随着航空运输产业的持续高速发展,如何通过有效的空中交通流量管理来科学应对不断增长的交通需求,有利于推进安全、高效的空中交通运输系统建设进程,已成为民航运输业未来发展所亟需解决的重要议题。本文聚焦航路交通流,在对网络交通流需求预测的基础上,从中长期和短时两种时间维度对航路流量管理方法进行深入研究,研究成果能为实现安全、便捷、高效、绿色的现代民用航空系统提供理论基础和技术支持。本文在厘清国内外研究现状及发展趋势、研究航路流量管理基本概念和主要技术的基础上,结合我国在航路流量管理中存在的实际问题与不足,分别从航路交通需求中长期预测、航路交通战略流量管理关键技术、航路交通需求短时预测以及航路交通流动态优化等四个方面展开了深入研究,主要研究内容包括:(1)构建了航路交通流动态网络结构,为交通流特性分析和交通流建模奠定了基础。本文建立了既能描述空域系统静态拓扑结构、又能刻画交通流飞行动态性的航路交通流动态网络结构,有利于捕捉空域系统内航空器飞行速度在时间和空间维度上的变化特征。(2)提出了航路空域交通需求中长期预测方法,明晰了以城市对飞行量以及区域保障量为对象的交通需求中长期发展趋势。针对现有空中交通需求预测方法的不足,本文采用状态空间模型中的动态线性模型以及考虑周期性波动因素的改进模型来分别预测城市对交通需求和区域交通需求。该模型不要求时间序列平稳性假设,对于处理易受恶劣天气、重大事件影响的空中交通需求数据具有显著优势;此外,动态线性模型求解采用贝叶斯估计与预测理论,不仅可以预测交通需求的未来发展趋势,还能考虑随着预测步长的增加所产生的累积误差对预测结果不确定性的影响,并给出相应的预测置信区间。实例分析表明,无论从预测精度还是从预测稳定性方面而言,本研究所提出的基于状态空间模型的两种预测方法要明显优于现有的预测模型。(3)研究了航路交通战略流量管理决策支持方法及其关键技术,提出了航路空域容量需求规划及其排放量分布估算方法。在航路空域未来容量需求规划方面,提出航路交通需求时空分布预测推演方法,进而构建航路空域容量需求预测模型,从而实现了航路空域容量需求的量化描述;在航路空域未来排放量分布估算方面,采用适用于巡航高度非标准大气条件的BFFM2航空排放指数估算方法,根据区域交通需求中长期预测结果,构建了一种新的航路空域排放量分布预测模型,该模型考虑了从飞行计划和雷达数据中提取的航空器运行信息,以及由于航空器/发动机新技术发展而带来的节能减排效果,从而实现了一种更为精确、实用的航路空域排放量分布预测方法。实例分析表明,本研究所提方法能对航路扇区未来容量需求进行准确预测,能较好的追踪航路空域未来排放量分布的动态性及不确定性。(4)提出了一种基于航路交通流动态模型的交通需求短时预测方法,预测了航路空域系统中航路、扇区等不同空域单元的短时交通需求。借助流体力学中的连续性方程,描述航路交通流的连续性行为;在此基础上,引入元胞传输模型中的时空离散概念,提出了航路交通流动态模型,用于预测航路以及航路扇区交通需求的未来演变趋势及其不确定范围;并根据交通流特性以及最新预测结果,采用蒙特卡洛仿真方法对模型参数进行同步更新。实例分析验证了所提方法的可行性和有效性,预测结果表明,本文所提方法能较好的描述航路交通流的动态性,因此,无论从预测精度还是从预测稳定性方面而言,基于航路交通流动态模型的短时交通需求预测方法要明显优于基于其它交通流现有模型的预测方法。(5)提出了航路交通流动态优化方法,从流量管理角度阐明了航路空域容需平衡问题的解决方法。本文提出了一种新的网络交通流动态模型,在此基础上,针对航路和航路网络,提出了两种航路交通流优化方法,即航路层面交通流优化调配方法和航路网络层面交通流优化调配方法,前者通过局部优化调配某条航路的交通流来满足由该航路所经过航路扇区的容量限制,后者通过对空域系统内整个航路网络交通流的全局优化调配来满足空域系统的容量限制。根据实际雷达运行数据,验证了本文所提方法的可行性。结果表明,本文所提两种交通流优化方法均能有效解决航路空域的容需平衡问题,其中,航路网络交通流优化方法能从全局优化角度对交通流进行系统化建模与控制,在解决容需平衡问题的同时,还能有效降低运行成本、飞行时间以及航空二氧化碳排放。