關(guān)于空中交通管制自動(dòng)化中的沖突概率分析

朱薛文

摘 要：隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國空中交通的流量也在不斷地增加，空中交通的飛行情況也更加的復(fù)雜，所以在這種大背景下如果僅依靠傳統(tǒng)的依靠管制人員進(jìn)行估計(jì)、分析和解決在空中飛行時(shí)可能出現(xiàn)的沖突的工作方式則很難有效的保證飛機(jī)的飛行安全，所以這就需要我們?cè)诳展芟到y(tǒng)中跟隨時(shí)代的發(fā)展潮流借助先進(jìn)的信息技術(shù)來為管制人員提供沖突探測(cè)的輔助支持來更好的預(yù)估機(jī)群的飛行狀況，使得管制員能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)機(jī)群在飛行中存在的潛在沖突，從而有效的解決沖突和保證飛行量的均衡。

關(guān)鍵詞：空中交通；管制自動(dòng)化；沖突概率

空中交通自動(dòng)化管制系統(tǒng)將是空中交通發(fā)展的必然產(chǎn)物，它在未來必將成為空中交通管制的有效手段。但是，在空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)中，人在系統(tǒng)中處于中心位置，空中交通自動(dòng)化管制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人的中心地位及其跟其他各個(gè)要素間的彼此關(guān)系。隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，空中交通將會(huì)變得非常的擁擠和繁忙，現(xiàn)有的空中交通管制系統(tǒng)將無法對(duì)未來空中交通流量進(jìn)行有序的管制。所以當(dāng)前這種環(huán)境下為有效的改善空中交通的安全性和效率，對(duì)飛行沖突概率估計(jì)的方法進(jìn)行了研究。從理論上將沖突概率解析算法從二維推廣到三維，并推導(dǎo)出一種快速求解三維飛行沖突概率的近似解析算法，使之適用于終端區(qū)的復(fù)雜情況。

一、空中交通管制自動(dòng)化的基本概述

空中交通管制是保證飛機(jī)飛行安全和提高飛行效率的重要手段。目前，我國空中交通管制己經(jīng)逐漸從由雷達(dá)監(jiān)視的程序管制向雷達(dá)管制過渡。實(shí)施雷達(dá)管制以后，空中交通流量將會(huì)大幅度提高，對(duì)空中交通管制系統(tǒng)的要求也隨之提高。為進(jìn)一步保障空管的安全性，民航華北空管局和清華大學(xué)國家863C/MIS工程研究中心正著手聯(lián)合研制開發(fā)空中交通管制指揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ATCCMs）。

空中交通管制自動(dòng)化策略盡管符合霍金斯的SHEL模型（軟 件 -software、硬 件 -hareware、環(huán) 境 -environment、人-liveware）的 基 本 特 征，但 對(duì) 軟 件 -software、硬 件 -hareware、環(huán)境 -environment、人 -liveware這 四 個(gè) 模 型 要素之間的界面進(jìn)行了變更?？罩薪煌ü苤谱詣?dòng)化系統(tǒng)將致力于匹配好這四個(gè)要素間的界面，使各要素的效能發(fā)揮到最大。因此，該系統(tǒng)一方面將對(duì)空中交通管制崗位進(jìn)行重新設(shè)置，給每個(gè)要素賦予新的職責(zé)；一方面將加強(qiáng)空中交通管制員素質(zhì)培養(yǎng)，使管制員們能及時(shí)快速地適應(yīng)空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)的操作技術(shù)和應(yīng)用技能。

未來空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)將以空中交通管制員為中心，空中交通管制員對(duì)整個(gè)空中交通進(jìn)行總體的管理和控制，空中交 通 管 制 員 之 間、管 制 員 與 飛 行 員 之 間 將 通 過CPDLC（直接鏈路通訊）進(jìn)行彼此的聯(lián)系，從而替代了過去傳統(tǒng)的進(jìn)行話音通信的方式，提供了指配指配速度、通信頻率、航路偏離警告、改變航路、指配高度、情報(bào)、放行、氣象等空中交管業(yè)務(wù)。同時(shí)在空中交通管制員的管制席位上，將能清楚地顯示航空器運(yùn)行的航跡，這些數(shù)據(jù)資料將通過ATN數(shù)據(jù)鏈在航空器、飛機(jī)和管制單位即 ATS單位之間彼此同意下進(jìn)行通信，從而讓管制員們或者管制單位獲得各航空器（如飛機(jī)）ADS-C（合同式自動(dòng)監(jiān)視）四維信息。再者，飛機(jī)等航空器的速度、高度、位置、呼號(hào)以及其他參數(shù)將ADSB（廣播室自動(dòng)監(jiān)視）進(jìn)行自動(dòng)廣播而被管制員所獲得。最后，空中交通管制員還將利用地 - 地監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)廣播信息進(jìn)行監(jiān)視，并通過多點(diǎn)定位系統(tǒng)來獲取監(jiān)視數(shù)據(jù)，從而提升管制員或者空中交通自動(dòng)化管制中的監(jiān)視效率。還有，空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)中，自動(dòng)放行席位的設(shè)置，主要是利用 Gate Link（即停機(jī)位數(shù)據(jù)鏈）進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸，以實(shí)現(xiàn)處在停機(jī)位上的飛機(jī)跟地面管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)自動(dòng)連接和傳輸，最終為管制員向各飛機(jī)機(jī)組人員提供氣象、情報(bào)、放行指示等信號(hào)。

二、空中交通管制自動(dòng)化中的沖突概率分析

1.二維沖突概率分析

因考慮到雷達(dá)測(cè)量、高空氣象條件、飛行控制等諸多隨機(jī)因素對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)的影響較大，因此在沖突探測(cè)分析中，宜采用隨機(jī)建模方式。Erzberger和Paielli提出的二維（水平）沖突概率的解析算法[2，3]，其思路為： （1）對(duì)預(yù)估航跡的誤差概率建模； （2）對(duì)兩架飛機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，計(jì)算出兩架飛機(jī)的聯(lián)合協(xié)方差矩陣，通過對(duì)聯(lián)合概率密度函數(shù)在擴(kuò)展沖突區(qū)域中的積分就可以得到?jīng)_突概率值； （3）對(duì)原有的參考坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換，選擇適當(dāng)?shù)淖儞Q矩陣，將聯(lián)合誤差橢圓變?yōu)閱挝粓A； （4）對(duì)變換后的擴(kuò)展沖突區(qū)域進(jìn)行分析、旋轉(zhuǎn)，從而求出沖突概率的解析解。二維算法是針對(duì)飛行在同一高度層的飛機(jī)之間的沖突概率分析，這對(duì)在巡航區(qū)飛行的大部分飛機(jī)是比較適合的。但在終端區(qū)及區(qū)調(diào)靠近終端區(qū)的區(qū)域，由于相當(dāng)一部分飛機(jī)要處于上升或下降的狀態(tài)，飛機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒉粫?huì)都在同一平面內(nèi)。因此，需要對(duì)上述的二維算法進(jìn)行推廣，使之能夠適用于三維的情況。

2.三維沖突概率分析

三維和二維算法的主要區(qū)別在于： （1）要考慮垂直方向的位置誤差，對(duì)于處于上升或下降階段的飛機(jī)還要進(jìn)一步考慮其垂直方向速度的誤差； （2）要考慮垂直方向的相對(duì)速度，以及它在變換、旋轉(zhuǎn)中對(duì)聯(lián)合誤差和擴(kuò)展沖突區(qū)域的影響。

3.算法檢驗(yàn)

算法檢驗(yàn)分為兩部分：一是解析算法的精度，包括對(duì)擴(kuò)展沖突區(qū)域的截面的近似誤差；二是算法的實(shí)時(shí)性?？梢杂肕onte-Carlo仿真方法來檢驗(yàn)算法的準(zhǔn)確性。為了比較全面地檢驗(yàn)三維算法的準(zhǔn)確性，需要對(duì)最小水平間隔r、預(yù)估時(shí)間t、水平航向夾角T、到達(dá)水平最小間隔時(shí)的垂直間隔h、飛機(jī)飛行狀態(tài)等因素的不同組合的場(chǎng)景下的沖突概率進(jìn)行計(jì)算、比較。

三、結(jié)語

總而言之，空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)是空中交通時(shí)代發(fā)展下的必然產(chǎn)物，也必將成為空中交通管制的有效手段。此系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行將受到人之因素的影響，因此必須設(shè)計(jì)積極有效的措施予以應(yīng)對(duì)，必須合理設(shè)置崗位，使人跟自動(dòng)化系統(tǒng)相匹配；同時(shí)也應(yīng)該合理設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)，使各機(jī)器設(shè)備符合人的生理和心理能力。只有從兩方面都進(jìn)行突破，才能有效促進(jìn)空中交通管制自動(dòng)化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)安全、高效、有序的空中交通秩序。

參考文獻(xiàn)：

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