空中交通网络管理的概念与策略研究

!8!8! 线性约束到达过程（ B%$C）
在流量控制中经常用到的概念有： 峰值速率， 平均速率。平均速率指在相当长一段时间内某一
3435 排队法。将航空器按照优先等级（ 优先等级
考虑到航班性质、 机型、 等待时间、 有无 紧 急 情 况
等因素） 划分为多个队列。在同一优先级队列中， 空中交通流的流量平均值。峰值速率是一个统计
,-.） 此人们对空中交通流量控制进 行 了 初 步 的 研 究 。 网络服务质量（ 的好坏， 也反映出一个空中交
通网络 。为了从根本上解决空中交通管理问题， 量、 容量、 延迟和延迟抖动 *!+。 研究的主要对象必须从航空器转移到空中交通的 承运对象—— —空中交通网络上；必须从局部的研 究扩大到整体的研究，深入研 究 网 络 的 性 能 、 特 点， 探求网络的运行机制和管理策略。 目前，中国空中交通体系包括几百条航线和 地面导航设备和几十个管制区，形成了庞大的网 络体系。航线纵横交错类似于计算机网络中的电 缆， 导航设备和管制区连接航线广泛分布， 类似于 计算机网络中的路由器和交换机。航空器沿航线 飞行，经过导航设备和管制区的路由最终到达目 的地， 类似于计算机网络中的数据报。本文将借鉴 计算机网络的概念和方法进行空中交通网络管理
!"# 拥塞控制
拥塞是指不同的空中交通流竞争管制节点的 空域资源， 在保证安全间隔的前提下， 出现空域资 源匮乏， 即总需求大于总资源时发生网络拥塞。拥 为了维护安全间隔而必须使航空器在管制区内等 出现峭壁现象， 如图 # 所示。
87:5327 6507/6 当交通网络中的拥塞级别上升时，
减小，中间管制节点告知离场管制节点拥塞发生， 请求拥塞控制。 离场管制节点使 ./012345/0 6507/6 中间管制节点告知离场管制节点拥塞级别降低， 离 即 ./012345/0 6507/6;./012345/0 6507/6<$。 不 断 增加或减少拥塞窗口的模式将贯穿空中交通管理 的整个过程， 如图 * 所示。由于离场管制节点减少 拥塞窗口的速度比增加拥塞窗口的速度快得多， 所 以这种拥塞控制机制是稳定的。
? 文献标识码：
的研究， 将起飞机场、 落地机场和管制区视作网络
" 引言
空中交通网络是由航路、 航线、 地面助航设备 和管制单位组成的复杂交通运输网络。空中交通 网络的活动实体是航空器，任务是使航空器从网 络中的某一点按照安全快速的原则飞行到网络中 的另外一点。随着空中交通网络的扩展和航班数 量的增加， 某些管制区内出现了交通拥塞现象， 为 在流量控制的研究中人们发现，流量控制涉及到 空中交通网络的整体，如全国乃至全球的空中交
塞发生时， 进入管制节点的航空器数量如不减少， 的值减小到原来的 $ - !。当 87:5327 6507/6 增加， 待， 最终导致离开管制区的航空器数量急剧减少， 场 管 制 节 点 使 ./012345/0 6507/6 的 值 线 性 增 加 ，
图#
网络拥塞时的峭壁现象
拥塞是由网络不平衡造成的，是动态资源分 配的问题， 不能通过静态的方法解决。理解拥塞控 制和流量控制的区别很重要：流量控制是使离场
=
中 国 民 航 学 院 学 报
!""# 年 $! 月
的结果，在相当长一段时间内某一空中交通流的 最大流量。
管制节点放行航空器的速率不能超出着陆管制节 点接受航空器的速率。与之相对， 拥塞控制是由于 某些网络管制节点上空域资源匮乏，因而阻止离 场管制节点集合发送过多的航空器到网络中 )*+。 基于预定方式的资源分配机制是一种前期控 制机制。某日航班尚未开始之前， 离场管制节点向 网络请求一定的容量，沿途每个管制节点分配足 够的资源（ 管制节点内的空域资源和航路吞吐量） 来满足这一请求。如某些中间管制节点由于自身 资源不足而不能满足该请求，就拒绝这个交通流 或指出对该交通流的限制条件。基于反馈的资源 分配机制是一种实施中的控制机制。在空中交通 进程中， 管制节点动态计算管制资源， 如果由于航 班飞行过程中遇到的紧急情况（ 如危险天气、 地面 导航设备故障） 而导致空域资源不足时， 该管制节 点向离场管制节点发出“ 减慢速度” 的消息， 从而 使从该离场管制节点流出的空中交通流量减小。
图# 管制节点上的权重公平排队法
的范围内， 减少发生空中交通危险冲突的可能性， !"! 流量控制
!8!8" 空中交通流和空中交通流量
空中交通流是 指 从 网 络 中 同 一 节 点 出 发 ， 经 过相同的中间节点到达相同的目的节点的飞行序 列。简单的说， 就是从同一机场出发， 沿相同的航 路到达相同的目的机场着陆的航班序列。如从首 都机场出发沿 $&#" 航路到广州着陆的航班可以 看成一个空中交通流。空中交通流量是指这个空 中交通流的吞吐量。 流量控制问题可以描述为：指挥航空器起飞 的管制单位发送航空器的速率与接受和处理航空 器的管制单位的速率匹配起来。一方面， 发送速率 不能太快， 太快会导致安全间隔的不满足； 另一方 面发送速率也不能太慢， 太慢会浪费网络资源。流 量控制应该是网络资源使用费用和稳定性、简单 性和公平性的折衷方案。
!8"8! 权重公平排队法（ 637） "） 在 3435 排队法中存在 ! 个问题： 只要高优 !）管制节点不能区分来自不同交通流的航空 务；
"） 先级队列中有航空器，低优先级队列就得不到服 （
&） ’()*+ ,-..(/） 指在某一空域内， 器。 637 为每个交通流维护一个队列， 延误抖动（ 管制节点 一段较长时间内的航空器的最大延误和最小延误 以转轮方式为这些队列提供服务， 如图 " 所示。当
3435） 或 权 重 公 平 排 队 计划，采用先进先出 （ 637） （ 的方法优化调度顺序， 减少 个 体 空 中 交 通
活动对群体活动性能的不利影响，防止在特定管 制空间内的交通拥塞， 促进交通顺畅。这些策略和 机制包括空中交通管制、 流量控制、 拥塞 控 制 、 准 入控制、 价格策略和网络容量计划等。
图!
漏桶调节模型
!,#,! 拥塞控制机制： 累次增加 - 成倍减少 首先定义 ! 个描述拥塞的状态变量： 拥塞窗口 ./012345/0 6507/6）指离场管制节点用来限制给 （ 879 定时间内允许放行的航空器数量；建议窗口（ :5327 6507/6） 是由沿途各管制节点给出的， 保证在
本节点内不发生拥塞的，可以接收的航空器数量。
!"# 空中交通管制
空中交通管制是网络管理的实施环节，主要 完成 ! 个任务：保证航空器具有安全间隔和提供 航空器的调度。
!8"8" 先进先出排队法（ 3435）
先进先出排队法也称先到先服务排队法
393:） （ 。首先到达管制节点或到达管制节点内某
处的预测时间较早的航空器首先被管制节点处 理。基本 3435 排队法的一个简单 的 变 种 是 优 先
表3 机制和策略 空中交通管制 流量控制 拥塞控制 准入控制 价格策略 网络容量计划
./1 价格策略
网络用户要得到较好的服务就要付出较高代 价。从中国航班时刻表中可以看出： 大多数航班均
F 结语
交通管理可以使空中交通网络在当前可用资 源下发挥最大应用度。以上分析是关于空中交通 航空器的局限性，从更高层次的网络管理的角度 探 讨 更 为 广 泛 的 研 究 内 容—— —空 中 交 通 网 络 管 理， 旨在揭示空中交通网络的内在规律， 为提高空 中交通的安全性和网络运行性能开拓新思路。 参考文献：
王
超： 空中交通网络管理的概念与策略研究
D
指航空器从网络中的 $ 点正常飞行至网络中的 % 点所经历的飞行时间与航空器在所经由的航路和 中间节点（ 管制空域和导航设备） 上空的延误时间
按照 3435 管理航空器， 当高优先级的队列为空时 再处理低优先级的队列。
! 的总和， 即 " #$%! $ 是航空器正常飞行时间。 其中，
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节点处理， 称之为离场管制节点、 着陆管制节点和 中间管制节点，从而得到了一些有价值的新概念 与策略的新思路。
& 衡量空中交通网络性能参数
与其它网络系统一样，空中交通网络也要求 具有高性能和稳定性。空中交通网络的性能反映 通网络的设计是否合理、航路保障是否得力和管 制服务是否具备。衡量网络性能的参数有：吞吐
%&’( 按 照 时 间 ! 的 线 性 函 数 约 束 管 制 节 点 !） 发送航空器， 如式（ 所示。 "!! !#" " 是管制节点在任一时间段内处理的航空 其中：
!） !,#,$ 基于预定和反馈方式相结合的资源分配机制 （
" 是管制节点所允许的突发 器数； ! 是平均速率；
量。 漏桶调节模型如图 ! 所示。 该模型对到达管制 节点的交通活动进行整形，调整各交通活动的离 开时间间隔， 使之按照 %&’( 离开管制节点。管制 员根据安全间隔规定定时发布指令，突发的交通 量在管制节点内等待，直到收到管制员的离开指 令。这样， 不规则到达管制节点的交通流就会按照 安全时间间隔离开。
空中交通网络管理的概念与策略研究
王 超
（ 中国民用航空学院 空中交通管理学院， 天津 #""#"" ）
摘要： 提出以空中交通网络为主要研究对象的解决空中交通管理的思路， 定义了空中交通网络 的概念， 并对空中交通网络管理的策略和机制进行了探讨。 关 键 词： 空中交通网络； 流量控制； 拥塞控制
=#>>)& 中图分类号：
之差。有时延迟并不能完全反映网络运行的服务 质量。比如，所有航空器到达空域时都具有一定 的、 数值较为接近的延误， 对空中交通网络的性能 并无太大妨碍，而如果某架或几架航空器的延误 很大，则说明空中交通网络的设计和管制服务不 合理。 某一队列满时，管制节点通知该交通流的离场管 制节点减少放行航空器的速率，这样就不会出现 。队列内部为每一航空器计算预计结束服 问题 " ）
#） 96/:;58 ） 这 里 所 说 的 延 迟 和 空 中 延迟 ! （ <:968 ） 交通管制中的延误 " （ 不是同一概念。它是
!""#$"%$#" 收稿日期： &’(&$ ） 作者简介： 王 超（ ， 男， 天津蓟县人， 工程师， 工学硕士， 研究方向为计算机应用 )
第 !" 卷 第 # 期
&） /01-23042/ ） 空中交通网络的吞吐 吞吐量（
量是在一段特定的时间内网络所能处理的航空器 的个数。网络的吞吐量可以作为描述网络整体的 参数， 但更多的时候是用来精确地描述一条航路、 一个管制空域的性能参数。
!） 564657/8 ） 是指整个空中交通网络及 容量（
其部分（ 如航路、 导航设备、 管制空域） 在指定的时 间段内，在保证飞行安全间隔的前提下所允许的 最大航空器数量。相同时间段内的网络吞吐量不 能大于网络容量。
;-<-=> <?@A(/） 务时间Leabharlann Baidu ， 根 据 ;-<-=> <?@A(/ 的 先
后决定为航空器提供服务的次序。
! 空中交通网络管理策略与机制
空中交通管理重在统筹规划空中交通。在掌 握全局空中交通的基础之上，按照一定的策略和 机制，通过对特定区域内空中交通活动的数量进 行限制，使网络的吞吐量降低到安全标准所允许 确保空中交通安全 012。通过合理调整空中交通活动
G"H 赵嶷飞 A 区域空中交通流量控制研究 GIHA 飞行力学， !>>! ， !> （ !） ： #J — J>A
图$ 拥塞控制窗口
第 !" 卷 第 # 期
王
超： 空中交通网络管理的概念与策略研究
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空中交通管理的时间尺度 时间尺度 对象 <3, 航空器 * 交通流 * 交通流 * 航空器 0 交通流 ’ 空域
./0 准入控制 B+&） 在确保空中交通网络的服务质量（ 和航
空器的安全间隔需求中，准入控制扮演着关键角 色。不仅在网络发生拥塞时要限制离场航空器放 行，而且为维护空中交通网络的运行稳定性也要 限制交通流的吞吐量， 使之维持在一个恰当的值。