有序、快捷的流通。
自从FSM系统出现以来，其功能持续改进以满足不同用户的各类使用需求。目前美国以及加拿大的40多名空中交通管理专家均使用FSM系统监视和管理本国机场及空域的空中交通运行。FSM作为CDM的成功应用典范，对我国空中交通流量管理事业的发展具有重要借鉴意义。
1 FSM系统功能
FSM系统的功能大致可分为两类：①监视机场及空域的容需平衡状况；②制定流量管理方案。针对这两项流量管理功能，FSM提供了4种数据模式，具体包括实时数据模式（LIVE）、历史数据模式（HIST）、地面延误工具模式（GDT）和综合项目模式（IPM）[5]。FSM系统的数据模式（HIST、GDT、LIVE、IPM）在每个组件的标签页上显示，如图1所示。
图1 FSM数据模式
实时数据模式（LIVE）以及历史数据模式（HIST）主要用来监视机场及空域的容需平衡状况；其中实时数据模式用于监控机场和空域当前的容需平衡状况，为保证信息的实时性，数据更新周期控制在5min左右。历史数据模式允许用户通过存档的历史运行数据，对过去的事件进行回顾以便分析总结。
地面延误工具模式（GDT）以及综合项目模式（IPM）用于制定流量管理方案；其中GDT模式允许用户对单个流量管理方案[如增强型地面延误程序（CDM GDP），地面停止（GS）等]进行建模与发布。而IPM模式支持对多种流量管理方案的组合进行建模与评估，便于找出容需失衡问题的最优解决方案。
当前FSM已在美国本土的航空运行各利益相关方间发挥着重要作用，FSM系统支撑美国FAA的空中交通管制系统指挥中心（ATCSCC）完成以下工作：
（1）监视机场、容量评估区域（FEA）及容量受限区域（FCA）的容需平衡状况；
（2）对流量管理方案进行建模并发布，支持的流量管理方案包括增强型地面等待策略、地面停止策略、空中等待策略等；
（3）更新航班的预计离场放行时间。
航空公司的运控中心（AOC）使用FSM完成以下工作：
（1）监视机场当前的交通需求与运行限制；
（2）分析流量管理方案对本航空公司航班的影响；
（3）对本航空公司的航班进行调整，并提出航班时隙交易申请。
2 FSM系统运行流程
在流量管理方案的制定与实施方面，FSM已取代了美国之前的增强型流量管理系统（ETMS）的职能，当前美国主要的流量管理方案均可通过FSM制定与发布，支持的流量管理方案类型包括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种重要方法，旨在将高昂的航空器空中等待行为转换为相对低廉的地面等待，以实现保障航空运行安全，降低延误成本的目标[6]；传统地面等待程序主要由流量管理部门制定，由于缺乏同航空公司、机场等各利益相关方间的信息共享与交互，难以有效地为航班分配时隙资源。
为解决该类问题，FAA采用CDM理念更新GDP运行程序，生成全新的CDM GDP方案。CDM GDP主要用于解决降落机场的容流失衡问题，通过加强流量管理部门同航空公司、机场等利益相关方间的信息交互与共享，增强流量管理人员对机场交通需求把控能力，并采用时隙分配与交易方法为受影响航班重新分配可用时隙[7-9]，在降低机场总体延误水平的同时，兼顾各方利益需求，保障航空运行安全，其运行概念图如图2所示。本文通过讲解CDM GDP的实施过程展示FSM在CDM中的重要作用。
图2 CDM GDP流量管理方案的运行概念图[10]
当FAA判定需要对机场实施CDM GDP时，会先采用FSM系统指定GDP预案，并将该预案发布给航空公司，航空公司根据预案信息判定其对自身运行的影响，可对自身航班进行调整或者削减，并将航班削减信息反馈给FAA，当FAA收到航空公司反馈后，会再次评估是否仍需执行CDM GDP，如容需失衡情况已得到缓解，则无须发布，否则FAA将正式发布CDM GDP。CDM GDP的具体运行步骤如下所示：
（1）空中交通管制系统指挥中心（ATCSCC）通过电话会议获取CDM各参与方的需求，通过FSM制定CDM GDP流量管理方案的具体策略参数。
（2）ATCSCC使用ETMS向CDM参与方发布CDM GDP程序的相关措施建议。
（3）ATCSCC使用FSM系统将具体CDM GDP方案的策略参数发往ETMS。
（4）ETMS系统将CDM GDP方案的策略参数发布给所有相关的FSM用户终端，并定时更新策略参数信息。
（5）航空公司使用FSM接收CDM GDP方案的策略参数，评估对自身航班的影响，对自身航班进行调整，并通过FSM发布自身航班调整信息。
（6）ETMS通过FSM工具定时收集汇总各航空公司航班的调整信息，并发送给所有相关的FSM用户终端，进行信息共享。
（7）ATCSCC采用FSM工具获取各航空公司调整后的航班信息，再次对CDM GDP方案进行模拟，决定是否需要更改或取消，并将结果发布给ETMS系统。
（8）ETMS将CDM GDP方案的策略参数更新信息发布给所有相关的FSM用户终端。
（9）ATCSCC使用ETMS向CDM参与方发布CDM GDP程序更改后的相关措施建议。
（10）ATCSCC内部网页上自动更新CDM GDP方案信息。
（11）ATCSCC的流量管理专家在ETMS系统日志上记录本次CDM GDP方案。
（12）ATCSCC的流量管理专家通过FSM系统生成受CDM GDP方案影响的相关航班的时隙列表。
（13）通过FSM系统将时隙列表发往所有相关的流量管理单位和用户。
（14）进近/塔台流量管理协调员向本地的管制员发布CDM GDP方案信息。
（15）航空公司根据时隙列表提交航班替换或者取消电报。
（16）ETMS系统定时获取航班替换或者取消电报，并将信息发送给所有相关FSM用户终端。
（17）ETMS向的各管制中心发布受CDM GDP方案影响航班的起飞时隙。
（18）各管制中心向本地塔台飞行计划处理系统发布受CDM GDP方案影响航班的起飞时隙。
（19）塔台管制员通过飞行计划处理系统获取受CDM GDP方案影响航班的起飞时隙，并根据要求向受限航班发布放行许可。
（20）在CDM GDP程序实施过程中，ATCSCC的流量管理专家采用FSM系统定期收集并重新分配空闲的航班时隙。
（21）在CDM GDP程序实施过程中，ATCSCC的流量管理专家利用FSM监控CDM GDP的实施状况。
（22）ATCSCC的流量管理专家使用FSM系统监控CDM GDP方案实施后机场的容流失衡状况；根据交通流实时运行状况更改或者取消CDM GDP。
（23）当CDM GDP方案终止或者取消时，ATCSCC发布通告说明CDM GDP程序已被终止或者取消，并取消受影响航班的受控信息。
由上述步骤可知，FSM系统贯穿了CDM GDP流量管理方案的制定、发布、实施、监控、更改、取消等全过程，通过信息共享以及协同决策机制，提高了流量管理方案的可实施性，充分响应了流量管理人员、航空公司、机场等CDM各参与方不同的应用需求。
3 FSM系统的借鉴意义
如今，随着我国民航业的蓬勃发展，有限空域资源与不断增长的空中交通需求间的矛盾日益突出，对我国空中交通管理能力提出了严峻的挑战。首先，我国民航可用资源匮乏，受军方活动影响较多，且空域分类较为单一，导致空域资源利用率不高；其次，空中交通流量管理方法较为单一，多依赖于决策者管制工作经验，缺乏科学系统支撑，且各航空运行利益相关方间的信息共享程度低，难以准确及时地掌握空中交通流实时运行态势，导致空中交通管理方法的实施效果难以得到有效保障[11]。
我国民航业界为解决该类问题，开始引入协同决策理念。而FSM作为美国实施CDM GDP的核心系统，对其深入研究有助于理解CDM理念的本质。首先，FSM系统作为信息共享平台，能够促进空管、航空公司、机场等航空运行利益相关方进行信息共享，便于各利益相关方及时了解空域运行限制信息，航班实时状态信息等，提高各参与方对交通流实时运行态势的感知能力。此外，FSM集成了空域监控以及空中交通流量管理功能，便于运行人员监控空域的容流匹配状况，并支持对流量管理方案的模拟评估，为流量管理方案制定提供科学支撑，提高空域运行效能，能够有效解决我国民航当前运行问题，为我国今后流量管理发展提供宝贵的经验。
4 结束语
航班时刻监视系统是美国FAA实施CDM的核心工具，本文首先通过介绍航班时刻监视系统的研发背景，讲述了航班时刻监视系统的由来及其同CDM的密切关系；然后通过研究航班时刻监视系统的功能以及CDM GDP的运行流程，揭示了航班时刻监视系统在CDM中发挥的重要作用。最后通过分析我国民航当前运行问题，提出了航班时刻监视工具对我国民航未来发展具有重要的借鉴意义。
参考文献
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