基于崗位需求的機(jī)場運行控制實訓(xùn)系統(tǒng)研制

王巖韜，趙嶷飛，劉長有

（中國民航大學(xué)天津市空管運行規(guī)劃與安全技術(shù)重點實驗室，天津 300300）

基于崗位需求的機(jī)場運行控制實訓(xùn)系統(tǒng)研制

王巖韜，趙嶷飛，劉長有

（中國民航大學(xué)天津市空管運行規(guī)劃與安全技術(shù)重點實驗室，天津 300300）

教學(xué)手段與技術(shù)的限制是機(jī)場現(xiàn)場指揮人才培養(yǎng)面臨的重要瓶頸。基于崗位需求，以仿真技術(shù)為手段，創(chuàng)制一套適用于機(jī)場現(xiàn)場運行控制的實訓(xùn)系統(tǒng)，徹底解決長期依賴書本的單一理論學(xué)習(xí)方式，使得機(jī)場現(xiàn)場理論知識直接得到訓(xùn)練應(yīng)用，在加深理論理解的同時，鍛煉了工作崗位所需的實踐能力。

機(jī)場運行控制；實訓(xùn)系統(tǒng)；模擬仿真

隨著民航業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)場所承擔(dān)的運營任務(wù)越發(fā)繁重。機(jī)場指揮員的職業(yè)能力直接決定了機(jī)場運行管理水平。在機(jī)場，現(xiàn)場指揮員大多由崗位傳帶培養(yǎng)，而在民航院校，對機(jī)場方向?qū)W生的培養(yǎng)，長久以來完全依靠書本，內(nèi)容繁雜且各科目難以組合，降低了培養(yǎng)效果，培養(yǎng)體系中的各部分結(jié)合處的盲點更給運行安全帶來了潛在隱患。因此，亟待開發(fā)創(chuàng)新的教學(xué)平臺，使用更為進(jìn)步的教學(xué)手段來整合教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，滿足崗位需求。

融合了交互式3D計算機(jī)圖形學(xué)與實時模擬，可以高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視覺、聽覺、觸覺等行為，其兩個主要特征是“沉浸感”和“交互性”?；诜抡婕夹g(shù)的飛行模擬器與飛行訓(xùn)練裝置已經(jīng)在航空飛行訓(xùn)練領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但無論國內(nèi)還是國外，仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場運行方面少有報道［1－5］。

本文基于崗位需求，以仿真技術(shù)為手段，研制了一套適用于機(jī)場現(xiàn)場運行的實訓(xùn)系統(tǒng)，使理論知識可直接應(yīng)用于實踐，加深學(xué)生對機(jī)場現(xiàn)場運行協(xié)調(diào)、指揮、機(jī)位分配、現(xiàn)場監(jiān)管和應(yīng)急救援等基本知識的理解，掌握實際工作的崗位實踐能力。

1 實訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建思路

實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)路線如圖1所示。實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)分為4個階段，即崗位能力分析階段、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)階段、實踐項目設(shè)計階段和評價反饋階段。崗位能力分析階段是確定整個實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，崗位能力分析必須明確現(xiàn)場指揮員必須具備的基礎(chǔ)理論知識和實踐操作能力，明確實踐教學(xué)必須完成的訓(xùn)練目的、必須達(dá)到的訓(xùn)練效果，此步驟不僅直接決定了實踐課程的效果和意義，同時也是實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)前的重要的系統(tǒng)分析工作。在開發(fā)過程中，完成實踐教學(xué)項目的設(shè)計，是不斷完善實訓(xùn)系統(tǒng)并反復(fù)確認(rèn)實踐目標(biāo)的過程。評價反饋階段不僅僅是對實訓(xùn)系統(tǒng)的評價，也是對整個實踐教學(xué)效果的反饋階段、完善階段［6－7］。

圖1 實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)路線圖

2 實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)崗位能力分析與實踐教學(xué)目的，本系統(tǒng)設(shè)計分為教師控制端（服務(wù)器端）和學(xué)生端兩部分組成，形式為一帶多，即一個服務(wù)器對應(yīng)多個學(xué)生端。5個學(xué)生端構(gòu)成一個模擬小組，每個模擬小組分為現(xiàn)場指揮席、機(jī)位分配席、模擬車輛駕駛席、模擬機(jī)長席、地面管制席，并依據(jù)需要配備機(jī)場3D場景。其中：指揮席可完成現(xiàn)場指揮與運行監(jiān)控的訓(xùn)練；機(jī)位分配席可完成機(jī)位、行李盤等資源的分配與優(yōu)化訓(xùn)練；車輛席可完成過站保障、多部門協(xié)同救援的訓(xùn)練；管制席可完成飛機(jī)起降、滑行、推出等訓(xùn)練；機(jī)長席可完成計劃申請、起降與滑行、過站等訓(xùn)練；機(jī)場3D提供機(jī)坪運行場景［8－10］。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖2）分為3層，最上層為教師控制端即服務(wù)器，第2層為指揮席，其他席位為第3層。第1層與第2層之間要通過局域網(wǎng)通信機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，第2層與第3層在功能上屬于同一級，但為了組內(nèi)各席位之間交互方便，指揮席充當(dāng)小組中的內(nèi)部服務(wù)器，其他席位的數(shù)據(jù)交換均由指揮席中轉(zhuǎn)。涉及到圖形計算、數(shù)據(jù)處理均由指揮席完成，且根據(jù)運行效率系統(tǒng)虛擬了一個針對圖形計算、數(shù)據(jù)處理的模塊（3D場景）。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

服務(wù)器及各席位均采用Visual Studio2008（/.Net3.5 C＃語言）開發(fā)，從指揮席中分離出的3D場景數(shù)據(jù)處理模塊采用Visual C＋＋6.0開發(fā)。地面管制席采用3DS Max、Unity3D3.4開發(fā)，其中3DS Max主要用于創(chuàng)建3D模型，Unity3D用于搭建三維場景以及與外部進(jìn)程（指揮席）進(jìn)行通信。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)總體技術(shù)方案

系統(tǒng)總體技術(shù)方案采用基于Java EE的分層架構(gòu)，整個系統(tǒng)從邏輯上分為Java EE服務(wù)層、框架層、應(yīng)用層、系統(tǒng)管理層、本地操作系統(tǒng)服務(wù)層5層，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

（1）Java EE服務(wù)層。為框架層提供中間層服務(wù)，包括EJB管理、JNDI、JDBC、JMS和Java Mail等，在實際環(huán)境中，這一層的服務(wù)是由Java EE的應(yīng)用服務(wù)器提供的。

（2）框架層。提供公用的、與業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)的服務(wù)，它由許多可重用的構(gòu)件構(gòu)成。框架層設(shè)計為可和業(yè)務(wù)構(gòu)件層的各種業(yè)務(wù)構(gòu)件雙向調(diào)用能力，實現(xiàn)軟件的集成能力。

（3）應(yīng)用層。實現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)處理，它又包括以下5個子層：表示層提供基于WEB環(huán)境的用戶界面，包括HTML頁面、JSP頁面以及客戶端Applet接口能力；交互層提供表示層和業(yè)務(wù)構(gòu)件層的連接和使用控制，包括授權(quán)和請求分派；業(yè)務(wù)構(gòu)件層提供各類具體的直接面向用戶操作的業(yè)務(wù)構(gòu)件；外圍系統(tǒng)接入提供居于XML格式的Web Service標(biāo)準(zhǔn)接口，供外圍系統(tǒng)使用；數(shù)據(jù)庫層保存各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及支撐數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)管理層。包括系統(tǒng)運行時監(jiān)控和用戶管理，故障維護(hù)能力。

（5）本地操作系統(tǒng)服務(wù)層。是Server端的操作系統(tǒng)層，根據(jù)我校具備的現(xiàn)有條件，操作系統(tǒng)采用Windows Server系列產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是構(gòu)建系統(tǒng)平臺的核心部分，選擇SQL Server 2005數(shù)據(jù)，以滿足本系統(tǒng)在應(yīng)用擴(kuò)展中的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)一致性、實時性、可靠性要求高的特點。考慮到系統(tǒng)平臺對中間件的需求，使用Web sphere應(yīng)用服務(wù)器作為高端的系統(tǒng)配置，TOMCAT應(yīng)用服務(wù)器作為低端的系統(tǒng)配置方案。

2.2.2 系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)分為6層［11］，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)圖

（1）客戶層。系統(tǒng)用戶設(shè)備和界面，包括基于瀏覽器的瘦客戶端和基于用戶界面的胖客戶端應(yīng)用。

（2）交互層。用戶和系統(tǒng)之間的交互管理，提供用戶層的展現(xiàn)邏輯和對應(yīng)用層的訪問接口，也包括單點登錄、會話管理、用戶輸入的邏輯校驗等功能。

（3）應(yīng)用層。業(yè)務(wù)邏輯的接口，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的控制，是業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)拥姆?wù)接口。

（4）業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)?。根?jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行抽象的業(yè)務(wù)對象模型，包括業(yè)務(wù)規(guī)則和邏輯處理的實現(xiàn)。

（5）資源訪問層。對系統(tǒng)的各種資源和外部系統(tǒng)統(tǒng)一的訪問邏輯的實現(xiàn)。

（6）資源層。各種信息系統(tǒng)資源，例如：RDBMS、文件系統(tǒng)、原有系統(tǒng)、消息服務(wù)、郵件服務(wù)、交易服務(wù)中間件等。

各層之間的交互與通信方式如圖5所示。

2.3 機(jī)位分配的算法設(shè)計

在模擬運行過程中，機(jī)位分配是一個重要的環(huán)節(jié)。機(jī)位分配在系統(tǒng)使用中分為兩種模式：一種是純手動分配與調(diào)整，用于航班量較小時，重點訓(xùn)練機(jī)位分配理論與技能；另外一種用于航班量較大時，系統(tǒng)首先預(yù)分配，此后再針對由于流量控制、天氣、過站保障等原因?qū)е碌臋C(jī)位沖突進(jìn)行手動調(diào)整和優(yōu)化，此種模式與實際工作方式完全一致。

圖5 層間交互通信方式

隨著機(jī)場停機(jī)位分配問題的持續(xù)研究，民航業(yè)內(nèi)目前使用的分配方式有基于旅客滿意度與基于機(jī)場運營角度的兩大類優(yōu)化方式。本系統(tǒng)一定程度上綜合了前期的科研成果，建立了機(jī)位分配問題優(yōu)化模型，并運用選擇性能優(yōu)越、收斂性能良好的遺傳算法進(jìn)行求解，最終得到較為合理的停機(jī)位分配結(jié)果［12－15］。

2.3.1 機(jī)位空閑時間最均衡

機(jī)位優(yōu)化算法要具有一定的能力來處理突發(fā)情況，為突發(fā)狀況提供處理的緩沖時間。因此可以將機(jī)位空余時間方差最小化為其中一個優(yōu)化目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)F1設(shè)計并簡化為

式中：n是航班的總數(shù)量；p為停機(jī)位的個數(shù)；sik為航班i到達(dá)k機(jī)位時此停機(jī)位的空閑時間；sˉ為各個停機(jī)位的平均空閑時間；SSk表示完成所有服務(wù)后的機(jī)位空閑時間，也就是每個機(jī)位上分配到的最后一架航班的離港時間與航班時刻表中的最后一架航班的離港時間之間的差值。

2.3.2 旅客行走距離最小值

較短的行走距離可以提高旅客的滿意程度，因此將旅客行走距離的最小值作為一個優(yōu)化目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)F2為

式中：qj1j2表示從j1停機(jī)位到j(luò)2停機(jī)位時的需要轉(zhuǎn)移的旅客數(shù)量；fk表示旅客到達(dá)k停機(jī)位過程中所需行走的距離；若航班i被分配到停機(jī)位k時yik為1，否則為0。

2.3.3 大型停機(jī)位最合理的使用

大機(jī)位的充分利用能夠保證大型航空器及早分配機(jī)位，避免旅客滯留，所以大機(jī)位的最大充分利用作為優(yōu)化目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)F3為

式中：wik是指機(jī)型大小與機(jī)位大小的匹配情況。當(dāng)航空器i停放在機(jī)位k，并且航空器i與機(jī)位k的大小相互匹配時，wik才為0，否則為1。

2.3.4 分配到遠(yuǎn)機(jī)位的航班數(shù)量最少化

飛機(jī)?？窟h(yuǎn)機(jī)位需要依靠擺渡車，一般情況下擺渡車的使用會增加過站時間，降低旅客的滿意程度，所以將遠(yuǎn)機(jī)位停放飛機(jī)的最小數(shù)量作為另外一個優(yōu)化目標(biāo)。目標(biāo)函F4數(shù)為式中：Gi是指航班是否?？吭谕C(jī)坪上，只有當(dāng)航班i被分配到停機(jī)坪時，Gi值才能為1，否則為0。

2.3.5 分配到機(jī)位的重要航班架數(shù)最多

對于較重要的國際飛行、專機(jī)飛行以及國內(nèi)干線飛行，優(yōu)先分配機(jī)位。故將航班的優(yōu)先分配作為優(yōu)化目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)F5為

式中：j是指定的停機(jī)位，是個確定的值；i為航班號，并且僅當(dāng)i為重要航班且停放到指定機(jī)位j時，Hij只為1，否則為0。

對于多個目標(biāo)優(yōu)化的機(jī)位分配問題，依據(jù)每個目標(biāo)的重要性確定權(quán)重，得出最后的目標(biāo)函數(shù)F為

式中：α、φ、ε、η、h是權(quán)重系數(shù)，根據(jù)前期科研成果確定具體值分別為4、1 000、1、1、5 000［16－17］。

最后，根據(jù)實訓(xùn)系統(tǒng)的運行環(huán)境和機(jī)位開放情況等，確定約束條件，對計算過程加以限制，使用遺傳算法計算停機(jī)位分配模型，可以得出機(jī)位預(yù)分配的結(jié)果。顯示樣例如圖6所示。

圖6 機(jī)位分配結(jié)果

2.4 場景的建立及優(yōu)化

系統(tǒng)擁有二維和三維場景，且可任意轉(zhuǎn)換。三維場景的建設(shè)工作包括場景的搭建、飛機(jī)與車輛等3D模型的建立、與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。為使系統(tǒng)運行順暢，模型中應(yīng)盡量減少畫面的復(fù)雜度，尋求顯示實時性和畫面真實感的平衡。系統(tǒng)三維場景采用Unity3D進(jìn)行開發(fā)，該軟件支持系統(tǒng)開發(fā)使用的C＃、JavaS－cript、Boo三種腳本語言。

在三維場景中，機(jī)場環(huán)境模型均以某機(jī)場為原型，以其真實尺寸進(jìn)行建筑物的構(gòu)建和整體的布局，并且在制作模型的過程中盡量減少實體面數(shù)，采用紋理貼圖的方式進(jìn)行替代，進(jìn)一步提高實景逼真度。在飛行和車輛運動過程中，離視點的位置時刻變化，根據(jù)距離視點位置的不同，模型的復(fù)雜程度也隨之改變。

此外，飛機(jī)模型還做有包圍盒（bounding box）和碰撞檢測程序，在飛機(jī)與車輛的運動中，如果包圍盒與車輛等發(fā)生碰撞干涉時，會發(fā)出警告信息，記錄并傳至服務(wù)器［18］。

3 結(jié)束語

通過實時發(fā)布的航班運行信息，機(jī)場現(xiàn)場運行實訓(xùn)系統(tǒng)可動態(tài)模擬完成飛機(jī)起降與滑行、機(jī)場監(jiān)控與指揮、機(jī)位分配與優(yōu)化、航班過站與保障、現(xiàn)場應(yīng)急與救援等多工種的并行演練。經(jīng)過2年多的使用與完善，機(jī)場現(xiàn)場運行實訓(xùn)系統(tǒng)已取得了優(yōu)異的教學(xué)效果，并獲得2013年度中國民航大學(xué)教學(xué)成果一等獎。

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Development of airport ramp operations control training system based on occupational requirements

Wang Yantao，Zhao Yifei，Liu Changyou
（National Air traffic Safety Technology Laboratory，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

Method of teaching and technology limitation are the important bottlenecks of the airport ramp command personnel training.Based on occupational requirements，by means of simulation technology，the suitable practice training system for airport ramp operations management is established.The situation of longterm only depending on theory study with book is thoroughly changed，the airport ramp handling theory knowledge could be deeply understood and directly applied to practice，the practice ability required the by job is exercised at the same time.

airport ramp operations control；training system；simulation

V355.2

A

1002－4956（2014）1－0060－05

2013－05－21 修改日期：2013－07－05

國家科技支撐計劃項目（2011BAH24B10）；中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究重大課題（xjz2012003）

王巖韜（1982—），男，天津，碩士，講師，系副主任，研究方向為飛行運行控制與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)模擬仿真.

E－mail：yt－wang＠cauc.edu.cn