淺談面向協(xié)同的空管運(yùn)行仿真關(guān)鍵技術(shù)研究論文
1 引言
20 世紀(jì)70 年代末開始，歐美等發(fā)達(dá)國家將系統(tǒng)仿真方法引入到空域和機(jī)場管理中來，一開始主要用于評(píng)估機(jī)場容量和航班延誤的研究，后來逐漸擴(kuò)展到對(duì)整個(gè)機(jī)場地面和空域管理的研究和評(píng)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(dòng)的多元化發(fā)展趨勢，導(dǎo)致空域飛行的復(fù)雜性增強(qiáng)，對(duì)提高空中交通運(yùn)行效率提出了更高要求，空管系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行中越來越重視對(duì)仿真方法的運(yùn)用。
本文構(gòu)建了一個(gè)面向空地協(xié)同的空管運(yùn)行環(huán)境仿真平臺(tái)，探究復(fù)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(yùn)行保障機(jī)制研究，空管運(yùn)行新模式、新概念的評(píng)估驗(yàn)證，空管系統(tǒng)效能分析，空管裝備體系建設(shè)的需求分析和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及新技術(shù)在空管系統(tǒng)中的適用性與可用性等提供仿真運(yùn)行環(huán)境和評(píng)估手段，為我國空管系統(tǒng)運(yùn)行及未來的設(shè)計(jì)規(guī)劃提供技術(shù)支持。
2 需求分析
2.1 空管運(yùn)行中的協(xié)同
ICAO 和歐美等航空強(qiáng)國已經(jīng)提出了面向未來的下一代空管運(yùn)行新概念。ICAO 全球2020 年空管運(yùn)行目標(biāo)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(yùn)行模式;歐洲單一天空計(jì)劃(SESAR)中提出了“空管的運(yùn)行從基于空域的環(huán)境向基于航跡的環(huán)境轉(zhuǎn)變”、“加強(qiáng)人的核心地位”等空管新理念，安全管理和管制運(yùn)行責(zé)任從地面到空中進(jìn)行部分轉(zhuǎn)移，支持航空器的自主飛行服務(wù)能力和空地協(xié)同運(yùn)行能力;美國聯(lián)邦航空局(FAA)提出的下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)計(jì)劃( NextGen ， Next Generation Air TransportationSystem)包括三方面內(nèi)容：一體化協(xié)同運(yùn)行、空管綜合信息整合(SWIM)和基礎(chǔ)設(shè)施支撐。圍繞飛機(jī)、空間和地面設(shè)施，提高各類空管系統(tǒng)之間信息共享和自動(dòng)化處理程度，支持各種業(yè)務(wù)領(lǐng)域之間實(shí)施協(xié)同決策(CDM)，利用先進(jìn)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(shí)間和運(yùn)行成本，提供更多的服務(wù)內(nèi)容。
2.2 協(xié)同的人為因素
在現(xiàn)代航空活動(dòng)中，人—飛機(jī)—環(huán)境是構(gòu)成航空系統(tǒng)的三個(gè)最主要的因素。無論航空器多么先進(jìn)，自動(dòng)化程度有多高，“人”始終都是航空活動(dòng)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(kuò)大空域范圍和漸進(jìn)式調(diào)整基礎(chǔ)設(shè)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(jī)場運(yùn)營人、管制服務(wù)機(jī)構(gòu)、飛行計(jì)劃和機(jī)組等飛行運(yùn)營人、空域用戶、軍隊(duì)等參與各方之間的信息共享和公共態(tài)勢感知基礎(chǔ)之上，需參與各方的合作。協(xié)同決策中參與各方的目標(biāo)、資源和能力是信息交換和協(xié)商的基礎(chǔ)，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(chǔ)。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(dòng)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(dòng)是以人為中心的自動(dòng)化操作，人的意圖信息直接影響到對(duì)航空器未來位置的推算。通�？展芤鈭D信息包括飛行計(jì)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(yùn)動(dòng)仿真將無法反映航空器的實(shí)際飛行性能和狀態(tài)。
空管運(yùn)行的協(xié)同中，飛行員在駕駛航空器時(shí)的意圖、意向通過通信設(shè)備與其他航空器和地面自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行交換;地面管制員保證空中航空器安全、有序運(yùn)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(dòng)的流量控制意圖，通過塔臺(tái)席位和管制指揮席位進(jìn)行交換，并通過網(wǎng)絡(luò)將管制意圖信息進(jìn)行共享。
2.4 仿真技術(shù)
系統(tǒng)仿真是通過建立仿真模型，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)，并模擬真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過程而得到系統(tǒng)解的研究方法。作為分析評(píng)價(jià)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或優(yōu)化設(shè)計(jì)未來系統(tǒng)性能與功能的一種技術(shù)手段，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、電子、通訊等眾多領(lǐng)域，成為許多復(fù)雜系統(tǒng)工程分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、評(píng)估等不可缺少的重要手段。系統(tǒng)仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性新技術(shù)。仿真按所用模型的不同，分為數(shù)學(xué)仿真、半實(shí)物仿真和物理仿真三種類型。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的數(shù)學(xué)仿真，又稱計(jì)算機(jī)仿真，若有實(shí)物接入模型，稱為半實(shí)物仿真。
空管運(yùn)行仿真用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、仿真管理和空管運(yùn)行綜合評(píng)估的數(shù)學(xué)仿真，用塔臺(tái)模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席進(jìn)行半實(shí)物仿真。空管運(yùn)行仿真應(yīng)具有通用性，能滿足各種運(yùn)行條件下的仿真需求，既要符合空中交通運(yùn)行規(guī)則，又要能夠調(diào)整仿真評(píng)估粒度，可以進(jìn)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(jié)果的可靠性和準(zhǔn)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(yùn)行仿真的重要方面。
3 關(guān)鍵技術(shù)
3.1 系統(tǒng)集成技術(shù)
空管運(yùn)行環(huán)境仿真是一個(gè)包括從飛行到管制、從空中到地面、從航路到機(jī)場的一體化的大型空中交通仿真系統(tǒng)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為具有大量、復(fù)雜、高精度、費(fèi)時(shí)的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，要求具有高速運(yùn)算能力、高速數(shù)據(jù)交換能力、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力以及高速圖形圖像顯示能力。參考HLA 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，空管運(yùn)行環(huán)境仿真構(gòu)建以RTI 為核心的分布式網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，滿足交互實(shí)時(shí)性、時(shí)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(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行體系評(píng)估平臺(tái)各分系統(tǒng)之間，以及各分系統(tǒng)與半實(shí)物仿真平臺(tái)的各席位之間的協(xié)同交互，并為今后可能接入的半實(shí)物仿真系統(tǒng)預(yù)留接口。
3.2 飛行流仿真
空管運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)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(jì)以及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真需求分析航班流的分布特征，確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)概率分布模型，包括起降機(jī)場的離散分布模型、各機(jī)場航班起飛時(shí)間的泊松分布模型、機(jī)型配比的離散分布模型等，而且要對(duì)照實(shí)際飛行過程的管制運(yùn)行規(guī)則和突發(fā)事件影響情況，對(duì)生成的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合校驗(yàn)，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(yùn)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(fēng)、溫度、壓力等)和飛行計(jì)劃進(jìn)行推算，同時(shí)要考慮空中交通規(guī)則、管制指令和機(jī)組飛行意圖等因素對(duì)4D航跡的影響，而且在不同的飛行階段要與進(jìn)離場航線、航線相吻合。4D 航跡推算準(zhǔn)確度越高，仿真評(píng)估結(jié)果的可信度也就越高。
3.4 飛行姿態(tài)計(jì)算
飛行器在空中的運(yùn)動(dòng)，在一定的假設(shè)條件下，可以視為理想剛體的運(yùn)動(dòng)，遵循剛體的`基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。與一般剛體運(yùn)動(dòng)相比，飛行器運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，可以分解為3 個(gè)力和3 個(gè)力矩共6 個(gè)自由度來建立其運(yùn)動(dòng)方程。在飛行模擬中，針對(duì)飛行過程建立數(shù)學(xué)模型是一個(gè)關(guān)鍵問題，飛行動(dòng)力學(xué)建模的目的是為了完成飛機(jī)6 個(gè)自由度剛體運(yùn)動(dòng)方程的解算，綜合飛機(jī)所受的各種力和力矩，如隨著燃油消耗而變化的飛機(jī)質(zhì)量、重心以及慣性力矩，隨絕對(duì)高度變化的高空風(fēng)大小和方向，發(fā)動(dòng)機(jī)推力和地面接觸力等，計(jì)算出飛機(jī)的線速度和角速度并且將其轉(zhuǎn)化為飛行的6 個(gè)自由度的變化值，以此得出飛機(jī)的飛行狀態(tài)，完成飛機(jī)飛行姿態(tài)的模擬仿真。
3.5 運(yùn)行評(píng)估
指標(biāo)體系是評(píng)估工作的核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行體系評(píng)估的具體可操作化的行為指南。要實(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行體系的準(zhǔn)確評(píng)估，必須建立一套完整的能夠全面反映我國空管運(yùn)行特點(diǎn)的評(píng)估指標(biāo)體系，包括評(píng)估維度的確定、評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、指標(biāo)權(quán)重的確定以及評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算4 個(gè)步驟。指標(biāo)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(yùn)行效能、軍民航運(yùn)行協(xié)調(diào)、空管空防一體化、空管運(yùn)行安全和空管系統(tǒng)保障等各方面，研究與確定指標(biāo)體系的構(gòu)成與權(quán)重是一項(xiàng)評(píng)估是否科學(xué)的首要步驟，而評(píng)價(jià)方法的選擇是構(gòu)建空管運(yùn)行指標(biāo)體系后非常重要的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的常用方法有評(píng)分評(píng)價(jià)法(指數(shù)法)、模糊綜合評(píng)價(jià)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等，結(jié)合空管運(yùn)行實(shí)際，我們采用灰色綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行多指標(biāo)評(píng)價(jià)。
4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
空管運(yùn)行環(huán)境仿真主要包括兩部分：空管運(yùn)行體系評(píng)估平臺(tái)和半實(shí)物仿真平臺(tái)�？展苓\(yùn)行體系評(píng)估平臺(tái)根據(jù)仿真需求，將生成的仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行空管運(yùn)行仿真，并根據(jù)半實(shí)物仿真平臺(tái)的空管運(yùn)行態(tài)勢和空管運(yùn)行特征進(jìn)行空管運(yùn)行綜合評(píng)估。
空管運(yùn)行體系評(píng)估平臺(tái)由任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)、仿真管理分系統(tǒng)、空管運(yùn)行綜合評(píng)估分系統(tǒng)和空管運(yùn)行評(píng)估支撐分系統(tǒng)組成。任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)根據(jù)空管運(yùn)行仿真需求，編輯、設(shè)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(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行控制、4D 航跡推算、飛行沖突探測解脫以及飛行姿態(tài)計(jì)算等功能。空管運(yùn)行綜合評(píng)估分系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)、分析空管運(yùn)行態(tài)勢和特征，實(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行概念評(píng)估驗(yàn)證、協(xié)同機(jī)制評(píng)估驗(yàn)證、空管運(yùn)行安全評(píng)估、空管運(yùn)行效益評(píng)估、環(huán)境影響評(píng)估、空管裝備建設(shè)需求評(píng)估和空管系統(tǒng)效能評(píng)估等功能。
半實(shí)物仿真平臺(tái)由塔臺(tái)模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席等組成。塔臺(tái)模擬器根據(jù)軍民航塔臺(tái)的管制范圍、管制方式和管制流程，真實(shí)再現(xiàn)機(jī)場塔臺(tái)管制復(fù)飛和起落航線的各個(gè)環(huán)節(jié)，并與飛行模擬器和管制指揮席一起構(gòu)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(yùn)行，與塔臺(tái)模擬器和管制指揮模擬席進(jìn)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(jī)控制模擬器。管制指揮模擬席是管制中心實(shí)施空域運(yùn)行管理、飛行流量管理、管制指揮和飛行服務(wù)的工作平臺(tái)，顯示空域運(yùn)行態(tài)勢、飛行流量態(tài)勢和空管運(yùn)行特征，模擬實(shí)現(xiàn)軍航管制中心、民航管制中心、通航飛行服務(wù)站和對(duì)空射擊管理終端的空管業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能。
4.2 仿真流程
空管運(yùn)行仿真是由飛行流驅(qū)動(dòng)的，因此飛行流引擎仿真是關(guān)鍵。為了使仿真貼近實(shí)際，進(jìn)而提高仿真評(píng)估結(jié)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(yīng)能模擬如奧運(yùn)等事件引發(fā)的局部流量增加的航班飛行流，實(shí)現(xiàn)對(duì)空管系統(tǒng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力的科學(xué)評(píng)估。航跡管理是空管運(yùn)行的核心，一切行為活動(dòng)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(shí)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(guān)鍵點(diǎn)的位置、高度和時(shí)間。航跡預(yù)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(luò)等估計(jì)算法的無參數(shù)方法;二是建立飛行器模型, 進(jìn)行飛行模擬。本文采用第二種算法即建立飛行器模型進(jìn)行航跡預(yù)測，這也是目前航跡預(yù)測研究的主流算法。影響航跡預(yù)測的因素包括飛機(jī)性能、飛行計(jì)劃、飛行意圖、空中交通規(guī)則、大氣環(huán)境及飛機(jī)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(yùn)行仿真不僅要根據(jù)作用在飛機(jī)上的力和力矩計(jì)算出飛機(jī)的6 個(gè)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(jī)的飛行模擬仿真，在塔臺(tái)視景模擬器和管制指揮模擬席等半實(shí)物仿真平臺(tái)顯示空管運(yùn)行態(tài)勢，在空管運(yùn)行體系評(píng)估平臺(tái)進(jìn)行空管運(yùn)行特征統(tǒng)計(jì)分析和效能評(píng)估。
5 結(jié)論
通過建立空管運(yùn)行環(huán)境仿真平臺(tái)，從運(yùn)行概念研究、協(xié)同機(jī)制驗(yàn)證、空管運(yùn)行安全、運(yùn)行效益、環(huán)境影響和現(xiàn)行空管系統(tǒng)效能等多角度評(píng)估空管運(yùn)行體系，能夠?yàn)閮?yōu)化現(xiàn)有空管系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和配置，提高系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平，探索未來運(yùn)行機(jī)制，并指導(dǎo)后續(xù)空管系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)我國空管系統(tǒng)建設(shè)由技術(shù)推動(dòng)型向需求牽引型過渡，為提升空管系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行效益提供技術(shù)支持。
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