集成塔臺(tái)系統(tǒng)及其應(yīng)用分析

黃真

摘要：隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，航班量逐年遞增，空中交通管制的運(yùn)行壓力的逐步上升?，F(xiàn)有獨(dú)立的空管生產(chǎn)系統(tǒng)已不能適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展。為滿足行業(yè)發(fā)展需求，現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備需進(jìn)行功能升級(jí)改造。本文從空管設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)出發(fā)，概述了集成塔臺(tái)系統(tǒng)，并對(duì)集成塔臺(tái)系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 引言

近年來(lái)，順應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，我國(guó)民航業(yè)保持著強(qiáng)勁增長(zhǎng)。2019年民航發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，全國(guó)民航運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)完成旅客吞吐量13.52億人次，同比增長(zhǎng)6.9%;全行業(yè)運(yùn)輸航空公司完成運(yùn)輸起飛架次496.62萬(wàn)架次，同比增長(zhǎng)5.8%。為滿足日益旺盛航空運(yùn)行需求，全國(guó)各地新建機(jī)場(chǎng)、改擴(kuò)建跑道及滑行道等?？展懿块T通過(guò)優(yōu)化空域結(jié)構(gòu)、增開管制扇區(qū)、建設(shè)管制運(yùn)行系統(tǒng)提高信息化處理能力等措施來(lái)匹配快速增長(zhǎng)航班量。為提高機(jī)場(chǎng)通行能力，近距跑道在各大機(jī)場(chǎng)逐步應(yīng)用，但在一定程度上增加了跑道侵入發(fā)生的概率。航班量的增加還產(chǎn)生了航班延誤、起飛排隊(duì)等待時(shí)間長(zhǎng)、碳排放過(guò)多等衍生問(wèn)題。在日常工作中，管制人員需要同時(shí)關(guān)注空管自動(dòng)化、電子進(jìn)程單、場(chǎng)面監(jiān)視、飛行計(jì)劃、CDM協(xié)同決策系統(tǒng)等多套生產(chǎn)系統(tǒng)，并在各個(gè)系統(tǒng)間進(jìn)行來(lái)回切換操作。運(yùn)行監(jiān)控、跑道安全、運(yùn)行效率、航班正常性以及節(jié)能環(huán)保等問(wèn)題逐步成為民航運(yùn)行中的突出問(wèn)題。隨著科技的進(jìn)步和系統(tǒng)集成能力的提高，集成塔臺(tái)系統(tǒng)的概念越來(lái)越為眾人所知。本文通過(guò)簡(jiǎn)述集成塔臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)集成塔臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

2 集成塔臺(tái)系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)多數(shù)管制塔臺(tái)因業(yè)務(wù)需求安裝了各類系統(tǒng)，包括飛行計(jì)劃處理系統(tǒng)、空管自動(dòng)化系統(tǒng)、電子進(jìn)程單系統(tǒng)、DCL數(shù)字放行系統(tǒng)、場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)、CDM協(xié)同決策系統(tǒng)、氣象AOWS 系統(tǒng)、停機(jī)位管理系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)等。

集成塔臺(tái)系統(tǒng)的概念即是建立以飛行計(jì)劃處理和場(chǎng)面監(jiān)視數(shù)據(jù)為主線的綜合數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，將塔臺(tái)上安裝的各類生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行集成整合，輔以各種運(yùn)行告警信息等，并以態(tài)勢(shì)界面和電子進(jìn)程單格式為展現(xiàn)形式。各類系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)、信息數(shù)據(jù)共享，形成了一個(gè)高度自動(dòng)化的信息處理平臺(tái)。其架構(gòu)圖如下圖1所示：

SSR、SMR、MLAT或ADS-B作為單獨(dú)信號(hào)源，在識(shí)別航跡時(shí)存在一定的識(shí)別錯(cuò)誤率或假信號(hào)。場(chǎng)面監(jiān)視子系統(tǒng)通過(guò)對(duì)這些信號(hào)源進(jìn)行多源融合，可以對(duì)航跡更準(zhǔn)確的識(shí)別。

集成塔臺(tái)系統(tǒng)借由數(shù)據(jù)處理平臺(tái)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)、飛行計(jì)劃處理等諸多系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間的互聯(lián)，并通過(guò)信息及數(shù)據(jù)處理層對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交互處理而實(shí)現(xiàn)共享。同時(shí)，這又不是簡(jiǎn)單的設(shè)備整合，通過(guò)底層信息交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)界面全部整合，形成全新的一套系統(tǒng)。各系統(tǒng)通過(guò)集成以后，氣象AWOS信息、CDM協(xié)同時(shí)刻以及停機(jī)位信息等均可在電子進(jìn)程單上顯示，管制席只需配備空中態(tài)勢(shì)顯示（地面席、放行席無(wú)需配備）、地面態(tài)勢(shì)顯示以及電子進(jìn)程單等人機(jī)界面。

3集成塔臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)用分析

（一）提高管制運(yùn)行效率

根據(jù)《民用航空空中交通管理規(guī)則》第二百五十九條，塔臺(tái)管制員應(yīng)當(dāng)目視持續(xù)觀察機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)航空器、車輛、人員活動(dòng)，以及起落航線和機(jī)場(chǎng)周邊航空器的活動(dòng)。在各生產(chǎn)系統(tǒng)未集成時(shí)，管制員需要關(guān)注并操作多套生產(chǎn)系統(tǒng)，注意力被分散，從而直接影響對(duì)機(jī)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的航班動(dòng)態(tài)監(jiān)控。集成塔臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享優(yōu)化了信息處理流程，減少HMI以及鼠標(biāo)鍵盤配置。一方面，可以優(yōu)化管制桌面布局，減少管制員對(duì)設(shè)備的關(guān)注和在不同設(shè)備之間的切換操作，降低誤操作風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，管制員將有更多的時(shí)間和精力對(duì)外保持目視，保證了對(duì)航班持續(xù)有效監(jiān)控。

目前，離港航班FDR的狀態(tài)激活以及落地航班的移交接收，都需要塔臺(tái)管制員在空管自動(dòng)化系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)操作。塔臺(tái)管制員需要同時(shí)操作空管自動(dòng)化系統(tǒng)和電子進(jìn)程單系統(tǒng)。系統(tǒng)集成后，相關(guān)航班的狀態(tài)接收和激活信息通過(guò)集成塔臺(tái)系統(tǒng)發(fā)送給空管自動(dòng)化系統(tǒng)。空管自動(dòng)化系統(tǒng)將跟著接到的航班狀態(tài)信息自動(dòng)激活和接收航班，管制員只需操作電子進(jìn)程單即可。這避免了管制員同時(shí)操作兩套系統(tǒng)，提高了管制運(yùn)行效率。

（二）提高跑道侵入的預(yù)警告警能力

獨(dú)立場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)的告警功能基于航空器的位置、速度以及相對(duì)位置關(guān)系，僅當(dāng)目標(biāo)間的距離低于設(shè)定的閥值后才會(huì)觸發(fā)告警。其無(wú)法將航跡運(yùn)行趨勢(shì)和空中交通運(yùn)行規(guī)則聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷。當(dāng)航空器偏離管制指令，違反運(yùn)行規(guī)則，甚至發(fā)生跑道侵入時(shí)，因系統(tǒng)集成度低、航班運(yùn)行狀態(tài)及信息缺失，導(dǎo)致獨(dú)立場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)邏輯分析做出準(zhǔn)確判斷、及時(shí)預(yù)警和告警，甚至還出現(xiàn)一些不符合跑道侵入定義的虛假告警，干擾管制運(yùn)行。例如，當(dāng)管制員給離場(chǎng)航空器發(fā)布了起飛指令，之后在存在沖突的情況下給跑道外等待的航空器發(fā)布穿越指令，這是一起典型的管制員違反空中交通運(yùn)行規(guī)則造成跑道侵入的情形。場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)因缺乏航跡狀態(tài)信息，無(wú)法認(rèn)定航跡的下一步運(yùn)行趨勢(shì)，即使在違法空中交通運(yùn)行規(guī)則情形下也不會(huì)給出預(yù)警提示。

因系統(tǒng)集成而信息共享互聯(lián)，電子進(jìn)程單系統(tǒng)中的航班狀態(tài)（包括跑道外等待、進(jìn)跑道、起飛、落地、穿越等狀態(tài)）將在第一時(shí)間發(fā)送給場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)。當(dāng)場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)獲取了航班狀態(tài)信息后，系統(tǒng)的邏輯判斷能力大大增強(qiáng)了。例如，2019年2月在華東某機(jī)場(chǎng)發(fā)生的跑道侵入事件。FDX聯(lián)邦快遞航空在跑的35R和跑道35L之間的D滑行道滑行，管制員向其發(fā)布進(jìn)跑道35R的指令。飛行員在復(fù)誦正確的情況下錯(cuò)誤的將跑道35L當(dāng)成了跑道35R，進(jìn)入了35L跑道造成跑道侵入。此時(shí)落地航空器距離接地點(diǎn)比較遠(yuǎn)，高于告警距離閥值，獨(dú)立的場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)沒(méi)有觸發(fā)告警。若是集成塔臺(tái)系統(tǒng)，則判斷此情形屬于違反運(yùn)行規(guī)則，則會(huì)發(fā)出告警。這一告警時(shí)機(jī)將先于距離閥值觸發(fā)告警。

（三）增強(qiáng)了管制員的態(tài)勢(shì)感知

根據(jù)FAA官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014至2018年，美國(guó)本土發(fā)生的跑道侵入事件中因管制員偏差造成的占比為20%左右。管制員差錯(cuò)的一個(gè)主要因素是管制員缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的態(tài)勢(shì)感知，造成了情景意識(shí)喪失或錯(cuò)誤判斷。集成塔臺(tái)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一是多源航跡融合，即通過(guò)ADS-B、多點(diǎn)定位系統(tǒng)以及二次監(jiān)視雷達(dá)等信源進(jìn)行航跡融合后，航跡的識(shí)別和計(jì)劃相關(guān)性將得到解決。管制員將通過(guò)相關(guān)航跡準(zhǔn)確的掌握航空器的位置動(dòng)態(tài)，尤其是在低能見度條件下。再則，場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)和電子進(jìn)程單系統(tǒng)之間因系統(tǒng)集成而交互，電子進(jìn)程單系統(tǒng)的航班狀態(tài)可以快速直接地發(fā)送給場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)。場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)獲取的航跡狀態(tài)信息后，可以在其顯示界面上以不同的標(biāo)牌形式或顏色來(lái)區(qū)別顯示各種航跡狀態(tài)。當(dāng)各類沖突告警發(fā)生時(shí)，告警信息將同時(shí)在場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)和電子進(jìn)程單系統(tǒng)界面上產(chǎn)生相應(yīng)視覺提醒。因此，集成塔臺(tái)通過(guò)多源航跡融合以及狀態(tài)區(qū)分顯示可以增強(qiáng)管制員的態(tài)勢(shì)感知，提醒管制員以降低工作時(shí)的出錯(cuò)概率。

（四）減少航班積壓

近些年，航班量的增長(zhǎng)導(dǎo)致了航班起飛排隊(duì)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。2018年浦東機(jī)場(chǎng)出港滑行時(shí)間平均為19.85分鐘。排隊(duì)等待起飛時(shí)，一方面航空器會(huì)消耗大量的能源，排放出大量的二氧化碳等污染物，另一方面滑行道擁堵加劇了地面運(yùn)行沖突和管制運(yùn)行壓力。泰雷茲（Thales）的Top-Sky Tower產(chǎn)品還集成了進(jìn)離港管理系統(tǒng)（AMAN/DMAN）系統(tǒng)。DMAN系統(tǒng)獲取了航班CDM協(xié)調(diào)時(shí)刻，根據(jù)離港跑道起飛效率（起飛間隔）、AMAN系統(tǒng)中的航班進(jìn)港隊(duì)列信息以及跑道頭航班的積壓情況，自動(dòng)推算出航班的離港時(shí)刻以及推出開車時(shí)間。塔臺(tái)地面席或機(jī)坪管制席可以根據(jù)這一時(shí)刻來(lái)控制航班的推出開始時(shí)機(jī)以及跑道頭排隊(duì)航班的合理數(shù)量。這不僅可以降低航空公司的運(yùn)營(yíng)成本，減少碳排放，還可以減少地面滑行航空器的數(shù)量，緩解管制運(yùn)行壓力。

4 總結(jié)與展望

集成塔臺(tái)系統(tǒng)國(guó)外相應(yīng)研究起步較早，如歐控集成塔臺(tái)工作席位項(xiàng)目小組開發(fā)的ITWP、瑞典薩博（SAAB）公司的ITWR產(chǎn)品、泰雷茲（Thales）的Top-Sky Tower產(chǎn)品等。國(guó)內(nèi)的南京萊斯信息技術(shù)、中國(guó)民航局第二研究所以及華東空管局維修中心等單位提出了集成塔臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)方案。但集成塔臺(tái)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)塔臺(tái)各類運(yùn)行系統(tǒng)因設(shè)計(jì)開發(fā)、接口標(biāo)準(zhǔn)以及廠家等因素，多數(shù)在功能、顯示和操作方面互相獨(dú)立，未經(jīng)整合。民航局空管局正在推進(jìn)集成塔臺(tái)系統(tǒng)等接口標(biāo)準(zhǔn)的制定。上?？展苤行囊舱谕七M(jìn)相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)。隨著未來(lái)技術(shù)的不斷發(fā)展，還可以考慮集成語(yǔ)音識(shí)別和人工智能技術(shù)，對(duì)管制指令進(jìn)行識(shí)別，糾正機(jī)組偏離管制指令的行為;通過(guò)引進(jìn)5G通信技術(shù)等，將機(jī)場(chǎng)周圍運(yùn)行態(tài)勢(shì)以及跑道侵入告警等信息直接發(fā)送給機(jī)組人員，提高機(jī)組人員的態(tài)勢(shì)感知能力。

隨著航班量的進(jìn)一步增加，管制運(yùn)行壓力和跑道安全問(wèn)題將進(jìn)一步突出，鑒于集成塔臺(tái)系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢(shì)，在今后的管制系統(tǒng)建設(shè)中，希望能夠進(jìn)一步推動(dòng)集成塔臺(tái)系統(tǒng)的建設(shè)步伐。