民航机场运行态势分析及优化关键技术是民航机场运行领域的研究重点，是推进民航交通体系完善的重要手段，对实现“交通强国”民航新篇章具有重大价值。
　　《民航机场运行态势分析及优化关键技术》是作者从事民航机场运行领域关键技术研宄以来，结合国内外民航业务发展和研究领域进展，经过近二十年的科研探索和工程应用撰写而成。《民航机场运行态势分析及优化关键技术》共分五章，第1章从介绍民航机场的定义与业务区域划分入手，详细分析民航机场运行态势分析及优化关键技术的研宄现状和重难点，阐述相关基本概念及组成。第2、3、4章分别以民航机场飞行区、航班保障区、航站区为研究对象，以探索该区域下运行态势分析及优化关键技术为重点，深入研讨各项技术的关键要素、模型构建以及实现方法。第5章讨论上述关键技术在民航机场信息系统工程建设中的落地应用以及向多个业务新模式的衍生发展。

目录
序
前言
第1章 民航机场运行态势分析及优化关键技术概述 1
1.1 民航机场运行态势分析及优化关键技术概念 1
1.2 民航机场运行态势分析及优化关键技术国内外研究趋势 3
1.2.1 国内外研究现状 3
1.2.2 研究重点与难点 4
1.3 民航机场运行态势分析与优化关键技术组成 5
1.3.1 民航机场运行态势理解关键技术 6
1.3.2 民航机场运行态势预测关键技术 7
1.3.3 民航机场运行态势优化关键技术 7
参考文献 9
第2章 民航机场运行态势理解关键技术 12
2.1 飞行区场面交通理解技术 13
2.1.1 过程机理建模技术 14
2.1.2 仿真模拟技术 31
2.2 飞行区航班保障理解技术 40
2.2.1 流程刻画与建模技术 41
2.2.2 节点因果推理技术 56
2.3 航站区运行保障理解技术 87
2.3.1 人数估计与行为检测技术 87
2.3.2 目标跟踪技术 105
2.4 本章小结 122
参考文献 122
第3章 民航机场运行态势预测关键技术 129
3.1 飞行区场面交通流预测技术 130
3.1.1 基于局部加权支持向量回归的滑行时间预测方法 130
3.1.2 基于机坪空间构型的滑行时间预测方法 140
3.2 飞行区航班保障预测技术 149
3.2.1 过程静态估计 150
3.2.2 过程动态预测 164
3.3 航站区运行保障预测技术 182
3.3.1 旅客分布规律辨识 182
3.3.2 旅客流量预测方法 196
3.4 本章小结 215
参考文献 216
第4章 民航机场运行态势优化关键技术 220
4.1 飞行区场面交通优化技术 221
4.1.1 滑行路径优化技术 221
4.1.2 资源分配优化技术 236
4.2 飞行区航班保障优化技术 252
4.2.1 资源分配优化技术 253
4.2.2 滑行策略优化技术 276
4.3 航站区运行保障优化技术 289
4.3.1 安检通道分配优化技术 289
4.3.2 机场巴士运行优化技术 294
4.4 本章小结 301
参考文献 302
第5章 民航机场运行态势分析及优化关键技术应用 305
5.1 民航机场运行态势分析与优化应用系统建设现状与趋势 305
5.2 机场协同决策系统 307
5.2.1 A-CDM基本概念 307
5.2.2 A-CDM应用情况 309
5.2.3 A-CDM建设方案 310
5.2.4 A-CDM应用成果 316
5.3 未来展望 321
5.3.1 综合交通与智能服务 323
5.3.2 机场三区全域协同 325
5.3.3 中小机场群空地一体化运行 328
5.3.4 全国多机场联合运行 330
5.4 本章小结 332
参考文献 332
全书总结 333

第1章民航机场运行态势分析及优化关键技术概述
　　1.1民航机场运行态势分析及优化关键技术概念
　　民航机场，也称民用机场，根据《中华人民共和国民用航空法》第六章定义，“本法所称民用机场，是指专供民用航空器起飞、降落、滑行、停放以及进行其他活动使用的划定区域，包括附属的建筑物、装置和设施[1]”。从空间上看，民航机场分为飞行区和航站区。飞行区指的是从航站区滴水檐到机场围界的用于航空器起飞、滑行和停靠的区域，具体包含飞行区跑道和滑行道，以及完成航班保障业务的机坪区域；航站区指的是旅客和货物航空运输业务的陆、空交换区域，是进港旅客换乘其他交通工具区域的统称，具体包含航站楼内的值机、安检、登机、行李提取业务区域，以及旅客完成交通换乘的机场巴士等待区、轨道交通换乘区、出租车等待区和私家车停车场等综合交通区域。具体区域划分情况如图1-1所示。
　　飞行区的业务流程包含航班降落跑道、滑行道滑行、停机坪的航班保障流程、航班推出滑行、跑道起飞。具体流程如图1-2所示。
　　航站区的业务流程分为离港业务流程和进港业务流程，离港业务流程主要包含值机、安检、登机，其中值机环节还包括针对旅客行李的办理托运服务；进港业务流程主要包含旅客行李的提取和换乘区的交通方式转换，具体如图1-3所示。
　　民航机场运行是指机场的日常运营和管理活动，包括但不限于航班调度、航空器地面服务、航空器运行监管、航空器停机坪操作、旅客和货物服务、航空安全措施、航空地面设施维护等m。民航机场运行态势分析及优化是从宏观和整体上描述民航机场运行的状况，刻画机场运行规律和发展的形势与状态[1]。运行态势分析及优化体现在航班保障、旅客保障以及核心资源利用三个方面。对于民航机场的管理者而言，提升服务水平和经济效益的先决条件是掌握民航机场的运行态势，进而根据民航机场运行的实际情况，评估当前运行状态，预测未来运行趋势，并以此为依据进行优化，实现对运行态势的调控。运行态势分析及优化关键技术就是指能够解决上述在机场运行中面临的问题，以及更好地进行机场各方信息交互与融合的方法与原理。
　　民航机场运行态势分析与优化关键技术是指利用各类方法和模型，对机场的运行状态进行全面评估、预测和调控的技术体系，以实现对机场运行态势的精确控制，从而提高机场运行效率。该技术体系包含运行态势理解、运行态势预测和运行态势优化三大核心技术：①运行态势理解关键技术主要通过过程机理建模与仿真等手段，解析机场不同业务区域当前的运行状态，如飞行区的场面交通状况、航班保障状况以及航站区的运行保障状况等；②运行态势预测关键技术在对当前运行状态进行理解的基础上，运用各类预测模型，预测未来一段时间内的运行态势，形成对机场未来运行趋势的判断；③运行态势优化关键技术则根据预测结果，采用智能算法等对机场的核心资源实施优化配置，并对管理策略进行调整，以提升机场的整体运行效率。这三大类技术相互衔接、相互促进，共同提升机场的运行管理水平。当前，这一技术体系正在成为推进“交通强国”民航新篇章战略、提升机场运行效率的重要手段，其理论和应用成果对推动民航事业发展具有重要意义。各类技术也在不断创新与发展，以适应机场日益复杂的运行环境。
　　1.2民航机场运行态势分析及优化关键技术国内外研宄趋势
　　1.2.1国内外研究现状
　　在民航机场运行态势分析及优化关键技术研宄方面，国外研宄起步较早，早在1995年，Endsley就明确提出将运行态势分析技术分为环境因素获取、理解和预测三个部分[3]，奠定了运行态势分析技术的理论基础。在此基础上，国外学者陆续开展了场面交通运行路径规划m等方面的优化技术研宄，初步构建了包含分析与优化的整体技术框架。随后，国内外研究者在完善和发展这一框架的过程中，持续开展对理解、预测与优化三大类关键技术的创新研宄，并取得了丰硕的研宄成果。
　　针对理解关键技术，国内外学者主要从场面交通运行、航班保障流程描述以及航站楼旅客识别三个角度开展研究。在场面交通运行方面，通过分析其运行过程的特点构建过程机理模型，并进行仿真分析的方式是目前的主要研宄热点。其中，过程机理模型构建技术集中在元胞自动机模型[5]、多智能体模型[6]以及二者的融合模型[7];在仿真技术中，普雷斯顿集团和澳大利亚民用航空局联合开发的全空域和机场模型(total airspace & airport modeller，TAAM)[8]是主要的机场场面交通仿真模型。在航班保障流程描述方面，我们使用佩特里(Petri)网[9]和贝叶斯网络[1()]刻画航班保障流程。在航站楼旅客识别方面，基于视频分析的旅客识别技术是当前国内外的研宄热点。其中，深度卷积神经网络是目前主要的技术手段。[11]提出的双流膨胀3D卷积神经网络(two-stream inflated three dimensions convolutional neural network，I3D)模型是该领域的旅客人数**识别模型，在遮挡和光照较暗的条件下表现良好，国内学者刘天亮等[12]在网络流架构中融入了双重时空特征，通过时间流网络来实现光流的运动目标识别。
　　针对预测关键技术，国内外研究主要围绕场面交通的离港滑行时间预测、航班保障时间预测、离港旅客流量预测展开。在离港滑行时间预测方面，当前的研宄方向集中在基于特征分析的多元线性回归方法[13]和支持向量机方法上[14]。一孤等[15]从滑行道结构的角度出发，在预测滑行时间上加入了滑行转弯角度与距离，利用多元线性回归方法取得了准确度较高的预测效果。冯霞和孟金双[16]使用计算起飞时间前后的15min内的进离港飞机数量作为特征之一，采用支持向量机方法实现滑行时间预测。在航班保障时间预测方面，其包含围绕航班保障计划流程进行随机模拟的静态预测方法，以及考虑保障流程实时变化过程的动态预测方法。Wu和Cawes[17]及邢志伟等[18]均使用蒙特卡罗方法对航班保障流程进行随机静态模拟，预测保障完成时间。丁建立等[19]在历史数据上用对航班过站时间影响较大的几个特征进行贝叶斯网络参数学习，以获得不同情况下过站时间的预测结果。在离港旅客流量预测方面，国内外研宄围绕离港旅客的到达模型展开研宄，并以此为基础预测离港航班计划牵引下的旅客流量。陆迅等[2G]基于Service Model仿真软件建立了航站楼离港旅客流程仿真，通过离港航班计划驱动，建立到达模型。Suryani等[21]通过建立系统动力学框架模型预测旅客流量，采用系统动力学的物理特性与信息反馈提高预测精度。
　　针对优化关键技术，国内外研宄重点关注飞行区场面交通滑行路径优化、机位分配优化和航站优化。在飞行区场面交通滑行路径优化方面和机位分配优化方面，国外学者从滑行路径冲突[22]、滑行时间优化[23]角度进行研宄，国内研究则较多地偏向滑行路径选择模型的求解，求解算法主要包括背压路由算法[24]、遗传算法[25]以及Floyd算法[26]等；机位分配方面，国内外多数采用以不同满足目标为目标函数，利用启发式算法在可行域内求解的方法。在航站区优化方面，国内外学者将研宄重点集中在基于值机和安检旅客到达模型的资源优化上。Park和于旅客到达机场行为建立值机柜台指派优化模型。Parlar和Sharafali[31]建立了多值机柜台排队模型以及随机动态规划模型，可指定在某一时间窗口下应该开放的值机柜台数量。刘长有等[32]采用排队论研宄旅客到达模式对值机服务的影响。
　　1.2.2研究重点与难点
　　根据当前国内外在运行态势分析与优化关键技术研宄中取得的成果与存在的不足，我们可以看出下一步的研宄重点和难点主要集中在以下三个方面。
　　**，在运行态势理解技术方面，在场面交通运行上，该技术的研宄重点在于进一步提高过程机理建模和仿真技术对场面交通复杂变化规则的适应能力，使其能够基于航班实时状态变化实现对交通规则的自主调整，准确表达场面交通的业务逻辑；在航班保障流程描述上，重点不仅在于考虑保障流程的静态计划模式，还要充分加入保障节点可能发生的各类动态变化情况，描绘保障流程的动态演变；在航站楼旅客识别上，重点是要提高基于视频分析的检测技术在严重遮挡和光照较弱的复杂环境下的目标检测精度和泛化能力。这些研究重点全面体现了运行态势理解关键技术对准确获取机场各类业务当前状态的能力需求。
　　第二，在运行态势预测关键技术方面，关键在于影响预测值的特征选取，以及旅客分布到达规律的构建。场面交通离港滑行时间预测的影响因素是滑行道的结构以及机位和跑道的距离。航班保障过程不仅要考虑航班计划流程的执行顺序，还要引入特种车辆到位情况对保障过程的扰动。离港旅客流量预测难点是分布规律的构建，采用泊松、高斯和出行动力学模型会对预测结果造成较大影响。
　　第三，在运行态势优化关键技术方面，关键在于不同优化目标的选择，以及楼内业务区域排队模型的构建。滑行路径优化和机位优化在方法上趋于一致，多数选择启发式算法求解，但在目标函数的构建方面存在差异。航班保障过程的资源和推出策略优化的关键同样在于不同研宄者的侧重点。例如，安检通道调整策略的难点在于排队模型的选择，不同的排队模型对旅客通关时间的影响存在差异，导致开闭策略的不同。
　　1.3民航机场运行态势分析与优化关键技术组成
　　民航机场运行态势分析及优化关键技术是民航机场运行中评估当前运行状态、预测未来运行趋势和调控运行态势的方法与原理。因此，民航机场运行态势分析与优化关键技术分为三类：**类是分析和研判民航机场的实时状态，明确民航机场运行现状的运行态势理解关键技术；第二类是在理解机场运行态势的基础上，对机场未来一段时间内运行状态与趋势进行提前研判的运行态势预测关键技术；第三类是根据预测技术的结果，对民航机场核心资源与管控策略进行全局调整的运行态势优化关键技术。三类关键技术的关系如图1-4所示。
　　1.3.1民航机场运行态势理解关键技术
　　考虑到运行态势理解关键技术主要体现在机场两大业务区域的三个典型场景应用中，所以民航机场运行态势理解关键技术分为飞行区场面交通理解技术、飞行区航班保障理解技术、航站区运行保障理解技术。
　　对于飞行区场面交通而言，从区域划分上包含场面运行和机位运行，场面运行指的是航班在进离港过程中要经历降落跑道、进港滑行、机位停靠、放行推出、离港滑行以及跑道起飞的过程；机位运行指的是航班停靠机位后，完成上轮挡、开舱门、加油、客舱清洁、撤轮挡等二十多项业务环节的航班保障地面服务过程。由于存在上述复杂性，对于分析飞行区场面交通现状而言，梳理进离港场面运行过程的业务机理模型，并且通过仿真技术模拟场面运行验证机理模型是必要的研宂思路。因此，飞行区场面交通理解技术的两大核心是上述过程中的过程机理建模技术与仿真模拟技术。飞行区场面交通的业务问题包括场面交通运行和航班推出滑行，场面交通运行主要指航班进入滑行道到停靠机位的过程；航班推出滑行主要指完成航班保障流程，在机位推出，通过滑行道滑行至跑道的过程。在实际运行过程中，航班进港时间往往与计划时间产生差异，造成机位分配需要重新调整的情况。然而，随着航班量的不断增加，民航机场的航班机位变更，造成民航机场机位分配模型低效，因此航班与机位之间的信息关联逐渐受到民航机场管理者和研宄者的重视。可见，过程机理建模可拆解为场面运行过程机理建模和机位运行过程机理建模。仿真技术主要用于直观呈现场面交通的复杂运行流程，并验证过程机理模型的准确性。因此，仿真技术在飞行区场面交通的研宄背景下，可分为针对整体飞行区运行的场面运行仿真和以提高飞行区运行放行准点率为标准验证机位运行过程机理建模有效性的航班推出滑行仿真。
　　航班保障过程包含旅客、飞行器、行李货邮等三大作业保障流程，包括从上轮挡开始到廊桥对接、开舱门、配餐、加油、客舱清洁、关货舱门等19个业务环节，同时还涉及民航机场、空管、航空公司、地服公司四方参与者的协同工作，这就要求航班保障过程需要在