張曉燕，陳亞青，李宇華

(1.上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造系，上海 200232；2.中國民航飛行學(xué)院 民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川 廣漢 618307；3.上海吉祥航空公司 飛行訓(xùn)練中心，上海 201315)

0 引言

近年來隨著空中交通流量的急劇增加，各一線管制單位對管制員的管制技能要求越來越高。與此同時，管制學(xué)生培養(yǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使管制學(xué)生模擬機(jī)技能訓(xùn)練資源逐漸緊張，嚴(yán)重影響了管制學(xué)生管制模擬機(jī)的管制實踐技能訓(xùn)練水平?？展芙虒W(xué)的改革，大幅度地增加了在校管制學(xué)生的練習(xí)數(shù)量，造成了管制教師嚴(yán)重超負(fù)荷工作。這對學(xué)院和各一線管制單位“1對2”(1位管制教員對2位管制學(xué)員)的管制模擬機(jī)培養(yǎng)模式提出了挑戰(zhàn)。如何在管制模擬機(jī)課堂實踐教學(xué)之外增加學(xué)生的模擬機(jī)訓(xùn)練時間，加強(qiáng)培養(yǎng)其管制沖突意識、提升管制技能，同時緩解管制教師的超負(fù)荷工作現(xiàn)象，成為民航院校和各一線管制單位必須面對的問題。

管制模擬機(jī)課程是交通運(yùn)輸專業(yè)教學(xué)的重要實訓(xùn)環(huán)節(jié)，在空中交通管制員的培養(yǎng)和培訓(xùn)中具有舉足輕重的作用。王超等早在1998年便開發(fā)了具備DRS-93雷達(dá)模擬機(jī)的主要功能、適用于獨(dú)立微機(jī)上操作練習(xí)的雷達(dá)區(qū)域管制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[1]。李楠等研制了桌面式機(jī)場塔臺管制仿真系統(tǒng)，以機(jī)場塔臺視景仿真為中心，通過分布交互實時網(wǎng)絡(luò)，真實模擬機(jī)場塔臺管制各個環(huán)節(jié)，為學(xué)員提供一個逼近真實的虛擬仿真訓(xùn)練環(huán)境[2]。2013年張曉燕、馬江濤詳細(xì)分析了日本游戲制造商開發(fā)的管制模擬軟件ATC3的特點(diǎn)，研究了其在管制員模擬機(jī)培訓(xùn)的可應(yīng)用性[3]。2014年陳亞青等對雷達(dá)管制網(wǎng)絡(luò)模擬培訓(xùn)總體方案進(jìn)行了設(shè)計，其系統(tǒng)更貼近于管制員的實際工作[4]。楊萬龍等對空中交通管制塔臺模擬機(jī)的設(shè)計原理、工作流程及其應(yīng)用進(jìn)行了簡單的介紹[5]。石怡等使用ASP.NET、AJAX、ADO.NET等技術(shù)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)系統(tǒng)，以用戶需求為中心，為培訓(xùn)用戶和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)提供了一個功能強(qiáng)大的交互平臺[6]?？娭拘碌葘苤颇M機(jī)訓(xùn)練存在的問題進(jìn)行了剖析，提出了相應(yīng)的對策[7]。張健等通過介紹“大工程觀”教育理念實質(zhì)及特點(diǎn)，提出在空管人才培養(yǎng)中，應(yīng)積極推進(jìn)雷達(dá)管制實踐教學(xué)模式改革，以應(yīng)對行業(yè)快速發(fā)展對空中交通管制人才綜合素質(zhì)的更高要求[8]。黃貽剛等提出借助現(xiàn)代教育技術(shù)手段，設(shè)計并制作基于Flash 的《雷達(dá)管制運(yùn)行環(huán)境自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)》CBT課件，開發(fā)了自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)[9]。牟奇鋒在整個空域的建立、飛行過程的計算模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了雷達(dá)管制軟件系統(tǒng)[10]。朱曉波等分析了我國管制員在院校學(xué)習(xí)階段的雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)情況，從訓(xùn)練制度、訓(xùn)練模式、訓(xùn)練練習(xí)編排等幾個方面提出了建議[11]。郭昕等以雷達(dá)管制課程為研究對象，分析了雷達(dá)管制課程實踐教學(xué)的特點(diǎn)和原則，對雷達(dá)管制課程主要實踐教學(xué)方法進(jìn)行了闡述[12]。然而，國內(nèi)尚未開發(fā)出基于網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)。

為了有效緩解民航院校和管制單位雷達(dá)管制培訓(xùn)中模擬機(jī)設(shè)備和管制教員不足的壓力，改進(jìn)現(xiàn)階段民航三大管制員培養(yǎng)院校和各一線管制單位管制學(xué)生(員)的訓(xùn)練模式，提高管制模擬培訓(xùn)的靈活性，增加學(xué)員管制模擬訓(xùn)練的時間，提高培訓(xùn)效率和質(zhì)量，本文采用基于Microsoft.Net架構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計方式、利用SQL server數(shù)據(jù)庫和C#語言開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)和平臺可實現(xiàn)學(xué)生異地自主訓(xùn)練、系統(tǒng)自動評分、教員在線評價等功能，進(jìn)而替代部分雷達(dá)管制模擬機(jī)課堂實踐的教學(xué)環(huán)節(jié)，提高實踐教學(xué)的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用Client+Web Service(客戶端 + 網(wǎng)絡(luò)服務(wù))和B/S(瀏覽器端/服務(wù)端)兩種架構(gòu)體系來實現(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用程序服務(wù)器采用云計算主機(jī)，保證服務(wù)器端的處理能力與數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。服務(wù)器端采用性能優(yōu)異的SQL Server數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器應(yīng)用處理系統(tǒng)采用Microsoft.NET平臺開發(fā)，提供賬戶管理、學(xué)員訓(xùn)練管理與資料存取、教員評閱信息存取以及教員與學(xué)員互動等功能。學(xué)員訓(xùn)練端與教員評閱端采用Microsoft.NET平臺開發(fā)，并且結(jié)合流行的圖形引擎給學(xué)員展示形象逼真的仿真效果。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)采用基于Microsoft.Net架構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計方式，可以方便地對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和功能擴(kuò)展。服務(wù)端數(shù)據(jù)庫采用SQL Server數(shù)據(jù)庫，可快速有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和維護(hù)。

Microsoft.Net架構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、邏輯處理層和交互展示層等。

(1)在數(shù)據(jù)層中，利用ADO.NET 訪問數(shù)據(jù)庫。

(2)在邏輯處理層中，教員端、學(xué)員端和網(wǎng)絡(luò)查詢管理系統(tǒng)端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)庫之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接以及配置Web Service數(shù)據(jù)接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

(3)系統(tǒng)的交互展示層主要包括了網(wǎng)絡(luò)管理端、教員端和學(xué)員端三個部分。網(wǎng)絡(luò)管理端采用ASP.NET AJAX 技術(shù)，交互展示層采用Microsoft.Net平臺框架開發(fā)，通過Visual Studio開發(fā)出各種系統(tǒng)界面。

學(xué)員端機(jī)場空域圖采用.NET與XNA游戲引擎聯(lián)合開發(fā)，根據(jù)實際機(jī)場的數(shù)據(jù)在程序代碼層繪制包括跑道、下滑道和距離環(huán)等機(jī)場空域數(shù)據(jù)，以及飛機(jī)尾跡、航向、速度、高度等航行諸元。通過實時的圖形渲染與運(yùn)行數(shù)據(jù)模擬，逼真地仿真管制場景。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

基于網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)管理平臺和雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。其中網(wǎng)絡(luò)管理平臺用于管理員、教員和用戶的管理、成績查詢、通告管理、訓(xùn)練成績上傳以及用戶認(rèn)證等，雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)用于用戶的雷達(dá)管制模擬機(jī)電腦端本地訓(xùn)練。

圖2系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用基于Microsoft XNA游戲引擎和面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計方式進(jìn)行設(shè)計，利用SQL server數(shù)據(jù)庫和C#語言進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在兩方面：

基于Web Service+客戶端的構(gòu)架，讓學(xué)員擺脫了空間的限制，能夠在任何地方進(jìn)行雷達(dá)管制模擬機(jī)的練習(xí)。

基于XNA的場景渲染與實時運(yùn)算系統(tǒng)，將空域從實際場景映射到軟件界面上，并對內(nèi)部各個元素進(jìn)行實時運(yùn)算仿真和模擬。

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理平臺構(gòu)成及功能

網(wǎng)絡(luò)管理平臺是服務(wù)器提供的一個網(wǎng)站服務(wù)系統(tǒng)，用戶只需打開瀏覽器輸入http://atc.zimasys.com/即可以訪問該網(wǎng)站平臺，對用戶、學(xué)員、教員等信息進(jìn)行管理。該網(wǎng)絡(luò)管理端主要包括四個模塊：學(xué)員模塊，教員模塊，管理員模塊及關(guān)于系統(tǒng)使用模塊。

3.1.1 學(xué)員模塊

輸入用戶名和密碼，進(jìn)入學(xué)員信息模塊，可實現(xiàn)以下功能：

(1)訓(xùn)練記錄查詢：可查看學(xué)員本人的訓(xùn)練時間及訓(xùn)練成績。

(2)修改密碼：可對學(xué)員本人的密碼進(jìn)行重置功能。

3.1.2 教員模塊

輸入用戶名和密碼，進(jìn)入教員信息模塊，可實現(xiàn)如下功能：

(1)成績查詢：通過下拉框選擇學(xué)生姓名，對其作答記錄進(jìn)行查詢，可查看學(xué)員的訓(xùn)練時間及訓(xùn)練成績。如圖3所示。

(2)修改密碼：可對教員本人的密碼進(jìn)行重置功能。

圖3 教員信息模塊圖

3.1.3 管理員模塊

管理員模塊包括以下六個子模塊：

(1)成績管理：通過下拉框選擇學(xué)員姓名，對其作答記錄進(jìn)行查詢，可查看學(xué)員的訓(xùn)練時間及成績。

(2)管理員管理：可對管理員賬戶進(jìn)行管理，修改管理員的賬戶及密碼；開啟新的管理員賬戶。

(3)教員賬戶管理：修改教員的賬戶及密碼；開啟新的教員賬戶。

(4)學(xué)員管理：對學(xué)員賬戶進(jìn)行管理；修改學(xué)員賬戶及密碼；開啟新的學(xué)員賬戶。在該子模塊中，可批量導(dǎo)入學(xué)員賬戶信息。

(5)通告管理：可添加通告標(biāo)題及內(nèi)容，并對通告內(nèi)容進(jìn)行修改。

(6)修改密碼：對某一管理員的密碼進(jìn)行修改。

3.2 雷達(dá)管制模擬培訓(xùn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用C#+Web Service+XNA進(jìn)行編程，實現(xiàn)管制學(xué)員的基本技能及提高技能的培養(yǎng)。系統(tǒng)的組成模塊如圖4所示。

各模塊的功能如下：

空域仿真模塊：用于對仿真空域的場景生成與模擬；

飛機(jī)沖突檢測模塊：用于計算空域內(nèi)飛機(jī)之間的間隔，進(jìn)行實時評估；

跑道仿真模塊：用于對仿真機(jī)場跑道的場景生成與模擬；

航班仿真模塊：用于對仿真航班的生成與模擬；

走廊口仿真模塊：用于對仿真走廊口的場景生成與模擬；

航班起降仿真模塊：用于對仿真進(jìn)離港航班的跑道起降計算模擬；

系統(tǒng)實時計算模塊：用于對整個仿真系統(tǒng)進(jìn)行實時運(yùn)算；

系統(tǒng)操作模塊：用于指揮進(jìn)程的控制以及訓(xùn)練得分?jǐn)?shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器；

系統(tǒng)計分模塊：用于對仿真指揮的分?jǐn)?shù)計算。

圖4 雷達(dá)管制模擬培訓(xùn)系統(tǒng)模塊組成

該系統(tǒng)實現(xiàn)了學(xué)員的一站式全自助的學(xué)習(xí)。學(xué)員通過網(wǎng)絡(luò)管理端首頁，下載《AirControl管制模擬訓(xùn)練器》至本地電腦，運(yùn)行《AirControl管制模擬訓(xùn)練器》，登錄系統(tǒng)，可進(jìn)入主菜單。主菜單共包括三個模塊：“創(chuàng)建新訓(xùn)練”“系統(tǒng)設(shè)置”及“退出系統(tǒng)”。系統(tǒng)設(shè)置包含“尾跡”“燃油”和“聲音”三大功能，可對此三項功能進(jìn)行開啟、關(guān)閉設(shè)置。如圖5所示。

圖5 雷達(dá)管制模擬訓(xùn)練器系統(tǒng)界面

在以上界面的“系統(tǒng)設(shè)定”中，可實現(xiàn)兩大功能的設(shè)置：距離環(huán)的設(shè)置和進(jìn)離港航班密度的設(shè)置。通過進(jìn)港航班密度和離港航班密度的設(shè)置，為不同水平的學(xué)員提供不同難度水平的練習(xí)。

設(shè)置進(jìn)離港密度分別為0.5，練習(xí)啟動，界面如圖6所示。

圖6 模擬練習(xí)界面圖

3.2.1 雷達(dá)管制模擬訓(xùn)練空域設(shè)置

雷達(dá)管制模擬訓(xùn)練空域包含東、南、西、北四個走廊口，該空域?qū)嵭羞M(jìn)離港分離程序，西、南兩個走廊口為進(jìn)港走廊口，東、北兩個走廊口為離港走廊口。離港飛機(jī)均沿標(biāo)準(zhǔn)離港程序離港，起飛后直飛離港走廊口。學(xué)員通過對進(jìn)港飛機(jī)的高度調(diào)整、雷達(dá)引導(dǎo)和速度調(diào)整等雷達(dá)管制基礎(chǔ)技能的運(yùn)用，對進(jìn)港飛機(jī)進(jìn)行排序，引導(dǎo)落地。

3.2.2 雷達(dá)管制模擬訓(xùn)練計分規(guī)則

在雷達(dá)管制模擬培訓(xùn)系統(tǒng)中，根據(jù)我國民航雷達(dá)管制的管制規(guī)則，建立如下的計分規(guī)則：

對進(jìn)港飛機(jī)規(guī)則如下：

飛機(jī)墜毀：-10000；

飛機(jī)正常落地：+100；

指揮時長<=4分鐘：+20；

飛機(jī)在整個航程中間隔正常(水平間隔>=6km 或者垂直間隔>=1000英尺)，進(jìn)行間隔保持獎勵：+50。

離港飛機(jī)的生成：跑道端點(diǎn)距離<14.0km且高度小于 2000英尺范圍內(nèi)沒有飛機(jī)，則離港飛機(jī)將自動生成。

對離港飛機(jī)規(guī)則如下：

飛機(jī)正常離港：+10;

指揮時長<=4分鐘：+10；

飛機(jī)在整個航程中間隔正常(水平間隔>=6km 或者垂直間隔>=1000英尺)，進(jìn)行間隔保持獎勵：+50。

飛機(jī)飛出扇區(qū)則移除該航班，飛機(jī)飛出扇區(qū)：-100。

該系統(tǒng)的自動評分功能可為教員提供不同學(xué)生的管制水平的參考，以針對性地對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。

3.2.3 飛機(jī)間沖突的判斷

三維立體距離<6km且垂直距離<1000英尺，則觸發(fā)航班沖突警告；

三維立體距離<0.2km且垂直距離<100英尺，則觸發(fā)航班mayday警告，且飛機(jī)處于墜毀狀態(tài)從此不受控，直到飛機(jī)墜毀。

3.2.4 雷達(dá)管制模擬訓(xùn)練成績保存及上傳

練習(xí)結(jié)束后，訓(xùn)練成績需要學(xué)員提交才能夠進(jìn)入服務(wù)器中。具體操作如下：訓(xùn)練過程中按下Esc按鍵，點(diǎn)擊“保存戰(zhàn)績”即可保存該次練習(xí)系統(tǒng)的自動評分。同時，教員也可在網(wǎng)絡(luò)平臺同步查詢該次訓(xùn)練成績。圖7所示即為網(wǎng)絡(luò)平臺同步查詢的成績。

圖7 網(wǎng)絡(luò)平臺同步查詢訓(xùn)練成績

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)開發(fā)完成后經(jīng)某民航院校2014級交通運(yùn)輸專業(yè)部分本科生試用。試用顯示，該系統(tǒng)實現(xiàn)了雷達(dá)管制模擬訓(xùn)練的基本功能，可根據(jù)學(xué)員的水平區(qū)別性、針對性地訓(xùn)練學(xué)員的調(diào)速技能、間隔調(diào)配技能及雷達(dá)引導(dǎo)技能，且實現(xiàn)了遠(yuǎn)程訓(xùn)練的各個功能。該系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，豐富了交通運(yùn)輸專業(yè)雷達(dá)管制模擬機(jī)教學(xué)的方式，在雷達(dá)管制模擬機(jī)教學(xué)中具有一定的推廣應(yīng)用價值。

5 結(jié)語

基于網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)管制培訓(xùn)系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)管理平臺和雷達(dá)管制模擬機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)兩部分組成。該系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，不受場地、時間的局限，實現(xiàn)了學(xué)員在電腦上進(jìn)行遠(yuǎn)程自主訓(xùn)練的目標(biāo)。學(xué)員只需要通過訪問網(wǎng)站，下載雷達(dá)管制模擬培訓(xùn)系統(tǒng)到本地即可直接運(yùn)行和練習(xí)。同時，系統(tǒng)依據(jù)中國民航雷達(dá)管制的管制規(guī)則，建立了相應(yīng)的計分規(guī)則，實現(xiàn)了自動評分功能。

該系統(tǒng)的自主研發(fā)可改進(jìn)現(xiàn)階段民航管制員培養(yǎng)院校和各一線管制單位管制學(xué)員的訓(xùn)練模式，提高培訓(xùn)效率和質(zhì)量，更好滿足各管制單位對應(yīng)用型人才的迫切需求。

未來可在以下方面完善系統(tǒng)：

(1)練習(xí)設(shè)置上增加進(jìn)、離港程序交叉的部分。

(2)可融合語音識別系統(tǒng)，以同時實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)無線電陸空通話的訓(xùn)練。