塔臺管制模擬系統(tǒng)研制

崔喧茗++顧宏斌++徐正家

摘要：塔臺管制模擬系統(tǒng)主要面向空管教育和民航生產(chǎn)，通過虛擬現(xiàn)實等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將塔臺管制的各個環(huán)節(jié)逼真地展現(xiàn)給學(xué)員，是一套復(fù)雜的實時仿真系統(tǒng)，可以讓管制學(xué)員更加真實地體會管制工作的各個流程。其特點是成本低，仿真度高。本文主要介紹塔臺管制模擬系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)研制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：塔臺管制 體系結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0044-02

近年來，我國民航運輸業(yè)的發(fā)展速度十分迅猛，國際民航組織關(guān)于新航行系統(tǒng)的實施以及空管現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，對空管設(shè)備和管制人員的職業(yè)技能要求也越來越高。高水平的空管模擬訓(xùn)練設(shè)備可以提高管制人員的工作能力，技術(shù)水平和個人素質(zhì)。因此現(xiàn)代化的訓(xùn)練手段對塔臺管制人員的培訓(xùn)起著至關(guān)重要的作用。正是由于塔臺管制模擬系統(tǒng)在空中交通管制人員的培訓(xùn)中起著十分重要的作用，國內(nèi)外對空管模擬設(shè)備的研發(fā)也極其重視。但由于技術(shù)復(fù)雜和對系統(tǒng)硬件極高的要求此類模擬機技術(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致其開發(fā)成本高，推廣應(yīng)用困難。國外很早就開展了這方面研究，目前，國際知名的塔臺模擬機系統(tǒng)有 NASA（美國航空航天局）的Future Flight Central Tower Simulator，CAE-Link公司的Virtual Tower Tower Visual Simulator以及Cell-ITS 的DATS-Durable Aviation系統(tǒng)等[1]。這些系統(tǒng)成本高昂，價格在幾百萬甚至幾千萬美元。相比于國外，我國對于塔臺模擬系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚。目前，高校中天津民航學(xué)院和廣漢民航飛行學(xué)院等少數(shù)單位開始進(jìn)行研制塔臺模擬機，但尚無成熟產(chǎn)品[2]。四川大學(xué)成立的川大智勝公司推出了一系列空管模擬類產(chǎn)品，在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，在國內(nèi)一些機場已經(jīng)安裝大型空管自動化系統(tǒng)并投入使用，但高昂的成本也使公司的發(fā)展收到了限制?？偟脕碚f，目前國內(nèi)簡易型塔臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)仍存在仿真能力仍不夠的問題，也就無法滿足高逼真度空管模擬需求。

塔臺管制模擬系統(tǒng)的研制目的是訓(xùn)練管制學(xué)員、分析學(xué)員操作所反饋的數(shù)據(jù)、檢驗管制員管制工作程序是否正確，可以通過多種專門針對塔臺管制員的訓(xùn)練科目，各種機場地面、跑道等動態(tài)場景，以及空中飛行場景，對塔臺管制員進(jìn)行塔臺管制和地面管制技能培訓(xùn)。本系統(tǒng)將主要適用于空管人員的塔臺管制訓(xùn)練任務(wù)，真實再現(xiàn)塔臺管制情形，有效訓(xùn)練塔臺管制人員，做到訓(xùn)練系統(tǒng)科學(xué)合理，仿真度高。訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可用于科學(xué)研究以及后期人員培訓(xùn)的改進(jìn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 體系結(jié)構(gòu)

塔臺管制模擬系統(tǒng)主要作用是訓(xùn)練、分析和檢驗管制學(xué)員是否掌握正確的塔臺管制流程，是正式踏入工作崗位之前的關(guān)鍵步驟。通過專門針對塔臺管制員的訓(xùn)練課程，空中飛行場景以及各種機場地道面等動態(tài)場景，對管制學(xué)員進(jìn)行塔臺管制和地面管制技能培訓(xùn)。

系統(tǒng)共分為五個模塊，其中系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)維護(hù)機場數(shù)據(jù)以及訓(xùn)練計劃數(shù)據(jù)。教員控制模塊主要負(fù)責(zé)查看選擇加載訓(xùn)練計劃、監(jiān)控訓(xùn)練進(jìn)度、進(jìn)行訓(xùn)練管理以及添加特請和動態(tài)添加飛行計劃，指定記錄分組，實現(xiàn)三維視景系統(tǒng)、各輔助信息終端和語音通訊的同步記錄。模擬飛行員模塊主要實現(xiàn)飛機和機場內(nèi)車輛的控制操作。運動仿真運算模塊主要包括產(chǎn)生和發(fā)送飛行電報、氣象數(shù)據(jù)等，處理訓(xùn)練計劃、接收模擬飛行員模塊指令，實現(xiàn)飛機的各種控制及運動仿真。視景模塊建立飛機的動力學(xué)模型，模擬目標(biāo)在地面和進(jìn)近階段的運動姿態(tài)，為管制員提供視景顯示。系統(tǒng)各模塊間數(shù)據(jù)走向如圖1所示。

塔臺管制模擬系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，用QT開發(fā)，客戶端為學(xué)員使用機器，服務(wù)器端為教員使用機器?？蛻舳藢崿F(xiàn)與服務(wù)器端通過沒有中間環(huán)節(jié)的銜接，系統(tǒng)響應(yīng)速度快；操作界面多種多樣且美觀實用，可以滿足不同用戶的不同需求；此外，C/S結(jié)構(gòu)在管理用戶方面擁有很強的能力，可以讓教員在最短時間內(nèi)對學(xué)員進(jìn)行系統(tǒng)化的管理，是實現(xiàn)復(fù)雜空管業(yè)務(wù)流程中及其重要的一環(huán)。本系統(tǒng)通過學(xué)員機和教員機的語音通信功能，學(xué)員發(fā)布操作指令、教員確認(rèn)指令、教員機實時操作計算，在學(xué)員機上以視景的方式實時顯示機場和管制空域的各種動態(tài)，達(dá)到訓(xùn)練空管學(xué)員的目的。

1.2 席位設(shè)計

為了滿足民航類院校對空中交通管制人員的培訓(xùn)以及機場管制行業(yè)的培訓(xùn)需求，本系統(tǒng)從功能實現(xiàn)的角度出發(fā)，將塔臺管制模擬系統(tǒng)劃分為五個席位。

（1）系統(tǒng)管理員席位。系統(tǒng)管理員擁有最高權(quán)限，可對系統(tǒng)訓(xùn)練內(nèi)容及教員、學(xué)員配置進(jìn)行管理。（2）教員席位。教員席位可通過編輯機場二維數(shù)據(jù)及各種適應(yīng)性參數(shù)，編輯各種科目的訓(xùn)練劇本，進(jìn)行訓(xùn)練過程管理。如加載不同訓(xùn)練計劃，控制訓(xùn)練的開始、暫停和退出的控制以及系統(tǒng)監(jiān)控功能。（3）地面管制員席位。地面管制員主要負(fù)責(zé)監(jiān)控及指揮飛機在本場內(nèi)的活動。通過視景系統(tǒng)以及雷達(dá)顯示屏來監(jiān)控場面運行情況。并通過相關(guān)航班飛行計劃、航行通告以及氣象系統(tǒng)，通過內(nèi)話系統(tǒng)向航班機長和車輛駕駛?cè)藛T發(fā)出指令來進(jìn)行管制。（4）塔臺管制員席位。塔臺管制員主要負(fù)責(zé)起飛、進(jìn)近及復(fù)飛階段的指揮工作。管制學(xué)員指揮模擬機長操作主要通過觀察三維視景顯示屏所反饋的機場終端區(qū)的運行情況，以及雷達(dá)監(jiān)控和氣象系統(tǒng)反饋的信息。（5）模擬機長席位。配合地面管制員以及塔臺管制員指揮，執(zhí)行相應(yīng)操作，對飛機運行進(jìn)行控制，主要包括推出、開車、滑行、等待、起飛、復(fù)飛等。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 C/S架構(gòu)

整個塔臺管制模擬系統(tǒng)擬采用C/S結(jié)構(gòu)，用QT開發(fā)?？蛻舳藶樗_管制學(xué)員使用機器，主要提供三維視景顯示以及發(fā)布操作指令功能，即塔臺管制員發(fā)布指令，對應(yīng)模擬機長執(zhí)行該指令，三維視景對應(yīng)顯示飛機運動狀態(tài)；服務(wù)器端為教員使用機器，主要用于學(xué)員、機場、飛行計劃、教員超控等相關(guān)數(shù)據(jù)的維護(hù)，即教員可以在服務(wù)器端對塔臺管制學(xué)員進(jìn)行管理、維護(hù)機場數(shù)據(jù)、維護(hù)訓(xùn)練計劃以及特情設(shè)置等?？蛻舳藢崿F(xiàn)與服務(wù)器端通過沒有中間環(huán)節(jié)的銜接，系統(tǒng)響應(yīng)速度快；操作界面多種多樣且美觀實用，可以滿足不同用戶的不同需求。

C/S結(jié)構(gòu)在管理用戶信息系統(tǒng)方面擁有很強的能力，可以讓教員在最短時間內(nèi)對學(xué)員進(jìn)行系統(tǒng)化的管理，是實現(xiàn)復(fù)雜空管業(yè)務(wù)流程的關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)通過學(xué)員端和教員端的語音通信功能，學(xué)員發(fā)布操作指令、教員確認(rèn)指令、教員機實時操作計算，在學(xué)員機上以三維視景的方式實時顯示機場各種動態(tài)，達(dá)到訓(xùn)練管制學(xué)員的目的。訓(xùn)練過程控制流程圖如圖2所示。

2.2 飛機運動仿真建模

飛機運動仿真計算是系統(tǒng)仿真運算模塊的核心內(nèi)容，在仿真系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。飛機運動仿真計算模塊的功能主要實現(xiàn)飛機的各種控制及運動仿真，包括：申請放行、放行確認(rèn)、申請推出、推出、申請開車、開車、申請滑行、滑行、立刻等待、在某道口前等待，跟隨前機、跑道180度調(diào)頭、跑道外等待、進(jìn)跑道、穿越跑道、起飛、中斷起飛、起落航線、連續(xù)起落、復(fù)飛、調(diào)速、爬升、下降、改變航向、建立盲降、盤旋等待、加入起落航線等。飛行性能的計算依據(jù)飛行航段的不同需要采用不同的參數(shù)進(jìn)行計算。所以，在建模時，飛行特性的不同必然要求我們對飛行航段進(jìn)行分類。因此，根據(jù)飛行特點將飛行階段劃分為是十個階段，分別是起飛滑跑、起飛、爬升、入航爬升、巡航、下降、進(jìn)近下降、最后下降和著陸階段[3]。

飛機運動仿真計算模塊開始后，塔臺管制員對模擬機長發(fā)出指令，模擬機長根據(jù)相應(yīng)指令，執(zhí)行管制員操作，系統(tǒng)首先對管制員指令進(jìn)行解析，生成飛機運動路徑，然后依據(jù)飛機性能數(shù)據(jù)庫實時仿真計算出飛機的位置姿態(tài)等參數(shù)。讀取機場數(shù)據(jù)和訓(xùn)練計劃數(shù)據(jù)，建立線程專門接受模擬飛行員模塊和教員控制模塊的控制指令和視景模塊的反饋信息；建立定時器，每隔一段時間進(jìn)行仿真運算和對視景模塊輸出數(shù)據(jù)；根據(jù)控制指令調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)，完成控制指令。飛機運動仿真計算模塊流程圖如圖3所示。

目前主要的飛行器性能模型有CTAS performance model 和Eurocontrol的BADA（base of aircraft data）[4]。BADA是把飛機看成一個質(zhì)點，在飛機重量不同的情況下，模擬出該質(zhì)點上的力，建立模型來分析飛機的性能，它由三部分結(jié)構(gòu)組成：飛機性能模型、航空公司程序模型和飛機特征數(shù)據(jù)[5]。我們依據(jù)BADA建立了飛機性能數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)主要用于飛行仿真、航跡預(yù)測、排放評估和油耗計算四個方面。本系統(tǒng)主要使用飛行仿真相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模運算。

2.3 三維視景場景模擬和顯示

三維圖形應(yīng)用的一個重要步驟就是三維建模，視景圖象的真實性和繪制速度取決于模型的搭建質(zhì)量。塔臺環(huán)境包括機場建筑，跑道，飛機，樹木，地形等各種物體。模型復(fù)雜，直接利用OpenGL中繪制基本圖元方式構(gòu)建這些物體肯定是不完善的，因此必須使用專門的建模工具展開工作。項目中采用Multigen Creator進(jìn)行建模，Creator可與多種實時仿真軟件結(jié)合，在多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成方面具有很強大的功能，在視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實時仿真領(lǐng)域有著世界領(lǐng)先的地位。利用其可方便快速得構(gòu)建出飛機，機場等各種復(fù)雜模型。其中，視景子系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及各功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，視景建模以及具體的場景渲染算法是三維視景場景模擬顯示的關(guān)鍵技術(shù)點。

塔臺模擬機視景部分是一種對時間要求很高的應(yīng)用，是典型的限時計算、實時渲染繪制。系統(tǒng)中建立運動目標(biāo)（航空器、車輛等）的動力學(xué)模型，模擬目標(biāo)在地面和進(jìn)近階段的運動姿態(tài)，為管制員提供視景顯示。視景是隨時間不斷變化的，連續(xù)顯示視景中氣象、飛機以及車輛的變化，要加快視景的切換速度，在微機作為視景工作站條件下（采用高性能CPU 和圖形加速部件GPU），需在軟件方面精心設(shè)計算法，實現(xiàn)基于微機的高效沉浸式三維視景仿真程序設(shè)計。此外，本系統(tǒng)還需要為用戶提供生動高效的可視化圖像，對機場三維場景實時繪制和渲染，顯示塔臺外所看到的機場場面，包括飛機、車輛，天氣等。實現(xiàn)對機場、運動目標(biāo)和氣象效果的仿真模擬。場景內(nèi)容主要包括：飛機、機場跑道、航站樓、滑行道、車輛、車輛道路以及其他與機場相關(guān)的標(biāo)志性建筑等，還提供望遠(yuǎn)鏡放大機場場面和視景切換功能以便管制員更準(zhǔn)確獲得所需信息。三維視景效果圖如圖4所示。

3 結(jié)語

本文主要介紹了塔臺管制模擬系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，席位劃分以及系統(tǒng)研制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。塔臺模擬訓(xùn)練器可用于民航空管從業(yè)人員的模擬訓(xùn)練與演習(xí)，同時也廣泛用于民航、軍航院校的養(yǎng)成培訓(xùn)，是空管人員入職培訓(xùn)、在崗培訓(xùn)、復(fù)訓(xùn)以及強化訓(xùn)練的重要設(shè)備，也是用于機場管制程序設(shè)計、新機場設(shè)計和機場容量評估的重要裝備，具有廣闊的市場前景。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院空中交通管制專業(yè)是培養(yǎng)空中管制人員的基地之一，低成本，批量化的桌面塔臺模擬器能滿足自身本科教學(xué)任務(wù)需要。其他民航高校，比如中國民航大學(xué)，中國民用航空飛行學(xué)院，也都在進(jìn)行塔臺模擬的研究工作，其需求也非常大。而國內(nèi)各民航機場，需求更加強烈，目前已有部分機場配備了大型塔臺模擬訓(xùn)練設(shè)備，但仍不能完全滿足人員培訓(xùn)的需要，高昂的設(shè)備成本制約了其普及率。低成本的塔臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)正好可以作為大型塔臺模擬設(shè)備補充，低成本條件下可進(jìn)行批量配置，滿足大部分訓(xùn)練任務(wù)需求。

參考文獻(xiàn)

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[2]莫世鋒.空管模擬訓(xùn)練軟件產(chǎn)品線體系結(jié)構(gòu)的研究[D].四川大學(xué)，2005.

[3]國際民航組織.ICAO DOC8168-OPS/611.空中航行服務(wù)程序—航空器運行（第一卷）飛行程序（第四版）[S].國際民航組織，2003.

[4]郭運韜，朱衍波，黃智剛.民用飛機航跡預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2007（01）：20-24.

[5]Damir Poles， Angela Nuic， Vincent Mouillet. Advanced Aircraft Performance Modeling for ATM：Analysis of BADA Model Capabilities[C].29th Digital Avionics Systems Conference，2010.