空管虛擬仿真實驗教學平臺設計

張亞宜 劉永欣 白鵬

摘要：民航院校空中交通管理人才的培養，實踐訓練是必不可少的關鍵環節。依據機場管制課程教學特點，采用虛擬現實技術，構建以機場塔臺視景仿真為中心，通過虛擬現實、分布式實時計算、復雜系統仿真、空中交通管制模擬和信息處理等技術手段，真實再現塔臺管制的工作環境，為課程教學提供一個真實的虛擬仿真實驗教學平臺，解決無法在實際環境開展課程實驗教學的局限性。

關鍵詞：空中交通管理;機場管制;虛擬仿真;實驗教學平臺

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0103-03

0 引言

空中交通管理（簡稱空管）是民用航空交通運輸體系的核心組成部分，空管人員擔負著維持飛行秩序、提高空域資源利用效率、行使我國主權、配合航空運營者減少營運燃油成本、降低污染排放、提高航班正點率等重要責任[1-2]。空管專業人才培養質量的高低直接關系到飛行安全和空中交通的正常運行。為實現空管專業人才高質量培養，除需要加強空中交通運行理論、規范知識外，還應將上述知識綜合應用，內化為應對復雜空中交通環境下針對多目標運行控制快速反應和決策能力，為此，實踐訓練極其重要[3-4]。機場管制課程是學生職業能力訓練的專業核心課程之一。按照中國民航局頒布的《中國民用航空空中交通管制培訓管理規則》（CCAR70）中的行業教育培訓標準，本課程教學包含大量的實驗課時。然而，零差錯、高風險的行業特點決定了真實崗位實驗教學的不可實現性。而購置崗位機場管制設備，因其高投入、高成本、高消耗等問題，作為院校也同樣無法實現。構建機場管制虛擬仿真實驗教學平臺是解決此課程實驗教學的唯一途徑[5]。

1 平臺功能

機場管制保障的范圍是機場場面和終端區的運行，這是航空安全重點區域，也是造成整個航班運行延誤和直接航空運輸成本增加的重要區域。隨著航空運輸的高速發展，大型繁忙機場由于存在復雜的拓撲結構、地面交通協同調度、高吞吐量的飛行流量以及相鄰管制單位之間高負荷的管制協調，需要不斷改進管制方式和飛行程序、優化場面交通引導與控制等手段實現，同時，還需要保障在惡劣天氣影響下的機場管制運行和應急響應處置機制。為此，這就要求機場管制實驗教學平臺能夠逼真模擬各種情境，學生通過有針對性的進行反復、詳盡的分析驗證和演練，提高管制協同調配以及對新程序、新技術的適應能力。

1.1 硬件配置

實驗平臺設備外觀結構及布局與現實崗位設備完全對接，使學生熟悉實際崗位工作席位環境，并正確使用機場管制設備。

1.2 管制員與模擬機長之間的語音通信與話音記錄功能

訓練學生應對各種管制區域情景時準確使用術語和無線電通話技術，向航空器適時發布正確指令，如：為起飛航空器發布空中交通管制（ATC）放行許可，為起飛、著陸航空器正確實施管制等。能正確調配機場機動區的航空器和車輛，發布飛行情報、交通活動情報和相關機場情報，與進近或區域管制部門及時協調，正確進行通信移交、管制移交，正確安排交通活動的優先順序，有效防范、處置跑道侵入事件，高效使用機場空域和跑道等。

1.3 實現機場管制虛擬場景的真實再現

包括機場場面航空器滑行、跑道、滑行道、機坪、燈、機場周圍標志性建筑物及周邊環境和障礙物等。場景模擬的主要元素有能見度、云層、天空、機場燈光、航空器/車輛位置和姿態、航空器燈光等。平臺提供具有大型機場塔臺管制虛擬操作環境，可以模擬白天黑夜，春夏秋冬，各種氣象狀況（霧、云、雨、雪等），特情處置（一發失效、起落架故障、跑道入侵）等，以適用各種不同的實驗目的。

1.4 實現航空器的操縱與運動控制功能

具有方便的指令輸入系統，通過對指令的識別判斷，實現對航空器的精確操縱和運行軌跡的控制。

1.5 實驗練習編輯功能

滿足課程實驗教學大綱實驗項目輸入編輯需要。用于教師對實驗訓練項目的編制，新實驗項目的開發等。

2 平臺架構

機場管制虛擬仿真實驗教學平臺按實驗操作角色分類：包括受訓管制員席位、模擬機長席位、教員與系統運行控制席位、數據準備席位以及模擬內話子系統五部分，見圖1。其對應的技術實現包括機場塔臺管制席位終端系統、航空器操縱系統、教員管理系統、模擬內話系統、視景生成與管理系統和視景支撐系統六個模塊。

2.1 機場塔臺管制席位終端系統

由雷達顯示終端、飛行計劃顯示終端、實時氣象顯示終端以及場面監視顯示終端組成，實現飛行計劃顯示與處理、雷達顯示與處理、氣象自動觀測和場面監視功能，由管制學員完成操作。

2.2 航空器操縱系統

提供終端區及機場場面飛機和車輛運行態勢綜合顯示，設計有豐富、靈活和高效的管制指令輸入系統，系統對輸入的指令進行合法性檢查通過后，發送到飛機運動仿真計算子系統，操縱多架飛機仿真運行，實現對塔臺管制范圍內飛機活動提供靈活、簡便的交互操作，支持模擬機長學員席位。

2.3 教員管理系統

對應數據準備與分析席位和運行控制席位，主要實現系統運行控制、訓練計劃編輯、飛行運行仿真計算和空管特征數據分析統計分析等功能，支持教員席位。

2.4 模擬內話系統

實現對陸空通話和空管直通電話的綜合調度以及話音記錄功能，由語音通信接口、模擬內話系統服務軟件和模擬內話系統客戶端軟件組成。

2.5 視景生成與管理系統

實現三維場景實時渲染功能、場景渲染控制功能、復雜自然現象的模擬功能、特情場景的模擬與渲染功能和多通道同步實時繪制功能等，構造和實時顯示機場真實場景，保證場景的真實感與機場實際情況相吻合。

2.6 視景支撐系統

包括視景模型庫和特效模塊軟件，模型庫為視景生成提供需要的視景模型，特效模塊軟件用于視景特效、特殊場景現象、特殊自然現象以及飛行特情仿真的需要。

3 技術實現

現代信息技術與虛擬技術的應用為平臺功能實現提供了保證。機場管制虛擬仿真平臺是借助計算機技術、系統仿真技術、電子和機械技術等現代高新技術逼真地再現空中交通管制的實際工作環境，利用模擬的方法進行空管訓練，以較低的成本換取良好訓練效果的一種計算機模擬仿真系統。系統采用虛擬現實技術構建以機場塔臺視景仿真為中心，通過虛擬現實、分布式實時計算、復雜系統仿真、ATC管制模擬和信息處理等技術手段，真實再現塔臺管制的工作環境，構成一套人在回路的復雜實時仿真系統[6]，為學生實驗提供一個真實的虛擬仿真訓練環境。

實現平臺模塊功能，攻克的關鍵技術包括：（1）多通道視景生成和驅動。多通道視景生成和驅動系統需完成地景數據庫和目標模型的建立以及實時場景的生成管理，根據中心服務器主機發送來的飛機位置、姿態及運行軌跡、氣象參數等，實時產生相匹配的圖像，為塔臺管制模擬練習提供所需的場景。系統需正確描述視景中各種實體的幾何形態、相互位置和運動關系，同時必須基于實體的材質、紋理、環境氣象和光照以及實體間的行為交互等進行大量的計算，通過圖形生成器生成RGB信號傳給顯示系統，在屏幕中顯示出來。（2）系統實時通信網絡支持環境。機場管制虛擬教學仿真平臺對實時性有極高的要求，為此必須選用實時網絡產品來實現圖形發生器和終端設備之間的通訊。實時通信軟件采用以太網，接收來自終端的控制信息，并將數據發送到視景系統。（3）基于管制指令的飛機性能仿真計算。模擬機長席位根據管制席位發出的指令執行控制地面和空中航空器目標運動。本系統需要對管制指令進行指令解析，然后依照飛機性能數據庫實時仿真計算航空器位置姿態等參數，在每個系統周期內，將計算結果發送會中心服務器。（4）課程模擬訓練計劃編輯。教師按照課程實驗教學大綱，可以編制各類訓練計劃。編輯功能包括航班飛行計劃、車輛調度計劃、特情及氣象條件等，具有完整的機型和車輛數據庫，支持高仿真逼真度的仿真運行計算，計劃編輯支持批量計劃的生成，支持EXCEL格式飛行計劃數據導入模式，為教學提供方便。

4 教學效果評估

目前機場管制虛擬仿真實驗教學平臺在教學中發揮著重要作用。現有機場塔臺視景可精確重現北京、天津、西安、重慶、青島、廈門等地區機場空管工作場景，具有使學生切實體驗到身臨其境的沉浸感，提高了學生的學習熱情與積極性，教學效果良好，增強了行業對畢業生的認可度。

5 結語

機場管制虛擬仿真實驗教學平臺徹底解決了高等院校空管專業學生培養中實驗環節教學問題，具有成本低，實用性強的特點。為空管人才培養提供了重要保證，為更好滿足現代民航空管人才與崗位能力近距離接軌夯實基礎。

參考文獻

[1] 李楠，王林，徐肖豪.桌面式機場塔臺管制仿真系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2010（4）：41-43.

[2] 崔喧茗.塔臺管制模擬系統關鍵技術研究及系統實現[D].南京：南京航空航天大學，2017.

[3] 陸藝.空中交通管制塔臺模擬機的設計及開發探討[J].科學與財富，2017（27）：85.

[4] 卓賢林，張建偉，劉燕生.空中交通管制塔臺模擬機的設計與實現[C]//2003年全國系統仿真學術年會論文集，2003.

[5] 楊萬龍.空中交通管制塔臺模擬機的設計及開發[J].科技創新與應用，2015（17）：63.

[6] 崔喧茗，顧宏斌，徐正家.塔臺管制模擬系統研制[J].數字技術與應用，2016（11）：44-45.