民航大蓝洞：出港航班时刻分析与优化

　　民航资源网2018年4月12日消息：最新出台的《民航航班时刻管理办法》将于2018年4月1日起正式实施，该办法将进一步提高航班时刻资源配置的公平和高效，促进民航航班运行的正常有序。航班时刻的管理和分配是在机场容量不足以满足需求时的一种管理拥堵的解决方案，其目的是规避拥堵带来的安全风险，并充分高效地利用机场基础设施，为最多的机场使用者实现利益最大化。航班时刻安排的合理性对于航班正常性有着重要影响。
　　从航班时刻的目的看，时刻安排应该与空域和机场的容量紧密相关，是保证航班流量在容量能力内平稳运行的手段。但目前的时刻安排更多的是从航班时刻总量上的控制，在较小的运行时间片内，时刻具体安排的合理性有待进一步的研究探索。在运行时间片内时刻安排过于集中将造成先天的航班延误。于此同时，部分运行时间片内还有未被利用的时刻资源，造成时刻资源浪费。较小时间片内不合理的时刻具体安排会与空域和机场的容量能力相违背，不仅难以实现安排航班时刻的目的，还会带来实际运行中更多的问题。
　　本文以南京禄口机场为例，对出港航班时刻安排的合理性进行分析，并基于放行能力限制给出时刻安排优化建议，希望在预战术或战略阶段为航班时刻优化带来实际有效的解决思路。
　　1 南京禄口机场概况
　　南京禄口机场是江苏省和南京市的门户，拥有两条平行跑道和两座航站楼，是中国大型国际门户和枢纽机场。2017年南京禄口机场起降航班209394架次，位列全国机场第11位，同比增长达到11.4%。不断增长的航班量需求对机场的运行提出更高的要求，作为先期管理的航班时刻安排也显得更为重要。
　　2 出港航班时刻执行偏差分析
　　2.1 概述
　　以2017年4月航班时刻安排和运行数据为样本，探究南京禄口机场出港航班时刻安排情况。由于4月份中每日的航班时刻安排基本一致，选取4月1日和4月8日两个周六的数据进行统计分析。南京禄口机场的主要运行时间段为6:00至23:59，出港航班走向根据航班目的地机场可以分为HFE、OF、CJ、ESBAG四个方向。

　　图1：南京禄口机场进离港方向示意图
　　2.1.1 正常运行环境下偏差分析
　　航班时刻安排均是以5分钟为间隔排布，因而本文以5分钟为最小时间片进行各项统计工作。统计4月1日5分钟时段出港航班时刻安排架次以及实际出港架次，结果如图2所示。4月1日6:00至23:59内，计划出港航班时刻共302架次，实际运行出港航班285架次，取消出港航班17架次。

　　图2：2017年4月1日出港航班时刻安排与实际运行情况
　　图2中看出，以5分钟为最小时间片的统计结果中，实际出港架次与先期时刻安排存在一定的偏差。整体上看，在时刻安排中，5分钟时间片内航班时刻数量的峰谷明显，高峰与低谷相差较大，明显突出的峰值数量较多。实际执行中虽然峰谷仍旧存在，但差距有所减小，并且明显突出的峰值只有早晚各一处。6:00-23:59内，216个5分钟时间片的出港航班时刻数量标准差为1.25，而在实际运行中216个5分钟时间片出港航班架次的标准差只有0.68。时刻安排中各个5分钟内的时刻数量差异较大，波动较大。经过实际运行的调整，各个5分钟内出港航班数量波动性明显降低，相较于计划时刻安排更加趋于平稳。
　　可见，原本的时刻安排中，5分钟内的时刻密度分布并不均匀，但差异的需求仍需落实到空中交通系统的供给能力，这种时刻安排在实际运行中并不能高效实现。时刻密度较大的时段必然会导致计划类延误，对后续时段和航班的波及影响不可避免，在需求无法改变的情况下，运行保障单位只能提前建立预案，削峰填谷，增强对恶劣运行条件的应急响应能力。
　　2.1.2 复杂运行环境下偏差分析
　　2017年4月8日运行期间，出现阵雨和大雨，运行环境较为复杂。出港航班时刻安排受到了外界天气因素的干扰。统计4月8日5分钟时间片内出港航班时刻安排架次以及实际出港架次，结果如图3所示。6:00-23:59内，计划出港航班时刻共301个，实际出港航班257架次，取消21架次，还有23个出港航班延误至4月9日凌晨0:00-05:00执飞。

　　图3：2017年4月8日出港航班时刻安排与实际运行情况
　　同样，以5分钟为时间片的统计结果中，实际出港架次与先期时刻安排依然存在偏差。与4月1日的情况对比，4月8日航班计划执行偏差更大，并且有23架航班延误至第二天。在5分钟时间片内时刻数量的波动性方面，6:00-23:59内216个5分钟时间片的出港航班时刻数量的标准差为1.26。而在实际运行中，216个5分钟时间片出港航班架次的标准差只有0.66。与4月1日的分析一致：先期航班时刻安排中，5分钟时间片的时刻数量差异较大，波动较大。经过实际运行的调整，各个5分钟出港航班数量波动性明显降低，相较于时刻安排更加趋于平稳。
　　可见，原本的时刻安排不仅在实际运行中不能高效实现，偏离计划，而且在受到外界扰动时，抗干扰能力较低。
　　2.2 出港航班“时段”放行能力限制
　　为了便于定量分析离港航班时刻安排的可执行能力，首先需要评估南京禄口机场5分钟时间片的放行能力，从而对比判断航班时刻在安排时是否已经超出了各时间片的放行能力限制。基于2017年4月的历史运行数据，统计实际运行中每天出港航班架次。4月份共30天，以6:00-23:59为主要运行时段，共计6480个5分钟时间片，5分钟内出港航班统计结果如图4所示。

　　图4：2017年4月5分钟出港航班架次统计
　　统计可知，约42%的5分钟时间片出港航班架次为1，占比最高。5分钟时间片内出港航班架次最高可到4架次，共出现13次，只占总数的0.2%。整体看来，4月份内99.8%的5分钟时间片的出港航班均不超过3架次。因此，本文将南京禄口机场4月份内出港航班5分钟时间片的放行能力暂时设置为3架次。
　　根据统计的放行能力，对比4月份每天出港航班5分钟时间片的时刻安排密集程度。以4月1日为例，时刻安排与放行能力对比结果如图5所示。

　　图5：出港航班时刻与放行能力对比分析
　　在4月1日出港航班时刻安排中，共有7个5分钟时间片的时刻数量超过放行能力，时刻安排数量均为4，属于时刻安排密集时段，具体包括的时段如表1所示。

　　表1：2017年4月1日出港航班时刻安排密集的5分钟时间片
　　因此，通过评估时间片的放行能力，可以初步判别各时间片时刻安排的合理性。
　　2.3 考虑出港方向的放行能力限制
　　在考虑空域对航班的放行能力限制时，除了整体考虑时间片的容纳能力外，还需要结合机场终端区所在环境，根据出港航班的放行方向，考虑航班时刻安排在各出港方向上的放行能力限制。根据南京禄口机场出港航班四个方向HFE、OF、CJ、ESBAG进行细化统计，仍旧以2017年4月1日的出港航班时刻安排为例。

　　图6：出港航班时刻各方向分布
　　HFE方向，航班时刻占据了时刻总数的58%，是南京禄口机场最为主要的离港方向；OF方向次之，占比26%；CJ方向和ESBAG方向上的时刻安排较少，分别为14%和2%。
　　对四个出港方向上的时刻安排进行具体分析，依旧以5分钟为最小时间片，统计各方向上出港航班时刻数量，如图7-图9所示。ESGAB方向上航班安排较少，且分布分散，不存在密集时刻，故没有具体统计。

　　图7：HFE方向出港航班时刻安排

　　图8：OF方向出港航班时刻安排

　　图9：CJ方向出港航班时刻安排
　　根据管制经验，同一出港方向上最小放行间隔为2分钟。即同一出港方向上5分钟内放行架次应不超过2架次。以此为标准，识别各方向上时刻安排是否超出放行限制。OF方向和CJ方向5分钟内时刻安排均不超过2架次，单从出港方向上看没有需要调整的时间片。HFE方向上，5分钟内时刻安排最多的是4架次，多个时段达到3架次。而另一方面，6:00-23:59内，HFE方向上还有45%的5分钟时间片没有时刻安排。
　　HFE方向集中了众多的需求量较大的目的地机场，航班时刻需求较大，但目前的时刻安排与单方向的放行能力存在一定的矛盾。如何兼顾经济效益和空域通行能力合理调配时刻，仍是一个需要重点解决的难题。
　　对上节出港航班时刻安排超出整体放行能力的7个5分钟时间片进行具体分析，列出其在四个方向上的出港航班数量占比，如表2所示。

　　表2：超出放行能力的5分钟时间片的出港航班方向分布
　　在这7个超出放行能力的5分钟时间片中，HFE方向航班占比为53.75%，是最为主要的方向。OF和CJ方向航班各占比21.43%，ESBAG方向占比较小，不足5%。根据上文的对单方向放行能力的分析，共有15:55-16:00和20:00-20:05两个5分钟时间片内航班在HFE方向的时刻数量超过了单方向的放行限制。
　　2.4 基于放行能力的出港航班时刻优化示例
　　对航班时刻超出放行能力的时间片进行合理调整，不仅需要基于机场整体放行能力，同时也应该充分考虑各出港方向的最大保障能力和安全限制。另一方面，出于经济效益和航班需求等多重要求，应尽量保障时刻变动幅度最小，从而降低影响。选取上节中4月1日内具有代表性的问题时间片，进行调整。
　　2.4.1 整体和单方向均超出放行能力限制的时刻优化
　　15:55-16:00时间片内共有4个出港航班，并且都是从HFE方向离开。这样的安排不仅超出了5分钟的整体放行能力，也超出了单方向的放行限制。以该时间片为基准，向最临近的前后5分钟时间片寻找可利用的空闲时刻。
　　根据表2统计，15:55-16:00内需要调整两个HFE走向的出港航班时刻。对临近时间片现有航班时刻走向分布统计如表3所示。只有一班可以提前5分钟，调整至15:50-15:55内，若同时调整两班至此，将超过HFE方向限制。如果调整至16:00-16:05时段，将超过HFE方向的放行限制。如果调整至15:45-15:50，将超出该时间片的整体放行能力。因而，另一班最近只能推后10分钟，调整至16:05-16:10。调整前后的时刻安排对比如图10所示。调整之后，航班时刻安排既没有超出整体放行能力限制，也平衡了出港方向的时刻分布，时刻安排得到了优化。

　　表3：临近时间片航班时刻原始安排走向分布

　　图10：15:45-16:05内航班时刻调整前后对比
　　2.4.2 只超出整体放行能力的时刻优化
　　以10:45-10:50和10:50-10:55为例，两个时间片内时刻数量均为4，超过了整体放行能力限制。但这两个时间片的时刻安排并没有超出各离港方向的放行限制。以该时间片为基准，向最临近的前后5分钟时间片寻找可以优化调整的空闲时刻资源。
　　观察表4中的统计结果，对于10:45-10:50，前后5分钟时间片内时刻安排数量分别是3和4，均已无法容纳更多时刻。因此，可以将HFE、OF、CJ任一方向上的一班航班提前10分钟至10:35-10:40时段；对于10:50-10:55，可以将HFE、OF、CJ任意一个方向上的一班航班推后5分钟调整至10:55-11:00。调整前后的时刻安排对比如图11所示，在可用时刻资源内，尽量在调整幅度最小的前提下实现了时刻优化。

　　表4：临近时间片航班时刻原始安排走向分布

　　图11：10:35-10:55内航班时刻调整前后对比
　　3 总结
　　本文通过对南京禄口机场2017年4月出港航班时刻安排的统计分析，初步得到以下分析结果：
　　1、在目前的出港航班时刻安排中，5分钟时间片内的出港航班数量波动较大，在实际运行中并不能够高效实现，并且其抗干扰能力较低。在经过实际运行后，5分钟时间片出港航班数量波动性较计划明显降低，安排更加趋于平稳。
　　2、基于4月份的运行数据，评估出单个时间片的放行能力，基于此可知4月出港航班时刻安排中部分时段的时刻数量已经超出了整体放行能力限制；同时，在南京禄口机场四个出港方向中，HFE方向时刻安排在部分时段已经超出了单个方向管制放行限制，应进行合理调整。
　　3、对航班时刻安排的调整应在同时考虑整体放行能力和各个出港方向限制的基础上进行削峰填谷，实现航班时刻安排的平稳实施。本文也以4月1日部分具有代表性的时间片为例，通过最小程度的时刻优化安排，调整了时刻分布，满足了空域容量限制。
　　随着民航局对航班正常性的管理日渐成熟，只重时刻不重品质的运行必然无法可持续发展。所以，如何将市场和运行环境兼顾，将部分价格敏感型顾客转移至较为空闲的时刻，从保障能力和出行需求两方面联合提升时刻安排的科学性和时刻利用的充分性，也是一个亟需解决的重要问题。
　　综上，提高出港航班时刻安排的合理性将有助于较少计划性的航班延误，避免时刻安排不合理时段的波及影响，同时也能减少管制员持续高负荷工作时间，降低安全风险。从机场角度来说，改善航班时刻安排的合理性也有助于机场综合安排保障资源，提高机场放行正常率，提升容量，给乘客带来更高质量的出行体验。目前，本文对于时间片的放行能力评估还较为简单，所用历史数据数量也不够完备，也没有考虑到目的地机场的时刻安排影响。但在考虑空域、机场等多方放行能力限制的前提下，优化航班时刻必然是未来的工作重点，相关方法也会得到进一步优化。
　　航班时刻分析优化建议调查问卷
　　民航大蓝洞
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