何巍巍 李魏

(1.航空工業(yè)無線電電子研究所,上海 200241;2.航空電子系統(tǒng)綜合技術(shù)重點(diǎn)實驗室,上海 200241;3.民航空管航空電子技術(shù)重點(diǎn)實驗室,上海 200241)

0 引言

在全球空中交通一體協(xié)同化發(fā)展趨勢下,以國際民航組織Doc.9854為指引,美歐等航空發(fā)達(dá)國際和地區(qū)航空系統(tǒng)處于全面升級轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期,下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)(NEXTGEN)、歐洲單一天空計劃(SESAR)等革命性運(yùn)行概念及其所需支撐技術(shù),實現(xiàn)對于空中交通管理運(yùn)行概念的支持[1-2]?？罩薪煌ü芾硎菑?fù)雜系統(tǒng),新一代空中交通管理系統(tǒng)的運(yùn)行、概念、規(guī)則以及相應(yīng)的新技術(shù)進(jìn)行實際飛行測試,風(fēng)險太大,成本過高,需要通過預(yù)先建立模擬驗證平臺對其進(jìn)行仿真、測試、驗證和評估[3],檢驗運(yùn)行概念的安全性,檢驗子系統(tǒng)對整個空中交通管理系統(tǒng)的適應(yīng)性和性能提升,檢驗各種系統(tǒng)組件的協(xié)同操作,從而調(diào)整其發(fā)展方向,規(guī)劃其發(fā)展路線,降低其發(fā)展風(fēng)險[4]。

流量管理系統(tǒng)作為空中交通管理的重要組成部分,其系統(tǒng)架構(gòu)、功能范疇、作用邊界、運(yùn)行模式、人機(jī)交互、性能標(biāo)準(zhǔn)等方面面臨重大調(diào)整和革新。

建設(shè)機(jī)場區(qū)域空域與流量綜合優(yōu)化及評估環(huán)境ATFMIE(Air Traffic Flow Management Integration and Evaluation environment),實時監(jiān)視機(jī)場的航班運(yùn)行情況,分析機(jī)場終端區(qū)的空中交通流及分布,評估和優(yōu)化機(jī)場及終端區(qū)的空中交通,通過該環(huán)境建設(shè)提出研究和解決機(jī)場交通擁堵的有效方法和途徑[5]。通過再現(xiàn)真實系統(tǒng)模擬運(yùn)行的研究方法,作為分析評價現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或優(yōu)化設(shè)計未來系統(tǒng)性能與功能的一種技術(shù)手段,系統(tǒng)級模擬驗證作為系統(tǒng)建設(shè)的重要依據(jù),是系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn),是技術(shù)推進(jìn)的支撐。

1 ATFMIE功能需求

1.1 功能模塊

圖1 能力需求分解Fig.1 Capacity requirement decomposition

ATFMIE包括:空中交通流量管理監(jiān)視平臺,空中交通流量管理策略平臺,空中交通流量管理分析平臺以及運(yùn)行仿真服務(wù)。平臺之間的聯(lián)動以及平臺與服務(wù)的數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)空中交通運(yùn)先進(jìn)仿真的技術(shù)需求,完成空中交通運(yùn)行關(guān)鍵效能分行析與評估,并對空中交通流量管理的策略進(jìn)行優(yōu)化和驗證,從而完成整個機(jī)場區(qū)域空域與流量綜合優(yōu)化及評估環(huán)境建設(shè)的功能。

1.2 需求能力

環(huán)境建設(shè)將需求能力劃分為流量業(yè)務(wù)研究、網(wǎng)絡(luò)控制、信息設(shè)施三大部分,詳見圖1。

1.2.1 流量業(yè)務(wù)研究

(1)機(jī)場航班運(yùn)行情況監(jiān)控,包括監(jiān)控研究對象機(jī)場實時的航班起降情況。(2)機(jī)場航班起降時刻預(yù)測,包括對研究對象機(jī)場未來一段時間的航班起降進(jìn)行流量預(yù)測。(3)終端區(qū)飛行流量監(jiān)控/預(yù)測,包括研究對象機(jī)場飛行終端區(qū)實時飛行情況的監(jiān)控,以及終端區(qū)未來2～6h的飛行流量預(yù)測。(4)機(jī)場航班時刻配置及優(yōu)化,能夠利用模型支持?jǐn)?shù)據(jù)分析機(jī)場航班時刻的配置情況,并通過分析研究航班時刻的編排瓶頸,對航班時刻進(jìn)行優(yōu)化,同時具備航班時刻飛行仿真功能[6]。(5)機(jī)場進(jìn)離場需求預(yù)測及優(yōu)化,包括分析研究對象機(jī)場的進(jìn)離場容流平衡情況,通過優(yōu)化解決進(jìn)離場容流平衡。(6)終端區(qū)運(yùn)行航跡分析,能夠分析終端區(qū)航班的飛行情況,通過分析找到終端區(qū)航班飛行的常用模式和經(jīng)驗軌跡。(7)區(qū)域空域運(yùn)行效率分析,包括分析研究對象機(jī)場以及對應(yīng)空域的運(yùn)行效能情況。(8)機(jī)場運(yùn)行效率分析,包括分析華東區(qū)域各機(jī)場的航班運(yùn)行情況。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)控制

(1)環(huán)境具備程序控制和系統(tǒng)監(jiān)控功能,可以監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài),控制系統(tǒng)和系統(tǒng)的開關(guān),具備一鍵開關(guān)功能。(2)具備多網(wǎng)控制功能,能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制管理。

1.2.3 信息設(shè)施

(1)具備數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送功能,包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行所需的動態(tài)數(shù)據(jù)(飛行計劃、ADS-B數(shù)據(jù)等)、監(jiān)控管理數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。(2)具備數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)集成功能,包括平臺數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后(例如數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)仿真)的數(shù)據(jù)交換,包括多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)的格式化集成[7]。(3)具備數(shù)據(jù)存儲功能,包括了大量飛行數(shù)據(jù)(飛行計劃、ADS-B數(shù)據(jù))和空域數(shù)據(jù)的存儲。

2 ATFMIE系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成

ATFMIE系統(tǒng)根據(jù)需求劃分成11部分,其具體系統(tǒng)組成和描述如表1所示。

2.2 運(yùn)行機(jī)制

基于機(jī)場區(qū)域空域流量驗證評估環(huán)境的多級空域協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制包括戰(zhàn)略階段、預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段、戰(zhàn)術(shù)階段和事后評估階段[8],見圖2,在運(yùn)行機(jī)制的各個階段分別發(fā)揮著重要作用。在戰(zhàn)略階段,機(jī)場航班時刻配置及優(yōu)化平臺發(fā)揮主要作用,優(yōu)化已有的航班時刻配置,給出戰(zhàn)略階段的優(yōu)化航班時刻列表;在預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段,進(jìn)離場容流平衡管理平臺基于已經(jīng)優(yōu)化的飛行計劃預(yù)測機(jī)場進(jìn)離場需求,并給出進(jìn)離場航班架次建議;在戰(zhàn)術(shù)階段,所有監(jiān)視平臺密切監(jiān)視航班的運(yùn)行以及空域的狀態(tài),在機(jī)場、終端區(qū)等空域?qū)桨嗔鬟M(jìn)行有效監(jiān)控和預(yù)測,包括航班時刻在機(jī)場的預(yù)測分布、以及航班在終端區(qū)的交通流態(tài)勢監(jiān)控;在事后評估階段,分析機(jī)場終端區(qū)的進(jìn)離場航跡,并評估機(jī)場關(guān)聯(lián)空域以及機(jī)場本身的運(yùn)行效能[9]。

表1 系統(tǒng)組成描述表Tab.1 System composition description table

圖2 運(yùn)行機(jī)制流程圖Fig.2 Operation mechanism flow chart

圖3 環(huán)境建設(shè)布局圖Fig.3 Environmental construction layout map

3 ATFMIE實施

ATFMIE包括業(yè)務(wù)環(huán)境、控制環(huán)境和備份環(huán)境實施,如圖3所示。

業(yè)務(wù)環(huán)境是環(huán)境建設(shè)的主體部分,業(yè)務(wù)環(huán)境中將新建空中交通流量管理策略平臺、分析評估平臺和監(jiān)控平臺。

備份環(huán)境可通過控制環(huán)境對主/備進(jìn)行自由切換,以防止主用系統(tǒng)失效帶來的負(fù)面影響。

控制環(huán)境負(fù)責(zé)控制開關(guān)設(shè)備、開關(guān)系統(tǒng)和監(jiān)控程序運(yùn)行情況等。

ATFMIE環(huán)境采用半實物平臺與模型仿真相結(jié)合的實施方法,使用C/S體系結(jié)構(gòu)。本環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,可以看出,環(huán)境建設(shè)需要多臺服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于內(nèi)置模型支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù),對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲;網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接入和處理;備份服務(wù)器負(fù)責(zé)對備份數(shù)據(jù)處理。通過局域網(wǎng)交換機(jī)/路由等設(shè)備,將業(yè)務(wù)平臺部署在整個局域網(wǎng)中,服務(wù)器負(fù)責(zé)對各系統(tǒng)發(fā)送處理數(shù)據(jù),驗證評估環(huán)境的展示和數(shù)據(jù)交互。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞植紙DFig.4 Network topology map

4 結(jié)語

基于流量驗證評估環(huán)境用于空中交通管理項目的規(guī)劃、研發(fā)以及算法演示驗證中。從運(yùn)行概念研究、協(xié)同驗證、運(yùn)行效益、環(huán)境影響和系統(tǒng)效能等多角度評估運(yùn)行體系,探索運(yùn)行機(jī)制,根據(jù)需求,建立運(yùn)行場景,以航班時刻表為輸入,在儀表飛行規(guī)則和無災(zāi)害天氣下的典型日運(yùn)行場景[10]。機(jī)場容量受流量控制、惡劣天氣、軍航影響等外界條件影響呈現(xiàn)動態(tài)性?；跉v史軍航活動、惡劣天氣和流量控制典型數(shù)據(jù),在基準(zhǔn)仿真模型基礎(chǔ)上加入特殊場景,評估各類場景對于空域、空側(cè)的容量、保障能力和航班延誤水平的影響,為實際運(yùn)行中的容流平衡管理提供運(yùn)行容量決策依據(jù)。