空中管型航路研究綜述*

葉博嘉 薛奧林 田 勇 萬莉莉 董云龍

(南京航空航天大學民航學院1) 南京 211106) (中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局2) 上海 200335)

0 引 言

隨著先進的通信、導航和監(jiān)視技術日臻成熟，全球空中交通管理(air traffic management，ATM)領域正醞釀著根本性的變革.先進的衛(wèi)星技術引領著空中航行系統(tǒng)由陸基通信、監(jiān)視和導航系統(tǒng)向星基通信、導航和監(jiān)視系統(tǒng)過渡，為ATM新概念的提出和完善提供了機遇與挑戰(zhàn)[1].管型航路是一種面向未來空中航行系統(tǒng)的新型空域，是由多股平行、近距航道構成的一種高空、高速“管道型”動態(tài)航路，可容納高密度交通流，并具有占據空域少，柔性可變和動態(tài)激活/關閉等新特征.航空器采用基于數據鏈的通信、基于性能的導航(performance based navigation，PBN)和廣播式自動相關監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B)等先進技術，在航路中實施基于航跡的運行(trajectory-based operations，TBO)和自主間隔管理，可有效突破當前最為棘手的管制員工作負荷瓶頸，并能降低空中交通復雜性，在保障航空運行安全的同時提升空域容量利用率.在突發(fā)性擁堵產生時，管型航路還能靈活的調整其空間位置和結構，動態(tài)激活或關閉，具備快速緩解空域擁堵、減少航班延誤和避讓危險區(qū)域的能力.

本文系統(tǒng)介紹了管型高密度柔性航路的研究背景和發(fā)展現狀；重點闡述了其運行概念、物理結構、運行模式、網絡布局和效能評估方面的關鍵技術和研究進展；歸納了管型航路下一步發(fā)展面臨的難題和挑戰(zhàn)，并提出了未來需重點拓展的研究方向.

1 管型航路運行概念研究

21世紀初，歐洲航行安全組織發(fā)布的技術報告表明，空中交通運行分布具有顯著的聚集特性，“自由飛行”概念并不適于提升未來空域運行效能，全球新航行系統(tǒng)的研究焦點重新轉向了基于航路的空域規(guī)劃與管理.一種新穎的“管型航路”運行概念被逐漸提出、建立和完善起來，并成為了歐美等航空發(fā)達國家下一代空中交通系統(tǒng)升級計劃的重要組成.管型航路的運行概念融合了動態(tài)超級扇區(qū)(dynamic airspace super sectors，DASS)、大容量管型扇區(qū)(high-volume tube-shape sectors，HTS)、空中高速路(freeways)、自主間隔走廊(self-separation corridors，SSC)和動態(tài)多軌航路(dynamic multi-track airway，DMA)等多種新型空域的原型概念.

DASS原型概念由美國喬治梅森大學的Alipio等[2-3]提出，是一種能“洞穿”現有管制空域的細長帶狀航路，見圖1，其運行概念涉及空域結構、運行需求、系統(tǒng)組成和網絡布局等，主要內容包括：DASS系統(tǒng)采用同向、單一高度層的設計和運行方式，與傳統(tǒng)扇區(qū)相互隔離，僅允許獲批準航空器進入；航空器需具備基于性能的通信、導航和監(jiān)視能力，實施自主間隔管理和沖突避讓；航路網絡可根據天氣和交通流變化動態(tài)調整，避讓惡劣天氣.DASS設計理念新穎，首次提出完全基于航路的空域設計和運行方案，打破了傳統(tǒng)基于扇區(qū)劃分和管制員指揮的管理方式，為提出管型航路概念奠定了良好基礎.

圖1 DASS結構

HTS原型概念由美國聯邦航空局(FAA)下屬CASTR實驗室的Yousefi等[4]提出，以緩解繁忙城市對之間的空中擁堵為主要目標，是一種可容納多股平行交通流的管道型空域，其運行概念涉及物理結構、航空器性能需求和網絡布局三方面，主要內容包括：HTS系統(tǒng)采用類似地面高速路的水平多股、平行結構來提升空域容量，設計專屬的出/入匝道、超越道和脫離道，并與傳統(tǒng)扇區(qū)相隔離運行；基于已有航路，構建多組可同時服務一個或多個繁忙機場的HTS網絡.HTS采用多股平行航路結構提升空域運行容量，初步設計了基于大型繁忙機場的網絡結構，為后續(xù)提出管型航路大容量、高密度的重要特征提供了嶄新思路.

Freeways原型是一種細長的長方體空域，其運行概念借鑒了HTS系統(tǒng)和“雙重空域”思想，包括物理結構和空間布局兩方面.在多股平行航路結構的基礎上，劃設出多個可選的飛行高度層，每次激活一個使用；設計出一種新型航路交叉結構，可實現與現有空域的交互運行；提出一種以距離環(huán)和交通流走向為依據的航路設計方法，以航路可服務的最大交通量為目標構建橫跨歐洲的新型空域系統(tǒng).Freeways系統(tǒng)在動態(tài)配置航路高度和復雜結構設計方面展開了全新的探索，為理清新型空域與現有扇區(qū)交互關系和新型管理機制提供了重要參考.

SSC原型[5]是一種雙股近距平行管道型航路，其運行概念以完善航空器自主間隔運行管理為主要目標.SSC系統(tǒng)提出通過基于時間的管理方式實現空航空公司運控中心、機組成員和管制員間的信息協(xié)調；采用尾隨間隔的方式實現航空器自主間隔管理，并在特殊情況發(fā)生時允許航空器自動退出.SSC系統(tǒng)為梳理高密度交通流和完善自主間隔管理特征提供了技術支撐.

DMA原型旨在不增加管制員工作負荷的情況下，大幅提升空域系統(tǒng)容量，是一種動態(tài)多層、多軌的新型航路.DMA改進了各類新型空域概念的核心內容，提出的運行概念包括：設計多層、多股、近距平行航路以容納高密度、大流量交通流；提出速度指定模式和速度獨立模式兩種航空器運行模式；根據每日的運行需要確定最優(yōu)的飛行航跡并避讓惡劣天氣.DMA系統(tǒng)融合了各種新型空域概念的成熟思想，并對各種特征進行了詳細分析，技術報告的發(fā)布標志著管型航路原型概念的基本成熟.

為保障美國航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，適應未來2～3倍于當前的交通增長量，美國國會授權成立聯合規(guī)劃和發(fā)展辦公室(JPDO)，展開了下一代航空運輸系統(tǒng)的升級計劃，并正式提出建立管型航路系統(tǒng)：一種狹長的可容納高密度交通流的輔助型航路，與傳統(tǒng)空域相隔離運行，使用先進的通信、導航和監(jiān)視等新技術，僅允許獲批準的航空器進入，其主要特征如下： ①可容納多股(平行)高密度交通流；②航空器在航路中實施自主間隔管理；③可根據天氣靈活改變形狀和位置并根據需要動態(tài)激活/關閉.

至此，管型航路的主要運行概念框架已正式確定，后續(xù)研究開始圍繞著管型航路的物理結構、運行模式、網絡布局和效能分析等方向不斷深入.

2 物理結構與運行模式研究

管型航路物理結構與運行模式研究旨在保障高密度交通流安全、有序高效的運行.以航道層次架構來區(qū)分，管型航路物理結構的研究可分為基于單層次和多層次航道的研究.航空器在管型航路中的運行模式研究則可劃分為速度指定模式和速度獨立模式.

2.1 基于單層次物理結構與運行模式

管型航路早期設計與研究以單層次物理結構為主，從水平方向拓展傳統(tǒng)航路，并設計相對應的運行模式.文獻[2]提出了一種由1股主航道和2股輔道組成的靜態(tài)單層、單向結構，總寬度為13 mile，高度為2 000 ft，見圖1.其中，航路中心為主航道，主航道兩側各1.5 mile為輔道.航空器通常在主航道運行，當后方航空器需超越前方航空器時，前方航空器需切入左側輔道，后方航空器切入右側輔道，并在超越完成后各自飛回主航道.航空器與外界空域保持5 mile的側向間隔和1 000 ft的垂直間隔，機動超越時兩航空器間保持3 mile的橫向間隔.在此單層結構和運行模式下，航空器運行效率提高，但航路容量絕對值的提升有限.

為進一步拓展管型航路容量，圖2為一種動態(tài)可擴展的單層次、雙向運行結構.該航路結構的橫截面為矩形，包括多股可擴展的航道，各股航道屬于等同關系.在內側航道(例如：L1航道)的右側，航路可根據需要不斷拓展航道；在內側航道左側，則部署反向運行的管型航路，不同方向航路之間需保持20～30 n mile的橫向間隔，以保障單層雙向結構的安全運行.該航路的進出口結構設計較為復雜：進口在航路運行下方，由多股平行于航路的進入道和單股垂直于進入道的連接道組成；出口在管型航路上方，由多股平行于航路的脫離道和單股垂直于航路的匯聚道組成.此動態(tài)結構可進一步擴充航路容量，然而空中交通運行復雜性也在明顯的增加.

在上述兩種具有代表性的單層次物理結構基礎上，文獻[6]則改進了單層、單向結構，提出一種近距離平行航道構建方式，即采用偏離原航路中心左右各1.5 n mile構建兩股完全相同的航道，航空器在兩股航道中各自運行，并自主保持安全間隔.Hoffman等[6]提出單層、單向四股航道平行結構，并為航空器設計了基于指定速度的平行編隊飛行和梯形編隊飛行方式，可增強航空器在管型航路中的態(tài)勢感知能力.Wang等[7-8]對單層、雙向結構匝口進行了設計，并對航空器在航路中的跟馳現象進行了研究和建模.Takeichi等[9-10]提出一種基于速度控制的分布式控制算法，改進了航空器在近距離平行航道中的運行細則.

總體來說，在單層結構中，管型航路容量利用率與傳統(tǒng)航路相比有了明顯提升，航道也具備動態(tài)擴展能力.然而，隨著航道數量增加和交通密度的持續(xù)增大時，同高度層中交通流的運行風險呈非線性快速增長.尤其是設計了逆向、交叉交通流的結構，在導航和監(jiān)視系統(tǒng)出現故障時，潛在風險非常大.

圖2 Freeway結構示意圖

2.2 基于多層次物理結構與運行模式

多層次物理結構的研究是在對管型航路特征充分認可的情況下展開，旨在全面完善和發(fā)展這種新穎的空域概念.文獻[8]提出了一種多層、多股、雙向結構，見圖3.在同高度層設置多股平行航道的基礎上，設計逆向航路與順向航路成對出現，但部署在相鄰的高度層以保障逆向運行的安全.航路可用飛行高度層設在FL300～FL390，并可根據需要激活使用2,4個或更多高度層，見圖4.

圖3 動態(tài)多軌航路結構

圖4 DMA高度層設計方案

在運行方面，該多層航路采用速度指定模式或速度獨立模式.速度指定模式是指各航道均有指定的速度，見圖5，航空器需根據其最佳巡航速度選擇速度相近的航道，并與前方航空器保持安全間隔等速飛行.各航道可以根據交通流混合比動態(tài)分配指定速度，以提升航路容量利用率.速度獨立運行模式是指將航道劃分為主航道和輔道，航空器可按最佳巡航速度在主航道運行，當其速度快于前方航空器時，可借助輔道完成超越.圖6為由2股主航道和3股輔道組成的速度獨立運行航道.多層、多股、雙向結構可有效提升空域容量及其利用率，并降低同層逆向交通流的潛在運行風險.然而，該結構占據了較大的物理空間，航路交叉時復雜度非常高，與機場終端區(qū)融合難度也較大，航路在遇到惡劣天氣時的靈活性也不夠.

圖5 指定速度運行模式

圖6 速度獨立DMA運行模式

Yousefi等[11]則結合區(qū)域導航的Q-航路設計了一種雙層、雙股、單向管型航路結構，見圖7.航路以雙層、同向的平行Q-航路作為基本結構單元.水平方向上，航道中心線間隔8 n mile，距航路邊緣4 n mile；垂直方向上，兩層航道間隔1 000 ft，距航路邊緣有300 ft緩沖.當兩條管型航路交叉時，航路交叉區(qū)域將產生結構變換，兩條航路分別向上、向下拓展，通過高度層變換保障了安全，又不占用額外的高度層，完成交叉后即可恢復原狀，見圖8.該結構占據物理空間小并具有較強的靈活性，在提升空域容量及其利用率的同時，有效的解決了管型航路交叉時產生的復雜度和運行風險問題，具有較好的應用前景.

圖7 基于Q-航路的管型航路結構

圖8 管型航路交叉結構及航空器運行

其它關于多層管型航路結構和運行模式的研究還包括：Guichard等[12]將管型航路部署在多個不連續(xù)高度層的多層結構，以避免高度層的顛簸，但進出管型航路時的復雜度較高.Xue等[13]使用三個相鄰高度層構建出兩個運行層和一個超越層的多層雙向可超越結構，當航空器需要超越時則上升/下降到中間高層運行，在超越完成后飛回原高度層，運行上具備良好的效率，但占據的高度層較多.Wing等[14]則針對航空器自主間隔管理和運行的規(guī)則、程序和系統(tǒng)需求展開了深入的研究和分析.總體來說，多層結構可保障管型航路運行安全性的前提下提升容量，卻以增加運行復雜度和降低航路靈活性為代價，如何能平衡好各項指標的關系應作為后續(xù)研究的關鍵問題.

3 管型航路網絡布局研究

管型航路網絡布局研究旨在確保在保障管型航路中航空器安全和高效運行時，充分滿足各地區(qū)的飛行需求.根據管型航路網絡設計視角的不同，現有研究主要可劃分為基于城市對飛行班次的網絡布局方法、基于機場群聚類的網絡布局方法和基于空中交通流密度聚類的網絡布局方法三大類.

3.1 基于城市對飛行班次的網絡布局方法

基于城市對飛行班次的網絡布局方法是最早提出的較直觀的布局方法.從分析城市對之間的航班飛行班次入手，選擇航班飛行需求較大的城市對航線為基礎，設計和優(yōu)化管型航路網絡.

文獻[11-12]對美國各城市對的單日飛行班次進行統(tǒng)計，首次提出在城市對飛行班次較大的機場之間設置管型網絡的布局方法.文獻[13]對美國本土1周航班飛行班次進行分析，表明高達33%的航班量在10%的城市對之間運行，由此提出以這些城市對間的航路為基礎，設計管型航路網絡.文獻[14]采用美國本土1年的飛行班次數據，以城市對距離和飛行班次為指標設計包括25條航路的管型航路網，見圖9.

圖9 基于25個城市對飛行班次的管型網絡

基于城市對飛行班次網絡布局方法的實質為對繁忙城市對的識別，易于理解，但所能服務的航班量較小，且先前研究中尚未對城市對間飛行班次的閾值進行分析，以確定覆蓋交通量與航路數目的平衡點，設計出高效的航路網.

3.2 基于機場群聚類的網絡布局方法

基于機場群聚類的網絡布局方法通過對繁忙機場進行聚類為機場群，并選取航路節(jié)點，設計管型航路網絡，以提升管型航路可服務的空域范圍和航班數量，圖10為基于機場聚類方法生成的符合中國空域結構的管型航路網絡.

圖10 中國地區(qū)基于25個機場群聚類中心的管型航路網絡

文獻[14]提出以歐洲各國的國際機場為中心，150海里為半徑劃設距離環(huán)，并以服務機場最多為目標，設計出可服務歐洲2/3以上國際航班的管型航路網絡.Sridhar等[15]提出選取美國交通量最大的250個機場，分別采用區(qū)域增長法和加權近似分類法對各機場進行聚類，以聚類中心為管型航路節(jié)點設計管型航路網絡，再結合狄洛尼三角剖分優(yōu)化設計管型網絡，研究表明當生成18個聚類中心時效果最好，兩種管型航路網絡可分別服務55.43%和99.05%的航班總量，航班直達服務率為17%.

Kotecha等[16]認為管型網絡的節(jié)點過多會造成航路交叉造成復雜性過大，基于Dijkstra算法簡化航路節(jié)點，以額外飛行距離、航路角度和進/出口點為約束條件，對初步管型航路網絡進行優(yōu)化調整.Sridhar等[17]基于網絡流成本的方法，對基于機場群聚類的管型網絡運行效率進行優(yōu)化.以管型航路利用率、額外飛行時間作為為關鍵的目標函數，采用CPLEX軟件求解所建立的混合整數規(guī)劃模型，優(yōu)化后的網絡在總長度減少約1/2的條件下，交通瞬間占用率提升了約2倍.王莉莉等[18]以中國機場吞吐量、度中心性和地域重要為考慮因素，提出一種基于Floyd算法和角度限制的網絡優(yōu)化設計方法.Colon等[19]從圖論的視角出發(fā)，提出一種基于Voronoi圖的管型網優(yōu)化方法，基于國際航空協(xié)會提供的東亞國際機場起降架次，構建的35條管型網絡可以服務67個機場間約82.8%的航班量.

基于機場群聚類的網絡布局方法有效提升了服務范圍，增大了網絡覆蓋交通量，但如何合理的選取初始機場數量，以及最優(yōu)的聚類數目成為該方法的關鍵問題，直接影響到最終網絡的規(guī)模大小，再者，該方法構建的網絡還是相對靜態(tài)，只是滿足了管型航路運行概念中的大容量特征.

3.3 基于空中交通密度聚類的網絡布局方法

基于交通密度聚類的網絡布局方法空中交通流進行分析和聚類，構建滿足空中交通實際運行需求的管型航路網路，設計良好的網絡還能與氣象信息相結合，實現管型航路網柔性的調整和動態(tài)激活與關閉.

Sheth等[20]提出一種基于航班密度的管型航路網設計方法，將美國本土空域劃分相同大小網格，統(tǒng)計網格中的航班數量并選取數量較大網格，將航班的起止機場進行分類，其后選取最繁忙的50個機場對作為起止節(jié)點，構建管型航路網絡.Xue等[21]提出了一種基于Hough變換的管型航路網絡布局方法.基于Hough方法對航空器的大圓航跡轉換為Hough空間中的點，通過網格聚類方法選擇Hough空間中密度最大的60個聚類中心構建管型航路網并基于遺傳算法對網絡進行優(yōu)化.

Yousefi等[22]提出了一種基于速度矢量的管型航路網絡優(yōu)化設計方法.將航空器歷史航跡離散化處理，并提出一種基于速度矢量距離的聚類方法，構建管型航路網絡.采用建立滑動窗口框架，對航路元素中的中心線的坐標，航道數、航路激活時間等進行動態(tài)計算，實時改變管型航路走向，有效避免惡劣天氣或利用高空風.Han等[23]對Xue的研究進行了改進，提出通過對航跡位置進行分類(國內/國際)，綜合考慮每條航跡的權重，采用層次分析法進行聚類劃分，以自由鏈接圖模擬特殊使用空域，構建了中國的無沖突管型航路網.

基于空中交通密度的網絡布局方法從航班實際航跡入手，能準確的識別空中交通的發(fā)展趨勢，定位空中交通擁堵時空點，可體現管型航路柔性和動態(tài)性的特征.由于管型航路的特殊性，現有研究尚未提出系統(tǒng)的管型航路網絡評價指標，應結合管型航路特性從效率、容量、經濟、安全、環(huán)保等方面對其展開研究.

4 管型航路運行效能分析

效能分析是管型航路研究的重要方向，其目標是客觀、準確地評估管型航路的關鍵運行特征，根據管型航路效能分析對象的不同，相關研究可劃分為單條管型航路效能分析和管型航路網絡效能分析.

4.1 單條管型航路效能分析

單條管型航路效能分析是指通過對單條管型航路的物理結構及航空器運行規(guī)則進行建模，采用人機環(huán)仿真或分析的方法度量管型航路的效能指標.現有研究主要從容量、風險和復雜度等方面展開.

管型航路容量是指單位時間內，航路可服務的最大航空器數量.Welch等[24]研究表明，航空器運行速度、飛行間隔和航道數量成為了決定管型航路容量的關鍵因素.在速度獨立模式下，文獻[14]指出，以3 min為航空器縱向間隔，包括五股航道的單層管型航路的最大容量應為100架次/h.文獻[18]以5 n mile距離為最小縱向間隔，分別指定單股航道的巡航速度為492，476，460，444和428 kn，評估得出包括五股航道的管型航路最大容量為460架次/h.在速度獨立模式下，準確評估航路容量較為困難.葉博嘉等[25]以雙股的近距平行Q-航路為基礎，結合航空器動力學模型和控制理論，提出一種可換道、超越的自主間隔管理的仿真模型，在以5 n mile為最小縱向間隔，管型航路最大容量為230架次/h.

管型航路風險是指航空器在管型航路中自主間隔管理時發(fā)生危險的概率.航空器在自主間隔管理下的運行風險主要通過人機環(huán)建模和蒙特卡洛仿真方法來研究.在管型航路中，文獻[17]以短期沖突告警和侵入告警次數為指標，研究表明管型航路與傳統(tǒng)扇區(qū)的風險水平近似，且構建管型航路也不會影響傳統(tǒng)扇區(qū)的運行.Ye等[26-27]提出一種面向管型航路的航空器自主間隔管理方式，當航空器之間預計小于最小安全間隔時，可執(zhí)行航道切換和航道脫離來避免風險.研究以航空器的換道概率和航道脫離概率為風險指標，通過蒙特卡洛仿真表明，管型航路的換道概率和航道脫離概率分別為0.31%和0.27%.Shortle等[28]采用分布式的間隔管控方法，基于動態(tài)事件樹和可靠性圖的方法，確定航空器的最終碰撞概率約為10-9次/h.Wang等[29]對管型航路的出入口運行及航空器在水平方向的匯聚進行了碰撞風險分析，表明當航空器地速為485 kn，航路中心水平間隔為13 n mile時，航空器滿足國際民航組織提出的5×10-9次/h橫向碰撞風險.

管型航路的復雜度主要是指航空器在管型航路中運行時的內在困難程度.文獻[29]以航空器沖突解脫次數為復雜度指標，建立了一條涵蓋3個高度層(頂端、底端的運行層和中間的超越層)的管型航路，設置了4股、8股和12股可選航道，對608架次航班進行仿真，實驗表明在設置管型航路后，航路階段復雜性降低了17.71%，但總體復雜度增加了9.14%.Bilimoria等[30]以動態(tài)密度為復雜性，建立一條由兩股平行航道組成的管型航路，可選飛行高度層包括FL310～F330，研究發(fā)現管型航路對現有空域的影響隨著高度層的增加呈非線性快速增長.張晨等[31]是采用基于連攜性的交通復雜性測度指標，建立了基本管型空域模型和增強型管型空域模型，研究配置管型航路的必要性，實驗結果表明，管型航路交通復雜性顯著優(yōu)于無約束空域結構的復雜性水平，非常適宜高密度交通區(qū)域的運行.

其他與效能相關的研究還包括：Chen等[32]提出一種基于交通流的規(guī)劃算法，設計出管型航路的位置、路徑和使用時間等，研究表明管型航路可以有效減少航空器的離場延誤和空中延誤.Nakamura等[33]基于實際飛行數據對管型航路中航空器的運行效率分析，研究通過測試不同航空器機型、重量、高度和速度來設計管型航路，研究表明管型航路可有效降低航空器飛行油耗并減少空中交通延誤.Chen等[34]對使用不同間隔標準下管型航路的運行效能進行了分析，研究采用仿真方法模擬了航空器在管型航路中的運行，并采用基于信息熵的多目標優(yōu)化算法評估管型航路的吞吐量、運行風險、排放和延誤.

4.2 管型航路網絡效能分析

管型航路網絡效能分析是指從多條或網絡的視角評估管型航路的效能.文獻[11-13]構建了11個飛行班次較大城市之間的管型航路網，并以服務航空器架次、管制員工作負荷、空域復雜性為指標，采用離散事件仿真方法對網絡進行評估，研究表明當航班量增加137%時，管制員工作負荷增加量為109%，而空域復雜性則減少了38%.文獻[28]分析了五種不同方法構建的管型航路網絡，以管型航路網絡瞬時占用率、交通總量占用率、航空器沖突次數、航路交叉角度和頻率5個指標對管型航路網絡進行效能分析，研究指出，良好設計的管型網絡內應具備高占用率和低沖突率，并能同時減少管型航路外的沖突次數.文獻[20]構建了包括13個城市和29條航路的管型網絡，提出以額外飛行距離與正常飛行距離比(ε)為指標進行分析，研究表明管型航路網的利用率隨ε的增加呈線性增長，當ε取0.4時網絡利用率可達到33%.文獻[23]基于FACET仿真平臺，研究管型航路網在緩解因惡劣天氣產生空中交通延誤時的效果.以天氣預測信息為動態(tài)約束條件，提出在8 h內構建15～27條管型航路網絡的方案，仿真實驗表明，當采用管型航路網絡疏導空中交通擁堵時，平均可以減少12%地面延誤，0.27%空中延誤和9.6%延誤成本.Homola等[35]采用“人機環(huán)”仿真的方法研究了管型航路網絡的潛在效益和可行性.研究聘請了13名退休管制員和7名飛行學員參與，采用高密度交通流和最大交通量進行壓力測試，將實驗場景劃分為無管型航路環(huán)境、管型航路專用環(huán)境和管型航路混用環(huán)境，實驗表明在管型航路專用環(huán)境中，當僅允許裝備了數據通信設備的航空器使用時，管型航路可獲得最大的吞吐量和最小的管制員工作負荷.

5 結 論

綜上所述，管型航路作為面向未來新航行系統(tǒng)的新型空域概念，其研究與發(fā)展方興未艾.管型航路可有效突破管制員工作負荷瓶頸，降低空中交通復雜性，提升空域容量，并能在保障空域安全的情況下快速緩解空中交通擁堵，是未來空中交通管理領域的革新的重點之一.未來關于管型航路的研究與發(fā)展，作者認為應重點關注以下方面：

1) 管型航路與機場終端區(qū)聯合運行模式研究 管型航路作為一種高空高速航路，具備超強的空中交通吞吐率.當高密度交通流達到達機場終端區(qū)時，必須安全、快速地落地才能充分發(fā)揮管型航路的最佳效能，而現有終端區(qū)結構和交通流運行模式尚無法支撐管型航路的應用.因此，管型航路與終端區(qū)聯合運行模式研究，應成為未來重點關注的方向.

2) 管型航路網柔性特征研究 現有管型航路網研究的本質是重構交通流的空間布局，在交通量密集區(qū)域構建管型航路以緩解運行壓力.然而，由于缺乏對動態(tài)氣象信息的融合，構建出的管型航路網無法充分發(fā)揮其靈活性的優(yōu)勢.因此，如何有效的融合歷史、實時和預測氣象信息以展現管型航路柔性特征，應成為未來研究優(yōu)先考慮的方向.

3) 管型航路的動態(tài)激活/關閉特征研究 管型航路的一個重要用途是快速緩解空中交通擁堵.然而，現有的研究缺乏對機場/航路關閉、惡劣天氣、流量管控等實時信息的建模與分析，在突發(fā)性擁堵產生時，無法有針對性和選擇性地激活/關閉管型航路，管型航路的運行成本和效益方面還有待提升和優(yōu)化.因此，如何靈活高效的使用管型航路應成為未來研究改進和發(fā)展的方向.