應用數字建模技術來推進新一代管制模擬機的建設

李海涼

摘? 要：雷達管制模擬機訓練日漸成為技能培養、安全管理的重要手段，但模擬機技術一直發展遲緩。文章提出一種新型的雷達管制模擬機構思，它以處理雷達運行數據為基礎，結合現代大數據挖掘進行數字建模，能夠大大提高訓練擬真度和訓練效果。

關鍵詞：模擬機;運行數據;容量評估;數字建模;大數據

中圖分類號：V355 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）24-0159-03

Abstract： Radar control simulator training has increasingly become an important means of skill training and safety management， but the development of simulator technology has been slow. In this paper， a new type of radar control simulation mechanism is proposed， which is based on the processing of radar operation data and combined with modern big data mining for digital modeling， which can greatly improve the training fidelity and training effect.

Keywords： simulator; running data; capacity assessment; digital modeling; big data

概述

空中交通管制行業具有地域跨度大、科技含量高、社會影響大等特點，雖然空中交通管制服務的產品幾乎都與航空器之間的間隔與效率有關，但其背后的原因錯綜復雜，涉及設備、氣象、人為因素、過程管理等多種范疇。管制員的經驗積累往往成為影響服務質量的一個決定因素。當經驗積累無法通過運行完成時，管理部門只能通過過程約束或模擬機訓練來完成風險控制，而模擬機訓練是最具積極意義和實效的手段。近年來，模擬機訓練在安全管理體系內的地位與日俱增，除傳統的資格培訓、設備培訓、復習培訓等內容外，管制員安全教育、自制核查、風險控制等內容也需要通過模擬機完成，這一趨勢還在逐年增加。

1 雷達管制模擬機應用現狀

1.1 背景

管制模擬機主要分為雷達（監視）管制模擬機、程序模擬機、機場（塔臺）模擬機，本文所述模擬機單指雷達（監視）管制模擬機（下文簡稱模擬機）。2013年，空管行業管理辦公室下發的《雷達（監視）管制模擬機需求技術規范》根據模擬機性能的完善性和系統技術要求的差異程度，將雷達（監視）管制模擬機分為I、II兩類，II類雷達（監視）管制模擬機能夠模擬雷達和廣播式自動相關監視（ADS-B）等監視管制所需功能和工作條件，又分A、B、C三級，其中三級能達到和實際運行系統一致的模擬水平，這個規范可行性較好，符合我國國情[1]。

在實際運行中，管制模擬機受限于技術發展，仍然有不盡如人意的地方，主要體現在仿真程度不高，特別是對“軟環境”的模擬。

“軟模擬”指對空中交通管制扇區交通流運行特征的模擬，主要包括航班計劃特征、出現點、離去點的時空特征、軌跡等。與飛行模擬器比較可知，飛行模擬器除了模擬航空器主要的設備操作，還能夠模擬飛行的軟環境及其反饋，如視覺圖像、大氣條件、滾轉顛簸等。民航現有空管模擬機一般都能較好完成對席位設備的硬模擬，如音頻、視頻交互、人機操作界面等，其軟環境模擬一般采用預編寫練習劇情的方式，通過定義一系列的航班初始條件和最后條件來模擬交通流，并可由負責教學的教員安排所需的特情劇情。

1.2 雷達模擬機應用現狀

近年來，管制模擬機對運行環境硬件的模擬程度越來越高，有些已經達到了備用設備的要求，但是管制軟環境的模擬一直進展緩慢，基本還停留在上世紀九十年代的水平，傳統模擬機的軟模擬方式，優點和缺點都很突出，主要有：

1.2.1 難度把握

預先編寫劇本能夠清晰、方便地控制練習難度和側重點，能夠預見到大部分練習過程中發生的情況。但這種方式要求編寫者根據經驗安排各類沖突出現的時間、地點，和預測受訓者的反應，對編寫者的要求較高，練習難度不易把握，適合用于重復運行和對比講解。

1.2.2 劇本泄露

劇本重復運行易造成劇本泄露，由于空中交通管制技能本身很依賴受訓者的預見性和即時反應，劇本泄露大大降低了練習的難度和訓練效果。為平衡這種缺陷，劇本編寫者不得不提高劇本難度，造成訓練與真實運行環境偏離大。根據受訓次序，首位受訓者往往感覺難度偏高，后續受訓者感覺偏低，訓練整體效果難以把握。

1.2.3 特情訓練

近年來，管制“錯、忘、漏”安全防護技術提升較快，一定程度上降低了對基本管制技能的訓練壓力，安全管理的側重點轉向特情處置能力，要求管制員能冷靜應對突發事件，模擬機應當能夠自動或者半自動仿真常見特情，并具有一定的隱蔽性。

2 利用仿真技術自動生成劇本

提高空管模擬機的軟環境模擬水平，可以采用結合預先編寫劇本和自動生成劇本兩種方式并存的方法，預先編寫劇本適合資格培訓、設備培訓、附加培訓等場合，自動生成劇本適合崗位培訓、復習培訓、補習培訓等場合。

2.1 自動生成劇本

自動生成劇本是對軟環境模擬的更復雜形式，通過一系列的環境參數設置來完成，可以認為是空域數字仿真系統的一個應用。從數據描述來看，空中交通管制的交通流可以拆分成幾組具有相同特征的4D軌跡的組合，這種特征往往可以用機場對、進離港程序為線索歸類（即傳統模擬機內的“飛行計劃模板”），并得到各軌跡的占比。在此基礎上考慮（或去除）環境變化因素的影響，如重要天氣、通行軌跡限制（部隊活動）、風險控制習慣等，就可以得到交通流的數字仿真。當運行練習時，教員只需設定幾個基本參數，如空域、同時指揮架次數、特情數量等，系統根據交通流統計數據補充虛擬航班起始時間、高度等（即傳統模擬機的編寫飛行計劃部分），就可實時生成練習，其空域運行特征與實際運行一致。

2.2 自動生成劇本的應用場合

自動生成劇本可能會產生一系列虛擬航班，但沒有任何沖突，所以自動生成劇本是不適合小流量、低難度的訓練場合，但對于復習培訓、強化技能等需要大流量背景的場合很有用。例如，在崗位帶教過程中，處于帶教后期的學員已經掌握了管制基本技能，但缺乏大流量、復雜天氣的經驗積累，而類似的場合又不被安排見習，造成所謂的“玻璃天花板”現象。如能在模擬機上進行訓練，就可以大大加快訓練進度。甚至，如果模擬機能在線記錄自動化系統數據，則能夠重放指定時段的交通流供練習，訓練效果更好。

2.3 利用多次采樣確保模擬效果

為保證管制模擬效果的準確性，僅采樣一次或數次是不夠的，我國空中交通管制環境難以準確預測，干擾因素多，同一航班在不同日期的4D軌跡差異可能較大，要建立扇區的常規環境仿真，需要對大量交通流數據進行處理，篩選出可用的模型，還能夠每隔6個月重復這一過程以適應航班時刻表的變化。目前，采用大數據建模技術能夠做到這一點，巧合的是，這種技術最常見的應用是預測和訓練，與空管管制模擬機的用途正好不謀而合。

3 采用雷達數據進行數據建模的可行性

數據建模一般分為5個步驟，分別是：選擇模型、訓練模型、評估模型、應用模型和優化模型[2]。

3.1 選擇模型

按照剝離不可控因素，空中交通管制可以看作是一類有計劃的生產行為，在一段固定的周期（航班時刻表）內是重復的，可用一個簡單的回歸模型進行描述，即A=kB，其中B是集合序號，k是落點概率，A是落點序號。

3.2 訓練模型

將數據分為訓練集和驗證集，將訓練集數據饋入所選模型，數據量越大，則計算的k值越精確，仿真效果越好。例如，截取某扇區交通流（201901011400-201901011500）的部分數據如下，將具有相同3D航跡的航班分類并統計占比如表1。

表1 交通流分類

表2 影響建模的可變因素

可見第一類占比為k=6.82%，饋入數據越大，則k值越精確。如果訓練集數據足夠大，可不進行機場對分類，將每一個機場對都作為一個分類計算k值。顯然，班期時刻表是影響k值的主要因素（但并非唯一因素）。研發能夠在線處理海量運行數據的分析系統，并在每次更換班期時刻表的節點進行重置，可以得到高度仿真的交通流模擬。

對計算機場對分類、航班號、進入點三維坐標、離去點三維坐標、軌跡、機型等數據k值進行遞進，就可以得到一類交通流子集的k值序列，其結果類似于預編寫練習方式內的“飛行計劃模板”，區別在于數據量、擬合度要大大高于后者。

3.3 評估模型

在評估模型時，應預先考察驗證集的實施條件。影響交通流的因素除了班期時刻表和飛行計劃，還有下列因素，如表2所示。

數字建模應當區分這些因素的差異，由于可變因素在總量內的占比并不高，所以可以用差異性來區分。例如，研究同一機場對的3D軌跡，k值占比最高的通常是正常航路飛行;受重要天氣影響的，其航跡軌跡k值會明顯偏低;受通行軌跡限制的，則進出點高度明顯偏離最高值，等等。

采用不同運行條件下的多個驗證集評估模型，可以有效避免復雜因素對評估的干擾。例如，選取沒有重要天氣、通行限制的日期取得的驗證數據，其結果應當符合各k值最大值的組合。

3.4 應用模型

取得了交通流的數據描述，就可以在空管模擬機上應用模型。以前述樣例（表2第一行重要天氣）來看，當選擇自動生成劇本時，系統產生一個100以內的隨機數來確定機場對，當這個隨機數落在0

3.5 優化模型

交通流模型確定以后，可根據不同的應用場景，調整模型參數為人工定義或自動生成。如果調整得當，則可大幅度提高模擬機訓練的效果。

3.5.1 崗位培訓

管制員崗位教學面臨著教員少、可訓扇區少和可訓時段少等問題。新一代模擬機的高度仿真、劇本隱蔽等特點可為崗位培訓提供良好的模擬基礎。通過調整練習的飛行量定義難度，可適應不同進度的受訓者，經過模擬機較高難度的訓練后再進行實際帶教，其效率和安全性都得到提升。

3.5.2 效果評估

傳統的模擬機教學，其教學質量的監督高度依賴教員，要求帶教過程持續仔細監控，教員的素質和一致性也會影響訓練效果。新一代模擬機可以自動監視過程，使用優選軌跡庫、離去點條件庫對訓練過程進行評估，減輕教員壓力并可以生成綜合考評分。

3.5.3 特情處置

更改部分參數可以生成相似航班號、錯誤掛單、近距告警等各種特情，適應不同的培訓要求，借助智能處理的優勢，可以大大減輕編排練習的工作量，并取得較好訓練效果。

如上所述，基于數據建模的模擬機具備多種優點，但缺點也很顯著，局部沖突的不可控、訓練時間難以把握等都是它的弊端，有這種需要的場合，就需要直接定義交通流的起始狀態，即兼容傳統劇本編輯方式，傳統為主，新技術為輔，兩者結合起來才能達到比較理想的狀態。

4 結束語

如果在將來新一代管制模擬機能結合語音識別、數據挖掘等技術，其將能提供獨立的反饋和評估，從而脫離“管制員-教員-機長”模式，達到單機運行的水平，可在標準通話訓練、受訓者特性分析方面發揮更大作用，國外如新西蘭等地已經開發出來單機運行的管制模擬機，在這方面提供了更好的思路。

參考文獻：

[1]中國民用航空局空管行業管理辦公室.AC-70-TM-2013-01.雷達（監視）管制模擬機需求技術規范[S].北京，2013.

[2]王紅衛.建模與仿真[M].北京：科學出版社，2005.