改进欧洲空中交通管理的综合决策方法

论文推介

An integrated decision– making approach for improving European An integrated decision– making approach for improving European air traffic management air traffic management

Yael Grushka-Cockayne （h-index：14）,   Bert De Reyck （h-index：25）, Zeger Degraeve（h-index：27）

伦敦商学院管理科学与运营系，英国

伦敦大学学院管理科学与创新系，英国

伦敦商学院管理科学与运营系，英国

期刊：MANAGEMENT SCIENCE（中科院运筹与管理科学Top，SCI Q1，IF:7.4）

标题：改进欧洲空中交通管理的综合决策方法

DOI:https:///10.1287/mnsc.1080.0878

    “这是写作不可或缺的笨功夫：必须把自己投进一所监狱，每天盯着墙边的打字机达四五个小时之久，每周七天，一天也不休息。六天不行，五天也不行----三天打鱼两天晒网更不行。”

——《斯坦福写作课》

    随着欧洲航空交通量的不断增长，现有的空中交通管理（ATM）系统面临着巨大的压力和挑战。为了应对这一挑战并保持安全性和环境保护，Eurocontrol提出了CL-03-02集群，通过精确区域导航（P-RNAV）支持机场的到达和起飞流程改进。核心是如何在多利益相关者和多标准决策环境下选择最优的操作改进方案。本研究开发了一个多利益相关者、多标准决策框架，用于评估和选择空中交通管理系统的操作改进。通过结合定性和定量的专家评估以及大规模优化模型，实证分析结果显示推荐的改进方案可以显著提升系统性能。结论表明，所提出的方法有效地平衡了各利益相关者的不同需求和目标，为制定空中交通管理改进计划提供了重要支持。

关键词：政府机构；运输环境；研究与开发；项目选择；决策分析；多标准

01 Smmary

1.研究动机与问题

    每年欧洲航空公司都会因航空交通网络容量的局限，而蒙受巨大经济损失。欧洲空中管理组织正在开发一个消除空中边界的管理系统（ATM）以提升空中交通效率，然而当前系统因各国在技术、操作程序、监管标准等独立运作而导致性能不足。为此针对不同的操作、技术和机构方面该组织提出了改进（OI）集群，其包含多个候选改进项目（组件）。那么每个OI集群中应该包含哪些组件才能满足性能、监管与相关利益者的需求？Zeger等人提供了一个集成多个目标的多个利益相关者的综合决策框架，在所有利益相关者能达成总体共识的同时针对特定的OI集群提出了折衷解决方案，从而提高空中运营和管理效率。

2.主要假设与论据

    为每个 OI 集群选择哪些组件的决策因多个因素而变得复杂，需要在相互冲突的目标与利益相关者之间进行权衡。为了所有利益相关者能达成总体共识，Beck和Lin（1983）等人使用通过使用多标准决策分析（MCDA）来形成替代项目组件的共识排序，这些排序能反映相关者的集体利益。当需要对大量离散的替代项目组件进行排序时，Scott（1995）和Stewart（2002）等人通过将多目标规划与MCDA方法结合来筛选和减少替代组件的数量，从而完成共识排序。Medaglia (2007)等人考虑到组件之间的相互作用，提出了一种多目标演化方法，适用于部分资助项目、多个目标、项目相互依赖性和资源有限的项目选择问题。

3.研究设计

     文章通过多个步骤和技术进行实证研究，结合定性和定量分析方法支持决策制定。

    首先，通过利益相关者访谈、专家评估和现有文献收集数据，并评估每个实施模式的性能影响。使用问题结构化方法明确关键要素和利益相关者需求，然后结合多准则决策分析（MCDA）技术，如层次分析法（AHP）和多属性效用理论（MAUT），处理复杂决策环境。运用整数规划和分支定价法等大规模优化工具，对方案组合进行优化，并通过与Eurocontrol专家的研讨会验证模型，确保其准确性和一致性。通过模拟分析和敏感性分析，确保结果的鲁棒性，并在案例研究中具体分析CL-03-02集群，验证决策框架的有效性和实用性。

4.实证分析

    主要研究结果表明，通过与Eurocontrol专家的联合研讨会验证，模型显示出高度的一致性和准确性。对CL-03-02集群的分析发现了最佳的集群版本，并揭示了不同利益相关者在关键绩效指标上的权重差异。敏感性和仿真分析确保了结果的鲁棒性，发现集群140在所有利益相关者中排名最高。研究还表明，组件的协同效应对总性能有显著影响，即使考虑成本假设的变化，顶级集群的排名也未改变。通过多目标优化方法，最大化了所有利益相关者的预期绩效分数，确保了在预算限制内达到性能目标。

5.主要贡献与收获

   文章的主要贡献在于展示了如何将决策分析模型应用于具有高影响力的全球战略决策中，特别是通过扩展多准则决策分析（MCDA）模型，在多利益相关者场景中达成一致。结合大规模优化方法与MCDA方法，提出了一种综合的模型，并通过创新的启发式方法解决多准则问题。该模型不仅在欧洲空中交通管理系统的讨论中有效，而且具有广泛的适用性，可以用于其他需要利益相关者就相互依存替代方案达成共识的领域。此外，通过改进Eurocontrol对定性和定量评估方法的理解，支持了数十亿欧元投资的实施决策，实现了在利益相关者之间的平衡、清晰和公平的讨论。

6.不足与改进

     本文提出的综合决策模型的非线性增加了计算复杂度，成对比较的数量巨大且难以一致地完成，组件相互作用的复杂性难以完全捕捉，历史数据的缺乏限制了项目组合优化，利益相关者权重的不确定性影响决策公平性和有效性，以及实施模式选择的复杂性受到多种约束条件的影响。为改进这些问题，建议开发更高效的数据收集方法和利用机器学习技术预测实施组合的性能影响，采用群组决策技术减少成对比较的数量，引入更精确的协同效应和对抗效应模型，收集和利用更多的实时数据或开发替代模型，采用鲁棒决策模型处理权重不确定性，并开发更灵活的优化算法以应对多种约束条件。

02 method ＆ analysis

1. 机场到达和起飞

 Eurocontrol的CL-03-02集群主要关注通过精确区域导航（P-RNAV）支持机场的到达和起飞流程改进。该集群旨在提升终端区空域操作的安全性、容量和效率。涉及到的操作改进集群包括多个候选项目，需从中选择最优组合以实现性能目标。主要组件包括：

    精确区域导航（P-RNAV）：提供定义航路的能力，使其最佳满足机场、空中交通管制员和飞行员的需求，结果是航路更短、更直接，航路遵守性和可预测性更好。

    到达和起飞管理器（AMAN和DMAN）：帮助空中交通管制员推荐最佳的到达和起飞顺序，预计提高容量和航班时间预测准确性。

    尾流涡旋（WV）：更准确地了解尾流涡旋行为，从而减少飞机之间的纵向间隔，增加机场容量。

    基于时间的间隔（TBS）：根据时间间隔而非距离设置飞机间隔，在强逆风条件下，预计提高机场容量并保持安全水平。

    基本连续下降进近（B-CDA）：减少噪音和燃料消耗，保持飞机更长时间处于较高水平，从而降低环境影响和成本。

所有利益相关者及其影响：

航空公司：希望提高航班时间预测准确性和减少延误。

    机场：关注容量提升，但也担心某些改进可能对容量产生负面影响，如P-RNAV可能导致的跑道利用率下降。

    空中导航服务提供商（ANSP）：主要关注安全性和操作效率的提升。

    机场周边社区：可能会受到航路改变带来的噪音和污染影响。例如，P-RNAV可以设计避开密集居住区的航路以减少噪音污染。

    飞机和设备制造商：需要适应和支持新的技术和操作改进，例如精确导航设备和尾流涡旋监测系统的开发和应用。

2. 问题描述和方法论

问题描述

    如何在满足各利益相关者的不同需求和目标的情况下，选择最优的操作改进组件及其实施模式。该问题涉及多利益相关者和多标准决策，在不同的性能指标（如容量、效率、环境、可预测性和安全性）之间进行权衡，并在预算限制内实现最优决策。设定以下符号：

    S：利益相关者集合，索引k。

    P：性能指标集合，索引j。

    O：组件集合，索引q。

    Iq：组件 qq 的实施模式集合，索引mq。

参数包括：

决策变量：

构建决策矩阵

    文中结合定性和定量的多标准决策分析（MCDA）技术，以实现对系统增强的全面评估和选择。定性评估主要涉及专家的意见和判断（德尔菲法、层次分析法（AHP）、模糊综合评价法）。定量评估主要涉及对各组件和实施模式的量化分析，关键绩效指标（KPI）：定义和量化各关键绩效指标，如容量（未能容纳的航班数量）、效率（平均等待时间）、环境（噪音和排放）、可预测性（到达时间的预测准确性）和安全性（事故率）。专家打分法：专家对每个组件和实施模式在各关键绩效指标上的表现进行打分，形成量化的评估数据。其中，行表示不同的组件和实施模式，列表示不同的关键绩效指标。

 权重确定：使用层次分析法（AHP）等方法确定各关键绩效指标的权重，反映不同利益相关者对各指标的相对重要性。

 综合评分：根据权重和评估结果，计算每个组件和实施模式的综合评分。综合评分公式为：

优化模型

    基于上述评分，建立优化模型，求解最优的组件和实施模式组合。目标是最大化选定实施模式的总体性能得分，表示为：

约束条件包括：

1.性能目标的实现：

2.每个利益相关者的预算限制：

3.选择每个组件的单一实施模式：

4.决策变量的二值性：

组件及其实施模式：

    精确区域导航（P-RNAV）：

        A0：保持现状

        A1：在起飞和到达过程中实施P-RNAV

    到达和起飞管理器（AMAN和DMAN）：

        B0：保持现状

        B1：实施AMAN

        B2：实施DMAN

        B3：同时实施AMAN和DMAN

        B4：实施AMAN、DMAN和排序工具

    尾流涡旋（WV）：

        C0：保持现状

        C1：减少WV间隔

        C2：改进的机载WV可视化

        C3：同时实施C1和C2

        C4：替代程序

    基于时间的间隔（TBS）：

        D0：保持现状

        D1：固定最小TBS

        D2：可变TBS

    基本连续下降进近（B-CDA）：

        E0：保持现状

        E1：实施B-CDA

这些模式对关键绩效指标的影响

    1.容量：改进组件如P-RNAV、AMAN、DMAN和减少的WV间隔可以提高容量。

    2.效率：例如，P-RNAV和TBS可以减少飞行时间和燃油消耗。

    3.环境：B-CDA和P-RNAV可以减少噪音和排放。

    4.可预测性：AMAN和DMAN可以提高航班时间的预测准确性。

    5.安全性：改进的WV间隔和B-CDA可以提高飞行安全性。

03 Results ＆ discussion

    在研究中，各个利益相关者（航空公司、机场和空中导航服务提供商ANSP）对不同集群版本的偏好有所不同，具体如下（图2）：

    航空公司：偏好于能够提高航班时间预测准确性和减少延误的集群版本。例如：集群版本290（包含实施P-RNAV、AMAN、DMAN、改进的机载WV可视化、可变TBS和B-CDA）。

    机场：偏好于能够提高容量并减少噪音和环境影响的集群版本。 例如：集群版本180（包含实施P-RNAV、AMAN、减少的WV间隔、固定TBS和B-CDA）。

    空中导航服务提供商（ANSP）：偏好于能够提高安全性和操作效率的集群版本。 例如：集群版本140（包含实施P-RNAV、AMAN、DMAN、改进的机载WV可视化和可变TBS，不包括B-CDA）。

图 2 分配给绩效指标的权重，代表特定绩效指标对每个利益相关者的重要性

    模型通过优化计算得出的推荐集群版本是集群版本140，该版本包括以下组件：

    1.实施精确区域导航（P-RNAV）

    2.实施到达和起飞管理器（AMAN和DMAN）

    3.实施改进的机载WV可视化

    4.实施可变TBS

    5.不实施基本连续下降进近（B-CDA）

图 3 根据每组两个利益相关者的集群版本分数与有效边界的散点图

    如图3，在不同利益相关者之间达成共识，并找到最优的折中方案，在某些情况下，可以通过补偿机制（如资源转移或政策优惠）来平衡各利益相关者的利益，从而在实施方案上达成一致。

    研究最终推荐的集群版本140能够在最大程度上平衡各利益相关者的需求和目标，实现优化的系统性能。这一方法为复杂决策问题提供了系统化的解决方案，具有较高的应用价值。

张健|编辑 排版

李仁德 马浩添|审核

[ 分享者介绍 ]

Jian Zhang received his bachelor's degree from Jinggangshan University, China in 2022. He is currently pursuing a master's degree in Management Science and Engineering, School of Management, University of Shanghai for Science and Technology, China. His research focuses on graded reading.