何巍巍 李魏

(1.航空工业无线电电子研究所,上海 200241;2.航空电子系统综合技术重点实验室,上海 200241;3.民航空管航空电子技术重点实验室,上海 200241)

0 引言

在全球空中交通一体协同化发展趋势下,以国际民航组织Doc.9854为指引,美欧等航空发达国际和地区航空系统处于全面升级转型的关键时期,下一代航空运输系统(NEXTGEN)、欧洲单一天空计划(SESAR)等革命性运行概念及其所需支撑技术,实现对于空中交通管理运行概念的支持[1-2]。空中交通管理是复杂系统,新一代空中交通管理系统的运行、概念、规则以及相应的新技术进行实际飞行测试,风险太大,成本过高,需要通过预先建立模拟验证平台对其进行仿真、测试、验证和评估[3],检验运行概念的安全性,检验子系统对整个空中交通管理系统的适应性和性能提升,检验各种系统组件的协同操作,从而调整其发展方向,规划其发展路线,降低其发展风险[4]。

流量管理系统作为空中交通管理的重要组成部分,其系统架构、功能范畴、作用边界、运行模式、人机交互、性能标准等方面面临重大调整和革新。

建设机场区域空域与流量综合优化及评估环境ATFMIE(Air Traffic Flow Management Integration and Evaluation environment),实时监视机场的航班运行情况,分析机场终端区的空中交通流及分布,评估和优化机场及终端区的空中交通,通过该环境建设提出研究和解决机场交通拥堵的有效方法和途径[5]。通过再现真实系统模拟运行的研究方法,作为分析评价现有系统运行状态或优化设计未来系统性能与功能的一种技术手段,系统级模拟验证作为系统建设的重要依据,是系统发展的挑战,是技术推进的支撑。

1 ATFMIE功能需求

1.1 功能模块

图1 能力需求分解Fig.1 Capacity requirement decomposition

ATFMIE包括:空中交通流量管理监视平台,空中交通流量管理策略平台,空中交通流量管理分析平台以及运行仿真服务。平台之间的联动以及平台与服务的数据交互,实现空中交通运先进仿真的技术需求,完成空中交通运行关键效能分行析与评估,并对空中交通流量管理的策略进行优化和验证,从而完成整个机场区域空域与流量综合优化及评估环境建设的功能。

1.2 需求能力

环境建设将需求能力划分为流量业务研究、网络控制、信息设施三大部分,详见图1。

1.2.1 流量业务研究

(1)机场航班运行情况监控,包括监控研究对象机场实时的航班起降情况。(2)机场航班起降时刻预测,包括对研究对象机场未来一段时间的航班起降进行流量预测。(3)终端区飞行流量监控/预测,包括研究对象机场飞行终端区实时飞行情况的监控,以及终端区未来2～6h的飞行流量预测。(4)机场航班时刻配置及优化,能够利用模型支持数据分析机场航班时刻的配置情况,并通过分析研究航班时刻的编排瓶颈,对航班时刻进行优化,同时具备航班时刻飞行仿真功能[6]。(5)机场进离场需求预测及优化,包括分析研究对象机场的进离场容流平衡情况,通过优化解决进离场容流平衡。(6)终端区运行航迹分析,能够分析终端区航班的飞行情况,通过分析找到终端区航班飞行的常用模式和经验轨迹。(7)区域空域运行效率分析,包括分析研究对象机场以及对应空域的运行效能情况。(8)机场运行效率分析,包括分析华东区域各机场的航班运行情况。

1.2.2 网络控制

(1)环境具备程序控制和系统监控功能,可以监控系统状态,控制系统和系统的开关,具备一键开关功能。(2)具备多网控制功能,能够对系统进行控制管理。

1.2.3 信息设施

(1)具备数据接收和数据发送功能,包括业务系统运行所需的动态数据(飞行计划、ADS-B数据等)、监控管理数据的接收和发送。(2)具备数据交换和数据集成功能,包括平台数据经过预处理之后(例如数据清洗、数据过滤、数据仿真)的数据交换,包括多个数据源的数据的格式化集成[7]。(3)具备数据存储功能,包括了大量飞行数据(飞行计划、ADS-B数据)和空域数据的存储。

2 ATFMIE系统组成

2.1 系统组成

ATFMIE系统根据需求划分成11部分,其具体系统组成和描述如表1所示。

2.2 运行机制

基于机场区域空域流量验证评估环境的多级空域协调运行机制包括战略阶段、预战术阶段、战术阶段和事后评估阶段[8],见图2,在运行机制的各个阶段分别发挥着重要作用。在战略阶段,机场航班时刻配置及优化平台发挥主要作用,优化已有的航班时刻配置,给出战略阶段的优化航班时刻列表;在预战术阶段,进离场容流平衡管理平台基于已经优化的飞行计划预测机场进离场需求,并给出进离场航班架次建议;在战术阶段,所有监视平台密切监视航班的运行以及空域的状态,在机场、终端区等空域对航班流进行有效监控和预测,包括航班时刻在机场的预测分布、以及航班在终端区的交通流态势监控;在事后评估阶段,分析机场终端区的进离场航迹,并评估机场关联空域以及机场本身的运行效能[9]。

表1 系统组成描述表Tab.1 System composition description table

图2 运行机制流程图Fig.2 Operation mechanism flow chart

图3 环境建设布局图Fig.3 Environmental construction layout map

3 ATFMIE实施

ATFMIE包括业务环境、控制环境和备份环境实施,如图3所示。

业务环境是环境建设的主体部分,业务环境中将新建空中交通流量管理策略平台、分析评估平台和监控平台。

备份环境可通过控制环境对主/备进行自由切换,以防止主用系统失效带来的负面影响。

控制环境负责控制开关设备、开关系统和监控程序运行情况等。

ATFMIE环境采用半实物平台与模型仿真相结合的实施方法,使用C/S体系结构。本环境的网络结构图如图4所示,可以看出,环境建设需要多台服务器,数据库服务器用于内置模型支持数据服务、历史数据服务,对环境数据进行存储;网络通信服务器负责对数据进行接入和处理;备份服务器负责对备份数据处理。通过局域网交换机/路由等设备,将业务平台部署在整个局域网中,服务器负责对各系统发送处理数据,验证评估环境的展示和数据交互。

图4 网络拓扑分布图Fig.4 Network topology map

4 结语

基于流量验证评估环境用于空中交通管理项目的规划、研发以及算法演示验证中。从运行概念研究、协同验证、运行效益、环境影响和系统效能等多角度评估运行体系,探索运行机制,根据需求,建立运行场景,以航班时刻表为输入,在仪表飞行规则和无灾害天气下的典型日运行场景[10]。机场容量受流量控制、恶劣天气、军航影响等外界条件影响呈现动态性。基于历史军航活动、恶劣天气和流量控制典型数据,在基准仿真模型基础上加入特殊场景,评估各类场景对于空域、空侧的容量、保障能力和航班延误水平的影响,为实际运行中的容流平衡管理提供运行容量决策依据。