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创新性安全中立时隙过载技术以提高空域容量利用率

期刊:9th SESAR Innovation Days

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:

主要作者及研究机构
该研究的主要作者为Sergio Ruiz、Hamid Kadour和Peter Choroba,他们均来自位于法国Bretigny-sur-Orge的Eurocontrol Experimental Centre(欧洲控制实验中心)。该研究发表于2019年12月2日至5日举行的第9届SESAR创新日会议,会议论文集的ISSN号为0770-1268。

学术背景
该研究的主要科学领域为空中交通流量与容量管理(Air Traffic Flow and Capacity Management, ATFCM)。研究的背景是当前欧洲空中交通管理系统(ATM)面临的高交通密度和容量限制问题,尤其是在空中交通管制员(ATCO)的认知负荷达到极限的情况下,容量利用率不足导致网络延迟增加,进而对航空用户(Airspace Users, AUs)的运营成本产生负面影响。
研究的目标是提出一种创新的技术——资源性槽位超载(Resourceful Overloading of Slots, ROS),通过优化计算机辅助槽位分配(Computer-Assisted Slot Allocation, CASA)系统,提高空域容量利用率,减少网络延迟及其对航空用户的影响。

研究流程
1. 研究设计与技术开发
- 研究提出了一种新的ATFCM技术——ROS,该技术基于现有的CASA系统中的槽位超载和补偿机制,通过创新的方式重新利用这些规则,以更有效地利用空域容量。
- ROS的核心思想是在CASA计算出的默认槽位序列中识别未使用的槽位,并在附近槽位中分配额外航班,从而减少未使用槽位的浪费。
- 研究还结合了另一种创新技术——相互规制的缓解(Mitigation of Interacting Regulations, MIR),该技术旨在减少因多个规制相互作用而产生的额外延迟。

  1. 模拟实验与验证

    • 研究使用Eurocontrol Experimental Centre开发的R-NEST工具进行快速时间模拟,验证ROS和MIR技术的效果。
    • 模拟场景基于2018年夏季28天的真实数据(即AIRAC周期1808),这些数据来自数字数据仓库(DDR2)。
    • 研究进行了两种模拟分析:一种是仅激活ROS机制,另一种是同时激活ROS和MIR机制,并将结果与基线CASA系统进行对比。
  2. 数据分析与结果评估

    • 研究通过比较网络延迟和延迟对航空用户的影响,评估ROS和MIR技术的优化潜力。
    • 主要性能指标包括每日平均延迟、延迟超过15分钟的航班数量以及未使用槽位的数量。

主要结果
1. 网络延迟优化
- 仅激活ROS机制时,每日平均延迟减少了23.4%。
- 仅激活MIR机制时,每日平均延迟减少了26.6%。
- 当ROS和MIR机制联合使用时,每日平均延迟减少了41%,在某些情况下延迟减少了近一半(47.3%)。

  1. 延迟影响优化
    • ROS和MIR机制分别减少了约13%的延迟航班数量。
    • MIR机制在延迟分布和影响方面表现更优,延迟超过15分钟的航班数量减少了42%,而ROS机制减少了27%。
    • ROS和MIR机制联合使用时,延迟超过15分钟的航班数量减少了55%。

结论
研究表明,ROS技术可以显著提高CASA系统的性能,减少网络延迟及其对航空用户的影响。通过优化槽位分配过程,ROS技术能够减少未使用槽位的浪费,提高空域容量利用率,同时保持安全性和公平性。此外,ROS与MIR技术的联合使用进一步增强了优化效果,为未来的ATM系统改进提供了重要参考。

研究亮点
1. 提出了创新的ROS技术,重新利用现有CASA系统的规则,显著提高了空域容量利用率。
2. 通过快速时间模拟验证了ROS和MIR技术的优化潜力,结果显示联合使用这两种技术可以大幅减少网络延迟。
3. 研究结果为未来的ATM系统改进提供了重要依据,具有较高的科学价值和实际应用价值。

其他有价值的内容
研究还探讨了ROS技术对ATCO工作负荷的影响,初步结论认为ROS技术是安全中性的,但需要进一步验证。未来的研究计划包括在NM系统中进行影子模式模拟和其他接近实际操作的验证,以进一步评估ROS和MIR技术的实际应用效果。

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