毕业论文-兰州管制区空域流量统计预测研究

分类号 编 号 U D C 密 级 毕业设计 论文 题 目 兰州管制区空域流量统计预测研究 作者姓名 指导教师姓名及职称 系 及 专 业 名 称 交通运输 提交日期 答辩日期 答辩委员会主任 评 阅 人 20 年 月 日 毕业论文 兰州中川机场流量统计预测研究 摘要 随着空中交通流量的持续增长 统计预测流量十分重要 通过科学 合理地统计分 析 保证飞行安全 对空中交通流量的未来发展有一个估计和推断 本文研究的是对兰 州中川机场流量的统计预测 为空管发展规划和运行提供服务 在各类资料的基础上 针对在兰州区域空域流量统计中所得到的各类数据 对兰州中川机场流量进行分析研究 根据模型算法对兰州中川机场进行流量预测 根据预测对象的特点 利用 2000 2014 年 的起降架次历史统计数据 建立基于多种定性 定量预测方法的组合预测模型 兰州中川 机场流量进行计算分析 得出预测对象未来目标年需求的起降架次需求预测结果 最后 对全文研究进行了总结和展望 关键词 空中交通管理 流量统计 流量预测 中国民航飞行学院毕业论文 RESEARCH OF LANZHOU AIRPORT TRAFFIC STATISTICS AND PREDICTION Student Tian Yingjie Instructs teacher Kang Rui Abstract With the continued growth in air traffic statistical forecasting traffic is very important Through scientific and rational statistical analysis to ensure flight safety for the future development of air traffic flow there is an estimate and inference This study is Lanzhou Airport traffic statistics predict to provide services for development planning and air traffic control operation On the basis of all kinds of information on the various types of data for the area in Lanzhou airspace traffic statistics are obtained for Lanzhou Airport traffic analysis according to the model algorithm Lanzhou Airport traffic forecasting According to the characteristics of a prediction object use 2000 to 2014 movements historical statistics calculated and analyzed based on the establishment of combination forecasting model more qualitative quantitative forecasting methods Lanzhou Airport traffic draw objects on demand forecast future goals movements demand forecasting results Finally the results of the study are summarized and discussed Key words air traffic management air traffic flow statistics air traffic flow prediction 中国民航飞行学院毕业论文 目 录 引 言 1 1 绪论 1 1 1 项目背景 1 1 2 研究目的和内容 2 1 3 国内外研究现状 2 1 3 1 国外研究现状 2 1 3 2 国内研究现状 3 1 4 报告主要内容 4 2 交通流量数据统计与分析 6 2 1 兰州进近管制区 规划 空域概述 6 2 2 兰州中低空管制区空域概述 6 2 3 兰州中川机场起降架次统计与分析 7 3 机场流量预测原理和方法选择 10 3 1 机场流量预测概述 10 3 2 预测的精度分析 10 3 3 预测原理及方法分析 11 3 3 1 基于流量时间序列的趋势外推方法 12 3 3 2 基于流量数据的几何平均数预测法 几何平均法 15 3 3 3 基于流量主要影响因素的因果分析类方法 16 3 4 组合预测法 17 3 5 预测模型和方法小结 17 4 兰州中川机场起降架次预测 19 4 1 兰州中川机场起降架次预测 19 4 1 1 近中期目标年起降架次预测 19 4 1 2 远期目标年起降架次预测 21 4 1 3 兰州中川机场起降架次预测结果 23 中国民航飞行学院毕业论文 5 总结和展望 27 致 谢 28 参考文献 29 中国民航飞行学院毕业论文 第 1 页 引言 随着国家 一带一路 战略规划的逐步实施 西部地区航空市场将会有更大的发展 空间 其中 兰州作为西北地区重要的航运集散地 航班量也是水涨船高与日俱增 2014 年兰州中川机场年旅客吞吐量为 640 万人次 日均起降 157 架次 日高峰起降 213 架次 年起降 57160 架次 由于地区经济 航空运输事业的发展 兰州区域流量增长势 头持续迅猛 结合兰州管制区的空域复杂程度和重要的战略地位及重要的空中枢纽地位 来看 未来几年 随着兰州中川机场航班起降架次的大幅增长 加上通用航空的迅猛发 展 飞行矛盾将会日益加剧 因此对兰州中川机场流量的统计与预测有着一定的意义 有利于空管 机场 航空公司协调发展 具有一定的研究必要性与价值 1 绪论 1 1 研究背景 在国家重大战略规划中 民航总是以高度的责任感和使命感 担当起先行者和排头 兵的角色 民航作为现代化的交通运输方式之一 以其快捷高效的特点 成为我国 新 丝绸之路经济带 和 21 世纪海上丝绸之路 简称 一带一路 建设快速推进的先 导产业和关键产业 从民航基础设施建设到航权开放 从国际航线开辟到旅行签证便利 化 作为全球第二大民用航空运输系统 我国民航将全面投入 一带一路 建设 空管 作为民用航空运行体系的中枢 其空管系统保障能力的强弱直接影响到民用航空的安全 水平和发展品质 在国家提出 一带一路 战略以后 该战略的实施对民航空管的需求 也提出了新的挑战 由以上统计数据可知 由于地区经济 航空运输事业的发展 兰州管制区空中交通 流量增长势头持续迅猛 结合兰州管制区的空域复杂程度和重要的战略地位及重要的空 中枢纽地位来看 未来几年 随着各机场航班起降架次的大幅增长 加上通用航空的迅 猛发展 飞行矛盾将会日益加剧 因此 从战略角度考虑 兰州管制区在空中交通流量 快速增长的同时 也面临着一些必须解决的问题 兰州地区的空域规划 既要立足于满足该地区的社会经济和航空发展的需求也要考 虑国家西部开发 一带一路 空中丝绸之路的建设和发展国防的需求 既要达到促进 民航快速发展 又要将空域调整对军航空域的影响降到最低 确保空域调整工作的前瞻 中国民航飞行学院毕业论文 第 2 页 性和全局性 达到合理利用国家空域资源 实现军民共赢的目的 合理规划兰州管制区 将对促进西部各省民航事业的发展 解决西北地区空管保障 瓶颈 有效化解军民航 飞行冲突 实现军民航安全 高效 共赢的新运行机制具有重大而深远意义 与此同时 这也必将为推进国家 一带一路 的建设和发展起到积极的作用 空中交通流量预测的根本在于研究和揭示空中交通流的发展规律 对空中交通流的 未来发展有一个估计和推断 对兰州中川机场流量进行科学预测 不仅有助于机场和空 管部门制定长期发展战略 调整空域布局和航线结构 提升管制指挥效率 还有助于空 管部门合理安排人力资源 制定发展规划 同时可为机场相关部门制定机场的长期发展 方案提供依据 此外 对兰州机场流量预测 还可以为相关航空公司制定长期发展规划 调整公司航线 开辟新航路等提供依据 因此 对兰州机场流量进行科学预测 有利于 空管 机场 航空公司协调发展 具有重要的研究价值 1 2 研究目的和内容 本文的研究目的是对兰州中川机场流量的统计预测 为空管发展规划和运行提供服 务 在各类资料的基础上 针对在兰州区域流量统计中所得到的各类数据 对兰州机场 流量进行分析研究 根据模型算法对兰州机场进行流量预测 根据兰州机场流量的统计分析 进行以下问题的研究 1 明确现今兰州区域空域的范围及扇区划分 航路航线 间隔规定 相邻区域情况 等相关信息 2 对兰州区域使用数据的统计与分析 3 以已知数据资料进行兰州机场流量统计分析 构造模型算法对机场流量进行预测 结合实际管制 对所构造的模型算法进行补充及修正 提出建议 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外尤其是发达国家很早就着手于空中交通流量统计与预测等方面的研究和开发工 作 并建立了自己的空中交通流量管理运行体系 运用科学有效的管理手段保障飞行的 安全 并维持飞行需求与空域容量的平衡 其中大多数系统都具有航迹预测的功能 中国民航飞行学院毕业论文 第 3 页 美国的 MITRE CAASD 于 20 世纪 80 年代开发了 URET User Request Evaluation Tools 用于辅助管制员及时发现并解决空中交通冲突 URET 根据相关空域和飞行计 划数据为每个航空器建立航迹 并可由此预测 20 分钟内航空器间发生的冲突 URET 也允许空中交通管理员建立一个试验计划航迹 以确定相应的飞行计划在执行前是否会 与其它航空器或区域产生冲突 随后在 90 年代 MITRE CAASD 又开发了 CRCT Collaborative Routing Coordination Tools CRCT 根据飞行计划 雷达数据 扇区和航路信息 当前气象预测 信息 机场延误统计 航空器性能 空中交通管制程序和限制等为航空器建立航迹 从 而预测区域中航空器的数量 以辅助管制员制定流量管理策略 CTAS center TRACON automation system 是由美国 NASA Ames Research Center 于 20 世纪 90 年代开始开发的一套空管自动化工具 包括成熟的 4D 航迹预测 冲突探测 冲突解脱等功能 用于辅助管制员 实现终端区空域效率最优化 CTAS 的一个核心能力 就是对空域内每架航空器在一段时间之后空间位置的精确预测 这个能力是由航迹合成 器 TS trajectory synthesizer 模型提供的 也被称作 CTAS 计算引擎 TS 使用一组简 化的飞行器质点运动方程来计算四维航迹 即可得知未来一段时间内航空器的位置 x y 高度 速度等信息 随后 FAA 建立终端区空中交通管制自动化系统 TATCA Terminal Air Traffic Control Automation 它能够有效地处理每个进场和离场的航空器 包括航空器的计划 飞行航路 穿越不同管制点 包括跑道入口以及其他标准定位点 的时间 高度和速度 等 该系统的一个重要特点就是将航迹预测过程综合到系统中 航迹预测使用分层的模 块结构以最大化其适应性 并易于添加新的飞行模式或者修正现有的模式 最底层是一 组航空器性能模型 可计算升力系数 阻力以及推力限制等 中间层通过航空器性能模 型以及大气特征以预测航空器的运行情况 即判断航空器的飞行模式 每种可能的飞行 模式 例如下降 减速 转弯等都有相应的算法 最后通过积分完成计算 最高层通过 低层的算法 数据生成各种模式下的航迹 最后拟合出航空器整个飞行阶段的航迹 欧洲国家在同时期也相继开发了用于冲突探测及优化排序的系统 荷兰于 1981 年 投入使用了自动时隙分配系统 ASA Automatic Slot Assignment 用于终端区的进近和空 域管理 对每一类飞行都对应一种航迹预测算法 计算航空器预计过指定点的时间 由 此自动生成进离场计划 并可以检测某些报告点处的冲突情况 法国在 1989 年开发出 预测和优化排序系统 该系统用于进近飞行的计划与控制 根据相关系统的航迹生成来 中国民航飞行学院毕业论文 第 4 页 预测航空器的着陆时间 从而对跑道的交通流进行排序 并通过相应的延迟措施来调整 交通 1 3 2 国内研究现状 流量管理以及航迹预测在欧美等空中交通发达国家一直以来都是研究的重点 但是 在我国却没有得到足够的重视 随着我国航空运输业的持续快速发展 近年来 国内各 民航相关科研院所对空中交通流量相关问题进行了深入的研究与分析 南京航空航天大学胡明华教授带领的空管研发团队在空中交通流量管理方面做了大 量的先期探索工作 并取得丰硕的成果 其中 2003 年 胡明华 彭瑛等人采用面向对 象的高级编程语言 Microsoft Visual C 6 0 开发了广州地区空中交通先期流量管理系统 其中包括流量统计与预测子系统 随后于 2008 年和 2009 年先后开展了二期和三期的 研究项目及系统拓展 2005 年 中国民航大学徐肖豪 韩峰等采用面向对象的 C S 结构开发工具 Delphi6 0 设计和实现了流量统计与预测系统 该系统通过流量统计和预测模块实现了对 用户指定时间范围和空间范围的空中交通流量进行有效地统计 并可结合历史数据对全 国性或大区域范围内的长期流量进行预测 2006 年 清华大学崔德光教授及其 CIMS 研究中心 利用数据挖掘技术对空中交通 流量预测开展了初步研究并开发了空中交通管理系统 此系统已在华北空管局投入实际 使用 极大地减少了管制员的工作负荷 协助他们对航班进行调度 充分利用了现有的 空域资源 2008 年 民航 ADCC 研发了中国民航空中交通流量管理系统 其中流量预测子系 统可实现对全国空域的流量状况进行动态监控和实时仿真 为空中交通流量管理者提供 直观的空域使用状态和流量的分布与发展趋势 为实施流量管理决策提供技术支持 1 4 报告主要内容 第 1 章 绪论 对本文的研究背景 研究目标和内容 研究现状进行概述性地介绍 第 2 章 交通流量数据统计与分析 对规划中的兰州进近管制区 6600 米 含 以 下 兰州中低空管制区 7800 米 含 以下 空域的空中交通流量构成以及兰州中川 机场起降架次进行分析和统计 并以此为基础对其增长趋势进行定量分析 为后续各章 提供了数据准备和参考依据 中国民航飞行学院毕业论文 第 5 页 第 3 章 预测原理及方法选择 针对预测对象和历史统计数据 依据一定的原则 选择 5 种相关的适合的预测方法 并对这 5 种预测方法以及组合预测方法的预测原理加 以概述 第 4 章 兰州中川机场起降架次预测 以兰州中川机场的起降架次为研究对象 根据 预测对象的特点 利用 2000 2014 年的历史统计数据 并分别基于第 3 章所介绍的 5 种 具有不同特点和趋势的预测方法 实现了对近中期目标年 2015 2025 年 兰州机场起降 架次的预测 在此基础上 将 5 种预测方法的空中交通流量需求预测结果 采用等权算 术平均的组合预测法 得到近中期目标年最后的流量需求预测建议值 最后 将 2000 2014 年的历史统计数据结合近中期目标年 2015 2025 年 的组合预测值一起作 为 S 曲线模型预测法的原始数据 即将组合预测法与 S 型趋势外推法 Sigmoidal 方法 相结合 实现了兰州机场远期目标年 2026 年 2035 年 起降架次的预测 第 5 章 总结和展望 中国民航飞行学院毕业论文 第 6 页 2 交通流量数据统计与分析 本章首先对规划中的兰州进近管制区 6600 米 含 以下 和现行的兰州中低空管 制区 7800 米 含 以下 进行管制区空域介绍 接着对兰州中川机场起降架次和变 化趋势进行分析 这样 为机场起降架次预测奠定基础 2 1 兰州进近管制区 规划 空域概述 从地区经济 航空运输事业的发展 以及为保障航空安全和化解军民航飞行矛盾的 需有出发 重新规划中的兰州进近管制区 6600 米 含 以下 空域范围包括兰州中川 机场 西宁曹家堡机场以及周边相关中小支线机场 兰州进近管制区将兰州进近管制区和西宁进近管制区进行重新整合 一方面 不仅 可充分利用有限的空域条件 合理优化进离场航线 提高空域利用率 降低安全运行风 险 同时可以在进近区范围内划设雷达引导的扇区安全高度 最终实现空域管理的有序 高效 另一方面 将加强军民航飞行信息共享和通报协调能力 实施统一协调的飞行动 态管理 实现军民航双方管制员实时了解军民航飞行动态 及时进行军民航协调和调配 军民航飞行冲突 满足军民航飞行需要 保证军民航飞行安全 化解军民航飞行矛盾 此外 可以促进西北地区航空事业的发展 进而带动地方经济乃至国家区域经济的发展 对兰州进近管制区进行科学地 合理地重新规划将满足地区经济 社会发展的需要 2 2 兰州中低空管制区空域概述 兰州管制区 现行 空域结构如下图所示 其中低空管制区 7800 米 含 以下 相关的主要民用机场 含军民合用机场 已通航 包括 1 甘肃境内 7 个 兰州机场 夏河机场 敦煌机场 嘉峪关机场 金昌机场 张掖机场 合用 天水机场 合用 2 宁夏境内 3 个 银川机场 中卫机场 固原机场 3 青海境内 4 个 西宁机场 玉树机场 德令哈机场 格尔木机场 合用 4 内蒙古境内 4 个 乌海机场 阿左旗机场 阿右旗机场 额济纳旗机 场 除上述 18 个民用机场和军民合用机场以外 兰州中低空管制区相关的机场还包括其 它 7 个军用机场 共有 25 个已通航机场 此外还有在建机场 3 个 待建机场 10 个 未 中国民航飞行学院毕业论文 第 7 页 来中远期兰州中低空管制区相关的机场将达到 38 个 对兰州中低空管制区空中交通流量 的增长将起到助推作用 图图 2 12 1 兰州管制区 现行 空域示意图兰州管制区 现行 空域示意图 2 3 兰州中川机场起降架次统计与分析 根据兰州中川机场起降架次的统计结果 可以进行近十五年来起降架次增长趋势和 增长率的分析 如下表所示 表表 2 12 1 兰州中川机场年起降架次及其增长率兰州中川机场年起降架次及其增长率 序号年份 兰州中川机 场起降架次 相对上年增 长率 3 年移动平 均增长率 5 年移动平 均增长率 8 年移动平 均增长率 10 年移动平 均增长率 1200011708 22001120092 57 32002128216 76 42003138047 67 5 67 520041809131 06 15 16 62005181360 25 12 99 9 66 720062200121 31 17 54 13 41 820072872730 57 17 38 18 17 中国民航飞行学院毕业论文 第 8 页 序号年份 兰州中川机 场起降架次 相对上年增 长率 3 年移动平 均增长率 5 年移动平 均增长率 8 年移动平 均增长率 10 年移动平 均增长率 92008304896 13 19 34 17 86 13 29 102009322515 78 14 16 12 81 13 69 112010340125 46 5 79 13 85 13 53 11 76 122011345321 53 4 26 9 89 12 76 11 65 1320124311324 85 10 61 8 75 11 99 13 46 1420135158819 66 15 35 11 46 14 41 14 66 1520145716010 80 18 44 12 46 13 10 12 63 2001 年 2005 年年均增长率9 66 2006 年 2010 年年均增长率13 85 2011 年 2014 年年均增长率14 21 2001 年 2014 年年均增长率12 46 由上表可看出 2001 年 2005 年年均增长率 9 66 2006 年 2010 年年均增长率达到 13 85 而 2011 年 2014 年年均增长率达到 14 21 2001 年 2014 年兰州中川机场年起降 架次年均增长 12 46 可知近十五年来兰州中川机场起降架次增长较大 年均增长率达 到两位数以上 而且增长趋势稳定 兰州中川机场起降架次 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 年份 起降架次 图图 2 22 2 兰州中川机场年起降架次兰州中川机场年起降架次 从 2000 年到 2014 年兰州中川机场年起降架次增长历程如上图所示 从图中可以直 观看出 总体上起降架次呈递增趋势 但可细分为三个阶段 2000 年 2006 年增长趋势 较为平缓 年总起降架次在较低层次上缓慢增长 2007 年 2011 年年起降架次有一个较 中国民航飞行学院毕业论文 第 9 页 大幅度提高 在达到 30000 年起降架次后增长趋势同样较为缓慢 2012 年 2014 年不仅 在数量上有一个较大幅度的跃升 年均起降增长 7000 架次以上 而且增长趋势迅猛 将 保持快速增长的势头 为了进一步直观分析兰州中川机场年起降架次的增长趋势 将表 2 1 中的相对上年增 长率 移动平均增长率绘制成曲线 如下图所示 兰州中川机场起降架次增长率 0 5 10 15 20 25 30 35 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 年份 增长率 相对上年增长率3年移动平均增长率 5年移动平均增长率 8年移动平均增长率 10年移动平均增长率 图图 2 32 3 兰州中川机场年起降架次增长率曲线兰州中川机场年起降架次增长率曲线 从上图可以直观看出 相对上一年度的增长率呈波动增长趋势 而移动平均增长率 随移动平均年数 3 年 5 年 8 年 10 年 的增加 增长趋势逐渐平稳 可知兰州中川 机场年起降架次在总体上保持稳定增加 最近四年的年均增长率达到 14 21 最近 10 年 平均增长率达到 12 63 最近 15 年的年平均增长率也达到 12 46 而且近期将保持该 水平层次的增长趋势 中国民航飞行学院毕业论文 第 10 页 3 机场流量预测原理和方法选择 3 1 机场流量预测概述 机场流量长期发展趋势研究对于了解民航发展态势具有重要的意义 机场流量预测 是对将来某一段时间 某一范围内航空器数量的统计和预测 是空中交通管理的重要基 础和决策依据 通过对交通流量进行预测 能够科学准确分析空域供给能力与日渐增大 的交通需求之间的匹配关系 为交通的畅通运行提供技术支持 并且在现有资源依托下 成为解决飞行拥堵问题有效途径的重要条件和前提 关于交通流量预测这一概念可以根据时间进程进行划分 将战略流量统计预测和战 术流量统计预测统称为交通流量统计预测 战略流量预测一般从长远的角度出发 从宏 观上进行飞行流量的预测 一般需要大量的历史统计数据作为预测的依据 可以以年 月或日为单位定量地统计 战术流量预测基于当日航班时刻表 飞行计划报 实时动态 雷达数据等推算飞行流量 为管制员提供管制参考 为冲突告警提供基础性数据 战略 流量预测着眼于中长期流量时空变化趋势分析 一般是在历史统计数据的基础上与经济 发展联系在一起 具有战略性的重大意义 战略流量预测对于调整空域结构 缓解区域 拥挤问题 充分可持续的利用空域资源与合理优化飞行流量具有重要指导作用 可以从 宏观角度上合理安排全国航班计划 增强各大航空公司的经济运营 对机场建立和长期 规划有重要的辅助性帮助 战略流量预测按时间长短划分又可分为长期 中期流量预测 中期流量预测一般是 指对 10 年左右的流量进行预测 长期流量预测时间跨度一般为 10 年以上 根据不同阶 段的预测结果 各管制单位和航空公司可以结合自身需求提前部署和优化控制 综上所述 机场流量预测 一是有助于空中交通管制员与交通流量管理者了解现有 的区域流量的运行情况 从而能够快速 科学的应对交通状况 二是为缓解部分空域拥 堵提供专业的数据支持 避免飞行事故的发生 以保障航空运行安全 三是为机场 航 空公司和空中交通管理的各级决策者提供详细的流量控制辅助决策依据 为科学化管理 交通运行情况提供先决条件 3 2 预测的精度分析 预测的精度就是预测的准确性 它是用来描述预测值与实际值偏离程度的数值表现 中国民航飞行学院毕业论文 第 11 页 根据表现形式不同 精度可用绝对误差与相对误差来表示 设 y 为实际值 是预测值 则绝对误差的表现形式为 同时 相对误差 y yy 的表现形式为 实际上 前述两式仅具有理论分析意义 yyyy 由于预测误差的大小是由所有样本点的误差决定的 所以误差的测定 不能只计算 某一预测值与实际值的偏离程度 而要考虑全部样本点与实际值的偏离程度 因而在预 测实践中 常采用可决系数测定预测误差进行精度分析 可决系数 R2 可决系数 R2 是衡量因变量与自变量关系密切程度的指标 其计算公式为 3 1 2 2 2 2 2 22 1 tyiiii i ttyy ii Lyyttyy R yyLL ttyy 22 tyiittiyyi LttyyLttLyy 其中 yi为某样本点因变量的实际值 是其预测值 是所有样本点的均值 ti为某样本 iyy 点自变量的实际值 是所有样本点自变量的均值 t 可决系数 R2 取值在 0 到 1 之间 且永远取正值 其值越大 变量 y 与 t 之间的关 系越密切 反之 关系不大 3 3 预测原理及方法分析 本文所应用的这些方法可以归纳为如下几类 基于流量时间序列的趋势外推类预测 方法 基于现有流量数据的几何平均系数预测法以及基于流量主要影响因素的因果分析 类预测方法 空中交通流量的影响因素众多 而且其中相当大一部分因素很难以数量的形式来描 述 因而在预测方法选择时 将主要以预测对象的空中交通流量历史统计数据形成的时 间序列加以预测 即基于流量时间序列的趋势外推类方法 如线性三次多项式趋势预测 法 二次指数平滑法 三次指数平滑法 这些预测方法中 在误差精度允许范围内 其 预测趋势有高 中 低三种增长趋势 因此在方法选择时 应兼顾选择三种趋势的预测 方法数目 最后进行组合 如算术平均 得到预测结果 此外 根据预测对象的空中交通流量历史数据变化特点 选择基于现有流量数据的 几何平均系数预测法来加以预测 中国民航飞行学院毕业论文 第 12 页 同时 考虑到运输机数量 旅客运输量 货邮运输量 机场数量 航线数量 国民 生产总值 GDP 等因素对空中交通流量的影响 在流量预测方法选择时 还将选择基 于流量主要影响因素的因果分析类方法 如线性回归预测法 下面将要对如上所述的基于流量时间序列的趋势外推类预测方法 基于现有流量数 据的几何平均系数预测法以及基于流量主要影响因素的因果分析类预测方法分别进行简 要概述 3 3 1 基于流量时间序列的趋势外推方法 本节将对基于时间序列的线性三次多项式趋势预测法 二次指数平滑法 三次指数 平滑法分别简要概述 1 三次多项式趋势预测法 三次预测法 如果预测对象的空中交通流量时间序列散点图类似于三次抛物线的一部分 即流量 和时间呈三次曲线关系 此时假设三次多项式预测模型 3 2 23 0123 y bbtb tb t 利用最小二乘法 也可利用三点法 四个待定参数 m 4 可由下列线性代数方程 组的求解得到 23 0123iiii nbbtbtbty 234 0123iiiiii btbtbtbtt y 23452 0123iiiiii btbtbtbtt y 34563 0123iiiiii btbtbtbtt y 2 指数平滑预测法 指数平滑法是移动平均法的改进和发展 但不同于移动平均法 指数平滑法既不需 要存储大量数据 又考虑了各期数据的重要性 且使用了全部历史数据 应用较为广泛 根据平滑次数的不同 可有如下几种方法 1 一次指数平滑法 i 算法原理 变量时间序列 y1 y2 yt 的一次指数平滑公式为 为权重系数 3 3 1 1 1 1 ttt SyS 10 中国民航飞行学院毕业论文 第 13 页 该平滑公式是由移动平均公式改进而来的 以这种平滑值进行预测 就是一次指数 平滑法 它的预测公式为 3 4 tttt yySy 1 1 1 即以第 t 期指数平滑值作为 t 1 期的预测值 ii 加权系数 的选择 将如上预测公式改写为 3 5 1tttt yyyy 则从上式可知 新预测值是根据预测误差对原预测值进行修正而得到的 的大小体现了 修正的幅度 值愈大 修正幅度愈大 反之愈小 一般地 a 如果时间序列比较平稳 则 应取小一点 0 1 0 3 以减少修正幅度 使预测模型能包含较长时间序列的信息 b 如果时间序列具有迅速且明显的变动倾向 则 应取大一点 0 6 0 8 以增加修正幅度 使预测模型灵敏度高些 以便迅速跟上数 据的变化 总之 的最佳值应使均方误差最小 iii 初始值 S0 1 的确定 当时间序列数据较多 20 个以上 时 可选第一期数据 为初始值 当时间序列数据在 20 个以下时 一般以最初几期的实际值的平均值作为初始 值 iv 算法步骤 第一步 输入变量历史数据 第二步 计算初始值 S0 1 并给出加权系数 的值 第三步 按预测公式计算各期的预测值 并给出最后预测结果 2 布朗 Brown 线性指数平滑预测法 二次指数平滑预测法 i 算法原理 同一次移动平均法一样 一次指数平滑法仍存在这明显的滞后偏差 修正该偏差的方法与趋势移动平均法相同 即再作二次指数平滑 利用滞后偏差的规律 来建立直线趋势模型 这就是二次指数平滑法 其直线趋势预测模型为 3 6 mbay ttmt 其中系数 2 1 2 ttt SSa 1 2 1 ttt SSb 而一次与二次指数平滑值分别为 3 7 3 8 1 1 1 1 ttt SyS 2 1 1 2 1 ttt SSS m 为从始点 t 到预测期 t m 的间隔期 关于一次与二次指数平滑初始值 S0 1 和 S0 2 的计算 以及加权系数 的选择方法与一 中国民航飞行学院毕业论文 第 14 页 次指数平滑法类似 ii 算法步骤 第一步 输入变量历史数据 第二步 计算一次与二次指数平滑初始值 S0 1 和 S0 2 并给出加权系数 的值 第三步 按公式计算各期一次与二次指数平滑值 第四步 计算线性趋势预测模型中的参数 第五步 利用趋势模型预测计算指定时间期的预测结果 3 布朗 Brown 二次多项式指数平滑预测法 三次指数平滑法 1 算法原理 当时间序列的变动表现为二次曲线趋势时 则需要用三次指数平滑法 它是在二次指数平滑的基础上 再进行一次平滑 利用滞后偏差的规律来建立二次多项 式曲线趋势预测模型 这就是三次指数平滑法 其二次曲线趋势预测模型为 3 9 2 mcmbay tttmt 其中系数 3 2 1 33 tttt SSSa 34 45 2 56 1 2 3 2 1 2 tttt SSSb 2 1 2 3 2 1 2 2 tttt SSSc 而一次 二次与三次指数平滑值分别为 3 10 3 11 1 1 1 1 ttt SyS 2 1 1 2 1 ttt SSS 3 12 3 1 2 3 1 ttt SSS m 为从始点 t 到预测期 t m 的间隔期 关于一次与二次指数平滑初始值 S0 1 S0 2 和 S0 3 的计算 以及加权系数 的选择方法 与一次指数平滑法类似 2 算法步骤 第一步 输入变量历史数据 第二步 计算一次与二次指数平滑初始值 S0 1 S0 2 和 S0 3 并给出加权系数 的值 第三步 按公式计算各期一次 二次与三次指数平滑值 中国民航飞行学院毕业论文 第 15 页 第四步 计算线性趋势预测模型中的参数 第五步 利用趋势模型预测计算指定时间期的预测结果 4 S 曲线预测法 Sigmoidal 许多事物的发展过程类似于生物的发展过程 经历发生 发展 成熟三个阶段 每 一阶段的发展速度是不一样的 一般地 在发生阶段 变化速度较为缓慢 在发展阶段 变化速度加快 到成熟阶段 变化速度又趋于缓慢 按照这三个阶段发展规律得到的事 物变化发展曲线 通常称为生长曲线或增长曲线 亦称逻辑增长曲线 由于此类曲线常似 S 形 故又称 S 曲线 现在 S 曲线已广泛应用于描述及预测 生物个体生长发育及某些技术 经济特性的发展等诸多领域中 S 曲线模型 Boltzman 预测法 3 13 0 12 2 1 x x xd AA yA e 该模型属于非线性外推方法 可以基于历史统计数据结合最小二乘等方法计算模型 中的参数 3 3 2 基于流量数据的几何平均数预测法 几何平均法 几何平均法在航空运输管理预测中得到广泛应用 尤其在制定发展计划 规划和发 展战略是 它是一种必不可少的方法 几何平均数为 n 项或 n 个观测值之积的 n 次方根 几何平均数 G 的计算公式为 121 n nn Gx xxx 3 14 121102110 nnn nnnnn Gx xxxaaaaaaaa 平均发展速度可以用几何平均数的方法获得 发展速度有定基发展速度和环比发展 速度 若表示基期的发展水平 表示 i 报告期的发展水平 这两种发展速度的计算方 0 a i a 法为 1 定基发展速度 0 ii aa 2 环比发展速度 1 iii xaa 计算平均数发展速度时 中间各期的发展水平被完全忽略 在利用几何平均数进行 预测时 可以引入平均差波动系数 b 中国民航飞行学院毕业论文 第 16 页 平均差波动系数 b 可以用各期定基发展速度与各期理论定基发展速度之差的绝对值 的平均数除以各期定基发展速度的平均数求得 具体的计算公式为 3 15 11 iiii i i b nn 式中 实际定基发展速度 理论定基发展速度 i 0 ii aa i i i G 几何平均数预测法的数学模型为 3 16 0 1 k k aa Gb 式中 基期后第 k 期的预测值 基期实际值 G 平均数发展速度 k a 0 a b 平均差波动系数 3 3 3 基于流量主要影响因素的因果分析类方法 客观事物之间存在着一定的相关或因果关系 人们可以从已知的原因 自变量 去 推测因变量未来的结果 因此 研究一个地区的航空运输发展水平 必须从社会发展 经济发展的水平加以分析研究 弹性系数预测法 弹性系数预测法是一种通过变量之间的变动比率关系 来预测某些经济指标的未来变 化的预测方法 用弹性系数预测法进行流量预测的数学模型为 3 17 3 18 0 1 t t yyi S i iE qq q 其中 t y 未来第t年流量的预测值 0 y 基准年流量的统计值 t 预测期年数 i 过去 统计期 的流量增长率 i 未来 预测期 的流量平均增长率 q q 分别为其影响因素 如 GDP 过去和未来 预测期 年均增长率 Es 流量关于其影响因素的弹性系数 中国民航飞行学院毕业论文 第 17 页 3 4 组合预测法 对于空中交通流量等业务量的散点分布 不同的预测者会有不同的认识 会选用不 同的预测方法 即使同一预测者 往往也有预测方法选择甄别上的困惑 这样预测结果 也会不尽相同 因而需要采用多种定量预测方法 定性与定量相结合的方法来加以预测 用以增加预测结果的准确性 即所谓的组合预测法 组合预测方法是对同一个问题 采用两种以上不同预测方法的预测 并对预测结果 加以综合判断分析 理论和实践研究都表明 在诸种单项预测模型各异且数据来源不同 的情况下 组合预测模型可能导致一个比任何一个独立预测值更好的预测值 组合预测 模型能减少预测的系统误差 显著改进预测效果 对同一预测对象 采用多种预测方法 并对预测结果分别赋予一定的权重 i W 计算 综合预测值的组合预测方法 Y i W i Y 3 19 式中 Y 组合预测值 即经过组合处理后的最终预测值 i Y 第 i 种预测方法获得的预测值 i W 第 i 种预测方法赋予的非负权重系数 i W 1 在大多数情况下 为了计算简单 权系数可以选取等权系数 即取每种方法预测结 果的算术平均作为预测对象的组合预测值 3 5 预测模型和方法小结 在基于流量时间序列的趋势外推类方法中 拟选择的方法包括 1 三次多项式趋势预测法 三次预测法 2 布朗 Brown 线性指数平滑预测法 二次指数平滑预测法 3 布朗 Brown 二次多项式指数平滑预测法 三次指数平滑预测法 此外 根据预测对象的空中交通流量历史数据变化特点 选择基于现有流量数据的 几何平均系数预测法来加以预测 即 4 几何平均系数预测法 几何平均预测法 同时 考虑到运输机数量 旅客运输量 货邮运输量 机场数量 航线数量 国民 生产总值 GDP 等因素对空中交通流量的影响 在流量预测方法选择时 还将选择基 中国民航飞行学院毕业论文 第 18 页 于流量主要影响因素的因果分析类方法 包括 5 弹性系数预测法 综上 兰州中川机场流量预测研究过程中 对于近中期 2015 年 2025 年 拟采用 以上所总结的 5 种预测方法分别对有关对象的空中交通流量进行预测 最后对各种预测 方法得到的预测结果采用组合预测方法 得到最后有关预测对象的空中交通流量建议值 考虑到以上各种不同方法预测结果的差异性 采用基于上述 5 种方法预测结果的等 权平均值组合预测法得到近中期 2015 年 2025 年 的流量预测建议值后 以此为基础 结合原始统计数据 采用 S 型预测方法 得到远期 2026 年 2035 年 流量预测建议值 中国民航飞行学院毕业论文 第 19 页 4 兰州中川机场起降架次预测 科学准确的预测机场起降架次的发展趋势 不仅是空中交通流持续 畅通的有效保 障 而且是民航相关单位的各级决策部门制定发展战略 发展规划的重要依据 本章以兰州中川机场的起降架次为研究对象 根据预测对象的特点 利用 2000 2014 年的历史统计数据 对近期目标年为 2020 年 中期目标年为 2025 年和远期 目标年为 2035 年各预测对象的起降架次进行预测 本章用到的空中交通流量预测方法共 5 种 具体包括 1 基于流量时间序列的趋势外推类方法 拟选择的方法包括 1 三次多项式趋势预测法 三次预测法 2 布朗 Brown 线性指数平滑预测法 二次指数平滑预测法 3 布朗 Brown 二次多项式指数平滑预测法 三次指数平滑预测法 2 基于现有流量数据的几何平均系数预测法 根据预测对象的空中交通流量历史数 据变化特点来加以预测 即 4 几何平均系数预测法 几何平均预测法 3 基于流量主要影响因素的因果分析类方法 包括 5 弹性系数预测法 考虑到以上不同方法预测结果的差异性 采用基于上述 5 种方法预测结果的等权平 均值组合预测法 得到近中期的流量预测建议值 并以此为基础 采用 S 型预测方法 得到远期流量预测建议值 4 1 兰州中川机场起降架次预测 同前面几章一样 近期目标年为 2015 2020 年 中期目标年为 2021 2025 年 考 虑到空中交通流量增长具有一定 S 型曲线变化这一特征 认为兰州 中川机场近中期 前 10 年 起降架次处于快速增长阶段 远期 后 10 年 起降架次将缓慢增长 故仍将兰州 中川机场起降架次预测过程分为近中期目标年 2015 2025 年 预测和远期目标年 2026 2035 年 预测两个阶段 4 1 1 近中期目标年起降架次预测 本节针对兰州中川机场近中期目标年阶段 2015 2025 年 的起降架次进行预测 分别采用基于上述 5 种方法和基于 5 种方法预测结果的等权平均值组合预测法得到的预 中国民航飞行学院毕业论文 第 20 页 测结果如表 4 1 所示 表表 4 14 1 兰州兰州 中川机场空中交通流量 起降架次 组合预测值中川机场空中交通流量 起降架次 组合预测值 年份 代码 年份 原始数 据 方法 1 三次预 测 方法 2 二次指 数 方法 3 三次指 数 方法 4 几何平 均 方法 5 弹性系 数 组合预 测 建议值 1 2000 1170810347 11708 11708 11708 11708 11436 2 2001 1200912327 12069 11979 13112 14404 12778 3 2002 1282114087 13080 12818 14684 16058 14145 4 2003 1380415735 16310 15509 16445 18021 16404 5 2004 1809117378 19682 18893 18417 19483 18771 6 2005 1813619125 19702 20071 20626 21256 20156 7 2006 2200121083 23780 23635 23099 23272 22974 8 2007 2872723360 31863 30717 25869 25000 27362 9 2008 3048926064 34142 34589 28972 27009 30155 10 2009 3225129302 35306 36842 32446 30061 32791 11 2010 3401233184 36505 38355 36337 33908 35658 12 2011 3453237815 36424 38482 40694 39617 38606 13 2012 4311343305 46027 45381 45574 45385 45134 14 2013 5158849762 56684 55041 51039 51996 52904 15 2014 5716057292 63241 62914 57160 59568 60035 16 2015 66003 69399 69838 64015 68244 67500 17 2016 76005 75556 77203 71691 77419 75575 18 2017 87404 81713 85010 80288 87827 84448 19 2018 100308 87871 93259 89916 99635 94198 20 2019 114825 94028 101949 100699 113030 104906 21 2020 131063 100186 111082 112774 128226 116666 22 2021 149130 106343 120657 126298 144028 129291 23 2022 169134 112500 130673 1