基于軟交換技術(shù)的新型通信系統(tǒng)在空管模擬仿真實驗室的應(yīng)用

白 鵬，趙嶷飛，張亞宜

（中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300）

空中交通管理（air traffic control，以下 簡稱“空管”）是對航空器的空中活動進(jìn)行管理和控制的業(yè)務(wù)［1］?？展芷鹪从谏鲜兰o(jì)30年代，空管方法由原先的程序管制發(fā)展到雷達(dá)管制，伴隨著計算機(jī)、自動化方面研究應(yīng)用的深入，空管的自動化程度越來越高［2－3］。

由于空管對于航空安全有直接的影響，所以空管學(xué)員在進(jìn)行管制活動前，必須經(jīng)過空管模擬系統(tǒng)的訓(xùn)練，在取得空管執(zhí)照后方能持照上崗［4］?？展苣M仿真系統(tǒng)不僅仿真度高，而且能夠通過飛行計劃編輯功能設(shè)置不同的模擬管制特情，使得此類系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有模擬仿真通信系統(tǒng)介紹及分析

目前中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院使用的空管模擬仿真系統(tǒng)主要來自法國的泰雷茲集團(tuán)、中國的四川大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊和本院研發(fā)基地。其中，國內(nèi)研發(fā)的空管模擬系統(tǒng)均基于Windows操作系統(tǒng)，國內(nèi)空管模擬系統(tǒng)的研究與發(fā)展使得空管學(xué)員訓(xùn)練的成本大大降低［5］，也成為了各航空院校的首選。在中國民航大學(xué)2011年承辦的第三屆中國民航空管技能大賽中使用的空管模擬仿真軟件系統(tǒng)為我校自主研發(fā)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定［6］，可以代表國內(nèi)空管模擬仿真的先進(jìn)水平。

在空管模擬仿真系統(tǒng)中，語音通信是空管管制員與飛行員之間溝通的直接載體，現(xiàn)階段通信系統(tǒng)的通信功能由硬件實現(xiàn)。在圖1所示的硬件通信端控制面板中，左上角的鍵盤設(shè)備為硬件通信端的控制面板，通過操作控制面板來選擇不同的通信對象，完成訓(xùn)練任務(wù)。

圖1 硬件通信設(shè)備圖

硬件通信系統(tǒng)存在如下缺點。

（1）建設(shè)與維護(hù)成本高?，F(xiàn)有的硬件通信系統(tǒng)需要單獨設(shè)置線路，并且需要配合水晶頭耳機(jī)、腳踏或手持通信閉合裝置使用，硬件的建設(shè)成本和維護(hù)成本較高。

（2）對場地設(shè)施的要求高。由于現(xiàn)階段通信系統(tǒng)相對獨立，除對操作臺的構(gòu)造有一定的要求外［7］，還需要在實驗室的建設(shè)前期對通信系統(tǒng)線路的鋪設(shè)做出規(guī)劃。

（3）擴(kuò)展的自由度低。由于受到硬件設(shè)備的限制，模擬仿真實驗室擴(kuò)容時，仍需購置相應(yīng)的設(shè)備，并且隨著系統(tǒng)的不斷更新，造成的新舊設(shè)備 不兼容等問題也愈加嚴(yán)重。

上述情況反映了在空管模擬仿真系統(tǒng)中存在的問題，這給實驗室的管理和維護(hù)造成了諸多不便。開發(fā)性能穩(wěn)定、易于維護(hù)的新型通信系統(tǒng)，對于空管模擬仿真實驗室的管理與維護(hù)的意義重大。

2 軟交換技術(shù)優(yōu)勢分析

軟交換技術(shù)的核心思想是將硬件設(shè)備軟件化，通信對象之間通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來進(jìn)行連接［8］。軟交換主要處理實時性業(yè)務(wù)，內(nèi)容包括語音、視頻等多媒體，應(yīng)用環(huán)境包括基于IP的網(wǎng)絡(luò)、ATM網(wǎng)絡(luò)以及電路交換網(wǎng)絡(luò)［9］。

對于空管模擬仿真實驗室，軟交換技術(shù)具有很大優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在3方面。

2.1 大集成性與分布性

隨著空管模擬仿真技術(shù)的不斷提升，由塔臺、進(jìn)近、區(qū)域以及機(jī)場現(xiàn)場協(xié)同運行的實驗室仿真環(huán)境被引入實踐訓(xùn)練［10］，大規(guī)模多媒體數(shù)據(jù)處理將對空管自動化系統(tǒng)帶來前所未有的挑戰(zhàn)，而軟交換技術(shù)的優(yōu)勢之一即為實現(xiàn)語音、視頻的數(shù)據(jù)融合，能夠充分滿足各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理要求，具有足夠的前瞻性。

此外，當(dāng)前基于硬件客戶端的通信系統(tǒng)由于需要獨立的線路設(shè)施，對于場地的要求也很嚴(yán)格，而軟交換技術(shù)可以采用服務(wù)器群的集聯(lián)方式，通過網(wǎng)絡(luò)線路達(dá)到異地通信的目的。與其集成優(yōu)勢結(jié)合，可以搭建出大容量、多類型數(shù)據(jù)的通信平臺。

2.2 兼容性與可擴(kuò)展性

隨著空管仿真實驗室的新建與增容，新舊設(shè)備的兼容性問題將直接影響實驗教學(xué)工作。軟交換技術(shù)可以通過不同版本的對接、升級，使通信系統(tǒng)成功并軌［11］；同時，軟交換技術(shù)在擴(kuò)展方面的優(yōu)勢將降低實驗室管理、維護(hù)工作的難度，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)線路直接運行，無需單獨鋪設(shè)線路，對場地、操作臺的要求大大降低［12］。

2.3 節(jié)約維護(hù)成本

由于空管自動化設(shè)備規(guī)模擴(kuò)大，維護(hù)成本將增加。以我院空管模擬仿真實驗室為例，目前包括程序管制、雷達(dá)管制、機(jī)場管制，機(jī)場現(xiàn)場的通信客戶端數(shù)量為194個。2013年，學(xué)院的空管實驗中心獲評國家級實驗教學(xué)示范中心，到2015年，新的空管教學(xué)綜合實驗樓將交付使用，屆時模擬仿真實驗設(shè)備的通信客戶端數(shù)量預(yù)計將達(dá)到600個。軟交換技術(shù)的應(yīng)用可以節(jié)約大量手持閉合裝置、腳踏閉合裝置與水晶頭耳機(jī)的購置與維護(hù)費用。

3 軟交換應(yīng)用方案

3.1 通信系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為服務(wù)器群和監(jiān)視席、網(wǎng)絡(luò)層和客戶端層。

圖2 語音通信系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）服務(wù)器群和監(jiān)視席。這一層次主要包括飛行計劃編輯席、語音服務(wù)器和監(jiān)視席，其中：飛行計劃編輯主要負(fù)責(zé)模擬飛行計劃的輸入和生成，飛行數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送；語音服務(wù)器負(fù)責(zé)語音系統(tǒng)各角色分組規(guī)劃、語音信號的傳輸、語音數(shù)據(jù)的記錄；監(jiān)視席負(fù)責(zé)監(jiān)視各組模擬客戶端的通信狀態(tài)，對各組語音通信的監(jiān)聽，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)獲取語音錄音。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)實驗室仿真設(shè)備規(guī)模而定，由若干路由器級聯(lián)組成，負(fù)責(zé)各類設(shè)備的連接與數(shù)據(jù)傳送。

（3）客戶端層?？蛻舳藢佑赡M管制員席與模擬飛行員席組成，是訓(xùn)練系統(tǒng)的終端，負(fù)責(zé)學(xué)員的模擬訓(xùn)練任務(wù)的完成。

3.2 客戶端流程設(shè)計

圖3所示為語音通信的客戶端通信流程圖，學(xué)生通過系統(tǒng)登錄后，可以根據(jù)訓(xùn)練要求進(jìn)行模擬管制員與模擬飛行員的分組配對。

圖3 語音客戶端通信流程圖

在實際工作中，管制員與飛行員之間是通過甚高頻（VHF）信號來進(jìn)行對話的，屬于半雙工的通信方式。在模擬仿真實驗中，為了模擬出實際效果，加入了語音判斷的步驟，同一分組內(nèi)如果頻道已經(jīng)被占用，則無法發(fā)布命令，否則語音命令將傳送給組內(nèi)成員。

3.3 語音系統(tǒng)功能升級

（1）模擬機(jī)分組。對傳統(tǒng)固定的分組模式進(jìn)行了升級，改革了原先空管員與飛行員1對1的訓(xùn)練方式，通過軟技術(shù)的支持，可以安排空管員與多個飛行員進(jìn)行通話訓(xùn)練，通過加大飛行流量以增加空管員的訓(xùn)練強(qiáng)度，提高空管員的訓(xùn)練效果。

（2）添加訓(xùn)練噪音。通過軟交換的支持，語音系統(tǒng)可以按照預(yù)先設(shè)定的時刻加入語音噪聲，例如在航空器起飛、降落時刻加入發(fā)動機(jī)的轟鳴聲；在航空器推出開車時加入拖車的背景聲；預(yù)設(shè)或隨機(jī)加入電子通信設(shè)備產(chǎn)生的噪聲等各類背景聲音，提高管制模擬的仿真度。

（3）錄音數(shù)據(jù)的記錄與回放。通過軟交換技術(shù)的支持，可以進(jìn)行空管音頻數(shù)據(jù)的記錄，配合仿真系統(tǒng)的回放功能，實現(xiàn)空管過程的情景再現(xiàn)，有利于教學(xué)中對訓(xùn)練效果的總結(jié)與點評。

（4）實時監(jiān)視與評價。通過軟交換的支持，教員可以在監(jiān)視席位隨時進(jìn)入各個通信組察看，實時糾正學(xué)員在訓(xùn)練中出現(xiàn)的管制錯誤，縮短模擬系統(tǒng)的訓(xùn)練周期，有效提高學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié)論與展望

我校塔臺管制模擬仿真實驗室引入了基于軟交換技術(shù)的語音通信軟件，進(jìn)行了試運行，并對試運行效果進(jìn)行了跟蹤及問卷調(diào)查。在發(fā)放的56份調(diào)查問卷中，對軟交換通信系統(tǒng)語音方面的滿意度達(dá)到了95%以上。軟交換技術(shù)的集成性、兼容性、擴(kuò)展性與經(jīng)濟(jì)性在空管仿真領(lǐng)域能夠有效支持空管人才協(xié)同運行能力的培養(yǎng)與提高。配合管制需要進(jìn)行改造后，將對空管仿真協(xié)同運行、運行風(fēng)險告警等方面起到良好的支撐作用。

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