基于軟交換技術的新型通信系統在空管模擬仿真實驗室的應用

白 鵬，趙嶷飛，張亞宜

（中國民航大學 空中交通管理學院，天津 300300）

空中交通管理（air traffic control，以下 簡稱“空管”）是對航空器的空中活動進行管理和控制的業務［1］。空管起源于上世紀30年代，空管方法由原先的程序管制發展到雷達管制，伴隨著計算機、自動化方面研究應用的深入，空管的自動化程度越來越高［2－3］。

由于空管對于航空安全有直接的影響，所以空管學員在進行管制活動前，必須經過空管模擬系統的訓練，在取得空管執照后方能持照上崗［4］。空管模擬仿真系統不僅仿真度高，而且能夠通過飛行計劃編輯功能設置不同的模擬管制特情，使得此類系統得到了廣泛的應用。

1 現有模擬仿真通信系統介紹及分析

目前中國民航大學空中交通管理學院使用的空管模擬仿真系統主要來自法國的泰雷茲集團、中國的四川大學研發團隊和本院研發基地。其中，國內研發的空管模擬系統均基于Windows操作系統，國內空管模擬系統的研究與發展使得空管學員訓練的成本大大降低［5］，也成為了各航空院校的首選。在中國民航大學2011年承辦的第三屆中國民航空管技能大賽中使用的空管模擬仿真軟件系統為我校自主研發。該系統運行穩定［6］，可以代表國內空管模擬仿真的先進水平。

在空管模擬仿真系統中，語音通信是空管管制員與飛行員之間溝通的直接載體，現階段通信系統的通信功能由硬件實現。在圖1所示的硬件通信端控制面板中，左上角的鍵盤設備為硬件通信端的控制面板，通過操作控制面板來選擇不同的通信對象，完成訓練任務。

圖1 硬件通信設備圖

硬件通信系統存在如下缺點。

（1）建設與維護成本高。現有的硬件通信系統需要單獨設置線路，并且需要配合水晶頭耳機、腳踏或手持通信閉合裝置使用，硬件的建設成本和維護成本較高。

（2）對場地設施的要求高。由于現階段通信系統相對獨立，除對操作臺的構造有一定的要求外［7］，還需要在實驗室的建設前期對通信系統線路的鋪設做出規劃。

（3）擴展的自由度低。由于受到硬件設備的限制，模擬仿真實驗室擴容時，仍需購置相應的設備，并且隨著系統的不斷更新，造成的新舊設備 不兼容等問題也愈加嚴重。

上述情況反映了在空管模擬仿真系統中存在的問題，這給實驗室的管理和維護造成了諸多不便。開發性能穩定、易于維護的新型通信系統，對于空管模擬仿真實驗室的管理與維護的意義重大。

2 軟交換技術優勢分析

軟交換技術的核心思想是將硬件設備軟件化，通信對象之間通過標準協議來進行連接［8］。軟交換主要處理實時性業務，內容包括語音、視頻等多媒體，應用環境包括基于IP的網絡、ATM網絡以及電路交換網絡［9］。

對于空管模擬仿真實驗室，軟交換技術具有很大優勢，主要表現在3方面。

2.1 大集成性與分布性

隨著空管模擬仿真技術的不斷提升，由塔臺、進近、區域以及機場現場協同運行的實驗室仿真環境被引入實踐訓練［10］，大規模多媒體數據處理將對空管自動化系統帶來前所未有的挑戰，而軟交換技術的優勢之一即為實現語音、視頻的數據融合，能夠充分滿足各種網絡數據處理要求，具有足夠的前瞻性。

此外，當前基于硬件客戶端的通信系統由于需要獨立的線路設施，對于場地的要求也很嚴格，而軟交換技術可以采用服務器群的集聯方式，通過網絡線路達到異地通信的目的。與其集成優勢結合，可以搭建出大容量、多類型數據的通信平臺。

2.2 兼容性與可擴展性

隨著空管仿真實驗室的新建與增容，新舊設備的兼容性問題將直接影響實驗教學工作。軟交換技術可以通過不同版本的對接、升級，使通信系統成功并軌［11］；同時，軟交換技術在擴展方面的優勢將降低實驗室管理、維護工作的難度，并且可以通過網絡線路直接運行，無需單獨鋪設線路，對場地、操作臺的要求大大降低［12］。

2.3 節約維護成本

由于空管自動化設備規模擴大，維護成本將增加。以我院空管模擬仿真實驗室為例，目前包括程序管制、雷達管制、機場管制，機場現場的通信客戶端數量為194個。2013年，學院的空管實驗中心獲評國家級實驗教學示范中心，到2015年，新的空管教學綜合實驗樓將交付使用，屆時模擬仿真實驗設備的通信客戶端數量預計將達到600個。軟交換技術的應用可以節約大量手持閉合裝置、腳踏閉合裝置與水晶頭耳機的購置與維護費用。

3 軟交換應用方案

3.1 通信系統架構

如圖2所示，通信系統的網絡架構可以分為服務器群和監視席、網絡層和客戶端層。

圖2 語音通信系統架構圖

（1）服務器群和監視席。這一層次主要包括飛行計劃編輯席、語音服務器和監視席，其中：飛行計劃編輯主要負責模擬飛行計劃的輸入和生成，飛行數據的存儲和發送；語音服務器負責語音系統各角色分組規劃、語音信號的傳輸、語音數據的記錄；監視席負責監視各組模擬客戶端的通信狀態，對各組語音通信的監聽，并且可以通過網絡獲取語音錄音。

（2）網絡層。網絡層根據實驗室仿真設備規模而定，由若干路由器級聯組成，負責各類設備的連接與數據傳送。

（3）客戶端層。客戶端層由模擬管制員席與模擬飛行員席組成，是訓練系統的終端，負責學員的模擬訓練任務的完成。

3.2 客戶端流程設計

圖3所示為語音通信的客戶端通信流程圖，學生通過系統登錄后，可以根據訓練要求進行模擬管制員與模擬飛行員的分組配對。

圖3 語音客戶端通信流程圖

在實際工作中，管制員與飛行員之間是通過甚高頻（VHF）信號來進行對話的，屬于半雙工的通信方式。在模擬仿真實驗中，為了模擬出實際效果，加入了語音判斷的步驟，同一分組內如果頻道已經被占用，則無法發布命令，否則語音命令將傳送給組內成員。

3.3 語音系統功能升級

（1）模擬機分組。對傳統固定的分組模式進行了升級，改革了原先空管員與飛行員1對1的訓練方式，通過軟技術的支持，可以安排空管員與多個飛行員進行通話訓練，通過加大飛行流量以增加空管員的訓練強度，提高空管員的訓練效果。

（2）添加訓練噪音。通過軟交換的支持，語音系統可以按照預先設定的時刻加入語音噪聲，例如在航空器起飛、降落時刻加入發動機的轟鳴聲；在航空器推出開車時加入拖車的背景聲；預設或隨機加入電子通信設備產生的噪聲等各類背景聲音，提高管制模擬的仿真度。

（3）錄音數據的記錄與回放。通過軟交換技術的支持，可以進行空管音頻數據的記錄，配合仿真系統的回放功能，實現空管過程的情景再現，有利于教學中對訓練效果的總結與點評。

（4）實時監視與評價。通過軟交換的支持，教員可以在監視席位隨時進入各個通信組察看，實時糾正學員在訓練中出現的管制錯誤，縮短模擬系統的訓練周期，有效提高學習效果。

4 結論與展望

我校塔臺管制模擬仿真實驗室引入了基于軟交換技術的語音通信軟件，進行了試運行，并對試運行效果進行了跟蹤及問卷調查。在發放的56份調查問卷中，對軟交換通信系統語音方面的滿意度達到了95%以上。軟交換技術的集成性、兼容性、擴展性與經濟性在空管仿真領域能夠有效支持空管人才協同運行能力的培養與提高。配合管制需要進行改造后，將對空管仿真協同運行、運行風險告警等方面起到良好的支撐作用。

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［1］張健，楊新湦，鐘涵，等.基于協同運行的空管實踐仿真體系構建與實施［J］.實驗技術與管理，2013，30（8）：141－144.

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［12］吳乃星，廖建新，徐鵬，等.一種基于軟交換的集群媒體服務器的系統結構［J］.電信科學，2004，20（7）：11－15.