空中交通復雜性研究進展

王紅勇，張加豪，溫瑞英

（中國民航大學 空中交通管理學院，天津 300300）

0 引言

隨著航空運輸的快速發展，民航飛行流量大幅度增加，空中交通日益繁忙、復雜。傳統空中交通管理（Air Traffic Management，簡稱ATM）手段與復雜空中交通態勢之間的矛盾越發明顯，不僅嚴重影響了航空運輸系統運行效率，同時也會導致重大安全隱患。為此，空中交通管理部門必須科學評價并提升空中交通服務能力，以保障空中交通的安全和高效。

空中交通管理的任務是維護和促進空中交通安全，維護空中交通秩序，保障空中交通暢通，從時間尺度上主要通過空中交通流量管理和空中交通管制服務來實施交通調配?？罩薪煌髁抗芾硗ㄟ^規劃航班起飛時刻、進區域時刻等，從宏觀、戰略角度保證航班流量與相應容量的平衡，但無法針對具有相同流量而不同微觀結構的空中交通態勢實施不同的管理策略?？罩薪煌ü苤品談t側重于兩架航空器間的間隔保持、沖突解脫等戰術調配行為，缺乏從宏觀上考慮空中交通態勢的演進狀況，易出現沖突鏈式反應。為此，國內外研究者引入了復雜性的概念，從管制工作負荷、航空器間影響關系的無序性等多個方面刻畫空中交通態勢?；诳罩薪煌◤碗s性，針對部分航班實施航跡調整，可以引導、控制復雜交通現象問題，有效減少沖突鏈式反應以及由之帶來的工作負荷。

雖然空中交通復雜性的研究成果很多，但其定義以及與工作負荷、安全等之間的相互關系依然沒有形成共識，其研究框架及未來發展趨勢并不明確。為此，本文首先介紹了現有空中交通復雜性的研究團隊，在厘清了空中交通復雜性與管制工作負荷、空中交通復雜性與空中交通安全之間的聯系與區別后，總結了空中交通復雜性的不同研究類別。其次，從研究思路角度，將現有空中交通復雜性研究歸納為基于管制認知觀、基于幾何結構觀、基于復雜系統觀的三種技術路線，并總結分析了不同技術路線的主要內容以及優缺點。最后，通過新一代空中交通管理系統特征的分析，提出了空中交通復雜性管理在戰略、戰術階段的基本內涵，并在此基礎上，從復雜性定義、研究對象、研究內容、理論體系等方面指出了空中交通復雜性研究的未來發展方向。

1 研究團隊

首篇空中交通復雜性研究論文發表于1963年，但自1976年基于“Control Difficulty Index”提出較為完整的空中交通復雜性概念后，才成為空管領域的研究熱點。美國、歐洲都將其作為基礎性研究列入到新一代航空運輸系統建設規劃中，在國際民航組織發布的航空系統組塊升級計劃中也明確將基于復雜性的空中交通管理列入最優容量及靈活飛行引線的第3個組塊中。

為綜合分析空中交通復雜性在國內外的研究概況，本文選取了Web of Science（WOS）和中國知網（CNKI）兩個數據庫為數據源，檢索時間設定為2021年9月30日。在WOS數據庫中以“Air Traffic Complexity”“Airspace Complexity”為主題詞檢索到自1996年以來25年間的563篇文獻，涉及1 028個研究機構中的2 146名作者。在CNKI數據庫中以“空中交通復雜性”“空域復雜性”為主題詞檢索到自2003年以來18年間的153篇文獻，涉及212個研究機構中的404名作者。

圖1 WOS數據庫中研究論文作者合作網絡Fig.1 Author cooperation network in WOS

圖2 CNKI數據庫中研究論文作者合作網絡Fig.2 Author cooperation network in CNKI

采用SATI文獻題錄信息統計分析工具對空中交通復雜性研究團隊的合作關系進行分析，WOS和CNKI數據庫的分析結果分別如圖3～圖4所示，可以看出：在WOS中文獻數量排名前五的機構有南京航空航天大學、佐治亞理工學院、NASA、中國民航大學、MIT，發文數量都在10篇以上；在CNKI中收錄論文數量排名前五的機構有中國民航大學、南京航空航天大學、中國民用航空飛行學院、北京航空航天大學、空軍工程大學，發文數量都在6篇以上。

圖3 WOS數據庫中研究論文機構合作網絡Fig.3 Institution cooperation network in WOS

圖4 CNKI數據庫中研究論文機構合作網絡Fig.4 Institution cooperation network in CNKI

2 復雜性和工作負荷

諸多研究表明空中交通復雜性和管制員工作負荷之間存在密不可分的相互聯系。從研究目標看，空中交通復雜性研究的最初目標就是為了客觀描述空域扇區容量，而管制員工作負荷是扇區容量最為直接的體現。目前基于管制員工作負荷的容量評估方法依然是空域容量的四種主要方法之一。因此，空中交通復雜性對空域扇區容量的客觀評價無法脫離于空中交通管制員的管制難度、工作量大小的評價。從研究方法看，空中交通復雜性影響因子大多來源于管制員指揮過程的觀察、管制工作負荷的變化等，例如爬升航空器數量、下降航空器數量、平飛航空器數量、交通混合系數等指標，來自于相同航空器數量帶來不同管制工作負荷這一基本出發點。同時，對管制工作負荷的研究也需要考慮空中交通復雜性的影響，通常需要對具有不同復雜程度的空中交通場景下的管制工作負荷進行對比分析。但從本質來看，空中交通復雜性與管制工作負荷之間并非直接相連的線性關系。

空中交通復雜性與工作負荷的關系如圖5所示，空中交通復雜性是對管制員所面臨空中交通模式、空域結構、運行環境的客觀描述，是管制員工作負荷的根本性驅動源。

圖5 空中交通復雜性與工作負荷的關系Fig.5 Relationship between complexity and workload

一方面，受設備質量、管制員個體差異、認知策略等“中間因素”的影響，同等復雜程度的空中交通態勢也可能產生具有較大差異的管制工作負荷。為反映不同認知策略對管制工作負荷的影響，J.M.Histon等提出了認知復雜性的概念，將其定義為管制員對空中交通態勢的認知難度，并從標準交通流、關鍵點、分組、責任移交等四個方面抽象了可縮減復雜性的典型管制認知策略，為從結構模式角度研究管制認知復雜性奠定了基礎，如圖6所示。

圖6 基于結構的抽象模式［10］Fig.6 Structure-based abstractions［10］

另一方面，管制員所做的管制決策受不同管制工作負荷的影響，這些影響自然也會反作用于空中交通態勢的演變。例如在飛行沖突解脫過程中，一些缺乏全盤考慮的解脫策略甚至可能導致飛行沖突的多米諾效應，從而加劇空中交通態勢復雜程度。

考慮到難以充分表達空中交通復雜性和工作負荷之間的關系，相關研究者很早就嘗試定義與管制員工作負荷無關的復雜性指標。隨著新一代空中交通管理的發展，飛行沖突解脫等傳統方式下由管制員處理的任務將逐步由智能化空中交通管理系統、機載自動化系統全部或部分替代。因此，脫離管制員工作負荷對空中交通態勢復雜性的客觀描述將是未來的研究方向。

3 復雜性和安全

有效地維護和促進空中交通安全是空中交通管理的首要任務，因此所有的空中交通管理策略都必須考慮其實施后對安全水平的影響程度。從系統角度看，影響空中交通安全的風險要素主要包括人為因素、設施設備、環境以及管理等方面。而這些風險要素的具體體現便是空中交通事故（碰撞）、事故癥候、工作差錯等不安全事件的數量。在實際運行中，受限于數量極少的空中交通事故數據，通常采用空中交通態勢中的飛行沖突次數來衡量空中交通安全水平。為反映飛行沖突的強度，研究者進一步提出了飛行沖突持續時長、航空器距離偏離間隔標準的程度等沖突風險評價指標，為全面刻畫空中交通態勢安全水平奠定了基礎。然而這種過于強調飛行沖突風險的態勢評價方法，忽略了諸多無飛行沖突但管制員仍需頻繁調配或者暫時無飛行沖突但受少量隨機因素影響后卻出現大量不可預測飛行沖突的情景。而基于空中交通復雜性概念則可以對這些用安全指標無法測度的空中交通態勢進行客觀描述，是對空中交通態勢更為本質和全面的描述。事實上，在空中交通復雜性的早期研究中，本著更為客觀反映扇區容量的出發點，研究人員就已經篩選出了除潛在沖突之外的諸多非安全類空中交通復雜性因子，如扇區內航空器總平飛時間、航空器的平均速度、航空器航向改變數量等。

空中交通復雜性對空中交通運行安全的影響主要體現在兩個方面，一是導致管制人因差錯的概率，二是潛在沖突風險的概率。在空中交通管制指揮過程中，管制員需要在極其有限的時間范圍對航空器進行調配，以避免發生飛行沖突。而空中交通態勢越復雜，管制員在短期內做出正確決策的壓力就越大，其發生管制人因差錯的概率就越大，而空中交通運行風險水平相應就越高，不同復雜程度下沖突解脫概率如表1所示。R.Tomislav等通過仿真實驗表明，管制員在高復雜性態勢下發生不安全事件的概率是低復雜性態勢的571倍。

表1 不同復雜程度下沖突解脫概率Table 1 Comparison of probabilities to solve the conflict in traffic situations with different levels of complexity

在高復雜性空中交通態勢中，航空器間的交互關系更多，其發生潛在沖突的可能性也就越大。Wang H Y等通過實際運行數據統計（如圖7所示），無論是扇區內潛在沖突的總次數還是每架飛機的平均潛在沖突次數都隨著復雜性的增加而增加，其結論也被S.L.Brázdilová等通過仿真實驗驗證；P.Tamara等采用長達兩周的歐洲空域實際運行數據驗證了復雜性與沖突風險之間存在強相關性，相關系數高達0.829 6。

圖7 空中交通復雜性與飛行沖突的關系［13］Fig.7 Relationship between complexity and flight conflict［13］

因此，雖然空中交通復雜性無法直接應用于飛行沖突管理，但空中交通復雜性的科學判斷、預測對空中交通的安全運行至關重要，而對高復雜性空中交通態勢的合理處置將有助于提高空中交通安全運行水平。A.A.Mutlu在對新的運行程序、新設計的空域進行評估時，不同于以往只側重飛行沖突的評價過程，采用將復雜性和安全同步考慮的綜合評價方法。

4 復雜性分類

從研究對象本質屬性看，早期研究主要側重兩類空中交通復雜性：一類是認知復雜性，反映管制員在處理空中交通時的認知負荷；另一類是交通本身的復雜性，是從系統角度反映對空域和交通流特征的測度。J.M.Histon等進一步將空中交通復雜性劃分為三類：態勢復雜性（Situation Complexity）、感知復雜性（Perceived Complexity）以及認知復雜性（Cognitive Complexity），認為態勢復雜性是交通態勢的本身屬性；感知復雜性是管制員的主觀體驗；認知復雜性反映管制員在對空中交通態勢進行管制過程中，其工作認知模式下的復雜性，是執行管制任務的過程屬性，受態勢復雜性、認知模式和策略以及其他因素（如疲勞、壓力）的影響。

J.J.Toy將空中交通復雜性分為內在本身復雜性（Inherent）和外在展現復雜性（Apparent）兩類，認為內在本身復雜性是由諸如天氣、地形、空域限制、交通密度等空域屬性而產生的復雜性；而外在展現復雜性是由管制員的人機接口等所產生的復雜性，包括交通信息呈現給管制員的方式以及管制員在工作環境中所使用的其他接口等，例如顯示器類型（有單色、彩色以及觸摸屏等）、顯示器或控制臺的物理布局、管制廳布局、管制自動化系統界面等。

在前人研究基礎上，文獻［10］將空中交通復雜性從低級到高級分為認知復雜性（Cognitive Complexity）、組織復雜性（Organizational Complexity）、顯示復雜性（Display Complexity）及環境復雜性（Environmental Complexity）四個層次。認為環境復雜性包括航空器數量、天氣、擁擠等交通本身因素，從系統角度來看屬于系統內部屬性。組織復雜性包括目標、政策、策略、運行程序等因素。一般來說，這些組織因素是為了有效減輕環境復雜性而產生的，但事實上有些組織復雜性卻會增加空中交通系統的約束，尤其在大流量背景下反而會增加環境復雜性。管制員在管制過程中，需要基于大量的空中交通運行信息進行決策，為輔助管制員的決策過程，總是期望這些信息能夠快速地、精確地呈現給管制員。而顯示復雜性就是這些信息通過不同顯示方式所呈現的復雜性，無效或復雜的顯示都會產生額外的認知復雜性。認知復雜性是與管制員相關的，是管制員在實施空中交通管理過程中認知難度的體現，決定了空中交通系統的總體能力水平。K.Treleaven等認為，應該將上述復雜性層次中顯示復雜性和認知復雜性合并為計算復雜性（Computational Complexity）。

5 復雜性評價

現有針對空中交通復雜性進行評價的研究總體可以歸納為如下三條技術路線。

5.1 基于管制認知觀的研究路線

航班大范圍延誤、空域擁擠等現象引發了對空域容量尤其雷達管制扇區容量進行客觀評價的強烈需求，而空中交通復雜性也隨之應運而生?？罩薪煌☉B勢中的復雜性是多種影響因素動態交織的體現，A.Majumdar等率先開展了空中交通復雜性影響因素的分析和識別研究。雖然交通密度是最被廣泛認可的一類復雜性因素，但大多研究者也認為它并不能反映空中交通態勢復雜程度的豐富性。通過直接或間接參考管制員意見，除了交通密度之外的諸多相關因素逐漸被挖掘出來，如空域因素、交通流因素及環境因素?？沼蛞蛩匕ㄉ葏^結構、限制空域等，也被稱為空域復雜性；交通流因素包括潛在沖突數量、水平接近數量、航行要素改變數量等；環境因素包括雷雨、導航設施等。在復雜性因素分析基礎上，NASA等機構提出了動態密度概念，并基于管制工作負荷對其進行了定義。其核心是通過全面評價管制員為保障空中交通安全而產生的物理和精神上的各種活動，一般先根據不同扇區的運行特征選取相應的典型因素，再基于實際或仿真運行數據，結合管制員對復雜程度的人為判定或者無線電通話負荷，采用線性或非線性的方法確定因子權重，最后綜合相加得出該扇區的復雜程度，如式（1）所示。

式中：D為目標扇區的動態密度（Dynamic Density）；N為典型復雜性因子數量；C為包括交通密度的第i個空中交通復雜性因子值；W為第i個空中交通復雜性因子權重。

很多研究者將該方法應用于當前管制模式下不同類型的空域中，部分研究者為對比預測未來空中交通的復雜程度，也嘗試將這種方法應用于航空器自主保持間隔運行空域中、亞太地區在洋區管制中實施航路自由選擇場景下。

國內研究者董德存教授團隊在國內率先開展了空中交通態勢復雜性因素選取研究；楊家忠教授團隊首次探討了空中交通復雜度與管制員腦力負荷的影響關系，并探討了動態復雜性因素對管制員工作負荷影響；胡明華教授團隊在國內率先開展了空中交通復雜性指標體系的精煉研究，首先從前人研究文獻中選取了42個交通類指標、7個空域類指標，并先后采用了灰色關聯聚類、主成分分析等方法對指標進行了精煉，最后應用于區域管制扇區、終端管制扇區交通態勢的復雜性分析；趙嶷飛教授團隊引入因子分析、聚類等方法，基于實際管制員陸空通話數據探討了復雜性指標與管制員陸空通話負荷之間的關系。

近年，隨著新一代信息技術的快速發展，空中交通復雜性研究也呈現了與機器學習、數據挖掘等方法不斷融合的研究趨勢。如曹先彬教授團隊針對小樣本集中的空中交通態勢復雜性知識挖掘難題，提出了一種基于知識轉移的扇區運行復雜性評價框架；針對大量空中交通復雜度樣本數據中的標簽噪聲問題，Xie H等提出了一種基于置信學習和XGBoost的空中交通復雜性評估模型及方法，并嘗試將深度卷積神經網絡應用于扇區運行復雜性中。

從根本上來說，基于管制認知觀的空中交通態勢復雜性評估，雖然易被管制員理解，但為了使特定扇區與管制負荷達到最大相關性，必須根據不同扇區選擇不同復雜性因子，且不同扇區中復雜性因子的權值都需特別設定，因此該方法一直以來不具備普適性。而隨著蓬勃發展的新一代信息技術在空中交通復雜性研究中的不斷融入，以上瓶頸也將有望取得突破。

5.2 基于幾何結構觀的研究路線

要解決基于管制工作負荷評價空中交通復雜性時受管制員人因影響的問題，一種可行的思路是從空中交通的時空分布角度出發，完全基于客觀的航跡數據研究空中交通態勢的內在復雜性。國外D.Delahaye等從反映扇區內航空器群沖突風險的角度出發，提出了基于航空器位置、速度等航跡數據量化計算復雜度的方法，通過對空中交通態勢幾何結構分析建立了不依賴于管制員主觀認知的空中交通復雜性客觀評估指標。主要分為：航跡數據處理、航跡間幾何關系計算、單航空器復雜度計算，累計所有航空器復雜度或基于分形維數、Lyapunov指數等計算無序性來測度空中交通復雜度。S.N.Hasan等在基于Lyapunov指數測量空中交通幾何結構復雜性的基礎上，提出通過航跡規劃控制復雜性的方法；R.Marko等以航空器之間的時空幾何關系為基礎，將生態系統理論引入到空中交通態勢分析中。

國內基于幾何結構觀的空中交通復雜性研究成果也比較豐富。胡明華教授團隊率先依據兩兩航空器之間的迫近性、隨機性及連攜性建立了空域復雜度評估模型，實現了空中交通態勢幾何結構描述，認為相對位置D可反映航空器i，j之間的迫近程度，而相對速度V則反映了迫近傾向，并通過矢量內積（D，V）是否大于0判斷航空器之間是否處于匯聚交通態勢；胡明華教授團隊還首次提出管型空域概念，建立了兩類繁忙管型空域模型，并采用基于幾何結構的復雜性測度指標對其評價；董兵在國內首次嘗試了通過非線性動力學等理論建立終端管制區交通幾何結構復雜性評價模型；張軍院士團隊針對空中交通復雜度評估預測精度不足的問題，首次基于隨機線性混雜系統理論提出了一種交通態勢幾何結構復雜性的評估方法；趙嶷飛教授團隊在胡明華教師團隊所建模型基礎上，通過增加沖突解脫指數對模型進行改進，進而依據單航空器擾動思想提出了基于幾何結構的扇區復雜度計算及分布圖示方法。針對終端區獨特運行特征，趙嶷飛教授團隊通過計算幾何方法首次建立了終端區內五邊到場交通復雜性模型，并探討了五邊到場交通中復雜性控制方法。針對自主間隔保持運行下高密度空域的復雜性，趙嶷飛教授團隊提出了一種基于時序分析法的Lyapunov指數計算模型，以此測度了交通態勢的幾何結構復雜性，并通過對扇區網格化初步探討了基于復雜性的扇區劃分問題。

此外，也有研究者將研究對象聚焦為空中交通流，通過空中交通流復雜性解釋空中交通復雜性本質。王飛面向空中交通流的復雜性測度問題，提出了基于小樣本熵和多尺度樣本熵的空中交通流時間序列的復雜性分析方法；Li S M等基于實際數據統計分析了多態空中交通流的動態演化及波動特征等。

通過空中交通態勢幾何結構的空中交通復雜性評估方法，剔除了管制員主觀因素的影響，實現了客觀描述空中交通復雜性的可能，對空中交通態勢本質的理解深入了一大步。

5.3 基于復雜系統觀的研究路線

復雜系統尤其復雜網絡建模理論的引入，對空中交通態勢結構和演化的理解提供了一套有深遠意義的概念及組織框架，深化了對態勢結構本質的認識。但目前依然處于起步和探索階段，主要成果局限于單個或多個管制扇區局部態勢的結構和復雜性測度。

復雜網絡建模的核心是對復雜系統中的節點以及節點之間的相互關系進行抽象。在空中交通態勢網絡中，航空器被看作為節點。而最早對航空器之間的相互關系進行全面描述的是歐洲空管效能委員會在2006年提出的復雜性指標，將歐洲空域劃分為20 n mile×20 n mile×3 000 ft的立體網格塊，其中1 n mile=1.852 km，1 ft=0.304 8 m，并針對每個立體網格塊計算航空器之間潛在相互作用的持續時間。如果航空器在同一小時的時間窗內位于同一單元中，則發生“交互”關系。交互時間與飛行時間之比稱為“調整密度系數”。此外，還根據潛在的垂直、水平和速度相互作用之和計算得出“結構指數”，最終將“調整密度系數”和“結構指數”的乘積作為復雜性值。在前人研究基礎上，趙嶷飛教授團隊首次將復雜網絡理論引入空中交通態勢建模中，認為空中交通態勢復雜性的本質是空中交通態勢中的各組成元素在時間、空間上的動態相互關聯關系。首先從二維角度建立了空中交通態勢顯示復雜性的網絡模型；在深入挖掘航空器在小范圍內聚集現象的科學問題中，提出了航空器群的概念及其劃分方法。當前，該團隊在將研究對象從單個扇區逐步擴展到多個扇區的過程中，持續改進模型，已先后建立了多層多級網絡模型、動態加權網絡模型?；趧討B加權網絡的空中交通態勢復雜性網絡建模如圖8所示，該網絡以航空器、航路點、航路段為網絡節點，并根據不同類型節點之間隨時間不斷變化的相互時空關系為邊，以相互關系的復雜性強度為邊權構建網絡模型。該模型的好處是可以綜合考慮空中交通態勢系統中的空域結構、交通流模式等關鍵要素，并可基于動態網絡視角探討空中交通態勢復雜性的演化特征。

圖8 空中交通態勢復雜性網絡建模示意圖［13］Fig.8 Schematic diagram of air traffic situation complexity network［13］

近年來，國內其他研究者也開始嘗試將復雜網絡理論應用于空中交通態勢中的關鍵節點識別、沖突解脫、復雜性評估中，進一步拓展了基于復雜系統觀的空中交通態勢研究范疇。

6 新一代空中交通管理系統下的復雜性

當前ATM系統源自二戰后建立的雷達管制體系，由于管制員只能通過雷達、無線電、導航臺等地基通信導航監視設備保障航空器安全間隔，也被稱為“地基”ATM?！暗鼗盇TM系統存在兩個不足，一是ATM系統能力受限于管制員個人能力；二是限制了空域資源的充分使用，無法滿足未來空中交通的持續增長。為此，歐洲和美國紛紛改革當前ATM運行概念，在衛星導航、數據鏈通信、廣域信息管理（System Wide Information Management，簡稱SWIM）、廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，簡稱ADS-B）等先進技術支持下的新一代ATM系統中，航空器自主運行則是區別于“地基”ATM的核心特征，即航空器將在航跡管理方面分擔管制員保持安全間隔的責任，如圖9所示。

圖9 空中交通運行方式對比Fig.9 Comparison of air traffic operation modes

在新一代ATM系統中，航空器與空域中其他鄰近航空器以及地面服務部門之間可相互通訊協調，能夠得到實時更新的其他航空器的位置、速度、飛行意圖以及相關的天氣實況、預報等。而由于可在飛行過程中修改其飛行剖面用于優化飛行里程、燃油消耗等，航空器航跡便具有了較大的靈活性。然而，ATM系統中每一個體的這種靈活性必將影響整個系統的運行性能和安全，尤其當處于交通流極度擁擠或多航空器多重相繼沖突的空域態勢中，每一航空器都需要更多的航跡調整策略以保障安全，因此這有可能超出機載系統的沖突解脫能力，從而造成空域安全水平下降。而空中交通管理部門通過空中交通復雜性管理則可在戰略和預戰術階段及時預測并避免這些態勢的出現，這也將是新一代ATM系統對空中交通復雜性研究提出的新需求。

因此，與以往側重事后復雜性評估不同，在新一代ATM系統中的復雜性研究應該更關注其預測性，并可根據預測時長將復雜性管理劃分為戰略、戰術兩個階段。戰略復雜性管理應該伴隨著航班飛行計劃的制定、調整等過程的整個生命周期，在對每一航空器、每一可能機動所造成復雜性的科學計算下，對航空器的全航跡進行統一優化，其目標主要體現在空域中不存在過高復雜性熱點、戰術階段復雜性在各類擾動下的變化量不大、空域所服務的航空器總量大、航空器總體延誤水平較低且均衡等。戰術復雜性管理則基于局部空間范圍（如一個扇區）、短期時間范圍（如15 min之內）內更精準的航跡預測信息、天氣限制信息等實現航跡的快速調整，其目標是在盡可能遵守戰略復雜性并避免機載系統及地面系統的飛行沖突探測和解脫超負荷運行的約束下，實現飛行沖突的快速解脫、最大程度符合不同類型航空器的最優飛行性能運行等。

7 展望

即使在全球范圍內進行了將近50年的研究之后，測度空中交通和空域復雜度并將之控制在規定門限內，最終實現基于空中交通復雜性的管理方面依然存在諸多尚未解決的核心問題。由于空中交通需求的增加、新一代空中交通管理系統的發展，這些問題的合理解決在未來幾年也將更加迫切。未來，空中交通復雜性可以在如下四個方面進行開展。

（1）空中交通復雜性定義亟需突破?？罩薪煌◤碗s性雖然是國際空管領域的研究熱點，但其定義一直未能統一。大多研究依然受限于當前“地基”管制集中決策方式，基于管制員管理交通態勢的難度或工作負荷強度來定義空中交通復雜性。而在以航空器自主保持間隔運行為主要特征的新一代空中交通管理模式中，航空器更為豐富的分布式自主決策行為必將給空中交通態勢研究帶來新的問題，基于復雜性本質的空中交通態勢復雜性定義也亟需突破。

（2）研究對象需要轉變?？罩薪煌◤碗s性從其誕生起就是以傳統管制方式中單個扇區或多個扇區等局部空域為研究對象，對全空域態勢復雜性在時空方面的綜合體現考察不足。隨著航空器自主保持間隔概念的發展，國際同行已逐漸認識到基于扇區分塊運行的復雜性研究并不足以支撐側重航跡一體化的航空器自主保持間隔運行，并率先開始轉變研究對象。

（3）研究內容需要拓展。以往空中交通復雜性研究主要圍繞影響因素分析、測度體系建立等方面，隨著對問題理解的不斷深入，研究內容也不斷拓展到空中交通態勢演化、控制方面。但總體而言，涉及空中交通態勢演化的一些本質性問題還沒有解決。如空中交通態勢中各個要素間的耦合關系如何隨著態勢的整體演化形成更為復雜的具有不同層次和功能的耦合網，并如何進一步影響演化過程。

（4）理論體系需要完善。目前的研究已從最早采用倚重于管制員經驗的主觀測度研究向基于幾何結構觀、復雜系統觀的客觀測度研究轉變，研究者也逐漸試探性引入了非線性系統、分形幾何、復雜系統等現代科學發展中所取得的成果。但總體而言，現有研究對于空中交通態勢中要素建模、態勢理解和測度、態勢演化預測都沒有建立完整的理論體系。迫切需要以“整體思維”“關系思維”“動態思維”“非線性思維”的復雜系統理論為指導，構建空中交通態勢復雜性研究框架。

8 結束語

對空中交通復雜性的科學評價、精準管控是實現空中交通精細化管理、從根本上提升空域系統服務能力的基礎。本文從目前空中交通復雜性的研究團隊出發，探討了空中交通復雜性與管制工作負荷、空中交通運行安全之間的關系，總結了空中交通復雜性的不同類別，并歸納了現有空中交通復雜性研究的三種技術路線，最后結合新一代空中交通管理系統特征的分析，展望了空中交通復雜性研究的未來發展方向。