基于機場區(qū)域空域的流量驗證評估環(huán)境

何巍巍 李魏

(1.航空工業(yè)無線電電子研究所,上海 200241;2.航空電子系統(tǒng)綜合技術重點實驗室,上海 200241;3.民航空管航空電子技術重點實驗室,上海 200241)

0 引言

在全球空中交通一體協(xié)同化發(fā)展趨勢下,以國際民航組織Doc.9854為指引,美歐等航空發(fā)達國際和地區(qū)航空系統(tǒng)處于全面升級轉型的關鍵時期,下一代航空運輸系統(tǒng)(NEXTGEN)、歐洲單一天空計劃(SESAR)等革命性運行概念及其所需支撐技術,實現(xiàn)對于空中交通管理運行概念的支持[1-2]。空中交通管理是復雜系統(tǒng),新一代空中交通管理系統(tǒng)的運行、概念、規(guī)則以及相應的新技術進行實際飛行測試,風險太大,成本過高,需要通過預先建立模擬驗證平臺對其進行仿真、測試、驗證和評估[3],檢驗運行概念的安全性,檢驗子系統(tǒng)對整個空中交通管理系統(tǒng)的適應性和性能提升,檢驗各種系統(tǒng)組件的協(xié)同操作,從而調整其發(fā)展方向,規(guī)劃其發(fā)展路線,降低其發(fā)展風險[4]。

流量管理系統(tǒng)作為空中交通管理的重要組成部分,其系統(tǒng)架構、功能范疇、作用邊界、運行模式、人機交互、性能標準等方面面臨重大調整和革新。

建設機場區(qū)域空域與流量綜合優(yōu)化及評估環(huán)境ATFMIE(Air Traffic Flow Management Integration and Evaluation environment),實時監(jiān)視機場的航班運行情況,分析機場終端區(qū)的空中交通流及分布,評估和優(yōu)化機場及終端區(qū)的空中交通,通過該環(huán)境建設提出研究和解決機場交通擁堵的有效方法和途徑[5]。通過再現(xiàn)真實系統(tǒng)模擬運行的研究方法,作為分析評價現(xiàn)有系統(tǒng)運行狀態(tài)或優(yōu)化設計未來系統(tǒng)性能與功能的一種技術手段,系統(tǒng)級模擬驗證作為系統(tǒng)建設的重要依據(jù),是系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn),是技術推進的支撐。

1 ATFMIE功能需求

1.1 功能模塊

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

ATFMIE包括:空中交通流量管理監(jiān)視平臺,空中交通流量管理策略平臺,空中交通流量管理分析平臺以及運行仿真服務。平臺之間的聯(lián)動以及平臺與服務的數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)空中交通運先進仿真的技術需求,完成空中交通運行關鍵效能分行析與評估,并對空中交通流量管理的策略進行優(yōu)化和驗證,從而完成整個機場區(qū)域空域與流量綜合優(yōu)化及評估環(huán)境建設的功能。

1.2 需求能力

環(huán)境建設將需求能力劃分為流量業(yè)務研究、網(wǎng)絡控制、信息設施三大部分,詳見圖1。

1.2.1 流量業(yè)務研究

(1)機場航班運行情況監(jiān)控,包括監(jiān)控研究對象機場實時的航班起降情況。(2)機場航班起降時刻預測,包括對研究對象機場未來一段時間的航班起降進行流量預測。(3)終端區(qū)飛行流量監(jiān)控/預測,包括研究對象機場飛行終端區(qū)實時飛行情況的監(jiān)控,以及終端區(qū)未來2～6h的飛行流量預測。(4)機場航班時刻配置及優(yōu)化,能夠利用模型支持數(shù)據(jù)分析機場航班時刻的配置情況,并通過分析研究航班時刻的編排瓶頸,對航班時刻進行優(yōu)化,同時具備航班時刻飛行仿真功能[6]。(5)機場進離場需求預測及優(yōu)化,包括分析研究對象機場的進離場容流平衡情況,通過優(yōu)化解決進離場容流平衡。(6)終端區(qū)運行航跡分析,能夠分析終端區(qū)航班的飛行情況,通過分析找到終端區(qū)航班飛行的常用模式和經(jīng)驗軌跡。(7)區(qū)域空域運行效率分析,包括分析研究對象機場以及對應空域的運行效能情況。(8)機場運行效率分析,包括分析華東區(qū)域各機場的航班運行情況。

1.2.2 網(wǎng)絡控制

(1)環(huán)境具備程序控制和系統(tǒng)監(jiān)控功能,可以監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài),控制系統(tǒng)和系統(tǒng)的開關,具備一鍵開關功能。(2)具備多網(wǎng)控制功能,能夠對系統(tǒng)進行控制管理。

1.2.3 信息設施

(1)具備數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送功能,包括業(yè)務系統(tǒng)運行所需的動態(tài)數(shù)據(jù)(飛行計劃、ADS-B數(shù)據(jù)等)、監(jiān)控管理數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。(2)具備數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)集成功能,包括平臺數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理之后(例如數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)仿真)的數(shù)據(jù)交換,包括多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)的格式化集成[7]。(3)具備數(shù)據(jù)存儲功能,包括了大量飛行數(shù)據(jù)(飛行計劃、ADS-B數(shù)據(jù))和空域數(shù)據(jù)的存儲。

2 ATFMIE系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成

ATFMIE系統(tǒng)根據(jù)需求劃分成11部分,其具體系統(tǒng)組成和描述如表1所示。

2.2 運行機制

基于機場區(qū)域空域流量驗證評估環(huán)境的多級空域協(xié)調運行機制包括戰(zhàn)略階段、預戰(zhàn)術階段、戰(zhàn)術階段和事后評估階段[8],見圖2,在運行機制的各個階段分別發(fā)揮著重要作用。在戰(zhàn)略階段,機場航班時刻配置及優(yōu)化平臺發(fā)揮主要作用,優(yōu)化已有的航班時刻配置,給出戰(zhàn)略階段的優(yōu)化航班時刻列表;在預戰(zhàn)術階段,進離場容流平衡管理平臺基于已經(jīng)優(yōu)化的飛行計劃預測機場進離場需求,并給出進離場航班架次建議;在戰(zhàn)術階段,所有監(jiān)視平臺密切監(jiān)視航班的運行以及空域的狀態(tài),在機場、終端區(qū)等空域對航班流進行有效監(jiān)控和預測,包括航班時刻在機場的預測分布、以及航班在終端區(qū)的交通流態(tài)勢監(jiān)控;在事后評估階段,分析機場終端區(qū)的進離場航跡,并評估機場關聯(lián)空域以及機場本身的運行效能[9]。

表1 系統(tǒng)組成描述表Tab.1 System composition description table

圖2 運行機制流程圖Fig.2 Operation mechanism flow chart

圖3 環(huán)境建設布局圖Fig.3 Environmental construction layout map

3 ATFMIE實施

ATFMIE包括業(yè)務環(huán)境、控制環(huán)境和備份環(huán)境實施,如圖3所示。

業(yè)務環(huán)境是環(huán)境建設的主體部分,業(yè)務環(huán)境中將新建空中交通流量管理策略平臺、分析評估平臺和監(jiān)控平臺。

備份環(huán)境可通過控制環(huán)境對主/備進行自由切換,以防止主用系統(tǒng)失效帶來的負面影響。

控制環(huán)境負責控制開關設備、開關系統(tǒng)和監(jiān)控程序運行情況等。

ATFMIE環(huán)境采用半實物平臺與模型仿真相結合的實施方法,使用C/S體系結構。本環(huán)境的網(wǎng)絡結構圖如圖4所示,可以看出,環(huán)境建設需要多臺服務器,數(shù)據(jù)庫服務器用于內置模型支持數(shù)據(jù)服務、歷史數(shù)據(jù)服務,對環(huán)境數(shù)據(jù)進行存儲;網(wǎng)絡通信服務器負責對數(shù)據(jù)進行接入和處理;備份服務器負責對備份數(shù)據(jù)處理。通過局域網(wǎng)交換機/路由等設備,將業(yè)務平臺部署在整個局域網(wǎng)中,服務器負責對各系統(tǒng)發(fā)送處理數(shù)據(jù),驗證評估環(huán)境的展示和數(shù)據(jù)交互。

圖4 網(wǎng)絡拓撲分布圖Fig.4 Network topology map

4 結語

基于流量驗證評估環(huán)境用于空中交通管理項目的規(guī)劃、研發(fā)以及算法演示驗證中。從運行概念研究、協(xié)同驗證、運行效益、環(huán)境影響和系統(tǒng)效能等多角度評估運行體系,探索運行機制,根據(jù)需求,建立運行場景,以航班時刻表為輸入,在儀表飛行規(guī)則和無災害天氣下的典型日運行場景[10]。機場容量受流量控制、惡劣天氣、軍航影響等外界條件影響呈現(xiàn)動態(tài)性。基于歷史軍航活動、惡劣天氣和流量控制典型數(shù)據(jù),在基準仿真模型基礎上加入特殊場景,評估各類場景對于空域、空側的容量、保障能力和航班延誤水平的影響,為實際運行中的容流平衡管理提供運行容量決策依據(jù)。