基于SuperMap的空域設(shè)計(jì)評(píng)估綜合系統(tǒng)

苗 亞，韓松臣，張 明

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)成為交通領(lǐng)域研究的重要手段之一［1］。在我國(guó)的空中交通研究領(lǐng)域中，眾多設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)已被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在各個(gè)方面，發(fā)揮了巨大作用。但從各個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程來(lái)看，目前仍然存在一定不足，主要體現(xiàn)在:系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一般都從最基礎(chǔ)的編碼做起，使各系統(tǒng)重復(fù)工作較多、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、難度相對(duì)較高，系統(tǒng)通用性不高。筆者針對(duì)上述問(wèn)題討論建立了通用空域設(shè)計(jì)評(píng)估綜合系統(tǒng)的相關(guān)方法。

1 系統(tǒng)概述

空域設(shè)計(jì)評(píng)估綜合系統(tǒng)主要包括空域結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)和飛行區(qū)運(yùn)行仿真兩個(gè)部分。其中，飛行區(qū)運(yùn)行又分為空中交通和機(jī)場(chǎng)地面交通兩個(gè)子部分，相關(guān)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已形成兩個(gè)彼此獨(dú)立的分支。但仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩種交通方式無(wú)論是其基本運(yùn)行單元的特性還是運(yùn)行控制管理方式都有諸多相似之處。因此，開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以將二者相同的部分提取出來(lái)，組成一個(gè)通用的飛行區(qū)運(yùn)行仿真內(nèi)核，在該內(nèi)核基礎(chǔ)上豐富和完善系統(tǒng)功能，分別開(kāi)發(fā)出空中交通通用仿真系統(tǒng)及地面交通通用仿真系統(tǒng)。最終用戶可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)上層模塊放到相應(yīng)通用系統(tǒng)中或根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制，從而形成符合用戶需求的各類設(shè)計(jì)仿真綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 模擬單元構(gòu)造方法

無(wú)論是何種交通系統(tǒng)，其基本的模擬單元都包括人、交通工具、路及控制系統(tǒng)等［2］，而這些單元許多最基本的屬性和功能都是相同的。因此可以將模擬單元高度抽象化，提取各類單元中相同的最基本屬性構(gòu)成抽象化的模擬單元集，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富單元屬性、方法等構(gòu)成實(shí)際模擬單元，使其成為可重用的模塊。這樣，既節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)工作，研發(fā)人員又可集中精力于上層邏輯模塊的開(kāi)發(fā)中。為實(shí)現(xiàn)上述思想，擬采取以下兩個(gè)步驟［3-4］:

(1)將模擬單元內(nèi)核屬性與規(guī)則描述相分離。將對(duì)一個(gè)模擬單元的描述分為內(nèi)核和規(guī)則兩部分，內(nèi)核主要指模擬單元的屬性，規(guī)則既可以是模擬單元自身的某些規(guī)律，也可以是與其他特定單元的相互作用。利用該方法使模擬單元的內(nèi)核描述與規(guī)則分離，同樣的屬性受到不同規(guī)則的約束就構(gòu)成了不同的模擬單元實(shí)體。這樣在系統(tǒng)中就可將規(guī)則設(shè)為比較靈活、可隨時(shí)接入的模塊，根據(jù)不同的模擬需求，采用不同的規(guī)則模塊以描述不同的單元實(shí)體。模擬單元描述方法如圖2所示。

圖2 模擬單元描述方法

當(dāng)系統(tǒng)中增加了某種新的模擬單元時(shí)，會(huì)有一些新的屬性及規(guī)則需要描述，然而其最基本的屬性往往是不變的。因此，一方面可在系統(tǒng)中接入新的規(guī)則模塊來(lái)描述新的作用規(guī)則;另一方面可對(duì)新的屬性進(jìn)行分解，用規(guī)則與最基本的屬性相互作用的結(jié)果來(lái)替代。

利用上述方式描述系統(tǒng)模擬單元可實(shí)現(xiàn)較高的通用性和靈活性，是系統(tǒng)通用性實(shí)現(xiàn)的重要保障之一。

(2)在同一模擬單元集內(nèi)，各模擬單元的屬性也不盡相同，為此系統(tǒng)采用分層描述的方法對(duì)其進(jìn)行描述。首先，將每一種模擬單元的公有屬性作為該類模擬單元的基礎(chǔ)，即第0層，該類模擬單元均在此基礎(chǔ)上構(gòu)建;然后將本集內(nèi)各單元按相似性再進(jìn)行二次分類，組成該對(duì)象集的第1層，并總結(jié)每一類的公有屬性;以此類推，對(duì)每個(gè)子類再分類并總結(jié)屬性，直到不能再分為止。此時(shí)最外層單元即為實(shí)際的描述單元，并描述其各自特性。同樣，在模擬實(shí)體分層描述過(guò)程中，每一層單元在描述規(guī)則時(shí)也遵照步驟1所確立的原則。

3 系統(tǒng)構(gòu)造方法

系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)高通用性的空域設(shè)計(jì)評(píng)估綜合平臺(tái)供有關(guān)科研人員使用，因此如何使科研人員方便地將自己的科研模塊接入到系統(tǒng)中是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。若要達(dá)到較高的通用性，就要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須靈活，各模塊要盡可能獨(dú)立，模塊間耦合性要低，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)離散化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。為此系統(tǒng)采用了分層結(jié)構(gòu)與插件式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，通過(guò)以下措施來(lái)保證系統(tǒng)的通用性:①為用戶提供易于使用的數(shù)據(jù)接口;②為用戶提供較好的模塊接口。

3.1 系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

為了讓系統(tǒng)的組織更加簡(jiǎn)潔，與外界數(shù)據(jù)交換更具靈活性，系統(tǒng)采用了分層結(jié)構(gòu)的方式。系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上分層;②系統(tǒng)每一部分內(nèi)部再分為若干層。

系統(tǒng)從整體上分為核心層、輔助層、外圍層和擴(kuò)展層4個(gè)層次。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

圖3顯示了系統(tǒng)各層主要完成的功能。系統(tǒng)的核心層是系統(tǒng)運(yùn)行所需的最基本部分，主要包括飛機(jī)流模擬和控制決策模擬兩大模塊。輔助層主要是輔助核心層的模擬進(jìn)程，使模擬過(guò)程更加完整，并進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)讀取工作。外圍層主要完成方案輸入、模擬條件初始化、數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)及各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等功能。在模擬進(jìn)行過(guò)程中，該層并不直接參與操作和控制，但用戶定義的各類數(shù)據(jù)主要由該層進(jìn)入系統(tǒng)，因此，該層是系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)集接口。系統(tǒng)擴(kuò)展層主要作為系統(tǒng)的模塊級(jí)接口層，提供各類設(shè)計(jì)仿真研究模型的系統(tǒng)接口。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，外部接入的數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過(guò)擴(kuò)展層和外圍層才能進(jìn)入系統(tǒng)輔助層和核心層，并轉(zhuǎn)化為內(nèi)部?jī)蓪涌勺R(shí)別的信息，以進(jìn)一步控制系統(tǒng)完成不同目的和不同方案的模擬，用戶也可通過(guò)內(nèi)部?jī)蓪酉蛲鈬鷮犹峁┑慕涌趯⒆孕虚_(kāi)發(fā)的模塊接入到系統(tǒng)中。通過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)展層和外圍層的過(guò)濾，系統(tǒng)內(nèi)兩層接收到的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所能識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。同樣，對(duì)于系統(tǒng)的輸出，也要依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)展層和外圍層的轉(zhuǎn)換變成用戶所需的格式。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上相當(dāng)于在系統(tǒng)的核心層和輔助層之外構(gòu)造了數(shù)據(jù)的邏輯轉(zhuǎn)換層，保證了進(jìn)入系統(tǒng)核心的數(shù)據(jù)都是系統(tǒng)可以識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而在保證系統(tǒng)通用性的同時(shí)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度。

為了與系統(tǒng)總體的層次結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，系統(tǒng)中每一部分(各子系統(tǒng)或模塊)內(nèi)部都將按上述原則進(jìn)行分層，形成“外圍接口—邏輯轉(zhuǎn)換—內(nèi)部控制”的結(jié)構(gòu)模式，從而使每一個(gè)與外部有數(shù)據(jù)交換的模塊都有較好的通用性。

3.2 系統(tǒng)的插件式結(jié)構(gòu)

為滿足用戶需求，系統(tǒng)還需要提供較為方便的功能性接口，為此系統(tǒng)采用了插件式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在這種結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)流被從系統(tǒng)中剝離出來(lái)并進(jìn)行一定的封裝，同時(shí)還加入一部分系統(tǒng)運(yùn)行管理功能，從而構(gòu)成空域設(shè)計(jì)評(píng)估綜合系統(tǒng)運(yùn)行的支撐環(huán)境［5-7］(air space design and evaluation systemrun time interface，ASDES-RTI)。圖4中虛線為ASDES-RTI的連接管理功能示意。

圖4 系統(tǒng)的插件式結(jié)構(gòu)

ASDES-RTI的管理功能主要是針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中模塊一級(jí)的管理，并不涉及系統(tǒng)的具體功能。該結(jié)構(gòu)方式以飛機(jī)流模擬為核心，以ASDES-RTI為總線，將系統(tǒng)的其他主要部分劃分為盡可能獨(dú)立的模塊(插件)連接到ASDES-RTI上，模塊之間主要通過(guò)數(shù)據(jù)ASDES-RTI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能之間的關(guān)聯(lián)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中就可自主選擇合適的模塊來(lái)完成系統(tǒng)的功能需求，這些模塊可以是用戶根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)的模塊，也可以是系統(tǒng)提供的基本運(yùn)行模塊，以便為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供一些默認(rèn)的功能及運(yùn)行方案等。

該結(jié)構(gòu)使各模塊之間盡可能獨(dú)立，用戶可較容易地將自己的模塊加入到系統(tǒng)中，且系統(tǒng)還可針對(duì)每個(gè)用戶的不同需求對(duì)個(gè)別模塊進(jìn)行修改和定制，更加有利于系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)展性的實(shí)現(xiàn)。

綜合考慮上述兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中將二者有效地結(jié)合起來(lái)。利用層次性結(jié)構(gòu)邏輯清晰分明的特點(diǎn)定義系統(tǒng)的各組成部分，分析其數(shù)據(jù)交換和接口要求;利用插件式結(jié)構(gòu)來(lái)組織各部件，實(shí)現(xiàn)各部件與系統(tǒng)的連接。這樣，系統(tǒng)既按照插件式結(jié)構(gòu)來(lái)組織和實(shí)現(xiàn)，各部分的任務(wù)、交互關(guān)系和內(nèi)容又呈現(xiàn)出層次特性。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

4.1 開(kāi)發(fā)工具

ASDES采用高級(jí)編程語(yǔ)言Visual Basic在超圖公司提供的SuperMap Objects組件式GIS平臺(tái)基礎(chǔ)上作二次開(kāi)發(fā)。SuperMap Objects是北京超圖有限公司開(kāi)發(fā)的基于COM組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以ActiveX控件的方式向用戶提供強(qiáng)大GIS功能的軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)添加圖形可視化、空間數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析等功能［8］。組件式GIS是指基于組件對(duì)象平臺(tái)，一組由某種標(biāo)準(zhǔn)通信接口、允許跨語(yǔ)言應(yīng)用的組件提供的GIS，它是GIS與組件技術(shù)相結(jié)合的新一代地理信息系統(tǒng)［9-10］。

4.2 系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)界面的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵，即完成系統(tǒng)所要求的整體框架及各功能接口，由于篇幅的限制，這里僅對(duì)空域結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)模塊和2D/3D動(dòng)態(tài)監(jiān)視模塊進(jìn)行描述。

空域結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)模塊主要由菜單欄(Menu)、制圖組件(Layout控件)、核心組件(SuperMap Control控件和 SuperWkspace Control控件)、工作空間管理組件(SuperWkspaceManager控件)和圖例組件(Legend控件)構(gòu)成。其中，SuperWkspace-Manager控件用于定義管理創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集，如導(dǎo)航臺(tái)、定位點(diǎn)、航線、跑道和扇區(qū)等;SuperLegend-Ctrl控件用于圖例的生成、編輯和修改，與制圖模塊相結(jié)合生成地圖;SuperMap Control控件用于圖層控制、影像配準(zhǔn)以及地圖顯示、編輯和捕捉等?？沼蚪Y(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

圖5 空域結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)操作界面

2D/3D動(dòng)態(tài)監(jiān)視模塊主要由顯示控制菜單(CtrlMenu控件)和2D/3D組件(SuperMap 2D/3D控件)構(gòu)成。CtrlMenu控件用于顯示時(shí)間節(jié)點(diǎn)、控制顯示速度和進(jìn)度;SuperMap 2D/3D控件用于實(shí)現(xiàn)二維/三維渲染與分層設(shè)色、立體透視圖、正射三維影像圖、紋理映射以及顯示、旋轉(zhuǎn)和2D/3D模型瀏覽等操作，并生成 TIN和 DEM。2D/3D動(dòng)態(tài)監(jiān)視效果如圖6所示。

圖6 2D/3D動(dòng)態(tài)監(jiān)視界面

5 算例

以某國(guó)際機(jī)場(chǎng)終端區(qū)為評(píng)估對(duì)象，根據(jù)機(jī)場(chǎng)的發(fā)展規(guī)劃，對(duì)2020年終端區(qū)容量進(jìn)行了評(píng)估，終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)與運(yùn)行情況如圖5、圖6所示，具體的數(shù)據(jù)由機(jī)場(chǎng)當(dāng)局提供。由于評(píng)估涉及到的參數(shù)眾多，且有些數(shù)據(jù)具有保密性，故只列出了一些評(píng)估結(jié)果，如表1所示。

表1 容量、負(fù)荷、延誤隨仿真架次變化數(shù)據(jù)表

表1給出了在不同仿真架次下，實(shí)際容量、各扇區(qū)管制工作負(fù)荷及延誤的兩種評(píng)估結(jié)果。通過(guò)比較可知，系統(tǒng)評(píng)估出的結(jié)果在實(shí)際容量、各扇區(qū)負(fù)荷及平均延誤方面均比原有評(píng)估結(jié)果優(yōu)越，且根據(jù)“DORATASK”方法［11］對(duì)管制員工作總時(shí)間的80%的限制即2880 s可以得出，終端區(qū)實(shí)際最大容量可以取到57架次，比原有實(shí)際最大容量56架次有所提高。

經(jīng)過(guò)專家驗(yàn)證得知，將該國(guó)際機(jī)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行模塊接入到系統(tǒng)得出的評(píng)估結(jié)果客觀、合理且誤差在可接受范圍內(nèi)，一定程度上提高了空域容量。系統(tǒng)的通用性得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

6 結(jié)論

討論了一種通用空域設(shè)計(jì)評(píng)估綜合模擬系統(tǒng)的構(gòu)造方法，提出了模擬系統(tǒng)中模型的構(gòu)造方法，以及使系統(tǒng)通用化的系統(tǒng)構(gòu)造思想。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)造出了適合用戶需求的基于SuperMap平臺(tái)的通用空域設(shè)計(jì)評(píng)估綜合系統(tǒng)，并先后完成了上海、成都、昆明和西安等多個(gè)機(jī)場(chǎng)和終端區(qū)的容量評(píng)估。結(jié)果表明，ASDES作為國(guó)內(nèi)首套自主研發(fā)的完整的通用空域設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)為提高我國(guó)空中交通領(lǐng)域通用設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)提高我國(guó)空管安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。

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