工程硕士论文

软件工程 领域

研究生  关 冀   指导老师  李志蜀　唐楷泉

网络和数据库是推行电子政务应用的重要手段，电子政务对于推动我国经济向着健康、稳定……

关键词：电子政务 网络 数据

Industrial And Comercial “E-Government” System

Software Engineering

Graduate Student： Guan Ji  Adviser: Li ZhiShu　Tang KaiQuan

Computer network and database are important theory in pushing ahead “e-government”,……

Key Words: 

1绪论

1.1 课题背景

我国经济的快速增长有力地推动了航空运输业的发展，自1998年以来，我国航空运输总周转量一直保持着15%左右的增长速度。2005年，我国的航空运输总周转量排名世界第二位，中国已经成为世界民航大国。2006年，中国民航的总运输周转量将达到300亿吨公里，继续保持世界第二的地位。

根据中国民航“十一五”规划以及民航业内有关研究机构对空中交通运输发展的预测，未来5年，中国民航的机队规模、机场数量以及民航运输量都将继续保持高速增长。尤其是在2008年奥运会期间，日常的空管保障飞行架次将会达到2005年同期水平的170%左右。预计到2020年，国内的运输机场数量将会达到250个左右，运输飞机总数将会达到近2600架，航班起降总量将会达到近1000万架次。总的来讲，中国未来空中交通运输的发展趋势是各项指标的持续快速增长，不断增长的航空运输活动对空中交通管理提出了更高的要求，也带来了巨大的压力。

据了解，我国航空公司年航班总量已从2003年得81.6万班上升至2009年得175万班，年增幅高达13.5%。仅2010年上半年，我国的航空飞行总量增长超过10%。于此同时，民航空管部门使用的空域资源却扩展有限。这一局面导致大量航班因流量控制而出现延误。流量控制反映了两个方面的问题，一方面是空域紧张，空管服务水平需要提高；另一方面是民航业发展很快，延误量很大。民航局2010年公布的航班正点率为76.%，但根据业内人士估算，实际正点率只有40%左右。

图1.1 1978-2007年第三季度不正常航班率的年变化情况

从图1.1可以看出，虽然为了改善现有的交通拥挤状况我们采取了大量的措施，交通拥挤的状况仍然没有得到较好的改善。到了90年代后期，航班延误量不仅没有减少，反而有了较大的增加，增长的幅度甚至超过航班量的增长幅度。近年来航班不正常情况日趋严重[5,6,7]，已经严重影响了我国航空运输系统的运行效率和经济效益。为此，迫切需要进行空中交通流量管理方面的研究，借鉴国外空中交通流量管理的相应经验，建立先进适用的符合我国国情的空中交通流量管理系统，优化空中交通流量分布，减少空中延迟，使我国空中交通系统能够安全、有序、高效的运行。

目前，北京、上海、广州、深圳等繁忙机场已经满负荷运行，杭州、昆明、成都等20多个机场以及京沪、京广、沪广等航路的保障容量已经全部饱和。民航局曾表示，随着民航业的快速发展，民航需求与流量之间的矛盾将日益突出。

2005年12月，民航总局杨元元在全国民航工作会议上，全面分析了当前中国民航发展所面临的形势，同时展望了未来我国民航运输发展的愿景，提出了建设新一代中国民航运输体系的宏伟战略目标，这标志着我国从民航大国向民航强国的历史性跨越工程全面启动。会议还提出，建设新一代中国民航运输体系，空中交通管理和航空气象要先行。

新一代中国民航运输体系使用新概念、新科技、新架构、新的和商业模式，以最有影响、最有效率、最安全、最快捷的方式来满足空中运输的国家需要。新一代空中交通管理系统（简称NGATM）是我国新一代民航运输体系的核心之一，其实施愿景是在20年的时间框架内，建立天空地一体化的中国民航空中交通管理运行模式和技术支持体系，为全面提升空中交通服务水平，为提高安全保障水平和运行绩效搭建平台。结合中国民航的实际情况，NGATM提出了在今后20年全中国民航空中交通管理领域需要研究的关键技术和技术，包括有效地管理空中交通、提高空域容量，开展适应新需求的基础设施建设等运行理念，同时使民航运输的各参与方了解未来NGATM系统在功能、运行、服务上的发展趋势。

新一代空管系统涉及的新概念、新技术十分广泛。这些新技术主要包括星基导航系统，广域多组合式监视系统，数字数据通信系统，体现天空地一体化的空管自动化系统，协同决策信息共享平台以及多功能的空中交通流量管理系统。新技术的定位和应用将使国家民用航空的运行和资源得到有效、充分、灵活的管理。新一代空管系统的发展和实施不仅是技术手段的创新，它还将推进民用航空运输体系运行方式的变革，推动大民航运作体系管理和协同理念的转变。建立新一代空管系统是一项历史性的复杂、系统工程。

1.2 空中交通流量管理概述

空中交通流量管理系统的作用是：科学地安排空中交通量，使得空中交通管制系统中总的交通量与其空中交通的资源的可承受量相适应；其目标是：当某空中交通管制系统的需求超出或即将超出资源的可用能力时，保证空中交通流量最佳的流入或通过相应的区域。

1.2.1空中交通流量管理概念

 国际民航组织（International Civil Aviation Organization, ICAO）和美国联邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)对“流量控制”(Flow Control)的定义是：为保证空域的有效使用而采取的调整进入特定空域、航路和机场空中交通流的方法[3]。ICAO的有关文件中对“流量控制”也有专门的描述：“当空中交通管制单位已经明显察觉某一地点或者区域在特定的时段内，除已接收的飞行外，再不能接收其他飞机时，或仅能按照一定的接收率接收其他飞行时，该单位必须把此情况通知已知的或者认为有关的其他空中交通管制单位，还必须将预计延误或者将实施的，通知预定飞往所述地点或者区域的航空器机长和已知的或者认为有关的经营人[4]。

流量管理的概念可以用下面的公式[31]表示：

                             （1-1）

上式中为空域单元，表示整个空域系统或者其中的一部分。如一个航路汇合点、一条跑道、一个机场、一个管制扇区等。表示时间段。表示在时间段内请求通过的航空器数量，即通过的流量。表示在时间段内，能够允许的通过航空器的数量，即在时间段内的容量。按照流量管理的定义，如果管制员发现在某一地点或者区域流量大于容量，即“流量饱和”时，为了保证空中交通的安全、畅通，需要采取各种措施通过的流量，增加的容量，即实现流量管理。可见，流量管理的核心任务就是保证流量与容量的平衡，防止出现饱和。

1.2.2.流量管理的各阶段

空中交通流量管理的实施步骤可以分为战略性、预战术性和战术性三种基本方式[23]：

（1）战略性空中交通流量管理

它在飞行活动日期前12个月到14天之间进行，主要包括研究分析、计划和协调等空中交通流量管理活动，在该阶段必须分析和预报空中交通需求的变化和发展情况、确认潜在的问题，并评估可行的解决方案。具体通过确定下一年度的空中交通容量计划、航路分配计划和一系列在预战术性中必需考虑的其它计划（如意外事件等）[7]。

（2）预战术性空中交通流量管理

它用于飞行活动日期前13天，主要包括飞行计划和空中交通管理协调活动，在这一阶段将分析并决定利用可用空域资源的最佳方法和实现空中交通流量调整的需要，并提供空中交通流量管理日计划（ADP），通过空中交通流量管理通报（ANM）和网络发布有关信息。

（3）战术性空中交通流量管理

它应用于飞行活动当日，在这一阶段根据实际空中交通流量和空中交通系统容量来更新日飞行计划，具体通过时隙分配或特定重复路径来实现，其主要实施方法包括以下几种：

A）  执行协商一致的战术管制措施，特别是航空器地面延误所适用的时段分配程序，以便能降低交通和使其均衡流动，若非如此需求会超出容量；

B） 监视空中交通流量状况的变化，确保采用的措施达到预期的效果.当报告有长时间延误时，采取或开始实施改正行动，包括改变交通的航向和飞行高度层的分配；

C）灵活使用空域，减轻拥挤;

D）合理安排飞机着陆次序，最大限度地使用ATC容量。

航班计划监视系统采用的是第三种流量管理方法，在战术阶段采用地面延迟等待等方法根据容量调节流量。地面等待（也称为：入口等待，地面停止）典型应用于那些飞往拥挤的机场或穿越拥挤空域上空的飞机上[10]。地面等待就是指飞机不按预定时刻起飞而延迟起飞的一种方法。这样做的原因是在延误不可避免的前提下，地面等待比空中耗时更安全经济。而地面等待策略就是如何确定航班的最优起飞时间，通过地面等待来调节空中交通网络的流量，并使航班的流量与机场、空域的容量大体匹配，减少延误时间，从而减少经济损失，提高机场、空域的利用率，保证飞行的安全与准时。

1.2.3流量管理措施

飞机的整个飞行过程包括七个阶段：滑行、跑道起飞、飞离终端区、航路飞行、到达终端区、进近管制、跑道降落。如图1.2所示。

                      图1.2 飞机的飞行过程

在这一系列飞行过程中，航空器都占用了不同的跑道、机场和空域等资源。实际上，各种资源的使用不是随意分配的，资源能容纳（或者承受）航空器的数量是有的。这些使用受限的资源在空中流量管理系统中称为容量受限元。这些容量受限元能在一个时间段内能容纳（或承受）的航空器的最大数目称为该受限元在某个时间段内的容量。通常所说的空中交通容量一般是指空中交通最大容量(也可以称为极限容量、饱和容量)，它是指在给定时间段内，根据可以接受的最大延误和持续服务请求，特定空中交通管理系统可以服务航空器的最多架数。而这个空中交通管理系统就是容量受限元的集合，它最少包含一个容量受限元。

其中，受限元的容量而且不是一个定值，会随着条件的改变产生变化。例如，恶劣的天气会减少空域，航路航线的容量；机场的扩建会增大机场，机场跑道的容量等。战略时期增加可以通过一些长期措施例如新建、扩建机场、跑道，优化空域结构，改进管制程序，研制大型客机等等增加受限元的容量。但使用此类方法的有最大难点是涉及范围广、协调困难、周期长，这些发展常常是滞后于空中交通的实际增长速度。所以，合理分配空中交通资源的使用，优化空中交通流量的分布，控制受限元的容量过饱和现象，才是空中交通流量管理的核心。

1.3空中交通流量管理发展

1.2.1 美国流量管理系统发展概况

早在20世纪60年代，随着空中交通总量超过国家空域系统的，美国的空中交通延误迅速增加，这些延误主要体现在航空器在机场上空“空中盘旋等待”。为了解决这一问题，联邦航空局（FAA）提出了到场计量程序，将出现的到场延误分摊到整个航路飞行阶段。为了进一步处理由此产生的航路延误，FAA又在航路交通管制中心设置空中交通流量管理席位(TMU)，同时采用控制航空器沿航路飞行间隔的航路计量程序吸收航路延误。到场计量程序和航路计量程序构成了美国初期的空中交通流量管理手段[6]。

随着空中交通流量管理工作的逐步开展，FAA进一步认识到当机场容量大幅度减少时，到场延误可以通过推迟航空器起飞时间来减少。由于这种将到场延误转化为起飞延误的思想，需要协调多个空中交通管制单位的工作，这最终导致了流量控制机构(CFCF)的出现。

位于华盛顿特区的CFCF和位于全国各管制单位的TMU构成了美国国家流量管理系统。以此为基础，FAA和美国运输部开发完善了相应的软硬件系统：增强的流量管理系统（ETMS）。ETMS的开发由空中交通管制专家、系统工程师和程序员共同开发完成，其主要的功能是在美国的全国管制空域范围内平衡空中交通的流量与空域系统的容量，以确保得到最有效的利用[13]。

ETMS自20世纪70年代投入使用以后，至今仍在不断完善中。到20世纪90年代，为了满足21世纪的空中交通增长的要求，FAA又提出了在以下几个方面增强空中交通流量管理系统的功能：

（1）提高数据交换能力，以在空中交通管制部门与航空公司运行部门之间更加实时、准确地传递信息。

（2）通过协同决策，加强空中交通流量管理相关部门之间的联系和协商。

（3）进行流量分析，采用自动化程度更高、更为精确的工具分析空中交通流量，评估状态[37]。

1.2.2 欧洲流量管理系统发展概况

早在20世纪70年代，为了解决日益突出的空中交通拥挤问题，从德国、法国开始，有12个欧洲国家先后建立了自己的空中交通流量管理单位（Flow Management Unit，FMU）。

1988年，ICAO召开了EANPG特别会议。会议上提出了ATFM组织的概念（Centralized ATFM Organization，CTMO）。CTMO提出在保留已有的FMU基础上，在欧洲建立两个空中交通流量管理执行单元（Central Execution Unit，CEU）分别负责对东欧和西欧的空中交通流量管理；在欧洲各区域管制中心设立空中交通流量管理席位（ATFM Position，FMP）支持CEU的运行。

在CEU建立初期，空中交通流量管理仍然由各国的FMU组织实施，CEU的主要作用是收集各类数据，建立和维护数据库，协调各国的空中交通流量管理活动。

1990年以后，随着前苏联的解体，东欧的CEU发展停滞不前，而西欧的CEU则有了较大的变化：功能更加集中，FMP的支持不断增强，最终撤消了所有的FMU。

从20世纪90年代至今，经过不断发展，欧洲在布鲁塞尔建立了欧洲统一的流量管理单元（Central Flow Management Unit，CFMU），负责欧洲的各项空中交通流量管理任务，并通过FMP协调各空中交通管制席位的活动，配合CFMU具体实施空中交通流量管理。以实现减轻空中交通管制工作负荷（Workload），保证空中交通的畅通，充分利用空域资源，减少空中交通拥挤损失的目标。

1.2.3 我国流量管理发展现状

我国早在20世纪90年代就比较清醒地认识到了今天所面临的空中交通流量管理问题，这些年来虽然做出了一定的努力，但由于受到和技术等方面的，目前尚未很好地解决空中交通拥挤和延误问题。

但迄今为止，因为种种原因，中民航尚未能够建立起专门的空中交通流量管理及协调机构。空中交通流量管理任务仍然包含在日常管制工作之中，由各空中交通管制单位的管制员负责决策和具体实施，航班所经过的各管制单位都可能根据自身所辖区域的空中交通容量（人工估计），对相关航班地采取空中交通流量管理措施，进而造成管制单位之间的空中交通流量管理“冲突”[34]。

这种形式的空中交通流量管理由于没有全面考虑的协同决策，不能对整个航程进行空中交通流量管理优化，同时空中交通流量管理的决策过程也干扰了空中交通管制决策过程，不利于空中交通管制服务的实施，尤其在高密度空中交通活动情况下，空中交通管制部门在高管制负荷的压力下，更难以兼顾到正确地进行空中交通流量管理。

由于目前没有专门的空中交通流量管理机构，空中交通流量管理任务是由空中交通管制部门在实施空中交通管制服务的同时承担，这不仅会给管制造成巨大的工作负荷压力，而直接影响到空中交通管制服务的效能，也不能保证空中交通流量管理的科学决策。随着空中交通密度的增加，空中交通流量管理与空中交通管制的专业化分工是必然发展趋势。

为使民航总局能够及时准确地掌握全国民航空管系统、主要运输航空公司及繁忙机场的运行情况，及时、高效地协调解决运行中出现的矛盾和问题，改善民航运行信息通报手段，提升系统运行决策能力，民航总局于2005 年2 月7 日决定建立民航运行协调决策机制（CDM）。参与运行协调机制的成员单位包括：民航总局有关业务司局、总局空中交通管理局、地区管理局、地区空管局、运输航空公司和机场公司。协调会议分为每日召开的定期运行协调会议、针对某一专题召开的不定期运行协调会议和针对某一紧急事件召开的应急协调会议。由于我国目前还没有建立专门的流量管理系统，缺少有效的流量管理手段，导致目前的运行协调决策机制还只能局限于运行信息方面的管理和决策，还不能发挥协调决策在流量管理中的重要作用[9]。

民航的这种会议模式与国外已发展流量管理技术还有差距，应当将建设航班计划监视系统早日提上日程，实现我国CDM决策机制的自动化，更快更有效的交流信息。

1.4 本文结构

目前，在我国还没有建立完整的流量管理系统之前，各级管制部门都在日常工作中进行着一些基本的协调工作。由于缺少一个信息共享的平台和协同决策系统，遇到因恶劣天气或军方活动导致航班大面积延误的情况，航空公司、机场和空管部门不能及时沟通，导致很多不必要的旅客滞留和航班延误。

这篇论文的工作，正是致力搭建这样一个协同决策的平台，将地面延迟策略应用于实际，为研究适用于我国流量管理模型提供基础平台，而且有了这个平台，许多前沿理论和课题都可以在实际交通状况基础上开展实验。

本文的主要内容由以下四个部分组成：

第一部分，对我国空中交通情况作了简要介绍，分析了该领域内国内、外发展交通流量管理理论与技术的概况。对美国、欧洲的流量管理系统发展的历史和现状进行了叙述，最后将我国的流量管理状况和在协调决策领域的进展情况进行了介绍。

第二部分，分析空中交通流量管理样机系统的系统结构和数据流结构，并对各子系统功能进行了讲解。然后对辅助决策子系统及航班时刻监视子系统作了介绍，分析了二者的关系，重点讲解了两个子系统系统的用途和实现目的。

第三部分，对航班计划监视子系统进行结构和功能设计。在设计过程中着重进行了功能模块设计，并对各模块的组成和内容进行了详细解说，设计重要模块的人机交互界面，最后对系统运行所需要的数据进行了分析和整理。

第四部分，对辅助决策子系统进行结构和功能设计。确定本文系统所需要的地面等待策略模型、终端区排序模型等关键技术，最后根据这些技术理论给出子系统实现的算法流程、数据处理步骤等。并根据仿真、实际飞行计划，对核心数学模型进行有效性、优化型验证。

第五部分，介绍空中交通流量管理样机系统的开发过程，重点介绍航班计划监视与辅助决策子系统的实现效果。

第六部分，对所设计的航班计划监视、辅助决策子系统进行了总结，给出了本文的工作的优点和不足，展望了空中交通流量管理系统的发展前景，并对该项课题的进一步研究提出了若干建议。 

2 空中交通流量管理样机系统

空中交通流量管理系统是一个庞大、复杂的系统，必须依靠先进的自动化程度较高的决策支持技术和工具，流量管理系统才能正常高效地运转。

2.1主要功能概述

结合流量管理系统的运行模式和我国流量管理系统的功能来看，样机系统要实现的功能主要包括以下几方面：

1. 收集各种飞行信息，包括飞行计划、飞行动态、监视信息（雷达信息、自动相关监视信息等），气象信息，空域容量信息以及相关的航行情报等等，实时显示到流量监控系统设备上；监视全国空域内所有飞行情况，发布未来一段时间内可能出现的容量突变、流量拥挤和堵塞等预警和告警信息。

2.  对全国飞行流量和空域容量进行统计和分析，对可能出现的容量饱和与流量拥挤等现象提出科学的解决方案和建议以及事后评估；测各主要机场、重要航路、繁忙地区、航路交叉点、监视点等的飞行流量和空域容量情况，以及可能发生的容量变化（如受天气等因素的影响）、流量拥挤和堵塞。

3. 全国空中交通流量信息发布和咨询

将空域资源临时性更改计划、局部区域的容量控制等信息和优化策略向管制部门、机场、航空运营部门发布，并为他们提供相关的信息咨询服务。

4. 协调军民航之间重要矛盾及应急处置

当军民航之间出现重要矛盾，且下级管理部门之间不能很好协商的，由空中交通流量管理系统提供权威性依据；当某区域发生恶劣天气、灾难等不可抗因素，以及重大军事活动等，对空管系统造成影响时，系统将及时发布回避计划，使其影响降至最低，以维持正常的飞行秩序。

2.2系统总体结构

如图2.1，样机系统采用分布式结构，通过通信局域网和中心局域网将各个信息处理设备和工作站等系统单元连接起来，协同工作；通过多路线路适配器和多协议路由器与民航空管数据网、军航空管数据网、航行情报系统、气象情报网、相关管制中心连接获取各种数据；并通过Internet网向外发布流量信息。

2.3子系统划分

样机系统通过实时融合全国范围（或西南片区）的监视数据（包括：空管雷达、部分非空管用雷达和ADS），集中处理全国主要繁忙地区的飞行情报（民航、军航），实现全国范围的飞行计划与雷达航迹相关，全国空中交通态势高分辨率实时显示，结合逼真的运动仿真模型进行流量的统计/预测/告警、空域容量评估、空域规划与评估、信息发布等功能。

如图2.2给出了整个样机系统的数据流图及功能子系统。

图2.2 样机系统数据流图

样机系统所需外部数据经外部通信接口进入信息接入与前端处理子系统，在对输入数据进行基本的有效性检查后，根据接入数据的不同类型，分别送不同的功能子系统进行处理。

监视数据处理完成对所有监视数据的预处理和跟踪与融合，处理结果以综合航迹的方式送流量数据处理子系统。

气象处理子系统完成对气象情报、雷达气象通道数据、和卫星云图数据的处理，处理结果以综合气象云图、气象情报、高空风、QNH和卫星云图等形式输出。综合气象云图送人机界面和大屏显示子系统；气象情报送数据管理，供气象监控席调阅。

飞行数据/流量数据处理子系统基于飞行计划、飞行动态电报、实时的多雷达航迹和最新的气象信息[2]，利用仿真支持子系统提供的航班4D轨迹估算功能，生成每个航班的飞行数据，并在此基础上完成流量预测与监视、流量预警/告警。同时将飞行数据和预警/告警信息送数据管理保存，由人机界面和大屏显示子系统调用显示。

航班时刻监视子系统的核心功能是根据最新的气象信息（高空风）、飞行动态和雷达数据，实时计算航班4D轨迹，根据计算结果显示将在本场起降的航班信息，并将计算结果转换为所需格式的航迹向飞行数据/流量数据处理子系统和辅助决策子系统输出。该子系统通过流量预测及实时计算，不断更新机场一段时间内预计起降的航班信息，给管制员评估机场跑道容量、流量平衡的依据。

辅助决策子系统包含地面等待策略、终端区降落航班排序策略等几类功能，这些功能主要用于向用户显示出基于流量优化的辅助决策支持，给出详细的航班调整方案，供管制员评估管制空域内的流量变化趋势、并给出管制建议。该子系统体现空管自动化中的决策能力。

人机界面子系统是指各席位功能软件的显示和操作界面，包括：软件图形界面的设计、信息和数据的显示方式、人机交互方式的设计等。

信息发布与查询子系统定时将系统最新的容量、流量预警与告警、航班时刻和流量预测等数据通过Internet等方式向公众和行业用户发布；同时，还完成响应用户查询请求，返回查询数据的功能。

数据管理子系统是整个样机系统的数据中心，记录系统实时处理数据和历史数据，并实时将最新处理数据自动分发到相关功能子系统。子系统还具有数据库维护、数据整理、数据备份等功能。

记录与回放子系统记录系统接入的原始飞行情报和监视数据、各席位操作景象，并可对指定时间段的原始数据和席位景象进行回放，回放速度可调整。

由图2.2所示，图中灰色标识的两个子系统为本文设计实现的子系统，分别是：航班时刻监视子系统，决策支持子系统。下面对这两个子系统分别进行介绍。

2.4 辅助决策子系统简介

在前面两个小节的主题中，已经引出了本文所述子系统的位置。辅助决策子系统（Assistant Decision Making ADM），大量的战术阶段流量管理手段都在这里付诸实施，该子系统紧密联接流量管理系统与各级航空运营单位及管制单位。

2.4.1 辅助决策及协同决策概念

辅助决策系统（ADM），旨在有限的空域环境下最大限度的提高空域使用效率和跑道利用率。通过该系统能更好的与机场和航空公司实现数据共享，使其与空管部门运行更为协调。

常见见的ADM系统包括：进、离港排队功能。该功能以民航空管自动化系统的数据为基础，结合航空公司和机场数据，通过科学的方法对大型机场，甚至整个终端区内的航班进行跟踪，优化进港和离港航班的次序，并向管制员提供管制建议。作为一线管制系统的辅助系统，排队系统给出的排队信息和管制建议并不作为强制性命令，只作为管制员指挥的参考，目的是提高管制效率，同时减轻管制员的压力。即使在意外条件下排队系统失效也不会造成空管自动化系统的降级或失效，管制员仍按照原有管制流程指挥。

在现代民航系统的运行中，对于每一次飞行的众多参与者而言，无论是航空公司、机场、地面代理机构还是空中交通管理部门，都像是一台精密机器中的零件，需要密切配合才能保证机器的正常运转，才能取得最大的经济效益。一旦出现协调合作上的问题，整个系统就会出现运转故障，导致系统运行的停滞或是运行效率的大幅降低。上世纪90 年代，随着全世界范围航空活动量的飞速增长，航班延误问题日渐突出。如何建立一种机制来保证这个系统的平稳运转，达到需求和容量之间的平衡，尽可能减少由于航班延误带来的经济损失就成了一个十分重要的课题，协调决策机制由此应运而生。

协同决策(Collaborative Decision Making CDM)，又称为合作决策支持，它是和民用航空的一个结合点，在这个结合点上，CDM致力于通过增加信息交换，共享交通态势，统一资源调配以及技术性能分析直接改善空中交通流量管理的效果。CDM 将航空公司、专用航空和商务飞行、民航管理机构 和机场联系起来，通过信息交流、数据共享和改善决策支持工具，努力提高控制交通管理效率。CDM通过确保流量管理系统和航空公司获得用于计划运作的实时、准确的信息，帮助决策过程。

CDM的主要目的是向参与的所有各方提供最准确、及时的信息以便更好地预测空中交通流量，实现更有效的空中交通流量管理。支持和允许更动态的决策，有效利用现有容量。决策过程涉及所有参与者，将业务决策移传达到用户[20]。

协调决策能让所有的参与者从中受益。对于航空公司而言，最直接的收益就是它能够提高航班的正常性，增强对公司航班运营的可预测性，最大程度地减少延误时间，从而降低延误成本；对于空管部门而言，它可以帮助减轻管制员的工作负荷，帮助进近和塔台管制员提前计划航班起降次序，减少机场拥塞，可以帮助区域管制员更好地进行航路飞行流量管理，减少由延误带来的副作用。对于机场当局而言，它能通过更好地分配机场资源为客户提供更好的服务，能通过对廊桥停机位的最优分配，更好地支持越来越大的旅客吞吐量；对地面代理而言，它可以提高资源的使用率，节约经营成本并为客户提供更好的服务。

2.4.2 辅助决策系统位置

协调决策的概念最早是由美国在上个世纪90 年代初期提出并开始应用的，当时的主要目的是在制度上、技术上和运行程序方面建立一种机制，使航空公司在恶劣天气条件下能及时地取消或调整航班。之后，美国联邦航空局又将协调决策的参与范围扩大，将一些私人研究企业、科研院所和通用飞行也纳入了协调决策体系，并开发了一系列的软件支持工具，用于分析有关机场和航路上的航班状况和空域容量的信息。同时，联邦航空局还在空中交通系统控制中心（ATCSCC）、Volpe国家运输系统中心和航空公司运行控制中心（AOC）之间建立了的数据交换专用网络CDMnet，在这个内部网络上通过信息交换、数据共享和良好的决策支持工具，使参与协调决策各方对飞行流量的态势保持相同的认知，既增强飞行流量的可预见性，又改善了系统运行的计划性，从而保证了空中交通流量管理的运行效率。现在，ATCSCC 每天隔两个小时都要召集有关成员单位进行流量协调，遇到恶劣天气情况则随时召开协调会议[3][4]。

当出现突发事件影响到机场时（例如天气或者恐怖份子），该机场已经不能接受像往常一样的起降飞机量，这时的交通管制操作就会被完全打乱，流量控制也会变的不平滑。在这种情况下，美国联邦交通局的一个解决办法就是减小机场容量。该方法通过延迟将起飞发往该机场的航班来实现容量的减小。这种方法的学名叫地面等待策略（GDP），它隶属于CDM，是CDM的一个操作，所有处于分布式管理的部门都要使用FSM来决定是否使用地面等待策略，以及使用后会产生的效果。

美国在建设整个TFM网络时，提出了未来的CDM发展方向，特别指出加强型到港/离港管理，包括突然出现的航班的时隙计算、检查和纠正机场拥塞预测、多定位GDP、多个机场GDP、到港/离港折衷计划编制[12]。这些项目基本上都将依托航班计划监视系统展开。

由图2.3中可以看出在整个流量控制系统里，协同决策（CDM）处于整个流量管理系统的中心，参与人员与部门十分多，涉及的决策过程也很难取得一个平衡点，可以说是流量监控系统建设的重点和难点。

如图2.3所示，CDM在整个流量监控系统中的位置。

2.5 航班时刻监视系统简介

航班时刻监视子系统（Flight Schedule Monitor  FSM）是空中交通流量管理系统的重要组成部分

航班时刻监视子系统与辅助决策子系统的关系类似于主体和客体之间的关系。航班时刻监视系统提供流量的预测与显示，当发现有流量拥挤产生时，管制员通过人工、或系统自动调用辅助决策子系统的一系列决策支持工具，计算出优化的航班调整方案或起降排序结果，航班时刻监视子系统更新预测结果，显示辅助决策的实施过程。

所有FSM使用者都在流量管理系统的约束下调用辅助决策工具。其主要数据内容“机场需求列表”（ADL）送达每一个用户，在每个用户面前呈现的都是相同的实时数据。

FSM将机场需求和容量信息通过一组与时间相关的图表将机场状态传达给用户，同时，在系统内部包含一系列决策支持工具及分析工具，实现地面延迟等待策略，这使得用户可以在流量管理系统的监控下进行决策。FSM用户可以监视多个特定的机场，监视内容包括机场所有的起降航班和其相关数据。系统还可以显示特定航班数据，机场的起降率，查看一个时隙及其他交通流量相关信息。根据FSM的显示内容，用户可以了解该机场是否达到需求/容量的平衡，从而决定是否采取地面延迟策略来取消、延迟或者调整多个航班来保证交通畅通。而且在用户采取上述措施前，还可以通过辅助决策子系统运行仿真运算和显示，降低错误概率。

在空中交通流量管理系统中，FSM是执行全国交通管理的主要工具。通过监视机场功能，流量管理系统可以知晓各个机场的当前容量及需求，并使用策略工具执行航班的调整。

由此，可以得出这样的结论，FSM主要有目的有两个：监视机场实时流量和预测机场起降需求。

FSM在跟踪交通需求和机场容量的同时，紧密监视当前在该机场起飞和降落的航班。一旦飞行流量变得不平滑，原有的平衡被打破，用户就调用一系列辅助决策工具进行调整，当这种调整完毕并提交以后，FSM要更新调整后的数据，并同时更新所有使用FSM的机场数据。与此同时，航路航线的管制人员也要对这些数据进行仿真，以决定是否进行一些调整操作。

3 航班时刻监视子系统设计

该系统设计基于流量管理系统项目需求书，按照样机系统设计说明书搭建。从软件到硬件配置进行了设计，与样机系统配置相配套。本节内容首先进行了系统设计，而后进行了功能划分并详述了每个模块的内容。

3.1系统结构设计

3.1.1 硬件结构

如图3.1所示系统集成方案，在样机系统中由于席位设置有限，这里仅设置两台服务器及两个客户端。

ETMS数据源对应样机系统“数据管理”,是样机系统的数据存储区。ETMS服务器承担样机系统中“飞行数据处理流量管理”职责，专用进程为ADM提供服务，将FSM需要的数据收集起来形成ADLs（机场需求列表）。FSM服务器主要承担收发ADLs数据列表任务，利用网络中间件分发给各FSM席位，同时对各客户端进行管理。两个客户端席位分别登录为流量管理系统用户与普通用户，用来展示各种飞行流量调整措施的实施过程。

图3.2硬件结构

依据集成方案，可将其分为三层结构的硬件结构见图3.2。

其中，(a)：将数据层和功能层放在同一台服务器上；(b)：将数据层和功能层分别放在不同的服务器上；(c)：将功能层放在客户机上。

通常只将表示层配置在客户机中，如图3.1(a)或图3.1(b)所示。如果像图3.1(c)所示的那样连功能层也放在客户机中，与二层结构相比，其程序的可维护性要好得多，但是其他问题并未得到解决。客户机的负荷太重，其业务处理所需的数据要从服务器传给客户机，所以系统的性能容易变坏。

如果将功能层和数据层分别放在不同的服务器中(如图3.1(b)所示)，则服务器和服务器之间也要进行数据传送。但是，由于在这种形态中三层是分别放在各自不同的硬件系统上的，所以灵活性很高，能够适应客户机数目的增加和处理负荷的变动。例如，在追加新业务处理时，可以相应增加装载功能层的服务器。因此，系统规模越大这种形态的优点就越显著。值得注意的是：三层结构各层间的通信效率若不高，即使分配给各层的硬件能力很强，其作为整体来说也达不到所要求的性能。因此，应该根据具体特点，选择适当的硬件结构。

3.1.2 软件结构

对以上的对于系统硬件的介绍中我们可以找出使用FSM系统的外部用户，包括使用的自然人和与本系统交互的外部系统，通过确定外部参与者，以确定系统边界。具体用例分析见图3.3。

图3.3 用例图 

3.2 系统运行流程及模块划分

航班时刻监视子系统的运行步骤分两部分：（1）初始化数据：这个模块用于初始化流量席位需要的地理数据、空域容量数据等基本数据；（2）处理网络包：这个模块用于处理各种收到的网络包，根据需要计算需要的信息，然后发送给相关的席位。系统运行流程图如下：

图3.4 系统运行流程图

航班时刻监视子系统主要分为4个功能模块：

1.流量监视

2.流量统计

3.流量预测

4.流量预警/告警

    下面分别用4节内容描述各个模块的功能，并给出关键算法的设计步骤及运算流程。

3.2.1流量监视

系统根据飞行计划、航线情报和综合航迹，得到指定监视点当前的流量数据。监视点包括：民航机场；扇区；进近；航路/航线；空中走廊；固定点；走廊口；重要监视点。

“当前的流量”定义如下：

（1）对于民航机场；扇区；进近：由于它们是多边形区域，故只要在监视的时刻有目标位于某多边形区域内，就将该目标记入该多边形区域的“当前的流量”；

（2）对于航路/航线：由于航路有宽度，故航路也可以理解为一个多边形区域；而航线没有宽度，但在计算时可将其视为宽度很小的航路（现在程序设定航线有左右各4公里的宽度），这样航路航线可以统一认为是多边形区域，参照（1）进行计算；

（3）对于固定点，程序认为只要有目标在以该固定点为圆心的半径为2公里的圆内，就将该目标记入该固定点的“当前的流量”。

流量监视分为请求监视和自动监视两种：

请求监视：用户可以设定若干个（现在没有个数）监视点，流量处理子系统每隔一段时间（现在是8秒钟）更新一次该监视点的当前流量。

请求监视的监视点可以包括：民航机场；扇区；进近；航路/航线；空中走廊；导航台；走廊口；重要监视点

自动监视：系统每15秒钟自动计算一次下列监视点的当前流量，得到的流量数据用于“流量统计”和“流量预警/告警”功能。（在“流量统计”和“流量预警/告警”功能中会详细描述）。自动监视的监视点可以包括：民航机场；扇区；进近航路/航线；空中走廊；导航台；走廊口；重要监视点

3.2.2流量统计

系统根据从数据中心获取的历史流量数据，统计得出指定监视点的历史时间范围内的流量数据。

具体实现：在流量监视功能中，系统每15秒钟自动监视流量，每到一个小时整点，系统将会把前一个小时的流量数据统计出来并保存到数据库；每到北京时间凌晨4点钟，系统统计得到前24小时的总计流量并保存到数据库。即：

（1）系统可以得到历史上任意一个小时的流量统计数据；

（2）系统可以得到历史上任意一天的流量统计数据。

监视点包括：民航机场；扇区；进近;航路/航线；空中走廊；导航台；走廊口；重要监视点。

3.2.3流量预测

系统根据飞行计划、航线情报和综合航迹，预测适应性时间内指定监视点的流量。

适应性时间范围为24小时，即从当前时刻到未来24小时之间。用户可以将该时间范围细分为若干时间片，系统按照用户指定的时间间隔计算出每个时间片的预测流量。假设用户指定的时间范围为2小时，时间片为30分钟，时间间隔为15分钟，当前时刻为12：00，则系统将计算出：

12：00－12：30的预测流量；

12：15－12：45的预测流量；

12：30－13：00的预测流量；

12：45－13：15的预测流量；

13：00－13：30的预测流量；

13：15－13：45的预测流量；

13：30－14：00的预测流量。

时间范围的取值为15分钟的整数倍，最小15分钟，最大1440分钟（24小时）；时间片的取值为15分钟的整数倍，最小15分钟，最大360分钟（6小时）；时间间隔的取值为5分钟的整数倍，最小5分钟，最大60分钟（1小时）；但是，时间范围的取值不得小于时间片的取值，时间片的取值不得小于时间间隔的取值。

流量预测分为请求预测和自动预测两种。

请求预测：

用户可以要求系统计算以下监视点的预测流量，用户每发送请求一次，系统计算一次并返回结果。系统能够对以下监视点进行请求流量预测：民航机场；扇区；进近;航路/航线；空中走廊；导航台；走廊口；重要监视点。

自动预测：

系统每15分钟自动计算一次下列监视点的预测流量，得到的预测流量数据用于“流量预警/告警”功能。（在“流量预警/告警”功能中会详细描述）自动监视的开始时间为当前时刻之后的2小时，时间范围为15分钟，时间片为15分钟，时间间隔为15分钟。例如，当前时刻为12：00，那么系统将会自动预测14：00－14：15的流量。自动预测的监视点可以包括：民航机场；扇区；进近;航路/航线；空中走廊； 导航台；走廊口；重要监视点

3.2.4流量预警/告警

流量预警：

系统根据流量预测子系统处理得到的流量预测信息和容量预测子系统处理得到的容量预测信息，判断适应性时间内指定监视点的预测流量与其预测容量之比是否会大于用户预先指定的门限值（如80％），如果是，产生一个预警。

流量告警：

流量告警又分为监视流量告警和预测流量告警：

（一）监视流量告警

系统根据流量监视子系统处理得到的监视流量信息和容量信息，判断当前时刻监视点的流量是否会大于其容量，如果是，将产生一个告警。

（二）预测流量告警

系统根据流量预测子系统处理得到的流量预测信息容量预测信息，判断适应性时间内指定监视点的预测流量是否会大于其预测容量，如果是，产生一个告警。

流量告警包含以下三种状态：

凡是在单位时间、单位空域内飞机飞行的容量只允许再容纳一架飞机飞行的时候，即认为是流量预饱和状态，系统可以实时发布流量预饱和预警（黄色）；

凡是在单位时间、单位空域内飞机飞行的流量已经达到飞行容量的最大标准(已经达到该空域内允许飞行最多的架次)，即认为是流量饱和状态，系统可以实时发布流量饱和预警（橙色）；

凡是在单位时间、单位空域内飞机飞行的流量已经达到飞行容量的最大标准，即达到饱和状态，而此时还有飞机即将加入饱和状态的空域时，即认为是流量超饱和状态，系统可以实时发布流量超饱和告警（红色）。

3.3流量预测关键技术研究

在航班时刻监视子系统中，有一个重要的功能就是短期交通流量预测（20分钟以上）。在没有雷达的情况下，只能根据各种报文（领航计划报、起飞报、降落报、延误报、更改报等）和统计所得的各类航空器飞行参数，计算航空器到某空域（机场、固定点、航路段等）的经度、纬度、高度、时间。

四维轨迹预测是根据领航计划报的预计起飞时间、航路串等信息，先解析航路串，加入必要的固定点的飞行状态改变点，然后根据运动学计算航空器到各固定点、区域边界、机场等的经度、纬度、高度、时刻、速度，使航路航线、机场、区域等的流量计算更加准确，为流量预警、区域的提供更准确的决策支持。其轨迹是由经度、纬度、高度、时间组成的，故称其为四维轨迹预测。

3.3.1根据运动学预测四维轨迹

得到航空器的性能参数和飞行的历史数据(如过某固定点的高度、速度等)后，根据运动学（动力学、航空学）计算四维轨迹。

民用航空器从起飞到降落之间的飞行有一套通用的程序，大至为：跑道滑行加速，爬升到巡航高度，同时调整速度到巡航速度，以此速度和高度按既定的航线飞行，快到目的机场时，降低高度、减少速度，着陆。简化，可以把此过程分为几个阶段。

对每一个航空器，在特定的空域，有起飞的速度、起飞的高度、第一阶段爬升率及加速度，第二阶段爬升率及加速度、巡航速度、巡航高度等参数的。对其进行长期监测，统计出参数的经验值，并将其写入配置文件。

读取每一个航空器的参数的配置文件，航空器看作质点，计算四维轨迹。设经过第航路段的时间为，航路段路程，为在该航路段速度，为加速度，则：

匀速阶段：                                （3-1）

匀变速阶段：               （3-2）

预计到达某固定点的时间为：               （3-3）

3.3.2基于飞行计划修正预测航迹

根据航空器飞行过程，将这种修正分为两类情况：在航路上飞行和脱离航路飞行分别讨论。

当航班在航路上飞行时，会依次经过航路上的固定点、导航台。当航班经过一个航路点时，按照我国空管方法，会发布一个航班过点时间、位置的报文或者计划。可以利用这个信息对航班预测轨迹进行对比，并对未来的轨迹预测结果 进行修正。

假设根据3.3.1方法预测得到一下结果：

1.在时间航空器p要过B点。

2.现收到实时雷达信号，确认p已在A点，当前时间为。

由于p要过B点为预测轨迹，因此有约束条件： 

令为A点B点之间的距离，为时刻p的水平速率。

令                                     （3-4）

若，则认为推测时间正确，不用修正。

若，则认为推测时间有误差，进行修正：

设，             （3-5）

则当将四维轨迹中过B点的时间由原来的改为，其它信息相应修正，且B后的点的过点时间应相应加上。未收到实时雷达信号，则不做处理。此为雷达实时修正，使计算更为准确。但只能为已配对的航空器进行修正。

当航班时刻监视子系统运行后，就会接收FDP发来的各种报文，包括领航计划报、起飞报、更改报、延误报、降落报等；接收遥传的实时雷达信号。根据这些信息，即可修正预测轨迹。图3.5给出修正的程序数据流图。

图3.5 雷达修正数据流图

图3.6修正算法流程图

通过接收雷达信号，对航空器经过了的固定点时间都是实际到达时间，同时对该点后的更准确的预测。同时航空器到达机场的时间也更精确，可以为管制员工作、多机场地面等待提供决策支持。

接收AFTN报文，当收到更改报或延误报时，重新预测航空器四维轨迹，使预测更为精确。例如，飞机延误了，则预测到达各因定点、边界点、机场的时间就相应延后。反之，将航班预测时间提前。图3.6给出修正算法的流程图。

3.3.3 基于雷达数据修正预测航迹

根据3.2.1节描述的流量监视模块可知，子系统实时接收雷达信息，更新航班的当前位置，由此可以利用此当前位置对预测航迹进行修正。当航班在终端区范围内飞行时，特别是起飞爬升阶段、降落下降阶段，航班并未处于航路上，因此接收不到任何过航路点的信息、报文。这里设计了利用雷达数据对飞出航路段的航班的预测轨迹修正算法：

1）取该配对航班连续四个雷达数据；

2）若其航向角度化大于经验阀值，则认为航班在转弯，不修正，返回。否则转到3）；

3）根据这四个点，用最小二乘法拟合出一条直线：

最小二乘法拟合直线的思想：

设要拟合的点有个，每一个的坐标为。设有一条直线为拟合直线的坐标。为方便计算，设每个点到该直线的距离度量为，则目标函数是使最小，因可正可负，不易度量，变目标函数为，即

                        （3-6）

根据极值原理，目标函数最小在其偏导为0的点，即

解之得

                                  （3-7）

即求得直线系数。

4）判断直线与未来航段的交点，计算该点与当前点、下一个固点的距离之和，除以当前速度，修改下一个固定点的经度、纬度、高度、速度、时间。

5）计算修正的差值，对以后的固定点依次加上差值。

图3.7给出修正算法的流程图。

图3.7 航路段外雷达修正流程图

3.3.2航班实时、预测位置判断

3.3.2.1航班实时位置判断 

飞机与区域实时位置判断子算法是根据航空器当前位置判断与区域的关系。航空器与区域的关系可以分为三类：在区域外，在区域边界上，在区域内部。算法的主要思想是先判断飞机的高度是否超过空域高度，再利用空域的水平投影作为位置判断，当高度与位置均满足要求，则认为飞机处于空域内部。

图3.8航空器与空域关系图

图3.8为航空器与空域关系图。如图所示当航空器满足高度，则利用水平投影方法判断航空器与区域的位置关系，水平投影计算方法为：判断飞机位置与区域边界是否有交点，如果有交点，认为飞机处于边界上。若没有交点，则以飞机所在位置作水平线，计算以飞机当前位置为端点的水平射线与空域多边形交点，讨论交点个数和交点位置，判断飞机是否在区域内。

参考文献

[1] 刘少奇.论党员的修养.修订2版.北京：人民出版社，1962.76页

[2] 黄蕴慧.国际矿物学研究的动向.见：程裕淇等编.世界地质科技发展动向.北京：地质出版社，1982.38-39页

[3] 思科公司.http://www.cisco.com/global/CN/Products/si/casi/ca3500,2003

[4] 联想公司.http://appserver.lenovo.com/Products/channel,2003

[5] 北京领先时代科技发展有限公司.http://www.eastleader.com/product_silcon.

htm,2003

[6] 陈华军.J2EE构建企业级应用解决方案.人民邮电出版社,2002

[7] 飞思科技产品研发中心.C#编程指南.电子工业出版社,2002

[8] 王军.基于JMS的消息中间件设计与实现.计算机工程.2003,23(8):-67

[9] 李劲.动态电子商务的WEB服务.清华大学出版社.2002

[10] 徐德志，吴敏.XML数据库的树模型抽象及其查询.计算机工程.2003,29(14):12-14

[11] 俞盘祥.ORACLE数据库系统基础.清华大学出版社  

[12] 梁为,凌怀新,张晓钢,潘文辉.基于Oracle的日志分析器.计算机应用.2003,23(7):121-123

[13] BEA公司.http://www.bea.com.cn/products/bea webtuxedo/. 2003

[14] scott.构建XML Web服务――基于MICROSOFT .NET平台.清华大学出版社.2002

[15] Jiawei Han，Micheline Kamber.数据挖掘概念与技术.机械工业出版社,2001  

[16] 李燕风.浏览及访问模式的过程.计算机工程.2003,29(15):45-47

[17] Jakob Nielsen, Marie Tahin.专业主页设计技术――50佳站点赏析.人民邮电出版社,2002

[18] Anthony Saunders,Credit Risk Measurement:the next great financial chall-

enge,2nd  edition,amozon.com,p.278

[19] 左子叶,朱扬勇.基于数据挖掘聚类技术的信用评分评级.计算机应用与软件,2004,24(4):1-2

[20] 成都市企业信用网.http://www.cdcredit.com/.2004

作者在读期间科研成果简介

企业信用信息系统工程是一个开放的、基于标准、统一的宽带网络平台，实现成都市各部委局之间的信息交换和资源共享。该网络平台保证了和成都市电子政务网

声  明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。

学位指导老师：                

企业指导老师：                

学        生：                

年    月    日

致  谢

本论文是在李志蜀老师、唐楷泉老师的悉心指导下完成的，在此谨向、唐老师表示衷心的感谢。论文的完成得益于、唐老师的正确指导和严格要求，、唐老师对课题的研究方向给予了高度的重视并倾注了大量的心血，高度关注工程的进展，给予了我很多的指导。、唐老师渊博的学识、严谨的治学态度、对科学研究的高度热情是对我永远的鞭策，、唐老师的精心培养将使我受益终身。

附  录

论文的完成得益于、唐老师的正确指导和严格要求，、唐老师对课题的研究方向给予了高度的重视并倾注了大量的心血，高度关注工程的进展