第1章绪论
空中交通管理( air traffic management，ATM)的任务是：有效地维护和促进空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通。空中交通管理包括空中交通服务、空中交通流量管理和空域管理。空域规划设计是空域管理中的一项重要工作。在研究空域规划设计之前，有必要明确空域的基本概念和属性，了解空域规划理论的研究现状。
1.1空域基本概念和属性
空域是实现空中交通的物理空间，是空中交通服务提供者向空域用户提供服务的场所。终端空域是描述环绕某个机场提供空中交通服务空域。终端空域交通系统是航空器起飞进入航路或者从航路进港飞行的一个过渡空域系统，该系统由标准进离场航线、进近程序、进离场移交点、等待航线和塔台管制区组成，其中进近程序包括起始进近航线、中间进近航线、最后进近航线和复飞程序。进场的飞机从进场移交点开始按照标准仪表进场航线和进近程序飞向最后进近定位点，然后落地（或者复飞），离场的飞机按照标准仪表离场程序，爬升到规定高度从离场移交点离开终端空域加入航路飞行。
尽管空域是人们对地面以上三维空间的一种划分，但是随着人们对航空活动认识的深入以及空中交通服务的不断改善，空域被赋予了更加幸富的属性，可以归纳为以下五点。
(1)空域的资源属性：空域是国家的公共资源，具有稀缺性，可满足国防、运输和科技活动的利益需求，这种资源的优化配置应当保证各类空域用户的整体需求最大。
(2)空域的主权属性：空域的权属关系从法律上进行了规定，国际民航组织公约规定，各国对其领土上空享有主权，这决定了各个国家对于管辖空域具有占有、使用、收益和最终支配权。
(3)空域的时间和空间属性：任何飞行活动必然存在对于空域的时间和空间的占有，这种占有一方面具有可再生性，即空域释放后，其他用户可正常使用：另一方面，具有独占性，形成不同用户对于同一时空下空域资源的竞争，需要通过灵活使用空域等手段科学配置空域资源。
(4)空域的服务属性：为保障空域安全有序地运行，一方面需要在地面、航空器或卫星配备通信、导航和监视设备；另一方面需要空中交通管理部门提供相应空域的飞行情报、空中交通管制等空中交通服务。
(5)空域的运行限制属性：出于政治、经济、军事、安全以及空中交通服务等方面的需要，在设置空域的时候通常还要对将在其中运行的飞行活动附加一些限制条件，如飞行规则、机载设备、飞行方向等。
1.2研究的意义和必要性
随着经济的迅速发展，民用航空业进入了飞速发展时期，航空运输业持续高速发展为世界经济发展做出了重要的贡献，同时也使某些空域面临着越来越严峻的饱和和拥堵态势。有限空域资源与交通需求之间的矛盾日益突出，造成大量航班延误，带来巨额经济损失，也增加了航空运输系统不安全事件的隐患。据预测到2025年欧美航空运输量可达到目前的2~3倍，由此可见，提升航空运输系统的容量迫在眉睫。欧洲的SESAR(Single European Sky ATM Research)项目和美国的NGATS (Next Generation Air transportation System)顼目都提出在未来10~15年建立至少能容纳当前空中交通量3倍的航空运输系统，其中空中交通资源的科学设计和有效管理是一个重要方面。我国于2007年完成了《中国民航新一代空中交通管理系统发展总体框架》的制定，并将其列为重要研究议题。因此，空域资源的有效配置和科学规划设计成为空中交通管理研究的重要议题之一。
根据国际民航组织文件对终端管制区的定义，终端管制区是指设在一个或几个主要机场附近的空中交通服务航路汇合处的管制区。终端空域是描述环绕某个机场提供空中交通服务空域，包括终端管制区、管制区域、管制地带、特殊规则应用地带和机场交通地带等空域。终端空域是整个空中交通系统中一个复杂的子系统，所有航路飞行的飞机由航路通过终端空域人口之一脱离航路，并融合到进场航线飞行，最后通过不同的进近航线飞向跑道降落。该空域具有航路结构复杂，空域资源有限，飞行流量和管制难度较大的特点，是整个空域容量提升的瓶颈。同时，我国空中交通管制员队伍薄弱，部分管制员超负荷工作，考虑到终端空域复杂的空中交通运行环境，这些都直接影响到飞行安全和航空运输业酌效益。因此，如何有效利用终端空域和管制资源成为空域规划研究者和管理者面临的紧迫问题。
终端空域扇区优化设计作为空域规划理论的重要组成部分，是解决空域和管制资源有效配置的一种重要理论和方法。根据国际民航组织对于管制扇区的定义，管制扇区（以下简称扇区）是指各个国家的空域规划部门将管制空域参照国际民航组织的相关文件划分基本管制单位，每个扇区对应设立一个管制席位，对于所辖空域提供空中交通管理服务，以保障飞行安全和有序。国际民航组织的空域扇区规划文件大多是各个成员国空域扇区规划经验的总结，多采用定性分析的方法，缺乏建立在严格数学模型基础上的定量分析。在这种相对粗犷的方法的指导下，我国的一些终端空域管制员工作负荷存在不均衡的现象。一部分扇区的管制员工作负荷较小，工作强度较小，设备的利用率和管制员的工作效率较低，而另外一些扇区的管制员工作负荷超出了管制员所能承受的程度，对飞行安全产生了不利影响。仅通过这种定性的空域扇区规划工作，易造成不同扇区在不同时段的管制员工作负荷不均衡的情况，进而降低空域的利用率和安全性。终端空域扇区优化设计理论和方法，可以提高我国民航管理部门对终端空域空中交通的安全水平，舍理分配和使用管制资源和空域资源。
终端空域的交通预测和容量预测是开展空域规划设计的前提和基础。而对空域设计方案的评价，特别是定量的科学评价，又是获取合理空域规划方案的重要手段。两者都是终端空域规划理论不可或缺的重要组成部分。终端空域是空中交通最密集的复杂系统，空中交通流量和空域容量的准确预测以及终端空域规划方案合理科学的评价，都是终端空域规划理论研究中值得探讨和亟待解决的重要问题。
终端空域容量预测是实施空中交通资源有效管理与合理配置的一项关键技术。目前，众多地区为适应交通需求增长新建和扩建机场，如何准确预测终端空域容量是民航规划和建设部门亟待解决的首要问题。终端空域容量是指在一定的系统结构、管制规则和安全等级下，考虑可变因素（人为因素、天气因素等）的影响，在单位时间内所提供或能提供服务的航空器架次。终端空域由若干管制扇区构成，扇区是空中交通管制的最小业务单位，通过分析扇区的管制员工作负荷水平来确定空域运行容量，这已经得到业界的公认。同时，由于受复杂天气的影响，终端空域容量并非定值。据美国联邦航空局调查，美国国家空域系统由于天气原因导致的航班延误是非天气原因导致延误的2倍，65%—75%的超过15分钟的航班延误是天气原因直接导致的，天气是影响终端空域容量的主要因素。复杂天气下对终端空域容量的准确预测一直是空中交通管理的难题。因此，复杂天气下的终端空域动态容量预测研究对于高效使用空域资源、管制资源和科学实施终端空域的规划设计和空中交通流量管理，最终实现终端空域空中交通安全、有序和高效运行具有重要意义。
本书在国家白然科学基金委员会——中国民航局民航联合研究基金“面向空中交通资源管控的复杂天气下终端空域动态容量预测及仿真研究”( No:U12331)和“终端空域规划若干关键问题研究”(No:60979018)的资助下，在空域容量和空域安全性等空域性能指标的约束下，通过借鉴公路交通规划理论、人类动力学理论、数据挖掘方法和交通仿真技术等，建立终端空域规划相关理论方法和规划评价方法。通过本书的研究，探索符合我国国情的终端空域规划及评估的理论和方法。
1.3终端空域规划理论研究回顾
终端空域是整个空中交通的枢纽，具有航线和机场分布密集，交通复杂程度较高，对管制指挥的安全性要求较高等特点。依照交通运输规划设计的普遍规律，本书着重围绕终端空域的规划提出了如下四方面问题，即空中交通预测、终端空域扇区容量预测、空域扇区规划方法和空域规划后评估依次讨论和研究。在俞绍上述四个问题之前，需要了解国内外新一代空中交通管理系统中空域规划和管理方面的研究进展。
1.3.1国内外新一代空中交通管理系统中空域规划和管理进展
经济的快速发展为航空运输业提供了良好的发展机遇。预测显示，到2025年，美国对航空运输的需求将增长到现有水平的3倍，而欧洲到2020年对航空运输的需求也将翻倍。我国在过去短短十几年时间，航空运输发展以15%增长，2006年我国航空运输总周转量位居世界第二位，已经成为民航大国。为适应航空业发展的需要，欧美等国家和地区先后提出了SESAR项目和NGATS项目，通过运用空管新技术，实现空中交通的安全性和容量需求。我国也于2007年提出了建设中国民航新一代空中交通管理系统‘纠。在空中交通新技术的引领下，空域规划和容量管理成为其中一项重要的研究内容。
1．美国的下一代空中交通管理系统
美国为了建设一个更加安全、高效的国家空管系统，满足2003~2013年航空运输的容量需求，于1999年1月提出了美国国家空域系统规划。该规划提出将在完善现有空管结构和体制的基础上，大力加强卫星导航、地空数据通信和综合监视等新航行系统技术。该规划还强调航空公司、军民航空管和机场等部门的信息共享和飞行协同决策，在保证飞行安全的同时，增加空域容量，提高空域使用效率。随后，在2002年美国联邦航空局发布了国家空域系统运行发展计划( operational evolution plan，OEP)。OEP在现有空管系统结构下，采用新的通信、导航和监视技术，实现飞行的精确跟踪和定位，采用更加智能的辅助决策系统，综合考虑航行情报、气象等多方面因素，实现对空域资源的优化配置和国家空域系统的重新设计；采用新的管制程序，增加机场及航路的飞行容量，保证飞机安全飞行。OEP更加强调信息共享、协同决策(collaborative decision making，CDM)等技术特征。2005年，美国推出了NGA工S计划。该系统是一个全球性的复杂系统，关系到公众和若干（国有和私有）利益关系方，这个系统包括国家防御、国土保安、空中交通管理、商业和通用航空经营者及机场，涉及旅客、货物和军事飞行以及休闭飞行。NGATS将把用于国家防御与民用飞行的能力整合在一起，为民用、军事使用者提供服务，使航空旅行更加有效率和效益，更加安全。
在空域规划和容量管理方面，该系统提出协同运行的概念，目的是平衡飞行运营人的目标与空域整体性能，并实现容量管理、应急流量管理和航迹管理。其中，容量管理可以从飞行的几年前开始，并持续到飞行运行的当天。它包含长期管理和短期管理，配置现有的空域，也配置空域相关资源并协调长期的员排班计划。长期容量管理通常需要数月乃至数年，包括开发新程序、设计空域、研究开发运用新技术、评估并减轻环境因素影响、分析安全和保安，以及与厂商、飞行运营人和其他利益相关方的合作等。短期容量管理通过配置人员、空域结构、基于性能的服务等资源提升容量。
2．欧洲的单一天空计划
欧洲针对目前各国空域划分过小的问题，于1999年启动了“欧洲单一天空”的运行概念，先后得到了欧盟委员会、理事会和议会的批准，并于2004年4月进入立法阶段。其目标是消除不连续的空中交通管理，提高空中交通管理的控制能力及决策能力，适应欧洲航空运输业的发展。到2020年，SESAR项目将实现以星基为基础，一体化的通信、导航、监视，通过毽立通用数据交换网络，伽利略导航卫星系统、雷达联网和自动相关监视系统，实现对欧洲高空空域的统一协调指挥，以最大限度地提高空域安全、容量和效率，同时明确了对环境的保护和社会效益的体现，对公众服务的正常和舒适性要求。该系统提出了具体运行目标：当前容量3倍的容量，安全性能提高10倍，每次飞行对环境的冲击减少10%，以及减少一半的空管成本。
欧洲单一天空计划所采取的许多行动都涉及空域的组织结构规划和使用问题。因此，欧盟委员会建立了欧洲高空飞行情报区、功能空域区块、空域分类、空域设计（航路和扇区）、灵活使用空域、空中交通流量管理等六方面规则，力争获得国际民航组织的支持，并在规则制定上确保与国际民航组织的框架保持一致。在空
展开
