以航機軌跡為基礎之流量管理

國 立 交 通 大 學

交通運輸研究所

碩 士 論 文

以航機軌跡為基礎之流量管理

Aircraft Trajectory-Based Flow Management

研 究 生：張宇函

指導教授：汪進財 教授

以航機軌跡為基礎之流量管理

Aircraft Trajectory-Based Flow Management

研 究 生：張宇函

Student：Yu-Han Chang

指導教授：汪進財

Advisor：Dr. Jinn-Tsai Wong

國 立 交 通 大 學

交通運輸研究所

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Institute of Traffic and Transportation College of Management

National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements

For the Degree of Master In

Traffic and Transportation

June 2007

Taipei, Taiwan, Republic of China

以航機軌跡為基礎之流量管理

學生：張宇函

指導教授：汪進財 博士

國立交通大學交通運輸研究所碩士班

摘

要

由於航空交通量不斷地成長，大量航機飛行於有限的空域中，造成飛航空域 擁擠，航空交通管制不易。因此若能夠採用飛機位置與速度為基礎的隔離方式以 取代航路為基礎的隔離策略，並在有限的空域中規劃依航機軌跡為基礎的彈性航 路，配合流量管理概念，針對控制範圍內之各航機進行飛航控制與管理，則勢必 能改善空域擁擠與延滯的情形。 本研究以台北終端管制區為研究範圍，建立以航機軌跡為基礎之流量管理方 式。針對到場程序所規劃之彈性航路，配合實際資料之統計及各相關參數設定， 以先進先服務、最短路徑選擇以及安全隔離時間等限制規則，採用 C++ Builder 5 撰寫電腦程式進行模型構建。 模擬結果顯示，以實際航機飛行量資料作為輸入變數，有彈性航路較無彈性 航路之實際資料可減少飛行距離8.5%，節省飛行時間12.1%；增加20%航機飛行 量後，有彈性航路較無彈性航路減少飛行距離5.9%，節省飛行時間8.5%，以及 減少盤旋時間30%。因此，有彈性航路的選擇，航機可以更明確且順暢之路線航 行，其將可降低航管人員需時時刻刻監視的工作負荷，同時駕駛員亦能有效率的 依指定路徑進場降落。 關鍵字：飛航管理、流量管理

Aircraft Trajectory-Based Flow Management

Student：Yu-Han

Chang

Advisor：Dr. Jinn-Tsai Wong

Institute of Traffic and Transportation

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The increasing demand of civil aviation has resulted in air traffic congestion in the limited airspace. As a consequence, it causes problems in air traffic control. To effectively improve the airspace congestion and flight delay, segregation based on aircraft position and speed certainly is preferred to that of route-based, if the flexible routes based on the aircraft trajectories could be planned in limited airspace, and the flow management concept could be well implemented.

Based on aircraft trajectories, this research within Taipei Terminal Control Area build up the flow management. C ++ Builder 5 computer language was used to structure a simulation model to simulate the flexible routes which was planned for flight arrival. With parameters calculated from the ATC radar data, the model applies the first come first serve rule under the aircraft separate constraint and shortest path principle.

The simulate results showed that, with current air traffic, performance of the flying distance and time under the flexible-route was reduced by 8.5% and 12.1% respectively, when it was compared to that of the existing condition. In the case of 20% air traffic increase, in addition to the flying distance and time reduced by 5.9% and 8.5% respectively, the flight holding time was also reduced 30%. This suggests that with the flexible routes, flights can be more smoothly operated. Controller’s load could be reduced, and pilots can also approach and land aircrafts efficiently in accordance with the guided routes.

誌謝

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目錄

中文摘要 ...i 英文摘要 ...ii 誌謝 ...iii 目錄 ...iv 表目錄 ...vi 圖目錄 ...vii 第一章 緒論 ...1 1.1 研究背景與動機...1 1.2 問題描述...2 1.3 研究目的...4 1.4 研究範圍...5 1.5 研究內容與流程...5 1.6 研究架構...7 1.7 研究方法...8 第二章 文獻回顧與評析 ...9 2.1 我國飛航管制作業...9 2.2 CNS/ATM發展計畫 ...10 2.2.1 我國CNS/ATM之發展計畫 ... 11 2.2.2 澳洲飛航管理策略計畫...12 2.3 飛航管理之現況與發展限制...13 2.3.1 飛航管理的現況...14 2.3.2 現行飛航管理系統之限制...17 2.4 流量管理...18 2.4.1 流量管理目標...18 2.4.2 流量管理方法...19 2.4.3 流量管理實行時期...20 2.5 空域模擬...23 2.6 文獻評析...24 第三章 飛航管理之彈性航路應用 ...25 3.1 飛航管理之展望與效益...25 3.2 彈性航路...27 3.2.1 航路規劃...27 3.2.2 參數設定...31 第四章 模型構建 ...33 4.1 模型基本假設...33 4.2 模型情境邏輯說明...34

4.3 簡化之網路模擬模型...44 4.3.1 網路模擬模型中各欄位意義...44 4.3.2 模擬模型範例說明...45 4.4 小結...50 第五章 彈性航路模擬與分析 ...51 5.1 模擬資料收集與篩選...51 5.1.1 雷達資料...51 5.1.2 管制條資料...53 5.1.3 資料篩選...55 5.2 模型應用一...56 5.2.1 模擬一－實際到場航機時間表...58 5.2.2 模擬二－到場航機運量增加 20% ...61 5.3 模型應用二...66 5.3.1 速度程序B之模擬 ...66 5.3.2 速度程序C之模擬 ...67 5.3.3 混合速度程序之模擬...68 5.4 模擬結果之效益分析...70 5.4.1 效益分析一－飛行距離...70 5.4.2 效益分析二－飛行時間...72 5.5 彈性航路引用之驗證...73 第六章 結論與建議 ...76 6.1 結論...76 6.2 建議...78 參考文獻 ...79

表目錄

表 1 流量管理模式文獻統整表...22 表 2 新定位點座標...31 表 3 各節點距離...31 表 4 定位點之速度限制...32 表 5 範例二有彈性航路之結果...48 表 6 範例二無彈性航路之結果...49 表 7 雷達資料欄位一覽表...52 表 8 終端到場管制條欄位一覽表...54 表 9 終端到場管制條欄位一覽表...55 表 10 節線長度表...57 表 11 航線距離表...58 表 12 模擬一之輸入資料...58 表 13 模擬一結果...59 表 14 模擬一結果與原始資料比較...60 表 15 模擬二之輸入資料...62 表 16 模擬二結果...63 表 17 模擬二無彈性航路之模擬結果...64 表 18 模擬二有無彈性航路模擬結果比較...65 表 19 速度程序B之模擬結果...66 表 20 速度程序C之模擬結果...67 表 21 混合速度程序之模擬結果...69 表 22 不同運量之飛行距離比較表...70 表 23 各速度程序之飛行距離比較表...71 表 24 飛行時間比較表一...72 表 25 飛行時間比較表二...73 表 26 航機到達各定位點之時間...74

圖目錄

圖 1 固定航路圖...3 圖 2 彈性航路圖...3 圖 3 研究流程圖...7 圖 4 研究架構圖...8 圖 5 台北終端管制區域圖...27 圖 6 AU1A到場程序圖 ...28 圖 7 AU1A到場航機軌跡圖示意圖 ...29 圖 8 AU1A到場彈性航路(由B576 航線進場)...30 圖 9 AU1A到場彈性航路(由A1 航線進場)...30 圖 10 簡化模型進場航路圖...34 圖 11 簡化彈性航路之模擬模型...44 圖 12 範例一之參數設定...46 圖 13 範例一結果圖...46 圖 14 範例二有彈性航路結果圖...47 圖 15 範例二無彈性航路結果圖...49 圖 16 雷達資料純文字檔格式示意圖...52 圖 17 終端到場管制條(印表欄位)...53 圖 18 終端到場管制條(人工駐記欄位)...54 圖 19 管制條範例圖...56 圖 20 管制條轉換至電子檔之範例格式圖...56 圖 21 網路模擬模型示意圖...57 圖 22 航管雷達資料距離示意圖...70

第一章 緒論

1.1 研究背景與動機

由於航空交通量不斷地成長，飛航服務的需求也隨之不斷增加，大量航機飛 行於有限的空域中，造成飛航空域擁擠航空交通管制不易。因此許多為解決空域 擁擠及系統延滯的策略相繼被提出以及應用。國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)在西元1989年提出在空中自由飛行(Free Flight)的夢 想，建議發展以衛星及數位化技術為基礎之CNS(Communication, Navigation, Surveillance)環境，來支援建立一飛航管理(ATM, Air Traffic Management)系統。 此一構想允許飛行員可以自由以其最佳的航路、速度及高度飛行，降低飛航管制 的限制，不僅能有效地使用空域、減少擁擠所產生之延滯，也同時能降低飛機的 操作成本。然而要達到自由飛行的目標，必須以飛機位置與速度為基礎的隔離方 式取代過去航路基礎的隔離策略，而機載與地面等基礎設施也都需要全面的提 昇。[28] 澳洲方面，於西元2000年組成一澳洲策略性航空交通管理團隊(Australian Strategic Air Traffic Management Group, ASTRA)，此團隊是為了提供在未來15年 能更安全、經濟、有效且對環境傷害較小的飛行條件，其發展之航空策略計畫中 主要策略方案為提供使用者偏好的軌跡(User Preferred Trajectories, UPTs)，駕駛 員能夠依每日規劃的彈性航路中選擇最有效率的航路飛行，最終目的是以節省時 間與燃油成本來降低航空公司的營運成本且因油耗的減少而減低對環境的負面 影響。且澳洲的航管單位於西元2003年完成其20座的廣播式自動回報監視 (Automatic Dependent Surveillance Broadcast, ADS-B)以監測航空交通，讓管制員 能夠更精確地追蹤航機的軌跡，能夠安全地減少航機間的間距以達到航管上延誤 的降低，提供更有效率的服務。[4] 而我國於民國八十八年委託美國MITRE公司完成「CNS/ATM發展主計畫規 劃專案」，提出台北飛航情報區CNS/ATM發展主計畫，並依時程階段性完成計 畫。在目前之過渡時期，飛航管制環境除了既有的飛航管制程序及儀器飛航程序 等規範外，仍極仰賴航管人員的經驗判斷。由於CNS/ATM計畫期程長達十年， 且我國不具備衛星航行、數據鏈通信、飛航管理系統等科技基礎，為有效執行此 一巨額投資之計畫、避免風險，民航局規劃聘請具備CNS/ATM專業科技能力以 及大型專案管理能力之顧問，協助執行CNS/ATM計畫各項系統之建置。民國九 十二年十月美國MITRE公司團隊得標獲選為民航局CNS/ATM計畫顧問。MITRE 公司顧問團隊由美國MITRE公司、紐西蘭Airways International公司、工業技術研 究院及國立成功大學等四個團隊組成。[28] 傳統航管系統中之語音通訊、雷達導航與監視等等基礎設施與航管管制操 作，並無法提供管制員對空域容量需求之精確預估，管制員往往因為無法即時得

知各航機的確切位置，必須倚靠經驗或雷達輔助來預測離到場航機可能會發生的 衝突，進而命令其航機到達指定之位置、高度，給予航機較大的隔離以避免危險 發生。在進場航機方面，從多方機場起飛之到場航機，進入終端空域後，經由到 場定位點降落在目標機場，由於機場跑道容量的限制，管制員必須將離、到場航 機做最有效率的次序安排。由董吉利(民95)之研究，以臺灣桃園國際機場雷達資 料中可明顯看出到場航機之軌跡大多無遵照到場程序之規範到場，會因航管介入 而有所偏離其航路，倘若再加上尖峰時段航機的增加，可能會發生更多繞行的情 況，造成不必要之人為延滯，進而影響航空公司油耗成本的增加，以及消費者的 不便。在以往流量管理文獻之研究中，多是利用航路中各陸基設施作為控制點， 以特定時段內放飛航機數做為決策變數，無法看出每架航機之即時狀態而加以控 制，因此若能夠在有限的空域中規劃依航機軌跡為基礎的彈性航路，配合流量管 理概念，針對控制範圍內之各航機進行飛航控制與管理，勢必能改善空域擁擠與 延滯的情形，以帶來經濟上的助益。 航管人員的經驗極其寶貴是無庸置疑的，但人腦畢竟有限，因此若能夠運用 電腦發展決策支援系統，提供航管人員更多參考資訊，將可提升航管人員在執行 決策時，更有效的顧及安全、效率與準確性。因此，如何利用航機軌跡來規劃進 離場航路與程序，以達到航空交通的安全與流暢是值得探討之課題。 1.2 問題描述 航機在空中航行，起降或是地面滑行，並非如鳥般恣意翱翔。天空如地面的 公路一樣具有路線。這些無形的路線是藉由助導航設施(NDB、VOR、TACAN) 發射的電波所連結起來，由航機的導航裝備或衛星來完成導航。這些航路提供航 機在廣大的空中不至於無所適從，同時也便於管制單位提供服務。在飛航管制作 業中，另一項重要的工具是雷達。管制員可以利用雷達觀察空中航機的相關位置 和動態，並且藉由次級雷達的數據傳送配合航管電腦，讓管制員運用雷達幕上的 資料方塊(DATA BLOCK)輕易識別每架飛機。經由雷達顯示，管制員即可依照各 種雷達管制程序引導空中的航機，以取得安全隔離並且有序、快速地消化空中交 通的流量。 為了達到安全及效率的要求，航管人員與駕駛員的專業知識、技能、緊急應 變的程序與能力、以及相關的各項輔助設備都是不可或缺的。航管人員利用無線 電和駕駛員協調，應採用哪一預定的路徑進行起飛、爬升、下降及落地。定速飛 行時，駕駛員根據飛航計畫書中預先提出的每一段航程，沿著已訂定的航路航 行。航管人員必須確保航機間保持安全距離。隨著航機從一管制空域前進下一空 域，航管人員之間會有交接監督航機之工作，其中也可能會允許駕駛員為了避開 惡劣天候而暫時「脫離航路」之情事。因為彼此立場角度的不同，對於如何達成 飛航上安全及效率的共同要求，航管人員與航機駕駛員也會有不同的看法。對飛

行員而言，一般都希望能選擇最直接的航線以及最經濟的巡航高度。但往往這些 理想的設定並無法完全符合航管上安全的要求和限制。對於航管人員，他們必須 同時面對及處理多架不同要求的航機，在許多情況下，他們必須要求某一航機改 變速度、高度、方向或甚至多轉幾個圈，以求達到整體飛航安全的考量。 由於目前駕駛員必須沿著固定之航路曲折航行，跨越地面導航信標的上空， 讓航管人員能在雷達觀測有限之範圍下進行航機管理，如圖1所示。若能夠排除 地面導航設施之限制，即在未來採用全球定位系統與衛星導航方式，達到自由飛 行之目標，讓駕駛員有時能選擇較直接之路徑，有時則採用距離較長但因順風而 較快之路徑，此種航路彈性可以讓駕駛員按照自己希望的路線與時間飛行，管制 員可以彈性改變航路，達到最佳的飛航模式，亦可使系統大幅增加空域容量，如 圖2所示。 圖 1 固定航路圖 圖 2 彈性航路圖

在圖2之航管作業環境下，透過GPS定位系統，航管人員可精確知道航機在 系統範圍內每一時刻的位置，並彈性調整飛行的航路，而非如圖1航機之運作， 由於受限於陸基設施，以致於航機在調配上無法即時做出更有效率的決策，有時 更需以雷達引導的人為介入方式管制，以致發生航機繞行情形。因此若能應用較 具彈性之飛航管理方式，將能使空域使用更有效率。本研究即是希望透過航機軌 跡之分析探討，在可行彈性航路的引入與佈設條件下，發展彈性航路流量管理模 型。 1.3 研究目的 管制員必須對到場與離場的航空器排定其順序以保持良好的空中交通，而為 了在尖峰時段仍能維持航機交通的順暢，提供管制員更精確的排序與隔離工具是 一個必要的手段，其目的是維持進離場管制服務的品質以及更有效的利用空域與 跑道容量。以往國內對於流量管理方面，如劉仲祥(民93)及俞瑞華(民92)之研究， 皆以台北飛航情報區飛航指南(AIP)中之固定航路，配合空域模擬模式進行流量 管理。 本研究欲利用使用者偏好軌跡的概念，改善以往以固定航路進行流量管理的 方式，在依航機軌跡為基礎的彈性航路上設定多個虛擬控制點，當航機通過控制 點時，由於控制點間之距離為已知，即可以準確預測該航機到達下一控制點之時 間，因此管制員能夠精確地依據此等數據進行隔離，以實際雷達資料中統計出航 機到達各點時應維持的高度、速度等參數，針對台北終端管制區之網路利用電腦 程式建立模擬模型，以達到離到場航機都能順暢飛行為目標，並減少不必要的繞 行延滯、航管干擾以及管制員在決策上的負擔。 利用所建立之模擬模型，以實際雷達資料進行模擬，探討彈性航路之效益， 首先須完成相關節點參數之設定，以及彈性航路的規劃，亦即可以讓管制員在安 全運作的條件下，有較多航路選擇的可能，裨航機能以對航空公司最有利的航線 飛行。在此構想基礎之下，本研究擬發展一網路模擬模型，以協助管制員更容易 地掌握航機的動向。因此本研究之目的如下列三點： 1. 建構台北終端管制區內以使用者偏好軌跡為基礎之彈性航路，滿足到場 航機順暢航行。 2. 在彈性航路基礎之下建構台北終端管制區網路模擬模型。 3. 分析以彈性航路建構之網路運作效益。

1.4 研究範圍 台北終端管制區為台北飛航情報區中航機離到場最繁忙之區域，依據飛航指 南中對於此區域之定義，其離到場空域範圍為飛航空層 1200 呎至 20000 呎間， 由臺灣桃園國際機場近場管制塔台所負責，作為本研究之探討範圍，僅考慮在此 飛航空層範圍內，國際線雷達管制之離到場航機，不將過境台北終端管制區任何 航機納入考量。以航管雷達資料，依不同儀器到場程序來建構此一範圍之到場航 機軌跡，進而規劃以航機軌跡為基礎之彈性飛航路線，至於離場航機則仍沿用既 有離場程序，以作為分析之依據。 1.5 研究內容與流程 本研究以台北終端管制區內臺灣桃園國際航空站離到場民用航空器為研究 對象，由三大部份所組成：第一部份為建立以航機軌跡為基礎之到場彈性航路： 經由實際航管雷達資料與相關之參考文獻規劃出到場航機之彈性航路。第二部份 以規劃後之航路，建構台北終端管制區內到場航機之模擬模型。第三部份以實際 資料進行模擬，並分析本研究模型之效益。本研究之流程如圖3，於確定問題後 制訂其研究範疇，詳閱有關空域模擬與流量管理之參考文獻，規劃台北終端管制 區內到場航機之彈性航路，並以電腦程式語言設計彈性航路網，並設定各虛擬控 制點之參數，建構以軌跡為基礎之網路模擬模型，以實際雷達資料進行模擬，分 析彈性航路使用效益，最後以本研究模擬模型得到成果作歸納及統整後提出建 議。本研究工作內容如下： 1. 界定問題與範疇 確定本研究之問題「以航機軌跡為基礎之流量管理」，以前述之研究範圍進 行後續研究工作。 2. 相關文獻回顧與探討 探討我國目前飛航管制作業，說明目前飛航管制可能隱藏之問題。回顧國內 外相關之文獻，將有關流量管理與空域模擬之相關文獻統整與比較。了解此一議 題目前研究之進展，以及值得探究之議題與論點，由於本研究之範圍為台北終端 管制區，因此必須回顧飛航指南中，航機在此區域之離到場程序標準之規範，以 及管制員依飛航管制程序規範之標準。 3. 蒐集及分析航管雷達資料 依董吉利(民95)篩選中正終端航管自動化系統所紀錄航機雷達資料之程 序，取得台北終端管制區內國際航機之雷達資料，按照不同機型及離到場程序分 類歸檔，取當中必要之資訊，確定建立航機軌跡必要之參數。參數包含：雷達紀

錄航機每一筆飛行資料之時間、航機呼號、雷達電碼、雷達回報航機位置WGS84 之XY座標、航機回報之高度、航機水平速度或X Y軸上對應之航機速度、爬升 下降率及航向。 4. 航機彈性航路之規劃 建構台北終端管制區內到場航機之彈性航路。依據航管雷達資料之歸納與整 理，配合飛航指南規劃之航路，以最符合航機軌跡之航路，設定彈性航路之上限、 下限範圍，進而確定本研究範圍中無衝突之彈性航路，規劃符合到場航機軌跡之 彈性航路。 5. 網路模擬模型構建 在此一步驟需建構以彈性航路為基礎之網路模擬模型。以電腦程式語言C++ Builder 5設計一適用台北終端管制區域之模擬模型，依第四步驟所規劃之彈性航 路中設置數個虛擬控制點，確定各節線長度及各節點之座標位置，進行網路模型 構建，再依據實際雷達資料來設定各虛擬控制點上航機之飛行速度。 由於航機到達各虛擬控制點之時間間隔必須符合隔離標準，將此標準規則作 為模型構建的主要依據，以模擬方式找出最有效率之航機指派方式與各航機之飛 行路徑。 6. 效益分析 經由上述構建之網路模擬模型，以實際雷達資料來驗證此模型，並以模擬分 析彈性航路規劃後與無彈性航路方案下之差異，進行效益評估與分析。 7. 結論與建議 總結本研究之結論並給予後續研究相關建議。

本研究流程如圖3所示： 界定問題與範疇 相關文獻 回顧與探討 蒐集及分析航管雷達資料 航機彈性 航路之規劃 網路模擬模型構建 效益評估與分析 結論與建議 圖 3 研究流程圖 1.6 研究架構 目前飛航管制為了達到安全的目的，管制員必須給予航機較大之隔離，因此 到場航機常會因管制員過度介入而產生人為延滯，且駕駛員對於航機行徑無所適 從，增加無謂的困擾，同時也因此延滯產生油耗成本增加。本研究欲解決此問題 而提出航機軌跡規劃，依據到場航機可行軌跡資料規劃適合之航路供駕駛員選擇 或航管人員指派航路之用。在地面基礎設施與機載設備完備之前提下，利用節 點、節線之概念，加入時間變數，將各規劃後之航路以最大空域容量與最有效率 為目標進行流量管理。圖 4 為本研究之研究架構圖。

圖 4 研究架構圖 1.7 研究方法 本研究以航管雷達資料配合文獻回顧方式規劃台北終端管制區到場航機之 彈性航路，運用電腦程式語言撰寫模擬模型，以實際雷達資料進行彈性航路上各 虛擬控制點之速度設定參考，將航機間安全隔離時間設定為一常數，建立航機排 序之規則後構建模擬模型，經由此模擬模型可以精確掌握研究範圍內每一航班經 過各控制點之時間，提供駕駛員明確之路徑選擇。最後將以實際雷達資料進行模 擬分析，並將此模擬結果與目前固定航路管制方式作比較分析，評估以彈性航路 為基礎之飛航管理所得之效益。

第二章 文獻回顧與評析

文獻回顧分為四部份進行探討：1.我國目前飛航管制作業的情況敘述，對於 目前作業環境、管制方式加以說明；2.我國CNS/ATM主計畫之介紹，說明如何從 傳統之作業系統轉換為未來自由飛行營運環境的計畫，以及目前國外飛航管理的 發展；3.探討飛航管理的現況與目前遭遇之限制；4.流量管理與空域模擬的相關 文獻探討，包括地面等候、空中等候、路徑變更等策略之應用與國內外空域模擬 模式的相關研究。最後一部分為文獻評析，將統整相關之文獻，提出本研究可再 深入探討以及研究的議題。 2.1 我國飛航管制作業[27] 飛航管制為「空中交通管理」一重要環節，負責在航空器起飛、降落、飛航 途中，利用雷達及其他輔助性自動化資訊裝備，透過陸空無線電通訊，提供航空 器安全、有序、便捷的專業性服務。在台北飛航情報區內飛航管制業務分為機場 管制、近場管制、航路管制等。基於本研究之研究範疇為終端管制區域，因此僅 就近場台之管制作業說明： 1. 近場管制 負責一個或數個機場離到場航機之管制，管制空域之高度自一千呎以上 至二萬呎，或二萬四千呎以內之空域，負責提供航空器的離到場高度及雷達 隔離之航管服務；以無線電及雷達為工具，由各近場管制台提供服務。台灣 地區共有五個近場台，分別是： 1. 中正近場台 2. 台中近場台 3. 高雄近場台 4. 花蓮近場台 5. 台東近場台 每一近場台又因空域劃分而分許多席位，主要管制方式為雷達或人工管 制隔離。而中正近場台所管制範圍約北至基隆外海，東至宜蘭外海，西至新 竹外海，南至後龍所劃成的一個瓢形區域，高度從1000呎~ 20000呎，內轄 松山，臺灣桃園，新竹，桃園空軍基地四個主要機場及一些陸軍小機場，分 有四個主要雷達席位：松山席(SR)，中正席(NR)，新竹席(PR)，桃園席(GR)。

2. 飛航隔離管制 管制隔離的依據主要有下列三種： 1. 目視隔離：管制員以目視的方式引導航機避免碰撞，此僅限於機場 附近的航機，由塔台管制員為之。 2. 雷達隔離：以雷達的方式引導航機避免碰撞。 (1) 高度隔離：高度於29000呎以下，兩機之間要有1000呎的高度 差。高度於29000呎以上，兩機之間要有2000呎的高度差。 (2) 平面隔離：相同高度的兩航機位於雷達天線40浬的範圍內，彼 此要有3浬以上距離。若兩機位於雷達天線40浬的範圍外，彼此 要有5浬以上距離。 3. 人工管制隔離：無雷達輔助，僅靠管制員記錄及飛行員報告方式進 行航機之隔離。 (1) 高度隔離：高度於29000呎以下，兩機之間要有1000呎的高度 差。高度於29000呎以上，兩機之間要有2000呎的高度差。 (2) 前後隔離：限定航機於某時間通過某點，前後航機之隔離基本 上為10分鐘或20浬。 (3) 左右隔離：限定航機飛航於不同之航路上。 以上隔離方式，只要有一種存在便視為安全隔離，若航機間皆未達上述 任一之標準，則有危險之虞，稱之為空中接近。 目前我國飛航管制作業主要仍以航管人員控制為主，航管人員利用語音方 式與駕駛員溝通協調作出決策，完成航機能順利離到場的程序。然未來 CNS/ATM飛航管理之目標，希冀能應用硬體設備與電腦軟體之配合，降低航 管人員之工作負荷，提供駕駛員明確的訊息。因此2.2節將說明我國與其他各 國CNS/ATM之發展與作法。 2.2 CNS/ATM發展計畫 自西元1989年國際民航組織(ICAO)提出CNS/ATM系統，欲藉由先進的科技 與全新的飛航服務程序，克服傳統飛航服務系統之限制，有效改善飛航服務系統 之效率與品質。國際上各組織也相繼提出CNS/ATM系統作業概念，可作為研擬 未來全球整合一致飛航管理作業規範與標準的基礎。以下僅針對我國CNS/ATM 發展計畫及已引用飛航管理彈性航路策略之澳洲做介紹。

2.2.1 我國CNS/ATM之發展計畫 [28] 中華民國民用航空局為解決台北飛航情報區日趨飽和的機場容量及高 密度之空域使用等問題，提供我國及國際航機先進服務，協助航空公司降低 營運成本，經行政院於民國 91 年 12 月核准民航局台北飛航情報區「通訊、 導航、監視與飛航管理(CNS/ATM)發展建置計畫」。此計畫最終目標在於依 台北飛航情報區飛航需求及 ICAO 所提之 CNS/ATM 概念，建置可滿足至公 元 2025 年飛航服務需求之系統及作業程序，以鞏固台北飛航情報區於國際 民用航空界之實質地位。本計畫各項主要內容簡述如下： 1. 通訊(Communication) 未來的飛航管理業務將由傳統之類比空對地(Air-Ground，A/G)通訊 系統，轉變為整合式之空對地(A/G)數位語音與數據通訊系統，而現行 地對地(Ground-Ground，G/G)通訊將會被併入整合式的數位通訊基礎架 構。簡言之，以數據鏈(Data Link)通訊，取代大部份傳統之非緊急語音 通訊，使用衛星通訊(Satellite Communication，SATCOM)或數據鏈通訊 取代越洋高頻(HF)通訊。 2. 導航(Navigation) 飛航業務架構將自現行以陸基為基礎之傳統助導航設施過渡到包 含全球定位系統(Global Positioning System，GPS)以衛星為基礎之全球 衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)，為航機提供 航路飛行及精確或非精確進場之導引訊號，提昇飛航效率及安全。

3. 監視(Surveillance)

未 來 的 監 視 系 統 將 整 合 傳 統 雷 達 監 視 系 統 及 自 動 回 報 監 視 (Automatic Dependent Surveillance，ADS)系統，監視資料經由共通標準 介面數據格式進行傳輸與交換，以提供航機動態資訊給所有的飛航管理 系統(ATMS)，強化地面管制單位對航機動態之掌握，提昇空域使用效 率。

4. 飛航管理(Air Traffic Management)

配合空域調整、飛航服務單位之整併及新建之北部及南部航管作業 中心，新一代的飛航管理系統將整合各子計畫之系統介面，配合ICAO 之建置期程及鄰近飛航情報區之發展，建置一全區完整之自動化系統， 並配合新一代航機監視技術之運用，提昇台北飛航情報區之整體飛航服 務品質及效率。

2.2.2 澳洲飛航管理策略計畫[4]

澳 洲 策 略 性 航 空 交 通 管 理 團 隊 (Australian Strategic Air Traffic Management Group, ASTRA)發展之航空策略計畫中，主要策略方案為提供 使用者偏好的軌跡(User Preferred Trajectories, UPTs)，因此本節將針對此策 略方案作詳細介紹，將此計畫分為背景、轉換、效益三部份說明： ¾ 背景 使用者偏好軌跡策略是以使用者觀點來達到未來飛航管理的目標， 允許使用者選擇自己偏好的軌跡(三度空間+時間)航行，主要是發展一個 以安全為前提，且對環境各層面影響最小，能提高營運效率與節省成本 效果的結構與環境。而此軌跡是指從起飛機場的登機門開始至目的地機 場的登機門之間的航行軌跡，因此使用者偏好軌跡必須包含航路中、終 端區域與地面階段的軌跡。 ¾ 轉換 為了使目前的飛航管理系統能夠轉換成以 UPTs 為基礎的未來飛航 管理系統，ASTRA 提出了五個階段的轉換策略： (1) Tasman 之使用者喜好航路

將 User Preferred Routes (UPRs)策略引進澳洲東南方 Tasman 海 上之空域航路，在此空域中飛行之航機都必須有導航與通訊的機載 系統，且對在此空域的使用者，實施先導測試計畫。 (2)國際線之彈性航路 針對飛越澳洲空域之國際線航機引進彈性航路策略，且航機都 必須有適當的機載設備。彈性航路定義為每日依不同狀況所計算出 兩特定城市間可提供最有效率飛行飛航服務航路。 (3)國際線使用者偏好之航路 引進 UPRs 至往返澳洲之國際線航路，支持飛航管理目標營運 概念(ATM Target Operational Concept, TOC)的達成。

(4)國際與國內線使用者偏好之航路 引進 UPRs 與 UPTs 至澳洲飛航情報區，連結澳洲國內與往返 澳洲之國際線航路，以支持飛航管理目標營運概念的達成。 ¾ 效益 使用者偏好軌跡的執行將會對空域利用與機場容量有明確的效益，空 域將會變成所有使用者可以利用資源，且提供能支持飛航管理目標營運 概念的架構，其效益歸納如下：

1. 利用機載與陸基設備構成之最佳化飛航路徑，改善營運效率； 2. 增加飛航路徑選擇的隨機性可提高安全； 3. 減少環境衝擊；使航空公司之航班規劃達到： (1) 減少飛行時間； (2) 減少燃油消耗； (3) 減少污染物； (4) 改善交通量的分配； (5) 航機維修的節省 4. 有動態重整空域交通量的能力； 5. 利用系統工具增加營運彈性； 6. 增高澳洲國防營運的自由度； 7. 減少機坪與滑行道的擁擠； 8. 提高跑道容量； 9. 提高終端空運容量。 澳洲航路經由結構的重組，墨爾本、布里斯班以及雪梨等大城市與其他國際 都市間之彈性航路也已陸續執行中。由於經由有系統化組織的航路結構可提供更 多的航路，因此可達成更好的航空交通運輸，每日產生的彈性航路也更強化了航 管的航機隔離保障，同時也使得航空公司可以獲得使用固定航路所無法得到的效 率與利益，甚至航機準點率亦可因而提升。 澳洲的經驗說明了即使空域廣大，實際上並無空域擁擠之空域結構仍有相當 改善的空間。更何況我國空域狹小，應該能有相當大的改善空間，尤其油價、能 源問題越趨嚴重，航路的有效改善及最佳彈性航路的引入必定能提升我國航管服 務的品質與競爭力。 2.3 飛航管理之現況與發展限制 隨著世界經濟不斷成長，航運量的日益增加，而現階段受限於航管的傳統設 備，在有限空域下，無法有效地縮減航機間的距離，導致航機常因擁擠而發生延 滯，因此為了改善此狀況，世界各國均積極地發展可以解決此空域有限而航機不 斷增加的科技技術，由於目前各國所提供的飛航管制作業標準不一，各個飛航情 報區所應用的基礎建設也不ㄧ致，因此為了達到全世界都能統一的作業系統，減 少在各飛航情報區間的連續性問題，過去數年國際間陸續發展一連串的通訊、導 航、監視與飛航管理(CNS/ATM)相關計畫，以期能改善飛航作業效率，然而近幾 年，國際民航組織(ICAO)及相關航管先進國家漸漸察覺新科技的運用並非新一代

飛航管理系統的建置目的，定義一個明確飛航作業需求為基礎之全球整合飛航管 理系統作業概念才是最迫切的工作。唯有清楚描繪符合未來航運量與使用者需求 之飛航管理系統作業方式，並搭配通訊、導航、監視與飛航管理(CNS/ATM)技術 或更先進技術之應用，才可真正強化飛航管理的系統功能與程序，建構全球空域 的安全、一致性、無間隙與協調性的飛航環境，以提昇飛航服務之安全與效率。 2.3.1 飛航管理的現況 根據交通部委託工業技術研究院於民國九十四年發行之我國新一代航 管系統建置策略綱領之研究[25]，目前全球多數國家之飛航服務都依據國際 民航組織(ICAO)所規定之標準與建議實行，國際民航組織附約2之航行規則 (Rule of the Air)及附約11之飛航服務(Air Traffic Services)等兩份文件為全球 各飛航區域建置飛航管理(Air Traffic Management , ATM)系統的基礎規範。 另外，導航服務程序(Procedures for Air Navigation Services , PANS)一系列之 作業規範(如PANS-ATM Document 4444，PANS-OPS Doc8168等)，更詳細訂 定了一些飛航管理的作業標準與作業程序規範。國際民航組織目前有188個 締約國運用相同的語言(英語)，依上述之標準實行飛航管理作業，建置共通 的助航設備以提供能有效、安全、迅速之飛航管理服務。 飛航服務包括飛航管制、飛航情報與飛航守助等服務，其中飛航管制服 務的比重最大。飛航管制人員須具備獨特的空間認知能力，快速的資訊處理 能力，主動且即時的邏輯分析各種高度複雜的管制技巧，下達指令以： 9 保持航空器安全間距，避免發生碰撞的危險 9 保持空中交通的有序與快捷 9 確保飛航安全及提供航空器作業者飛航效率相關資訊 9 在航空器發生需要協助搜救時之相關單位通聯服務 飛航管制服務又可細分為機場塔台管制(僅涵蓋一個機場)、近場管制服 務(涵蓋一個或以上機場及其鄰近空域)及區域航路管制服務。國際民航組織 為了達到全球化的飛航服務，將全球空域化分成多個飛航情報區(Flight Information Region , FIR)，空域範圍的劃分一般是以國界來區分，因此形成 歐洲地區被劃分為很多很小的空域，而飛航情報區也可同時包含好幾個國家 之空域。相反的，領土廣大或涵蓋較大水域的國家則擁有數個飛航情報區。 每ㄧ飛航情報區所屬國家的民航局，考量其區域內航空運量需求及自身之財 政能力，依據國際民航組織所研擬公告之標準與規範，建置各自空域內的飛 航服務功能與水準。固定的航路結構跨越數個飛航情報區，而各飛航情報區 內依相互連接的固定航路與相鄰之區域管制空域，實施交接程序，提供區域

航路管制服務。各飛航情報區內也有服務機場鄰近空域的終端管制區域 (TerMinal control Area , TMA)。管制空域或管制區域將視航運量與管制員工 作量之多寡，再細分為多個管制之席位(Sector)。 航空器在航路及機場的活動有其限制的範圍，管制員僅在這些空域範圍 內提供飛航管制服務，其他的空域稱為非管制空域(Uncontrolled Airspace)， 或為軍方所使用空域，或為國防軍事用途之特殊空域。 一個飛航情報區內的飛航管理作業程序主要是根據飛航的型態、航空器 密度、通信、助導航、雷達或搜索監視技術與設施、地理環境及國家財政能 力而定。航空器必須事先獲得航管許可(ATC Clearance)才可進入相關空域使 用。目前的飛航管理就是根據上述不同作業環境之考量，採用適當導航作業 程序與隔離標準。

現今飛航管理依舊使用紙張列印之飛航管制紀錄條(Flight Progress Strip) 進行管制服務，飛航管制紀錄條是依據航空器之飛行計畫(Flight Plan)經過飛 航資料處理系統(Flight Data Processor , FDP)處理後，列印給航管人員參考的 管制飛航資料。飛航管制紀錄條上記載管制範圍內航空器的呼號(飛航班次 號碼)、機型、空速、各航點的時間、飛航的航路、高度及雷達電碼等資料。 管制員將管制條依據交管點之地理位置及到達交管點時間之先後次序，排列 於管制板上。管制員考量所負責管制席位(Sector)所有航空器之飛航需求， 即時安排或規劃各航空器之安全飛航高度或飛航路徑。管制員根據雷達顯示 器及相關之管制條資料安排航空器之飛航。在陸地及航運量密集之空域內， 由於地面之助導航輔助設施較多，通常航空器間之隔離(Separation)標準比越 洋飛航或偏遠地區之飛航間之隔離標準來的低，即隔離距離或時間可以較 短。航空器間之隔離標準通常是以時間或距離來表示，而最低之安全隔離標 準隨國家或管制區之航空基礎設施不同而有不同的標準。隔離通常分為前後 (Longitudinal)、左右(Lateral)的水平隔離(Horizontal Separation)及高度隔離 (Vertical Separation)，而隔離標準的訂定主要是依據航情複雜度(Traffic Complexity)、航行時間(Exposure Duration)、空域大小(Airspace Dimensions)、 通信能力(Communication Capability)、偵錯與更正能力(Blunder Detection capability and Correction)等變數所組成的碰撞風險分析公式計算而得。[25]

傳統上，飛航空層290(FL290，表示29,000呎)以下飛航的航空器採1,000 呎的高度隔離，飛航空層290以上飛航的航空器採2,000呎的高度隔離，主要 是因傳統的高度計在29,000呎以上的不精確性考量。但由於近幾年全球航運 量的不斷成長，空域已不敷使用，加上新科技之高度進展，新一代航空器之 機載裝備日漸精良，為此國際民航組織(ICAO)提出所謂的縮減最小垂直間隔 (Reduced Vertical Separation Minima , RVSM)計畫與施行規範，已在全球各 地區陸續建置實施最小垂直間隔(RVSM)空域。目前台北飛航情報區已經全

區實施最小垂直間隔(RVSM)，而相鄰的飛航情報區並未完全實施，因此台 北飛航情報區須負擔最小垂直間隔(RVSM)與傳統高度隔離 (Conventional Vertical Separation Minima , CVSM)轉換之額外工作。[25]

在科技快速發展進步下，自動化已成為時代的趨勢，接著將針對飛航管 理自動化系統的功能作說明，以瞭解飛航管理自動化系統在飛航服務中扮演 的角色，飛航管制自動化系統主要包括三大部份分別為：(一)資料處理系 統：負責蒐集、處理、貯存整個空域內所有相關之航情資料，即時展示並隨 時更新空域內之航空器動態；(二)雷達資料處理系統( Radar Data Processing , RDP)：處理飛行計畫書，多個雷達陣地所偵測的移動物體或固定物體之雷 達回波，氣象回波資料等等；(三)飛航資料處理系統(Flight Data Processing , FDP)：接收來自國際航空固定通信網(Aeronautical Fixed Telecommunication Network , AFTN)所傳遞的各項飛行計畫與飛航資訊，或系統事先建置之長 期飛行計畫(Repetitive Flight Plan , RFP)等等。[25]

飛航管理自動化系統除上述之三大系統外，目前相鄰飛航情報區之間已 建置有飛航情報區間資料通訊(ATS data Interchange Data Communication , AIDC)，用以自動傳遞相關飛航資訊，提升飛航效率並降低管制員之工作 量，同時一些航管自動化系統也具備短期衝突警示(Short Term Conflict Alert , STCA)、飛航路徑預測(Trajectory Prediction)、飛航路徑監控(Flight Progress Monitoring)及中程計畫衝突警示(Medium Term Conflict Detection , MTCD) 等功能以協助管制員，使其工作更具效率。[25]

而我國現有之飛航管制自動化系統包括洛克希德馬丁(LOCKHEAD US-LMT)公司的Air Traffic Control Automation System及泰勒斯(Thales)公司 的EUROCAT 1000系統，支援台北飛航情報區主要的飛航管制服務，包括航 路中、終端管制區和機場塔台等。飛航管制業務包含飛航路徑的指引、一致 性的監控、航管許可的頒發、航空器與航空器及航空器與地障間的避撞及促 進並維持台北飛航情報區內有序之飛航流量等相關業務。[25]

飛航管制自動化系統(Air Traffic Control Automation System , ATCAS)包 括一套航路自動化系統及中正、台中、高雄三套終端自動化系統(Terminal Control Center Automation System , TCCAS)，飛航管制自動化系統(ATCAS) 其功能及能量可滿足現在空域的需求，並可提供台北飛航情報區近期的未來 必要的飛航管制服務。當航機飛航於雷達涵蓋不足的越洋區域或偏遠地域 時，現階段航管作業所提供的管制服務，稱為非雷達管制程序。在非雷達管 制區內之程序管制(Procedural Control)規定，需有較大的航管隔離與較低的 系統容量，也因前述兩項原因再加上固定的飛航路徑等因素，使得航空器在 非雷達管制區受到更大的限制，因而降低該區域之飛航績效。但因航運量不 斷成長，航空器機載裝備的日新月異，相關國家對其越洋區管制(Oceanic

Control)也不斷投入資源以提昇空域能量，例如，有些國家或區域陸續實施 越洋空域的最小垂直間隔(Reduced Vertical Separation Minimum, RVSM)標 準 ， 以 及 執 行 動 態 航 路 選 擇 機 載 裝 備 (Dynamic Airborne Re-routing Procedures) 程 序 與 降 低 水 平 隔 離 (Reduced Horizontal Separation Minima, RHSM)等計畫與程序，以提升該區域或國家的飛航效益。[25] 在機場附近之終端空域因其航行密度較高，航空器飛航路徑交錯，其所 形成的空域複雜度遠比航路飛航階段高，以及不同機載裝備與性能差異的航 空器、日益嚴格的噪音管制程序及環保要求等因素，導致終端空域的飛航管 制作業益形複雜，也因此使得全世界很多機場航空器離、到場延誤情形也日 益嚴重。為了改善此一經常性的航班延誤現象，飛航管理相關組織或機構提 出很多新的飛航管理計畫(如實施交錯進場或雙跑道平行進場)，企圖改善並 提昇機場的容量。但終端空域除航空器安全隔離外還需考量航空器機尾亂流 (Wake Turbulence)的影響。機尾亂流的強度受到機翼的大小、形狀、重量及 飛航速度影響。重量愈大速度愈慢的航空器所產生的機尾亂流愈大。尾隨重 型航空器實施離、到場時，所遇到的亂流可能造成後續離、到場航空器的失 控，這也是為什麼離、到場航空器間須有充分的安全隔離標準存在的原因。 但此安全隔離的標準之管制方式與降低隔離以增進跑道容量的構想卻是背 道而馳。因此機場場面的活動也會因航運量的增加而造成更多的延誤，現今 多數機場的地面管制都依賴管制員以目視方式實施管制，或配置相關地面搜 尋雷達裝備，但仍未發展成自動化技術之系統，以及管制塔台與其他地面作 業單位間之聯繫亦缺乏有效機制等因素，導致現階段機場地面的飛航管制服 務效益也成為影響航空器作業效率因素之一。[25] 2.3.2 現行飛航管理系統之限制 在未增加航管系統自動化程度以協助管制員、駕駛員偵測具潛在衝突危 險的航空器，並提出解決之參考建議措施的作業環境下，現行的飛航管制系 統(Air Traffic Control System)在要求的安全標準下所能處理的航空器數量將 受到下列幾項因素的影響： 9 傳統的空域結構及組成此空域的航路、助導航設施與其服務水準等； 9 以國界或領空為限的空域劃分方式，及其所屬國家所發展建置標準 不一致之航管系統，使空域使用無法達最佳化； 9 不同飛航管制系統之作業概念與架構，形成不一致的飛航管理； 9 鄰近國家建置之飛航管理地面助導航設施，未作統一化管裡，雷達 或非雷達區有不同之隔離標準；

9 地面系統至今尚無預測航空器流量及控制流量的處理設備與作業程 序，因此航空器雖備有先進的設備，仍無機會發揮效益； 9 除航管單位，航空器仍未能精確得知其他航空器的位置、飛航路徑； 9 傳統語音通信的限制與陸空數據交換系統建置的缺乏。 基於上述因素，現行航管系統為達有效的安全區隔，航空器必須依缺乏 彈性之固定航路架構來計畫其飛航路徑，這種飛行計畫經常造成航空器流量 集中於航路之重要交會點，而大幅降低了可用最佳飛航高度的數量，使得飛 航效率低落。同樣的，由於目前所採用的航空器隔離標準及缺乏彈性且非直 線飛航的路徑規劃，使終端飛航的空域無法獲得有效的全面運用，甚至於機 場地面的航空器活動，也因現有飛航管理作業方式與航空器作業間協調性的 缺乏，導致邁向機門對機門(Gate-to-Gate)作業之路充滿障礙。 雖然前述之現有飛航管理的所有限制並非存在於各個國家或區域之飛 航管理系統中，但它們所產生的效應對於國際民航在建置一個安全、一致、 無間隙的飛航管理系統的努力上形成重重障礙。 2.4 流量管理 因系統容量不足所造成之擁擠已經成為世界共同面臨的問題，在過去文獻中 常利用流量管理方式改善空域擁擠與減少延誤的問題，以下將以流量管理目標、 方法以及管理策略之實行時期作分類說明。 2.4.1 流量管理目標 流量管理的目標不外乎減少空域擁擠、航機延滯或提供解決之方法。其 中以總延滯最小化為目標之文獻為多：Terrab and Odoni(1993)之研究為指派 各個航機之降落時段，先行指派延滯成本較高航機之起降時段，最後以總延 滯最小化為目標建立靜態流量管理模式；Bertsimas and Patterson(1998)構建 多機場總延滯最小之靜態確定性模式，其結果能能提供規劃者重整航路之方 案決策以及建議各機場額度供航管人員參考；Anderatta et al. (2000) 以航空 公司自由選擇起飛降落時間帶的觀念，考量多機場間的班機總延滯最小；我 國資策會以空中待命與地面等待所產生之損失最小化為目標建立線性規劃 模式，最後可得到每時段到場定位點放飛之航機數目、起飛之航機數目及降 落之航機數目，提供航管人員作為控制航機起飛、降落額度之參考；Rossi and Smriglio(2001)為解決地面等候而建立之整數線性規劃模式，以地面等候所 造成之延滯最小為目標。

其中以最小成本為目標之流量管理文獻：劉仲祥(民93)利用最小成本流 量問題構建最佳化模式，求解各機場可以放行之航機架次；Ma et al. (2004) 利用動態網路模式解決突發狀況發生時產生之擁擠問題，求航機在此網路中 航行總成本最小化，其成本考慮油耗、空中與地面等候成本、降落替代機場 之成本，以四種情境測試其模式在不同狀況下之結果，提供航管人員在日後 管理上之參考。

而Mohleji(1996)與Dell’Olmo and Lulli(2003)分別以機場容量與航路容 量最佳化為目標構建流量管理模式。 2.4.2 流量管理方法 流量管理的文獻可分作靜態與動態之管理模式，靜態意指流量管理策略 僅在研究時段一開始時（如一天機場開始營運之時）決定；而動態則考量稍 後有更準確之容量預測結果，因此將依據最新資訊調整策略，使其更能配合 實際需求。

其中靜態流量管理模式，多以0-1整數規劃(binary integer programming) 構建，如Terrab and Odoni(1993)提出單一機場靜態確定性模式與靜態隨機性 模式；Bertsimas and Patterson(1998)建立多機場靜態確定性模式，此一研究 考量機場起飛與進場容量、航路席位容量、同航機之接續班機、轉機航班接 續班機等因素，此外，除地面等候及空中等候外，此研究亦加入航機變更路 徑之策略，以0-1整數規劃進行模式構建；Anderatta et al. (2000) 敘述了美國 航空公司對於地面等候策略之實行有許多抱怨，其原因為對於天氣與容量無 法準確地預測，導致可能採用比較保守之策略。因此航空公司紛紛要求參與 決策之過程，目前美國主要的航空公司與FAA藉由資訊共享的方式，共同進 行決策，此方式為航空公司要求FAA告知各班機抵達目的地機場的時間帶， 而由航空公司自行決定是否採用地面等候、空中等候或變更路徑。其觀念將 長期以來集中式控制的系統轉變為分散式的決策系統，而讓航空公司可自由 選擇較有效率及經濟的運作方式。此研究以0-1整數規劃進行模式構建，考 量多機場間的班機，然僅將航機到達時間視為決策變數，因此變數與限制式 則 可 減 少 許 多 ， 而 驗 證 的 結 果 也 證 實 ， 其 求 解 效 率 較 Bertsimas 與 Patterson(2000)之模式為佳。 動態流量管理模式則有許多求解方法，劉仲祥(民93)針對多機場、多時 段之流量與容量做預測，建立依國內航空特性的即時流量管理系統，利用我 國自行研發之ANS模擬作測試；Bertsimas and Patterson(2000)提出動態網路 模式，加入天氣變化使容量縮減之限制，以總延滯最小化為目標，安排航機 之飛航路徑，以均等分配預估未來各時段各席位之容量。更改飛航路徑之方

法，則分為三個階段，分別為總體流量模式、解構以及決定各航班路徑。總 體流量模式為動態、多元商品、整數網路問題，決定各時段各節點可通行的 航機數量，利用拉氏鬆弛法(Lagrangian relaxation)求解；接著以啟發式解法， 將所得之總體流量解構為個別航班的組合，即在各時段的流量額度下，選擇 適合的航班在此時段營運，最後再將航班之路徑加以組合，即可得到近似最 佳解；Zhang et al.(2005)建立一動態程序模式達到最佳效益之流量管理，解 決目前空中交通擁擠所產生之問題。此模式能提供即時動態管理而能減輕以 往因為計算而設定之門檻導致無法擬真的情形，最後利用模擬方式驗證此一 模式；Ma et al. (2004) 利用動態網路模式解決突發狀況發生時產生之擁擠問 題，其中以Graph Theory建構其研究範圍之網路模型，以數學規劃方式求解 總成本最小化之流量分派；Nogami et al. (1996) 進行即時管理空域流量與動 態飛航排程之研究。此一研究提出了一套自動化決策系統，並運用類神經網 路之學習性能，決策數種不同的流量管理策略。由於以往利用擷取管制員經 驗作為機器學習的方式，可能還是不足以達到最佳解，或是對於異常狀況無 法處理的情形。為了改善以上狀況，本研究建議利用類神經網路方式，建構 動態排程模式。為處理許多不同的限制，並與管制人員的實際經驗配合，該 系統能在不打擾實際作業的情況下，找到次佳的決策。而在此研究之模式的 驗證之下，證明系統在排程策略的決策支援上，較以啟發式解法求解有更佳 之 效 能 表 現 ； Mohleji(1996) 在 研 究 中 提 出 航 路 導 向 的 規 劃 控 制 概 念 (Route-Oriented Planning and Control , ROPAC)，其中定義每架航機的最短時 間路徑，動態調整空中流量以達到機場容量最佳化，且利用速度來控制航機 間的隔離，以保障飛航安全。此研究選擇雙平行跑道的機場為研究實驗，在 符合安全隔離情況下運用進場航路以及降落跑道的變更來增加航機起降次 數。此研究結果顯示運用ROPAC之概念將可使航機延滯減少3分鐘/架次，平 均燃油節省54加侖/架次，跑道之航機起降次數增加14％，管制員與駕駛員 之間的通話次數減少30％；Rossi and Smriglio(2001)主要是發展一套地面等 候問題之模式，及利用branch-and-cut演算法解決在高度擁擠情境下產生之問 題，也就是當缺乏容量而導致取消班機等情況。由實際數據結果分析顯示此 演算法勝過其他演算法之原因為其允許班機取消的限制。

2.4.3 流量管理實行時期

流量管理策略可依實行期間與時機而加以分類。Leal de Matos and Ormerod(2000)提出可利用作業研究(Operation Research)的方法，進行歐洲航 空流量管制(Air Traffic Flow Management, ATFM)之研究。ATFM是為了在有 限容量中，預防航管人員過量之工作負荷與減少延滯所發展之流量管理方 法，依時間分別對於流量管理進行規劃，由長程六個月前之航班策略性規 劃，中程數天前之事前戰略性規劃，到短期起飛前數小時之戰術性規劃，長

程規劃之目標為平衡流量分配，中程為減少航管人員之工作負荷量，短程為 使航班之延滯最小為目標。此研究對於不同決策層級提出應用作業研究可行 之方式，說明航路規劃者、航管人員可以作業研究方式進行長、中、短程之 策略規劃。說明作業研究演算法於歐洲航管在地面管理有極大潛在的應用空 間。 不同的研究對於流量管理策略的分類雖有不同的定義與名稱，然執行期 間越長者，例如長期策略、規劃或策略規劃，皆在於提昇飛航管制系統的功 能，增加系統容量；對於中期的策略而言，則在於進行時間帶、班表的調整； 而短期的策略，則為即時對航機運作加以控制。 茲將以上流量管理模式之文獻整理如表1所示：

文獻 考量範圍 決策變數 假設 限制式 貢獻 Terrab and Odoni(1993) 單一機場 9 總體流量 9 飛行時間已知 9 靜態模式之機場容量已知 9 隨機模式之機場容量為隨機變數 9 機場容量 9 協助管制員作航機指派 劉仲祥(民93) 多機場、整體系統 表 1 流量管理模式文獻統整表 資料來源：本研究整理 9 節線流量 9 機 場 降 落 與 起 飛 容 量 9 以地面等候為主 9 班表為已知 9 機場容量 9 建議各機場起飛額度供航管 人員參考 Bertsimas and Patterson(1998) 多機場網路 9 席位航機數 9 機場與席位容量已知 9 班表為已知 9 機場容量 9 航路容量 9 席位容量 9 提供航機變更路徑之選擇 9 建議機場額度 Bertsimas and Patterson(2000) 多機場網路 9 總體流量 9 以均等分配預估席位容量 9 機場容量 9 航路容量 9 席位容量 9 提供航機變更路徑選擇 9 提供航管動態流量管理模式 之應用 Anderatta et al.(2000) 多機場網路 9 航機到達時間 9 延滯成本為已知常數 9 離場航機須等至接續之到場航機降落後 方可起飛 9 機場容量 9 航空公司可自行決定欲採用 之流量管制策略 資策會[33] 單一機場 9 時 段 內 定 位 點 等 待 航機數 9 時 段 內 跑 道 等 待 起 飛航機數 9 跑道起降容量為已知 9 到場定位點容量已知 9 需求事前已決定 9 飛行路徑為固定 9 跑道容量 9 協助機場流量管制 9 協助調整航班 9 提供塔台做放飛標準 Zhang et al.(2005) 多機場網路 9 節線流量 9 疏散流率 9 通過節線時間為常數 9 航路容量 9 管制員工作 負荷量 9 提供動態流量管理方法，解 決瓶頸點的擁擠情形 Ma et al. (2004) 多機場網路 9 節線流量 9 通過節線時間為常數 9 節線容量為已知 9 管制員工作負荷為已知 9 航路容量 9 管制員工作 負荷量 9 提供突發狀況發生時容易產 生延滯之節點 9 提供管制員即時到場航機之 流量分派

2.5 空域模擬 為了了解如何最佳化空域使用，了解各種影響流量之因素對於流量管理的影 響，在過去文獻中曾利用空域模擬方式，評估空側或陸側之使用績效，然本研究 僅回顧相關之空側模擬文獻。 周立偉(民89)以ANS模式為基礎，建構平行獨立跑道機場模擬模式，其修改 及新增航機產生、登機門、後推、滑行道、跑道管理與到場等候等六個模組方式， 處理航機到場、離場、起飛、降落、滑行、橫越跑道與佔用登機門等不同事件。 其模式的功能可模擬平行獨立跑道機場的空邊運作，包括航機在登機門、滑行道 與跑道等設施上的運作情形，以及推算出航機在登機門、滑行道與跑道的延滯時 間。此研究以臺灣桃園國際機場為實驗對象，構建模式來分析臺灣桃園國際機場 在增加起降班次、登機門設施與跑道等各種情境對該機場空邊運作的影響。由分 析的結果可得，當機場班次增加時，航機的各項延滯隨之增加，然而若適當增加 機場的設施可有效地降低航機的延滯。 李昀諭(民90)以ANS模擬模式為基礎，加入天候條件改變的功能，來分析特 殊情況(跑道方向變換、機場臨時關閉)的運作情形，評估機場容量與因應對策。 參考平行獨立跑道機場模式，針對其所提出之各模組邏輯深入探討，將其程式邏 輯加以修正，其中包含安排離場航機產生後推事件，到場航機之登機門指派與產 生接續班機事件，安排航機使用跑道之原則，到場等候原則等，使模式邏輯更為 合理。此外，此研究亦提供天氣變化模組探討天氣變化對機場營運所造成之影響。 張仁達(民90)以SIMMOD節點節線模擬模式為基礎，加上ANS模擬模式中考 量台北飛航情報區的特性，重新做出模擬模式。模式以節點與節線組成空域路 網，節點有最小等候時間、容量、等候策略、抵達節點次序等屬性。節線連結節 點，具有速率限制、飛航空層限制、容量限制、雷達引導時間、是否允許超越前 機等屬性。其結果可利用節點、節線、席位、與航機模擬來評估空域績效。針對 國內空域進行系統分析，並參考國內外之空域模擬模式，建立台北飛航情報區空 域模擬模式。本研究輸入現行空域運量進行模擬，依據模擬結果，機場跑道容量 為影響空域延滯的主要因素。尖峰時，中正近場台的松山席位所管制的空域航機 交通量高於國內其他空域，是較為忙碌的空域，並且該席位的最高流量發生在後 龍至林口空域之間。 俞瑞華(民92)以ANS模擬模式為基礎，探討三種管制策略：交通量儀控策 略、流量管制策略、近場台管制策略，三種方法對航機擁擠情形的改善績效，並 以後龍至林口之間空域範圍進行三種管制策略之模擬。其結果為流量管制策略改 善情形最優。 Velazco(1995)利用模擬模式與等候模式對航管系統作高低流量的衝擊分 析，在此研究中比較了多種用來分析容量和延滯的電腦模擬模式，如ADSIM、

RDSIM、SIMMOD 等，結論是地區性空域流量改變之影響，仍以SIMMOD的數 據較為精確。針對SIMMOD模擬模式與等候模式的比較，此研究提出SIMMOD 模擬模式較能看出機場系統內與機場間交互影響的效果；等候模式則在發展情境 分析時，可以節省資料輸入、參數設定及系統運作之時間。 Zellweger(2003)欲利用模擬方式處理電腦與人之複雜互動關係，因科技的發 展，電腦硬體、軟體設備的進步，利用模擬方式進行CNS/ATNM之研究已成為 基本之工具。利用快速且即時之模擬可以應用於早期之概念研究到現在的營運前 實驗室測試，且從小範圍之校園實驗室，大至NASA研究團隊都利用模擬方式從 事研究。 2.6 文獻評析 空域之流量管理方式，可以分為以下六種策略進行：地面等候、交通量儀控 (metering)、更改飛航路徑、速度控制、空中等待、路徑引導(vectoring)等策略。 上述之策略中，一般認為地面等候策略為較經濟、有效之策略，因此成為流量管 理最常被使用的方法，地面等候主要目的在以低成本的地面等候延滯取代高成本 的空中等候延滯，進而促進飛航安全。 若地面等候實施過於保守，使用過多之地面等候，將導致空域容量的流失， 亦造成停機坪壅塞，動線不良等後果；然而，若地面等候策略過於開放，將導致 空域中航機過多而產生大量的空中延滯，並進而影響飛安，因此在地面等候策略 實行時，應該將空中等候策略同時加以考量，才不至於發生空域容量流失或空域 擁擠的極端狀況發生。此外，地面等候策略之擬定不能僅對單一機場進行分析， 需由整體系統、多機場、整體空域加以考量。 空域模擬主要使用於分析空域運作績效進而應用於流量管理，目前國外，大 多已自行構建模擬模式如ADSIM、RDSIM、SIMMOD等等，而國內自行研發之 模擬模式ANS，也針對本國之空域環境以及各種情境描述加以構建完成，進行空 域運作績效分析。 關於流量管理文獻，受限於控制點為地面基礎設施可偵測航機之定位點，於 是多以單位時間內通過該點之航機數作為決策變數，因此僅能提供管制員某時段 可通過之流量，而無法了解及控制各別航機在某特定時間的流動狀態，僅以假設 航機均為常態分配之方式建構流量管理模式。若未來衛星及數位化技術建置之環 境下，以航機軌跡之空域模擬方式，改變以往以飛航指南所設計之固定航路進行 模擬，勢必較為精確。

第三章 飛航管理之彈性航路應用

本章分為兩部份：第一部分引述文獻中飛航管理之展望與效益，說明即使未 來科技發展完善，仍需要有效的飛航管理方法與策略，才能發揮新一代航管系統 之效益；第二部份為彈性航路引用之說明，將明確解釋彈性航路的規劃方式，以 及各節點節線上之參數設定。 3.1 飛航管理之展望與效益 未來飛航管理系統的整體目標就是為了使飛航效益達到效益極大化，透過探 索現有的及發展中的各種新技術，來強化並提升飛航管理服務的等級。亦即，以 符合成本效益的方式盡系統能力所及，維持現有甚至更好的飛安保障下，容許航 空器在四度空間(時間及空間)飛航的自由度，還能提升所有航空器的飛航效益。 未來的新一代航管系統計畫的主要目標是在飛安無顧慮，空域容量使用極大化且 極致化之原則下，「持續性」的滿足所有空域使用者需求。[25] 因此，未來的飛航管理系統的觀念就是透過逐步的降低隔離標準及增加飛航 彈性，以漸進式的發展建置方式，來提升飛航管理服務的效率。除了強化現有的 作業方式外，未來新一代飛航管理系統預計透過國際間航管作業程序與標準的一 致化，來探討全新且成熟的通訊、導航、監視(CNS)或更先進的技術。 依據國際民航組織(ICAO)的規劃[28]，未來全球性的新一代飛航管理系統之 目標為： 9 符合航運量成長需求； 9 支援一個安全、有序、一致與無間隙的飛航作業環境； 9 強化安全、有序及效率； 9 減少班機延誤； 9 提供更大的飛航自由度，容許使用者自訂飛航路徑； 9 改善資訊的提供、精確性與充分性； 9 依據飛航管理的提供與作業程序，重組空域結構； 9 透過全球整合獲致效益； 9 增強民航運輸的經濟性。 國際民航組織認為達成上述目標，新一代航管系統的任一組成單元，都應在 功能協調的考量下，以漸進式的管理方式強化系統功能，以達成全球航管系統一 致化與無間隙的終極目標。而這個整合性的全球航管系統僅在所有相關作業標

準、建議措施、作業程序及參考文件發展齊備且完全被遵守及發展建置完成後， 才可有效的被實現。[28] 現行全球飛航管制系統因先天上的限制造成飛航安全不佳、飛航延滯與飛航 作業效率不彰等多項問題，使航空器無法以最經濟的油料與最佳飛航路徑實施安 全飛航。新一代飛航管理系統的概念是要能強化飛航服務品質、降低安全隔離標 準、增加航空器彈性及滿足全球一致性、無間隙的特性，國際民航組織堅信管理 新一代航管系統的發展建置是極為必要的事項，可增加飛航管理系統之系統效 益、充分發揮相關系統的功能與相容性及提供最佳化的飛航作業，因此，在完成 擬定航管的標準與建議、發展程序與指導綱要等作業後，各國進而建立一套適合 該區特性之整合與全球一致性的航管系統，如此，可達到新一代航管系統發展建 置的目標。較成熟的通訊、導航、監視(CNS)系統或更先進的科技，皆以能夠強 化航管系統並提升空域使用者與飛航服務提供者之效益為其目標。通訊、導航、 監視(CNS)或更先進的技術的發展係為了支援飛航管理服務之用，除此之外，未 來新一代飛航管理系統對不同等級機載裝備之航空器皆提供其所需且完整之服 務。因此，新技術對於大型航空與一般航空公司皆可帶來效益。備有更精確與可 靠導航系統的航空器將被容許飛航於任何型態的空域內，包括降低最低隔離標準 以及使用動態航路規劃的專屬空域，如此航空公司可以獲得更佳飛航路徑的機 會，以節省成本。更多樣的航機裝備可以容許一般航空業或私人航空器可執行於 過去因作業成本或相關規定考量下不被允許的飛航狀態。一般航空業或私人航空 器也將因新一代航管系統發展建置的結果，而能飛航於現行飛航管理系統無法安 全地提供通信與導航的偏遠空域。[25] 多數國家也將因未來新一代飛航管理系統的逐步實施，而可降低作業成本及 大幅減少陸基設施之維護費用，此種費用的節省短期內也許並不顯著，但會隨著 時間的演進而呈現。因此，新一代航管系統的建置對於目前航管基礎設施不夠完 備的區域而言，可用最少的投資，強化其飛航管理基礎建設，以便有能力處理更 多額外的飛航運量。當然，如果新一代航管系統係以全球的觀點來建置的話，則 所有國家的航管系統都能獲致改善。 而新一代航管系統透過精密的作業程序設計，以有效整合空中與地面的系 統，則可容許更多的航空器依據其最佳規劃路徑飛航，降低飛航作業成本與航班 延滯。因此本研究欲引用彈性航路，規劃新一代飛航管理之最佳飛航路徑，以我 國台北飛航情報區為模擬範圍，模擬未來飛航管理之作業程序以及可增加的效 益。

3.2 彈性航路 3.2.1 航路規劃 我國台北飛航情報區北方及東方與那霸飛航情報區相連、西南方連接香 港飛航情報區、南方連接馬尼拉飛航情報區、西北方接上海飛航情報區及西 南方接廣州，而其區域範圍根據國際民航組織所劃分範圍，為北緯23度30 分東經124度、北緯21度東經117度30分、北緯21度東經117度30分、北緯29 度東經124度及北緯29度東經117度30分等位置點直線連結所圍成之區域。由 於我國主要門戶機場－臺灣桃園國際機場為全國最繁忙之機場，其航機離到 場之空域為台北終端管制區域(TAIPEI TMA)，位於台灣本島北部及其周邊 海域之上方空域，為一立體空間，AIP中對其範圍之劃定方式為「自鞍部多 向導航台005輻向，與以松山機場為中心，40浬為半徑弧線之交叉點開始， 沿該弧線順時針方向至鞍部多向導航台205輻向與該弧線之交叉點連接至 2422N 12100E，再連接至2448N 12025E，然後再連接至開始點。上限：飛 航空層FL200(含)。下限：自地面1200呎(含)。業務負責單位：中正近場管制 塔台。無線電呼號：Taipei Approach。」。台北終端管制區域範圍如圖5所 示。 圖 5 台北終端管制區域圖 資料來源：[32]