中期沖突告警在空管中的應(yīng)用

摘要：短期沖突告警（STCA）已逐漸無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前大流量高負(fù)荷的航空管制工作，通過(guò)對(duì)中期沖突告警（MTCA）的研究和應(yīng)用，有利于提前對(duì)航空器飛行沖突的進(jìn)行預(yù)警，給予管制員充足的時(shí)間調(diào)配航班，減少STCA和緊急避讓等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。文章介紹了MTCA在空管自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的必要性，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)和算法研究，探索了一種告警設(shè)置及人機(jī)交互的方式，并對(duì)MTCA與其他空管新技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：中期沖突；MTCA；空管自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）15-0063-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，航班流量急劇增加，當(dāng)前已啟用的RVSM（縮小垂直間隔）機(jī)制和流量放行系統(tǒng)提高了航線(xiàn)和空域的利用率，大型區(qū)管的建設(shè)也有利于對(duì)航班流量的集中控制，但也隨之帶來(lái)了大密度流量引起管制員工作強(qiáng)度上升，指揮調(diào)配難度增大，容易由人為失誤引起安全隱患等問(wèn)題。因此，空管自動(dòng)化系統(tǒng)是否能提供可靠的沖突告警（Confilict Alert）功能成為管制員能否及早發(fā)現(xiàn)可能存在危險(xiǎn)的關(guān)鍵一環(huán)。

國(guó)內(nèi)大型區(qū)管在用的主流空管自動(dòng)化系統(tǒng)如歐洲貓自動(dòng)化系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)牧馬人2 000自動(dòng)化系統(tǒng)都只具備短期沖突告警（STCA，Shot Term Conflict Alert）功能，而根據(jù)STCA的定義，在任意航向上探測(cè)到2 min之內(nèi)，兩航班距離<10 km時(shí)將觸發(fā)告警，管制員在STCA告警觸發(fā)時(shí)能夠利用的解決沖突的時(shí)間非常短，對(duì)管制員造成巨大的心里壓力，同時(shí)有可能觸發(fā)航空器的空中防撞系統(tǒng)TCAS（Traffic Collision Avoidance System）報(bào)警，迫使機(jī)組需進(jìn)行緊急避讓機(jī)動(dòng)，給飛行帶來(lái)危險(xiǎn)。

1中期沖突告警概述

中期沖突告警（MTCA）是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界非常重視的一個(gè)技術(shù)，通過(guò)把航空器的雷達(dá)航跡要素（包括位置、高度、速度、航向等）與航班計(jì)劃要素結(jié)合起來(lái)考慮，就能夠把航空器沖突探測(cè)的時(shí)間提前。研究人員對(duì)沖突的探測(cè)和解決進(jìn)行了大量的研究，提出了多重模型和解決算法，避免絕大多數(shù)虛警，從而使管制員能夠提前20~30 min發(fā)現(xiàn)沖突，可利用的沖突解除時(shí)間延長(zhǎng)，極大地降低沖突航班小于規(guī)定間隔標(biāo)準(zhǔn)的幾率，可以大幅提高空管系統(tǒng)的安全性。

2中期沖突告警的處理

2.1建立精確的4D航跡

空管自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)收到的航空?qǐng)?bào)文信息，對(duì)飛行計(jì)劃進(jìn)行4D飛行航跡建模，預(yù)測(cè)飛行過(guò)程中各個(gè)軌跡點(diǎn)信息，格式為（x，y，hight，time），其中x為坐標(biāo)系橫坐標(biāo)，y為坐標(biāo)系縱坐標(biāo)，hight為軌跡點(diǎn)高度，time為軌跡點(diǎn)時(shí)刻。

首先系統(tǒng)對(duì)飛行剖面進(jìn)行初始化，以航空器性能參數(shù)庫(kù)中的爬升率、巡航速度、下降率等數(shù)據(jù)計(jì)算4D航跡中各點(diǎn)的高度、速度和過(guò)點(diǎn)時(shí)間。再根據(jù)飛行計(jì)劃報(bào)（FPL）中航路點(diǎn)規(guī)定的高度和速度進(jìn)行修正。

在飛行全程中需對(duì)生成后的模型實(shí)時(shí)進(jìn)行雷達(dá)修正和計(jì)劃修正。

雷達(dá)修正：4D航跡計(jì)算模塊接收雷達(dá)探測(cè)得到的真實(shí)的目標(biāo)高度、速度、爬升/下降率，對(duì)已有的4D模型進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)誤差超過(guò)一個(gè)閾值，則以當(dāng)前雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)4D航跡進(jìn)行修正，當(dāng)前高度不僅修正當(dāng)前位置報(bào)告點(diǎn)信息，同時(shí)對(duì)未來(lái)模型產(chǎn)生影響。在偏航的情況下，雷達(dá)修正直接以雷達(dá)當(dāng)前報(bào)告位置和下個(gè)報(bào)告點(diǎn)位置開(kāi)始的航路建立剖面模型。

計(jì)劃修正：4D航跡模塊接受管制員人工輸入的預(yù)先指令高度（PCFL），變更航路、過(guò)點(diǎn)速度或收到報(bào)文等數(shù)據(jù)時(shí)，之后的4D軌跡都應(yīng)該重新計(jì)算，使后續(xù)的預(yù)測(cè)軌跡更匹配管制員的意圖信息。如圖1所示。

2.2沖突探測(cè)算法

在4D模型基礎(chǔ)上，對(duì)所有相關(guān)的飛行計(jì)劃兩兩進(jìn)行沖突探測(cè)，國(guó)內(nèi)外對(duì)沖突探測(cè)算法的研究主要集中在概率型方法和非概率型方法兩個(gè)方向。概率型中期沖突探測(cè)算法以Prandini的隨機(jī)化算法和Paielli的近似解析算法最為典型；非概率型算法最典型的代表是幾何型中期沖突探測(cè)算法。Prandini的隨機(jī)化算法適用航路變化的情況下的概率計(jì)算，同時(shí)考慮了預(yù)測(cè)誤差，但計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)利用該算法進(jìn)行沖突探測(cè)對(duì)系統(tǒng)造成很大負(fù)荷。Paielli的近似解析算法較適用于直線(xiàn)航路。幾何算法相對(duì)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但無(wú)法靈活處理軌跡預(yù)測(cè)的不確定性和誤差。

沖突解脫算法分為離散和連續(xù)兩類(lèi)：離散型通過(guò)調(diào)整計(jì)劃航路點(diǎn)序列，生成最大可能按預(yù)期執(zhí)行順序飛行的無(wú)沖突航路；連續(xù)型主要是調(diào)整飛機(jī)軌跡使其偏離沖突機(jī)的誤差區(qū)域。如圖2所示。

當(dāng)前對(duì)算法的研究在原有算法基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行改進(jìn)，如對(duì)改進(jìn)隨機(jī)化算法的效率瓶頸部分和提升精確度部分，改進(jìn)近似解析算法使之適應(yīng)轉(zhuǎn)向較多的航路等，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果，但目前國(guó)外的沖突探測(cè)和解脫算法的研究均建立在自由改變飛行航跡的基礎(chǔ)上，但我國(guó)的民航有嚴(yán)格的航線(xiàn)規(guī)則，空域資源也由空軍統(tǒng)一協(xié)調(diào)，符合我國(guó)民航國(guó)情的中期沖突探測(cè)算法，各大高等院校和研究所已經(jīng)做了大量的研究，不久將會(huì)形成成熟的方案。

2.3MTCA的實(shí)現(xiàn)

MTCA模塊和其他軟件模塊相對(duì)獨(dú)立，特別是與STCA模塊互不影響，各自獨(dú)立計(jì)算。由于MTCA計(jì)算量較大，可以考慮雙機(jī)冗余配置MTCA服務(wù)器，用于運(yùn)行MTCA進(jìn)程，MTCA服務(wù)器需與自動(dòng)化系統(tǒng)工作網(wǎng)相連接，從自動(dòng)化系統(tǒng)工作網(wǎng)上實(shí)時(shí)獲取MTCA計(jì)算相關(guān)的監(jiān)視航跡信息，飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)，人機(jī)操作包括航路的修改、CFL的修改等要素進(jìn)行沖突探測(cè)。再將探測(cè)到的沖突發(fā)送到有關(guān)MMI。

在告警顯示的優(yōu)先級(jí)上，STCA應(yīng)高于MTCA，由于滿(mǎn)足STCA條件的沖突必然滿(mǎn)足MTCA，因此，在發(fā)生STCA時(shí)，航跡標(biāo)牌上應(yīng)顯示STCA告警。

MTCA使用的告警參數(shù)在自動(dòng)化系統(tǒng)中統(tǒng)一配置，不同的區(qū)域、不同的高度可以配置不同的告警參數(shù)。當(dāng)兩個(gè)航跡屬于不同的告警區(qū)域時(shí)，水平告警間隔和垂直告警間隔應(yīng)當(dāng)使用其中較大的參數(shù)值，告警時(shí)間參數(shù)采用其中的較小值。同時(shí)在管制員的主任席位（能對(duì)數(shù)個(gè)管制員席位的配置和監(jiān)控）上，應(yīng)能對(duì)MTCA告警的開(kāi)關(guān)、音量大小、告警顯示方式進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

3人機(jī)界面上的交互

目前空中交通管理由空中交通管制員負(fù)責(zé)航空器的統(tǒng)一調(diào)度。當(dāng)管制員發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)提示潛在的沖突時(shí)，直接發(fā)出指令來(lái)改變飛行高度、航向或速度來(lái)避免沖突。因此在發(fā)生MTCA告警時(shí)需要在人機(jī)界面上對(duì)管制員進(jìn)行提示。

以下給出一種告警提示方式。

①探測(cè)到?jīng)_突將發(fā)生的前20~10 min，在對(duì)航班有管制權(quán)限的管制員的屏幕上彈出提示窗口，相關(guān)雷達(dá)標(biāo)牌加醒目顏色顯示。

②探測(cè)到?jīng)_突將發(fā)生的前10~2 min，在對(duì)航班有管制權(quán)限的管制員的屏幕上再次彈出提示窗口，相關(guān)雷達(dá)標(biāo)牌加醒目顏色閃爍顯示。

③探測(cè)到?jīng)_突將發(fā)生的前2 min以?xún)?nèi)，在對(duì)航班有管制權(quán)限的管制員的屏幕上再次彈出提示窗口，相關(guān)雷達(dá)標(biāo)牌加醒目顏色閃爍顯示，沖突航班用測(cè)距線(xiàn)連接，并發(fā)出告警音。

MTCA功能應(yīng)監(jiān)控管制員的意圖信息，在管制員修改航班的CFL時(shí)，對(duì)雷達(dá)探測(cè)的該航班高度進(jìn)行重新計(jì)算，并對(duì)管制員錯(cuò)誤的調(diào)配意圖給予提示：在管制員輸入的CFL將引起2 min內(nèi)的飛行沖突，應(yīng)在相關(guān)來(lái)打標(biāo)牌上加醒目顏色提示，并發(fā)出告警音。同時(shí)，管制員在收到告警信息時(shí)，對(duì)于各種告警提示能夠人工確認(rèn)消除，以應(yīng)對(duì)一些特殊情況。

4結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)，MTCA功能將集成到空管自動(dòng)化系統(tǒng)中，這將有效的減少STCA的產(chǎn)生，降低空中安全隱患。同時(shí)，告警時(shí)間提前20~30 min，將給予管制員充足的調(diào)配時(shí)間以解決沖突，降低管制員的工作壓力。在可信任的MTCA功能支持下，管制員可同時(shí)管制的航空器數(shù)增加，提升扇區(qū)航空器容量，從而提高空域流量。對(duì)于航空公司來(lái)說(shuō)，依賴(lài)MTCA、管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈（CPDLC）等新技術(shù)為基礎(chǔ)的協(xié)同決策（CDM），可以獲得一定的自主權(quán)以能更加安全高效的改變航路，調(diào)整空中等待等。Eurocontrol通過(guò)研究計(jì)算出該模式將為空域使用者每年節(jié)省近64 300萬(wàn)歐元。在減少地面和空中的燃油損耗的同時(shí)，也將大量減少碳排放量，使航空業(yè)對(duì)環(huán)境更友好。

國(guó)外在用空管自動(dòng)化系統(tǒng)已開(kāi)始加入MTCA功能。在我國(guó)，隨著研究工作的成熟以及空管自動(dòng)化軟件更新周期的到來(lái)，MTCA功能作為管制方式變革的方向，將得到有力的推進(jìn)。相信在不久的將來(lái)，包括MTCA在內(nèi)的各種新工具的運(yùn)用，將使飛行變得更加安全、舒適、綠色、快捷。

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