基于崗位需求的機場運行控制實訓系統研制

王巖韜，趙嶷飛，劉長有

（中國民航大學天津市空管運行規劃與安全技術重點實驗室，天津 300300）

基于崗位需求的機場運行控制實訓系統研制

王巖韜，趙嶷飛，劉長有

（中國民航大學天津市空管運行規劃與安全技術重點實驗室，天津 300300）

教學手段與技術的限制是機場現場指揮人才培養面臨的重要瓶頸。基于崗位需求，以仿真技術為手段，創制一套適用于機場現場運行控制的實訓系統，徹底解決長期依賴書本的單一理論學習方式，使得機場現場理論知識直接得到訓練應用，在加深理論理解的同時，鍛煉了工作崗位所需的實踐能力。

機場運行控制；實訓系統；模擬仿真

隨著民航業的飛速發展，機場所承擔的運營任務越發繁重。機場指揮員的職業能力直接決定了機場運行管理水平。在機場，現場指揮員大多由崗位傳帶培養，而在民航院校，對機場方向學生的培養，長久以來完全依靠書本，內容繁雜且各科目難以組合，降低了培養效果，培養體系中的各部分結合處的盲點更給運行安全帶來了潛在隱患。因此，亟待開發創新的教學平臺，使用更為進步的教學手段來整合教學內容，培養學生的實踐能力，滿足崗位需求。

融合了交互式3D計算機圖形學與實時模擬，可以高度逼真地模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、觸覺等行為，其兩個主要特征是“沉浸感”和“交互性”。基于仿真技術的飛行模擬器與飛行訓練裝置已經在航空飛行訓練領域得到廣泛應用，但無論國內還是國外，仿真技術應用于機場運行方面少有報道［1－5］。

本文基于崗位需求，以仿真技術為手段，研制了一套適用于機場現場運行的實訓系統，使理論知識可直接應用于實踐，加深學生對機場現場運行協調、指揮、機位分配、現場監管和應急救援等基本知識的理解，掌握實際工作的崗位實踐能力。

1 實訓系統的構建思路

實訓系統開發路線如圖1所示。實訓系統開發分為4個階段，即崗位能力分析階段、模擬訓練系統開發階段、實踐項目設計階段和評價反饋階段。崗位能力分析階段是確定整個實訓系統開發的基礎，崗位能力分析必須明確現場指揮員必須具備的基礎理論知識和實踐操作能力，明確實踐教學必須完成的訓練目的、必須達到的訓練效果，此步驟不僅直接決定了實踐課程的效果和意義，同時也是實訓系統開發前的重要的系統分析工作。在開發過程中，完成實踐教學項目的設計，是不斷完善實訓系統并反復確認實踐目標的過程。評價反饋階段不僅僅是對實訓系統的評價，也是對整個實踐教學效果的反饋階段、完善階段［6－7］。

圖1 實訓系統開發路線圖

2 實訓系統的設計與實現

2.1 系統結構設計與實現

根據崗位能力分析與實踐教學目的，本系統設計分為教師控制端（服務器端）和學生端兩部分組成，形式為一帶多，即一個服務器對應多個學生端。5個學生端構成一個模擬小組，每個模擬小組分為現場指揮席、機位分配席、模擬車輛駕駛席、模擬機長席、地面管制席，并依據需要配備機場3D場景。其中：指揮席可完成現場指揮與運行監控的訓練；機位分配席可完成機位、行李盤等資源的分配與優化訓練；車輛席可完成過站保障、多部門協同救援的訓練；管制席可完成飛機起降、滑行、推出等訓練；機長席可完成計劃申請、起降與滑行、過站等訓練；機場3D提供機坪運行場景［8－10］。

系統結構（見圖2）分為3層，最上層為教師控制端即服務器，第2層為指揮席，其他席位為第3層。第1層與第2層之間要通過局域網通信機制進行數據交換，第2層與第3層在功能上屬于同一級，但為了組內各席位之間交互方便，指揮席充當小組中的內部服務器，其他席位的數據交換均由指揮席中轉。涉及到圖形計算、數據處理均由指揮席完成，且根據運行效率系統虛擬了一個針對圖形計算、數據處理的模塊（3D場景）。

圖2 系統結構

服務器及各席位均采用Visual Studio2008（/.Net3.5 C＃語言）開發，從指揮席中分離出的3D場景數據處理模塊采用Visual C＋＋6.0開發。地面管制席采用3DS Max、Unity3D3.4開發，其中3DS Max主要用于創建3D模型，Unity3D用于搭建三維場景以及與外部進程（指揮席）進行通信。

2.2 系統軟件設計與實現

2.2.1 系統總體技術方案

系統總體技術方案采用基于Java EE的分層架構，整個系統從邏輯上分為Java EE服務層、框架層、應用層、系統管理層、本地操作系統服務層5層，如圖3所示。

圖3 結構設計圖

（1）Java EE服務層。為框架層提供中間層服務，包括EJB管理、JNDI、JDBC、JMS和Java Mail等，在實際環境中，這一層的服務是由Java EE的應用服務器提供的。

（2）框架層。提供公用的、與業務邏輯無關的服務，它由許多可重用的構件構成。框架層設計為可和業務構件層的各種業務構件雙向調用能力，實現軟件的集成能力。

（3）應用層。實現具體的業務處理，它又包括以下5個子層：表示層提供基于WEB環境的用戶界面，包括HTML頁面、JSP頁面以及客戶端Applet接口能力；交互層提供表示層和業務構件層的連接和使用控制，包括授權和請求分派；業務構件層提供各類具體的直接面向用戶操作的業務構件；外圍系統接入提供居于XML格式的Web Service標準接口，供外圍系統使用；數據庫層保存各類業務數據及支撐數據。

（4）系統管理層。包括系統運行時監控和用戶管理，故障維護能力。

（5）本地操作系統服務層。是Server端的操作系統層，根據我校具備的現有條件，操作系統采用Windows Server系列產品。

數據庫系統是構建系統平臺的核心部分，選擇SQL Server 2005數據，以滿足本系統在應用擴展中的數據類型復雜、數據量龐大，數據一致性、實時性、可靠性要求高的特點。考慮到系統平臺對中間件的需求，使用Web sphere應用服務器作為高端的系統配置，TOMCAT應用服務器作為低端的系統配置方案。

2.2.2 系統應用技術架構

系統應用技術架構分為6層［11］，如圖4所示。

圖4 系統應用技術架構圖

（1）客戶層。系統用戶設備和界面，包括基于瀏覽器的瘦客戶端和基于用戶界面的胖客戶端應用。

（2）交互層。用戶和系統之間的交互管理，提供用戶層的展現邏輯和對應用層的訪問接口，也包括單點登錄、會話管理、用戶輸入的邏輯校驗等功能。

（3）應用層。業務邏輯的接口，實現業務流程的控制，是業務領域層的服務接口。

（4）業務領域層。根據業務需求進行抽象的業務對象模型，包括業務規則和邏輯處理的實現。

（5）資源訪問層。對系統的各種資源和外部系統統一的訪問邏輯的實現。

（6）資源層。各種信息系統資源，例如：RDBMS、文件系統、原有系統、消息服務、郵件服務、交易服務中間件等。

各層之間的交互與通信方式如圖5所示。

2.3 機位分配的算法設計

在模擬運行過程中，機位分配是一個重要的環節。機位分配在系統使用中分為兩種模式：一種是純手動分配與調整，用于航班量較小時，重點訓練機位分配理論與技能；另外一種用于航班量較大時，系統首先預分配，此后再針對由于流量控制、天氣、過站保障等原因導致的機位沖突進行手動調整和優化，此種模式與實際工作方式完全一致。

圖5 層間交互通信方式

隨著機場停機位分配問題的持續研究，民航業內目前使用的分配方式有基于旅客滿意度與基于機場運營角度的兩大類優化方式。本系統一定程度上綜合了前期的科研成果，建立了機位分配問題優化模型，并運用選擇性能優越、收斂性能良好的遺傳算法進行求解，最終得到較為合理的停機位分配結果［12－15］。

2.3.1 機位空閑時間最均衡

機位優化算法要具有一定的能力來處理突發情況，為突發狀況提供處理的緩沖時間。因此可以將機位空余時間方差最小化為其中一個優化目標。目標函數F1設計并簡化為

式中：n是航班的總數量；p為停機位的個數；sik為航班i到達k機位時此停機位的空閑時間；sˉ為各個停機位的平均空閑時間；SSk表示完成所有服務后的機位空閑時間，也就是每個機位上分配到的最后一架航班的離港時間與航班時刻表中的最后一架航班的離港時間之間的差值。

2.3.2 旅客行走距離最小值

較短的行走距離可以提高旅客的滿意程度，因此將旅客行走距離的最小值作為一個優化目標。目標函數F2為

式中：qj1j2表示從j1停機位到j2停機位時的需要轉移的旅客數量；fk表示旅客到達k停機位過程中所需行走的距離；若航班i被分配到停機位k時yik為1，否則為0。

2.3.3 大型停機位最合理的使用

大機位的充分利用能夠保證大型航空器及早分配機位，避免旅客滯留，所以大機位的最大充分利用作為優化目標。目標函數F3為

式中：wik是指機型大小與機位大小的匹配情況。當航空器i停放在機位k，并且航空器i與機位k的大小相互匹配時，wik才為0，否則為1。

2.3.4 分配到遠機位的航班數量最少化

飛機停靠遠機位需要依靠擺渡車，一般情況下擺渡車的使用會增加過站時間，降低旅客的滿意程度，所以將遠機位停放飛機的最小數量作為另外一個優化目標。目標函F4數為式中：Gi是指航班是否停靠在停機坪上，只有當航班i被分配到停機坪時，Gi值才能為1，否則為0。

2.3.5 分配到機位的重要航班架數最多

對于較重要的國際飛行、專機飛行以及國內干線飛行，優先分配機位。故將航班的優先分配作為優化目標。目標函數F5為

式中：j是指定的停機位，是個確定的值；i為航班號，并且僅當i為重要航班且停放到指定機位j時，Hij只為1，否則為0。

對于多個目標優化的機位分配問題，依據每個目標的重要性確定權重，得出最后的目標函數F為

式中：α、φ、ε、η、h是權重系數，根據前期科研成果確定具體值分別為4、1 000、1、1、5 000［16－17］。

最后，根據實訓系統的運行環境和機位開放情況等，確定約束條件，對計算過程加以限制，使用遺傳算法計算停機位分配模型，可以得出機位預分配的結果。顯示樣例如圖6所示。

圖6 機位分配結果

2.4 場景的建立及優化

系統擁有二維和三維場景，且可任意轉換。三維場景的建設工作包括場景的搭建、飛機與車輛等3D模型的建立、與外部系統的數據通信。為使系統運行順暢，模型中應盡量減少畫面的復雜度，尋求顯示實時性和畫面真實感的平衡。系統三維場景采用Unity3D進行開發，該軟件支持系統開發使用的C＃、JavaS－cript、Boo三種腳本語言。

在三維場景中，機場環境模型均以某機場為原型，以其真實尺寸進行建筑物的構建和整體的布局，并且在制作模型的過程中盡量減少實體面數，采用紋理貼圖的方式進行替代，進一步提高實景逼真度。在飛行和車輛運動過程中，離視點的位置時刻變化，根據距離視點位置的不同，模型的復雜程度也隨之改變。

此外，飛機模型還做有包圍盒（bounding box）和碰撞檢測程序，在飛機與車輛的運動中，如果包圍盒與車輛等發生碰撞干涉時，會發出警告信息，記錄并傳至服務器［18］。

3 結束語

通過實時發布的航班運行信息，機場現場運行實訓系統可動態模擬完成飛機起降與滑行、機場監控與指揮、機位分配與優化、航班過站與保障、現場應急與救援等多工種的并行演練。經過2年多的使用與完善，機場現場運行實訓系統已取得了優異的教學效果，并獲得2013年度中國民航大學教學成果一等獎。

（References）

［1］Peter B.Panfilov＊Integrating VR into Aerospace Simulation 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit AIAA［M］.2007：976.

［2］周惠，陳善廣，袁宏，等.航天視景仿真特殊效果圖形［J］.系統仿真學報，2001，11（6）：711－713.

［3］何鴻云，蘇虎.列車運行視景仿真中雨雪的模擬［J］.西南交通大學學報，2008，43（5）：610－615.

［4］張龍，張鈺勃.濕地場景的實時動態模擬［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2008，20（8）：1007－1013.

［5］王曉旺，康鳳舉，唐凱，等.飛行模擬訓練分布交互視景仿真系統研究［J］.計算機仿真，2007，24（5）：264－267.

［6］劉軍山，黃啟來，蘇學軍.基礎實驗教學平臺建設模式的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2012，29（6）：158－160.

［7］孫盾，姚纓英，范承志.實驗教學環節與創新能力培養［J］.實驗技術與管理，2012，29（6）：28－30.

［8］郭衛.機場航班運作管理信息系統設計與應用［J］.計算機工程，2005，31（13）：226－233.

［9］陳慧娜.廣州白云國際機場綜合區管理模式研究［D］.廣州：華南理工大學，2012.

［10］李牧聲，齊煥然，王奇.民航機場應急救援管理系統的設計與實現［J］.計算機工程與設計，2011，32（11）：3692－3695.

［11］鄭丹，王耀.電傳動機車控制實驗自主學習平臺設計與實現［J］.實驗技術與管理，2012，29（6）：79－82.

［12］張瑾.機場機位分配算法實現［J］.江蘇航空，2009（2）：12－14.

［13］文軍，孫宏，徐杰，等.基于排序算法的機場停機位分配問題研究［J］.系統工程，2004，22（7）：102－105.

［14］Xu J，Bailey G.The airport gate assignment problem.mathematical model and a tabu search algorithm［C］//Proceed ings of the 34th Hawaii International Conference on System Sciences.Hawaii，2001：102－111.

［15］田晨，熊桂喜.基于遺傳算法的機場機位分配策略［J］.計算機工程，2005，31（3）：186－188.

［16］劉長有，郭楠.基于運行安全的停機位分配問題研究［J］.中國安全科學學報，2011，21（12）：108－113.

［17］衛東選，劉長有.機場停機位分配問題研究［J］.交通運輸工程與信息學報，2009，7（1）：57－59.

［18］趙向領.基于三維場景的飛行回放仿真系統研究［J］.計算機工程與設計，2012，33（4）1518－1521.

Development of airport ramp operations control training system based on occupational requirements

Wang Yantao，Zhao Yifei，Liu Changyou
（National Air traffic Safety Technology Laboratory，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

Method of teaching and technology limitation are the important bottlenecks of the airport ramp command personnel training.Based on occupational requirements，by means of simulation technology，the suitable practice training system for airport ramp operations management is established.The situation of longterm only depending on theory study with book is thoroughly changed，the airport ramp handling theory knowledge could be deeply understood and directly applied to practice，the practice ability required the by job is exercised at the same time.

airport ramp operations control；training system；simulation

V355.2

A

1002－4956（2014）1－0060－05

2013－05－21 修改日期：2013－07－05

國家科技支撐計劃項目（2011BAH24B10）；中國民航大學教育教學改革研究重大課題（xjz2012003）

王巖韜（1982—），男，天津，碩士，講師，系副主任，研究方向為飛行運行控制與優化調度系統模擬仿真.

E－mail：yt－wang＠cauc.edu.cn