空管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

張亞宜 劉永欣 白鵬

摘要：民航院校空中交通管理人才的培養(yǎng)，實(shí)踐訓(xùn)練是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)機(jī)場管制課程教學(xué)特點(diǎn)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建以機(jī)場塔臺視景仿真為中心，通過虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式實(shí)時(shí)計(jì)算、復(fù)雜系統(tǒng)仿真、空中交通管制模擬和信息處理等技術(shù)手段，真實(shí)再現(xiàn)塔臺管制的工作環(huán)境，為課程教學(xué)提供一個(gè)真實(shí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，解決無法在實(shí)際環(huán)境開展課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性。

關(guān)鍵詞：空中交通管理;機(jī)場管制;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0103-03

0 引言

空中交通管理（簡稱空管）是民用航空交通運(yùn)輸體系的核心組成部分，空管人員擔(dān)負(fù)著維持飛行秩序、提高空域資源利用效率、行使我國主權(quán)、配合航空運(yùn)營者減少營運(yùn)燃油成本、降低污染排放、提高航班正點(diǎn)率等重要責(zé)任[1-2]。空管專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低直接關(guān)系到飛行安全和空中交通的正常運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)空管專業(yè)人才高質(zhì)量培養(yǎng)，除需要加強(qiáng)空中交通運(yùn)行理論、規(guī)范知識外，還應(yīng)將上述知識綜合應(yīng)用，內(nèi)化為應(yīng)對復(fù)雜空中交通環(huán)境下針對多目標(biāo)運(yùn)行控制快速反應(yīng)和決策能力，為此，實(shí)踐訓(xùn)練極其重要[3-4]。機(jī)場管制課程是學(xué)生職業(yè)能力訓(xùn)練的專業(yè)核心課程之一。按照中國民航局頒布的《中國民用航空空中交通管制培訓(xùn)管理規(guī)則》（CCAR70）中的行業(yè)教育培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)，本課程教學(xué)包含大量的實(shí)驗(yàn)課時(shí)。然而，零差錯(cuò)、高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)特點(diǎn)決定了真實(shí)崗位實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不可實(shí)現(xiàn)性。而購置崗位機(jī)場管制設(shè)備，因其高投入、高成本、高消耗等問題，作為院校也同樣無法實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建機(jī)場管制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺是解決此課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的唯一途徑[5]。

1 平臺功能

機(jī)場管制保障的范圍是機(jī)場場面和終端區(qū)的運(yùn)行，這是航空安全重點(diǎn)區(qū)域，也是造成整個(gè)航班運(yùn)行延誤和直接航空運(yùn)輸成本增加的重要區(qū)域。隨著航空運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，大型繁忙機(jī)場由于存在復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、地面交通協(xié)同調(diào)度、高吞吐量的飛行流量以及相鄰管制單位之間高負(fù)荷的管制協(xié)調(diào)，需要不斷改進(jìn)管制方式和飛行程序、優(yōu)化場面交通引導(dǎo)與控制等手段實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，還需要保障在惡劣天氣影響下的機(jī)場管制運(yùn)行和應(yīng)急響應(yīng)處置機(jī)制。為此，這就要求機(jī)場管制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺能夠逼真模擬各種情境，學(xué)生通過有針對性的進(jìn)行反復(fù)、詳盡的分析驗(yàn)證和演練，提高管制協(xié)同調(diào)配以及對新程序、新技術(shù)的適應(yīng)能力。

1.1 硬件配置

實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備外觀結(jié)構(gòu)及布局與現(xiàn)實(shí)崗位設(shè)備完全對接，使學(xué)生熟悉實(shí)際崗位工作席位環(huán)境，并正確使用機(jī)場管制設(shè)備。

1.2 管制員與模擬機(jī)長之間的語音通信與話音記錄功能

訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)對各種管制區(qū)域情景時(shí)準(zhǔn)確使用術(shù)語和無線電通話技術(shù)，向航空器適時(shí)發(fā)布正確指令，如：為起飛航空器發(fā)布空中交通管制（ATC）放行許可，為起飛、著陸航空器正確實(shí)施管制等。能正確調(diào)配機(jī)場機(jī)動(dòng)區(qū)的航空器和車輛，發(fā)布飛行情報(bào)、交通活動(dòng)情報(bào)和相關(guān)機(jī)場情報(bào)，與進(jìn)近或區(qū)域管制部門及時(shí)協(xié)調(diào)，正確進(jìn)行通信移交、管制移交，正確安排交通活動(dòng)的優(yōu)先順序，有效防范、處置跑道侵入事件，高效使用機(jī)場空域和跑道等。

1.3 實(shí)現(xiàn)機(jī)場管制虛擬場景的真實(shí)再現(xiàn)

包括機(jī)場場面航空器滑行、跑道、滑行道、機(jī)坪、燈、機(jī)場周圍標(biāo)志性建筑物及周邊環(huán)境和障礙物等。場景模擬的主要元素有能見度、云層、天空、機(jī)場燈光、航空器/車輛位置和姿態(tài)、航空器燈光等。平臺提供具有大型機(jī)場塔臺管制虛擬操作環(huán)境，可以模擬白天黑夜，春夏秋冬，各種氣象狀況（霧、云、雨、雪等），特情處置（一發(fā)失效、起落架故障、跑道入侵）等，以適用各種不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.4 實(shí)現(xiàn)航空器的操縱與運(yùn)動(dòng)控制功能

具有方便的指令輸入系統(tǒng)，通過對指令的識別判斷，實(shí)現(xiàn)對航空器的精確操縱和運(yùn)行軌跡的控制。

1.5 實(shí)驗(yàn)練習(xí)編輯功能

滿足課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目輸入編輯需要。用于教師對實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目的編制，新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)等。

2 平臺架構(gòu)

機(jī)場管制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺按實(shí)驗(yàn)操作角色分類：包括受訓(xùn)管制員席位、模擬機(jī)長席位、教員與系統(tǒng)運(yùn)行控制席位、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備席位以及模擬內(nèi)話子系統(tǒng)五部分，見圖1。其對應(yīng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括機(jī)場塔臺管制席位終端系統(tǒng)、航空器操縱系統(tǒng)、教員管理系統(tǒng)、模擬內(nèi)話系統(tǒng)、視景生成與管理系統(tǒng)和視景支撐系統(tǒng)六個(gè)模塊。

2.1 機(jī)場塔臺管制席位終端系統(tǒng)

由雷達(dá)顯示終端、飛行計(jì)劃顯示終端、實(shí)時(shí)氣象顯示終端以及場面監(jiān)視顯示終端組成，實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃顯示與處理、雷達(dá)顯示與處理、氣象自動(dòng)觀測和場面監(jiān)視功能，由管制學(xué)員完成操作。

2.2 航空器操縱系統(tǒng)

提供終端區(qū)及機(jī)場場面飛機(jī)和車輛運(yùn)行態(tài)勢綜合顯示，設(shè)計(jì)有豐富、靈活和高效的管制指令輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)對輸入的指令進(jìn)行合法性檢查通過后，發(fā)送到飛機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算子系統(tǒng)，操縱多架飛機(jī)仿真運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對塔臺管制范圍內(nèi)飛機(jī)活動(dòng)提供靈活、簡便的交互操作，支持模擬機(jī)長學(xué)員席位。

2.3 教員管理系統(tǒng)

對應(yīng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與分析席位和運(yùn)行控制席位，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行控制、訓(xùn)練計(jì)劃編輯、飛行運(yùn)行仿真計(jì)算和空管特征數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)分析等功能，支持教員席位。

2.4 模擬內(nèi)話系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對陸空通話和空管直通電話的綜合調(diào)度以及話音記錄功能，由語音通信接口、模擬內(nèi)話系統(tǒng)服務(wù)軟件和模擬內(nèi)話系統(tǒng)客戶端軟件組成。

2.5 視景生成與管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)三維場景實(shí)時(shí)渲染功能、場景渲染控制功能、復(fù)雜自然現(xiàn)象的模擬功能、特情場景的模擬與渲染功能和多通道同步實(shí)時(shí)繪制功能等，構(gòu)造和實(shí)時(shí)顯示機(jī)場真實(shí)場景，保證場景的真實(shí)感與機(jī)場實(shí)際情況相吻合。

2.6 視景支撐系統(tǒng)

包括視景模型庫和特效模塊軟件，模型庫為視景生成提供需要的視景模型，特效模塊軟件用于視景特效、特殊場景現(xiàn)象、特殊自然現(xiàn)象以及飛行特情仿真的需要。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代信息技術(shù)與虛擬技術(shù)的應(yīng)用為平臺功能實(shí)現(xiàn)提供了保證。機(jī)場管制虛擬仿真平臺是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)、電子和機(jī)械技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)逼真地再現(xiàn)空中交通管制的實(shí)際工作環(huán)境，利用模擬的方法進(jìn)行空管訓(xùn)練，以較低的成本換取良好訓(xùn)練效果的一種計(jì)算機(jī)模擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建以機(jī)場塔臺視景仿真為中心，通過虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式實(shí)時(shí)計(jì)算、復(fù)雜系統(tǒng)仿真、ATC管制模擬和信息處理等技術(shù)手段，真實(shí)再現(xiàn)塔臺管制的工作環(huán)境，構(gòu)成一套人在回路的復(fù)雜實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[6]，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)真實(shí)的虛擬仿真訓(xùn)練環(huán)境。

實(shí)現(xiàn)平臺模塊功能，攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括：（1）多通道視景生成和驅(qū)動(dòng)。多通道視景生成和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需完成地景數(shù)據(jù)庫和目標(biāo)模型的建立以及實(shí)時(shí)場景的生成管理，根據(jù)中心服務(wù)器主機(jī)發(fā)送來的飛機(jī)位置、姿態(tài)及運(yùn)行軌跡、氣象參數(shù)等，實(shí)時(shí)產(chǎn)生相匹配的圖像，為塔臺管制模擬練習(xí)提供所需的場景。系統(tǒng)需正確描述視景中各種實(shí)體的幾何形態(tài)、相互位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，同時(shí)必須基于實(shí)體的材質(zhì)、紋理、環(huán)境氣象和光照以及實(shí)體間的行為交互等進(jìn)行大量的計(jì)算，通過圖形生成器生成RGB信號傳給顯示系統(tǒng)，在屏幕中顯示出來。（2）系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境。機(jī)場管制虛擬教學(xué)仿真平臺對實(shí)時(shí)性有極高的要求，為此必須選用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)圖形發(fā)生器和終端設(shè)備之間的通訊。實(shí)時(shí)通信軟件采用以太網(wǎng)，接收來自終端的控制信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到視景系統(tǒng)。（3）基于管制指令的飛機(jī)性能仿真計(jì)算。模擬機(jī)長席位根據(jù)管制席位發(fā)出的指令執(zhí)行控制地面和空中航空器目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)需要對管制指令進(jìn)行指令解析，然后依照飛機(jī)性能數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)仿真計(jì)算航空器位置姿態(tài)等參數(shù)，在每個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送會(huì)中心服務(wù)器。（4）課程模擬訓(xùn)練計(jì)劃編輯。教師按照課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，可以編制各類訓(xùn)練計(jì)劃。編輯功能包括航班飛行計(jì)劃、車輛調(diào)度計(jì)劃、特情及氣象條件等，具有完整的機(jī)型和車輛數(shù)據(jù)庫，支持高仿真逼真度的仿真運(yùn)行計(jì)算，計(jì)劃編輯支持批量計(jì)劃的生成，支持EXCEL格式飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)導(dǎo)入模式，為教學(xué)提供方便。

4 教學(xué)效果評估

目前機(jī)場管制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在教學(xué)中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)有機(jī)場塔臺視景可精確重現(xiàn)北京、天津、西安、重慶、青島、廈門等地區(qū)機(jī)場空管工作場景，具有使學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)到身臨其境的沉浸感，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與積極性，教學(xué)效果良好，增強(qiáng)了行業(yè)對畢業(yè)生的認(rèn)可度。

5 結(jié)語

機(jī)場管制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺徹底解決了高等院?？展軐I(yè)學(xué)生培養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)問題，具有成本低，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。為空管人才培養(yǎng)提供了重要保證，為更好滿足現(xiàn)代民航空管人才與崗位能力近距離接軌夯實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李楠，王林，徐肖豪.桌面式機(jī)場塔臺管制仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2010（4）：41-43.

[2] 崔喧茗.塔臺管制模擬系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2017.

[3] 陸藝.空中交通管制塔臺模擬機(jī)的設(shè)計(jì)及開發(fā)探討[J].科學(xué)與財(cái)富，2017（27）：85.

[4] 卓賢林，張建偉，劉燕生.空中交通管制塔臺模擬機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C]//2003年全國系統(tǒng)仿真學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2003.

[5] 楊萬龍.空中交通管制塔臺模擬機(jī)的設(shè)計(jì)及開發(fā)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（17）：63.

[6] 崔喧茗，顧宏斌，徐正家.塔臺管制模擬系統(tǒng)研制[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（11）：44-45.