淺談面向協(xié)同的空管運行仿真關鍵技術研究論文
1 引言
20 世紀70 年代末開始，歐美等發(fā)達國家將系統(tǒng)仿真方法引入到空域和機場管理中來，一開始主要用于評估機場容量和航班延誤的研究，后來逐漸擴展到對整個機場地面和空域管理的研究和評估。隨著我國軍民航以及通用航空的迅速發(fā)展，空中飛行流量迅速增長，空域日益繁忙和擁擠。航空活動的多元化發(fā)展趨勢，導致空域飛行的復雜性增強，對提高空中交通運行效率提出了更高要求，空管系統(tǒng)建設和運行中越來越重視對仿真方法的運用。
本文構建了一個面向空地協(xié)同的空管運行環(huán)境仿真平臺，探究復雜條件下空地協(xié)同決策中的人為因素以及協(xié)同工具的效能，為空管運行保障機制研究，空管運行新模式、新概念的評估驗證，空管系統(tǒng)效能分析，空管裝備體系建設的需求分析和關鍵技術驗證，以及新技術在空管系統(tǒng)中的適用性與可用性等提供仿真運行環(huán)境和評估手段，為我國空管系統(tǒng)運行及未來的設計規(guī)劃提供技術支持。
2 需求分析
2.1 空管運行中的協(xié)同
ICAO 和歐美等航空強國已經(jīng)提出了面向未來的下一代空管運行新概念。ICAO 全球2020 年空管運行目標是在全球范圍建立一種全新的一體化、互操作和無縫隙的空管運行模式;歐洲單一天空計劃(SESAR)中提出了“空管的運行從基于空域的環(huán)境向基于航跡的環(huán)境轉(zhuǎn)變”、“加強人的核心地位”等空管新理念，安全管理和管制運行責任從地面到空中進行部分轉(zhuǎn)移，支持航空器的自主飛行服務能力和空地協(xié)同運行能力;美國聯(lián)邦航空局(FAA)提出的下一代航空運輸系統(tǒng)計劃( NextGen ， Next Generation Air TransportationSystem)包括三方面內(nèi)容：一體化協(xié)同運行、空管綜合信息整合(SWIM)和基礎設施支撐。圍繞飛機、空間和地面設施，提高各類空管系統(tǒng)之間信息共享和自動化處理程度，支持各種業(yè)務領域之間實施協(xié)同決策(CDM)，利用先進的輔助管理工具和地空信息共享，提高飛行的安全性和效率，降低能源消耗，為旅客提供更多的選擇，減少飛行時間和運行成本，提供更多的服務內(nèi)容。
2.2 協(xié)同的人為因素
在現(xiàn)代航空活動中，人—飛機—環(huán)境是構成航空系統(tǒng)的三個最主要的因素。無論航空器多么先進，自動化程度有多高，“人”始終都是航空活動的主體。隨著有限空域資源的不斷消耗和競爭加劇，單純依靠擴大空域范圍和漸進式調(diào)整基礎設施已無法從根本上解決空中交通擁擠問題。協(xié)同決策(Collaborative Decision Making，CDM)就是一種通過相互協(xié)調(diào)來挑戰(zhàn)資源限制、提高空域使用率、滿足空域多方用戶需求的有效方法�？罩薪煌ü芾韰f(xié)同決策建立在機場運營人、管制服務機構、飛行計劃和機組等飛行運營人、空域用戶、軍隊等參與各方之間的信息共享和公共態(tài)勢感知基礎之上，需參與各方的合作。協(xié)同決策中參與各方的目標、資源和能力是信息交換和協(xié)商的基礎，信息交換又是操作人員之間公共態(tài)勢感知和協(xié)調(diào)的基礎。飛行員與管制員通過信息交換共同確定航空器飛行期間的所有活動及所需的合作行為�？盏貐f(xié)同決策中的人為因素是確�？罩薪煌ò踩�、順暢的重要因素。
2.3 意圖信息處理
現(xiàn)代航空活動是以人為中心的自動化操作，人的意圖信息直接影響到對航空器未來位置的推算。通�？展芤鈭D信息包括飛行計劃、管制員的指令或許可(即管制意圖信息)、飛行員的操作(即飛行意圖信息)。缺少空管意圖信息而建立的航空器運動仿真將無法反映航空器的實際飛行性能和狀態(tài)。
空管運行的協(xié)同中，飛行員在駕駛航空器時的意圖、意向通過通信設備與其他航空器和地面自動化系統(tǒng)進行交換;地面管制員保證空中航空器安全、有序運行，防止航空器之間相撞的安全管制意圖，以及加快并保持空中交通合理、有次序流動的流量控制意圖，通過塔臺席位和管制指揮席位進行交換，并通過網(wǎng)絡將管制意圖信息進行共享。
2.4 仿真技術
系統(tǒng)仿真是通過建立仿真模型，在計算機上再現(xiàn)真實系統(tǒng)，并模擬真實系統(tǒng)的運行過程而得到系統(tǒng)解的研究方法。作為分析評價現(xiàn)有系統(tǒng)運行狀態(tài)或優(yōu)化設計未來系統(tǒng)性能與功能的一種技術手段，已廣泛應用于航空、航天、軍事、電子、通訊等眾多領域，成為許多復雜系統(tǒng)工程分析、設計、試驗、評估等不可缺少的重要手段。系統(tǒng)仿真技術是以相似原理、信息技術、系統(tǒng)技術及其應用領域有關的專業(yè)技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性新技術。仿真按所用模型的不同，分為數(shù)學仿真、半實物仿真和物理仿真三種類型。在計算機上進行的數(shù)學仿真，又稱計算機仿真，若有實物接入模型，稱為半實物仿真。
空管運行仿真用計算機實現(xiàn)任務規(guī)劃、仿真管理和空管運行綜合評估的數(shù)學仿真，用塔臺模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席進行半實物仿真�？展苓\行仿真應具有通用性，能滿足各種運行條件下的仿真需求，既要符合空中交通運行規(guī)則，又要能夠調(diào)整仿真評估粒度，可以進行不同層次、不同粒度的全局性宏觀仿真和微觀仿真。確保仿真結果的可靠性和準確性，提高建模與仿真的效率，提升系統(tǒng)模型的柔度是空管運行仿真的重要方面。
3 關鍵技術
3.1 系統(tǒng)集成技術
空管運行環(huán)境仿真是一個包括從飛行到管制、從空中到地面、從航路到機場的一體化的大型空中交通仿真系統(tǒng)，其特點主要表現(xiàn)為具有大量、復雜、高精度、費時的計算和數(shù)據(jù)處理，要求具有高速運算能力、高速數(shù)據(jù)交換能力、大容量的數(shù)據(jù)存儲能力以及高速圖形圖像顯示能力。參考HLA 的技術標準，空管運行環(huán)境仿真構建以RTI 為核心的分布式網(wǎng)絡體系架構，滿足交互實時性、時間一致性、系統(tǒng)層次性和傳輸可靠性等的要求，支持席位之間的互操作性和建模與仿真資源的可重用性，實現(xiàn)空管運行體系評估平臺各分系統(tǒng)之間，以及各分系統(tǒng)與半實物仿真平臺的各席位之間的協(xié)同交互，并為今后可能接入的半實物仿真系統(tǒng)預留接口。
3.2 飛行流仿真
空管運行仿真的基礎是合理有效的飛行流，在飛行流仿真過程中，不僅要在概率論、數(shù)理統(tǒng)計以及計算機軟件技術的基礎上，根據(jù)仿真需求分析航班流的分布特征，確定相應的數(shù)據(jù)概率分布模型，包括起降機場的離散分布模型、各機場航班起飛時間的泊松分布模型、機型配比的離散分布模型等，而且要對照實際飛行過程的管制運行規(guī)則和突發(fā)事件影響情況，對生成的模擬數(shù)據(jù)進行擬合校驗，使得航班流數(shù)據(jù)偏差在仿真需求允許的容差范圍以內(nèi)。
3.3 4D 航跡推算
一切空管運行都是基于4D 航跡來展開的。4D 航跡推算不僅要根據(jù)航空器狀態(tài)信息(速度、高度、位置、加速度、航向等)、航空器性能數(shù)據(jù)(載重、爬升率等)、環(huán)境信息(風、溫度、壓力等)和飛行計劃進行推算，同時要考慮空中交通規(guī)則、管制指令和機組飛行意圖等因素對4D航跡的影響，而且在不同的飛行階段要與進離場航線、航線相吻合。4D 航跡推算準確度越高，仿真評估結果的可信度也就越高。
3.4 飛行姿態(tài)計算
飛行器在空中的運動，在一定的假設條件下，可以視為理想剛體的運動，遵循剛體的`基本運動規(guī)律。與一般剛體運動相比，飛行器運動較為復雜，可以分解為3 個力和3 個力矩共6 個自由度來建立其運動方程。在飛行模擬中，針對飛行過程建立數(shù)學模型是一個關鍵問題，飛行動力學建模的目的是為了完成飛機6 個自由度剛體運動方程的解算，綜合飛機所受的各種力和力矩，如隨著燃油消耗而變化的飛機質(zhì)量、重心以及慣性力矩，隨絕對高度變化的高空風大小和方向，發(fā)動機推力和地面接觸力等，計算出飛機的線速度和角速度并且將其轉(zhuǎn)化為飛行的6 個自由度的變化值，以此得出飛機的飛行狀態(tài)，完成飛機飛行姿態(tài)的模擬仿真。
3.5 運行評估
指標體系是評估工作的核心內(nèi)容，是實現(xiàn)空管運行體系評估的具體可操作化的行為指南。要實現(xiàn)空管運行體系的準確評估，必須建立一套完整的能夠全面反映我國空管運行特點的評估指標體系，包括評估維度的確定、評價指標的選取、指標權重的確定以及評價指數(shù)的計算4 個步驟。指標體系的建立必須多方面、多角度、多層次，能夠反映空域管理使用、空管運行效能、軍民航運行協(xié)調(diào)、空管空防一體化、空管運行安全和空管系統(tǒng)保障等各方面，研究與確定指標體系的構成與權重是一項評估是否科學的首要步驟，而評價方法的選擇是構建空管運行指標體系后非常重要的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外進行綜合評價的常用方法有評分評價法(指數(shù)法)、模糊綜合評價法和神經(jīng)網(wǎng)絡評價法等，結合空管運行實際，我們采用灰色綜合評價方法進行多指標評價。
4 系統(tǒng)實現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)結構
空管運行環(huán)境仿真主要包括兩部分：空管運行體系評估平臺和半實物仿真平臺�？展苓\行體系評估平臺根據(jù)仿真需求，將生成的仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給半實物仿真平臺進行空管運行仿真，并根據(jù)半實物仿真平臺的空管運行態(tài)勢和空管運行特征進行空管運行綜合評估。
空管運行體系評估平臺由任務規(guī)劃分系統(tǒng)、仿真管理分系統(tǒng)、空管運行綜合評估分系統(tǒng)和空管運行評估支撐分系統(tǒng)組成。任務規(guī)劃分系統(tǒng)根據(jù)空管運行仿真需求，編輯、設定仿真場景和各類模型參數(shù)，生成合理有效的飛行流。仿真管理分系統(tǒng)實現(xiàn)仿真運行控制、4D 航跡推算、飛行沖突探測解脫以及飛行姿態(tài)計算等功能�？展苓\行綜合評估分系統(tǒng)統(tǒng)計、分析空管運行態(tài)勢和特征，實現(xiàn)空管運行概念評估驗證、協(xié)同機制評估驗證、空管運行安全評估、空管運行效益評估、環(huán)境影響評估、空管裝備建設需求評估和空管系統(tǒng)效能評估等功能。
半實物仿真平臺由塔臺模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席等組成。塔臺模擬器根據(jù)軍民航塔臺的管制范圍、管制方式和管制流程，真實再現(xiàn)機場塔臺管制復飛和起落航線的各個環(huán)節(jié)，并與飛行模擬器和管制指揮席一起構建成完整的空管交通仿真系統(tǒng)。飛行模擬器用于支持仿真環(huán)境下的航空器運行，與塔臺模擬器和管制指揮模擬席進行空地協(xié)同信息交互，包括軍航飛行模擬器、民航飛行模擬器、通航飛行模擬器和無人機控制模擬器。管制指揮模擬席是管制中心實施空域運行管理、飛行流量管理、管制指揮和飛行服務的工作平臺，顯示空域運行態(tài)勢、飛行流量態(tài)勢和空管運行特征，模擬實現(xiàn)軍航管制中心、民航管制中心、通航飛行服務站和對空射擊管理終端的空管業(yè)務系統(tǒng)功能。
4.2 仿真流程
空管運行仿真是由飛行流驅(qū)動的，因此飛行流引擎仿真是關鍵。為了使仿真貼近實際，進而提高仿真評估結果的可信度，在飛行流仿真過程中不僅要充分考慮空中交通管理邏輯，以足夠的精確度再現(xiàn)全局客觀的空中交通現(xiàn)象，而且還應能模擬如奧運等事件引發(fā)的局部流量增加的航班飛行流，實現(xiàn)對空管系統(tǒng)應對突發(fā)事件能力的科學評估。航跡管理是空管運行的核心，一切行為活動都是基于4D 航跡來展開的，4D 即航班的經(jīng)度、緯度、高度和時間。4D 航跡涵蓋了航班從起飛、爬升、巡航再到下降、降落的全過程中關鍵點的位置、高度和時間。航跡預測研究通常采用兩種算法，一是基于卡爾曼濾波或神經(jīng)網(wǎng)絡等估計算法的無參數(shù)方法;二是建立飛行器模型, 進行飛行模擬。本文采用第二種算法即建立飛行器模型進行航跡預測，這也是目前航跡預測研究的主流算法。影響航跡預測的因素包括飛機性能、飛行計劃、飛行意圖、空中交通規(guī)則、大氣環(huán)境及飛機狀態(tài)等。
飛行仿真模擬是典型的人在回路仿真系統(tǒng)，空管運行仿真不僅要根據(jù)作用在飛機上的力和力矩計算出飛機的6 個自由度飛行姿態(tài)信息，還要模擬管制員與飛行員之間的空地協(xié)同信息，以此完成飛機的飛行模擬仿真，在塔臺視景模擬器和管制指揮模擬席等半實物仿真平臺顯示空管運行態(tài)勢，在空管運行體系評估平臺進行空管運行特征統(tǒng)計分析和效能評估。
5 結論
通過建立空管運行環(huán)境仿真平臺，從運行概念研究、協(xié)同機制驗證、空管運行安全、運行效益、環(huán)境影響和現(xiàn)行空管系統(tǒng)效能等多角度評估空管運行體系，能夠為優(yōu)化現(xiàn)有空管系統(tǒng)的體系結構和配置，提高系統(tǒng)的運行管理水平，探索未來運行機制，并指導后續(xù)空管系統(tǒng)的規(guī)劃和設計，進而促進我國空管系統(tǒng)建設由技術推動型向需求牽引型過渡，為提升空管系統(tǒng)的建設和運行效益提供技術支持。
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