空中交通服务中的仿真技术与训练

空中交通服务中的仿真技术与训练

崔善勇

中国民用航空西北地区空中交通管理局

陕西 西安 710000

摘要：空中交通日趋繁忙,日益增长的飞行总量与相对有限的空中交通管制能力之间的矛盾,已成为各国航空界急需解决的问题。它迫切需要我们 引进新技术来解决空中交通管制因航班流量增加,起降飞机数量日益增长带来的新问题。随着空管系统发展，仿真验证需求逐步从单一的技术试验仿真验证扩展到全尺寸门到门的运行仿真验证，采用的仿真技术也从单机仿真逐渐过渡到分布式系统仿真。仿真作为一种全新的仿真模式，为空管仿真验证领域提供了一种全新的运行架构和解决方案。

关键词：空中交通管理；仿真；系统

随着科技的发展和社会的进步，现代人的工作和生活节奏也越来越快，人们对于交通运输的要求也越来越高。航空运输企业也希望飞行能够更安全、方便和快捷，希望能够通过高效的空中交通服务提高运营效率，降低运营成本，希望空中交通管理能提供多样化服务水平。系统仿真（计算机仿真）是通过建立仿真模型，在计算机上再现真实系统并模拟真实系统的运行过程而得到系统解的研究方法。作为分析评价现有系统运行状态或优化设计未来系统性能与功能的一种技术手段，仿真技术已广泛应用于航空、航天通信等领域，成为许多复杂系统工程进行分析。空管系统属于复杂系统，利用计算机进行空中交通管理（空管）系统仿真是重要的研究手段。

一、空中交通仿真简介

空管自动化仿真是验证空管理论研究方法的重要工具，用来模拟空中交通运行场景和动态，真实再现实际空管系统的管理模型和运行状态。空中交通进程仿真是空管自动化仿真系统中的一个核心组成部分。它是内核处理和外部显示的一个动态交互接口。按照定时间步长的时间推进机制，生成空中交通场景，模拟空中交通进程的动态过程。首先读取空域数据、多源集成数据(标准雷达格式、AFTN电报数据或者飞行计划数据和训练课程数据)，使程序初始化，显示空域的雷达视频地图。在仿真引擎(定时间补偿的仿真时间机制下)，结合飞行性能数据包，模拟飞机在各个飞行阶段的空中运动，接受管制指令的输入，改变飞行高度、速度等飞行状态。飞机运动的计算在分布式的计算机上独立完成，通过网络将飞机的状态信息不断地发送给管制计算机，该计算机通过雷达视频显示程序动态地在显示器上更新飞机状态。其中，飞行运动的仿真是空中交通进程仿真的核心内容，要提高飞机运动仿真的逼真度，必须使飞机按照飞机性能要求，符合空气动力学的规律。根据飞机性能参数和各个飞行阶段质点运动方程，建立飞机性能模型来模拟飞行速度、加速度、爬升/下降率等运动行为。通过设计国内商务运输机的性能模型，构成飞机性能数据包。作为一个动态交互接口，高动态空间数据显示与交互式操作界面的丌发也是其重要的组成部分。雷达显示图形界面能够做到符合空管软件显示规范，静态空域背景指示分明，层次清晰；高动态、多雷达目标显示准确，交互性好。

二、仿真平台内涵与架构

仿真技术在云计算平台的基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)基础上的发展和延伸。它基于云计算理念，综合运用复杂系统模型，先进分布式仿真/虚拟现实(VR)、网络、虚拟化和普适化等技术及应用领域专业技术，实现系统中各类资源(包括模型、计算、存储、网络、数据和软件等资源，实物、半实物和模拟器等)的安全按需共享与重用，实现多用户按需协同互操作及动态优化调度运行，进而支持对工程与非工程领域内已有或设想的复杂系统进行论证、分析。基于云计算理念，一种全新的网络化建模与仿真平台———仿真平台应运而生。仿真平台结合应用领域需求，对各种仿真资源、工具和服务进行重组与管理，以新模式提供给仿真用户，用户可结合自身需求共享和重用系统中各类资源，从而实现用户按需协同仿真。具体地，仿真平台包括以下：1)资源感知/接入层：接入和处理平台调度的各类仿真资源；2)虚拟资源/能力层：将建模和仿真资源进行虚拟化封装；3)核心功能层：整合了平台所需共性支持服务及中间件；4)用户界面层：提供浏览器和桌面形式门户，为用户登录仿真平台开展仿真活动提供入口。涉及的关键技术包括基于web的高层体系结构(HLA)/运行时刻支撑环境(RTI)分布式交互仿真、基于web Service/网格技术的仿真资源管理与映射、基于语义的仿真模型资源发现、网络化仿真资源服务调度、仿真资源服务自动组合、仿真资源虚拟化及网络环境下安全机制与用户管理等技术。在安全体系支持下，用户可通过仿真平台门户进行任务和需求的定义；仿真平台按用户需求自动查找和发现所需仿真资源，并基于服务组合方式按需构造仿真应用系统；在仿真平台对资源的动态管理下实施网络化仿真系统的协同运行，最终完成仿真过程。即在基于仿真平台的仿真过程中，用户仅需进行需求的制定、输入与输出数据的设置、模型的选取与配置，模型资源的动态组合、调度及仿真运行由云端的仿真系统实现。

三、空管仿真应用

基于仿真平台，用户仅借助一台安装有平台客户端的联网终端即可获取目前需大规模仿真验证环境才能提供的仿真服务，这在一定程度上契合了当前空管仿真需求。

1、空管仿真应用场景。空管系统仿真最显著特点是模型多、运行规则复杂且相互耦合和关联，通常需要大量仿真模型以实现对仿真要素、仿真精度及可信度的全面支撑。同时还涉及仿真环境的构建和集成等工作，导致仿真周期长、费用高且工作量大。而仿真平台基于网络构造相应的仿真云，为所有可接人该网络的终端提供通用且可配置的模型管理及数据模拟生成服务，用户可基于仿真平台提供的各种模型、资源和服务，快速完成大规模空管仿真验证场景的搭建和仿真过程。从实施角度看，我国空管领域各专题实验室可将其内部的仿真资源进行虚拟化封装并注册至仿真平台，形成可涵盖空管仿真相关要素的云服务(如飞行流仿真云和航空器飞行过程仿真云等)，即将现有的仿真资源和模型等统一封装为相应的云服务，部署于仿真平台，从而构建一个完整的空管仿真环境。仿真平台网络结构如图所示。

首先，基于仿真平台对各种空管仿真模型服务和软件工具进行统一封装并接入仿真环境；然后，用户登录仿真平台的问题求解门户对需求进行描述，并通过仿真平台发现、组合和调度各种仿真模型及服务资源，按需动态构建空管仿真系统；最后，借助问题求解门户及基于Web的HLA/RTI服务协同运行仿真系统，由可视化门户返回仿真结果。基于仿真平台的空管协同仿真系统，用户仅需在仿真平台的仿真模型库、数据资源库和仿真规则库等选取相应要素搭建仿真场景，并设置输入与输出内容即可完成仿真环境准备工作，后续仅需调整仿真参数、监视仿真过程和获取仿真输出结果。

2、基于仿真平台的i4D航迹运行概念仿真，通过传统的三维空间和第四维(时间)来确定航空器航迹。该技术要求航空器具有将飞行数据传输至地面和预测功能，使航空器与地面系统协调后，精确地按照预定航迹飞行，减少战术干预，避免过多的空中等待，提高航班效率并减少燃油消耗和碳排放。对四维航迹运行概念的仿真，需实现针对大规模航班航路运行的快速仿真，具备航路流量监控与进场航班排序功能，同时还能够对飞行管理系统(FMS)、管制员、机场管理部门和航空公司等多种角色进行模拟。

研究表明，仿真平台能够加强现有网络化建模与仿真系统在细粒度资源共享和多用户协同高精度仿真，特别是多用户随时随地按需获得仿真资源及服务的能力，为当前空管仿真验证提供了一种全新的架构和实施方案，在一定程度上可化解当前仿真需求与现有仿真运行模式及仿真资源间矛盾。             

参考文献：

［1］鱼海洋，胡华清，姚津津．机场航空容量评估的计算机仿真方法［J］．空中交通管理，2021.13．

［2］李伯虎，柴旭东，朱文海．现代建模与仿真技术发展中的关键技术研究［J］．系统仿真学报，2020.14．

［2］程健，程季锃，刘铭．面向协同的空管运行仿真关键技术研究［J］．中国民航飞行学院学报，2021.25．