監(jiān)視數(shù)據(jù)在全國(guó)流量管理系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)研究

馮 巖,張震亞,丁娜娜

(南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司,江蘇 南京 210014)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,中國(guó)已成為僅次于美國(guó)的全球第二大出港航班量最繁忙的國(guó)家,日益增長(zhǎng)的航班出行需求與航班延誤的矛盾日益突出。根據(jù)飛常準(zhǔn)App發(fā)布的“2019年全球機(jī)場(chǎng)&航空公司準(zhǔn)點(diǎn)率報(bào)告”,2019年中國(guó)大陸地區(qū)機(jī)場(chǎng)實(shí)際出港航班量達(dá)480.23萬(wàn)架次,出港準(zhǔn)點(diǎn)率為75.57%,起飛平均延誤時(shí)長(zhǎng)28.11分鐘[1]。為有效降低航班延誤,提高空管安全水平和運(yùn)行效率,中國(guó)民用航空局空中交通管理局于2018年開(kāi)始建設(shè)全國(guó)流量管理系統(tǒng),并已于2021年6月正式啟用。該套系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)中央流量管理平臺(tái),通過(guò)采集、存儲(chǔ)和處理全國(guó)范圍內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)全民航單位的整體協(xié)同決策。

全國(guó)流量管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容覆蓋空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司及各級(jí)流量管理單位,采集數(shù)據(jù)的類型包括監(jiān)視數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、航行情報(bào)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等[2]。本文將結(jié)合全國(guó)流量管理系統(tǒng),詳細(xì)論述監(jiān)視數(shù)據(jù)在該系統(tǒng)中的信號(hào)引接和處理方法。

1 監(jiān)視數(shù)據(jù)引接

我國(guó)的流量管理機(jī)構(gòu)分為全國(guó)級(jí)、地區(qū)級(jí)和執(zhí)行級(jí)3個(gè)層次[3],要引接的監(jiān)視數(shù)據(jù)涉及多個(gè)管理生產(chǎn)單位和多種類型數(shù)據(jù)源系統(tǒng),為兼顧效率、分散風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)符合我國(guó)現(xiàn)有的流量管理模式,全國(guó)流量管理系統(tǒng)中的監(jiān)視數(shù)據(jù)引接按照分區(qū)、分級(jí)的架構(gòu)設(shè)計(jì),如圖1所示。

圖1 全國(guó)流量管理系統(tǒng)監(jiān)視處理架構(gòu)

二級(jí)節(jié)點(diǎn)部署在各地區(qū)局,負(fù)責(zé)收集本區(qū)域內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)輸出的綜合航跡(含區(qū)管自動(dòng)化系統(tǒng)、大型終端區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)、分局中低空自動(dòng)化系統(tǒng)和未接管高空自動(dòng)化系統(tǒng))、場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)輸出的綜合航跡、ADSB二級(jí)數(shù)據(jù)中心輸出的綜合航跡。二級(jí)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)視數(shù)據(jù)前置處理和航跡融合后,形成二級(jí)節(jié)點(diǎn)的綜合航跡。二級(jí)節(jié)點(diǎn)的綜合航跡除用于本節(jié)點(diǎn)外(如若二級(jí)節(jié)點(diǎn)與一級(jí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中斷,二級(jí)節(jié)點(diǎn)仍可使用本區(qū)域的綜合航跡),也通過(guò)數(shù)據(jù)引接子系統(tǒng)傳輸至一級(jí)節(jié)點(diǎn),以便做進(jìn)一步的航跡融合。

一級(jí)節(jié)點(diǎn)部署在民航局空管局三中心,如圖2所示,該節(jié)點(diǎn)除引接各分局二級(jí)節(jié)點(diǎn)輸出的綜合航跡信息外,還引接了民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司提供的ADS-B一級(jí)數(shù)據(jù)中心的輸出航跡(境內(nèi)ADS-B數(shù)據(jù))、境外ADS-B數(shù)據(jù)(暫未接入)、民航空管設(shè)備保障基地提供的ACARS(Aircraft Communications Addressing and Reporting System)數(shù)據(jù)(用于境外航班補(bǔ)盲)。一級(jí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)視處理子系統(tǒng)同時(shí)接收上海飛行計(jì)劃集中處理中心輸出的全國(guó)飛行計(jì)劃,用于與全國(guó)監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行計(jì)劃自動(dòng)關(guān)聯(lián)。同時(shí),一級(jí)節(jié)點(diǎn)也支持人工相關(guān)/去相關(guān)飛行計(jì)劃功能,值班人員可人工維護(hù)異常的掛牌航班。一級(jí)節(jié)點(diǎn)的綜合航跡除用于本節(jié)點(diǎn)外,也通過(guò)數(shù)據(jù)引接子系統(tǒng)傳輸下發(fā)至各二級(jí)節(jié)點(diǎn)。

圖2 監(jiān)視處理子系統(tǒng)(一級(jí)節(jié)點(diǎn))

2 監(jiān)視數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)視數(shù)據(jù)特點(diǎn)

與空管自動(dòng)化系統(tǒng)引接的原始雷達(dá)數(shù)據(jù)不同,全國(guó)流量管理系統(tǒng)引接的監(jiān)視數(shù)據(jù)有其自身的特點(diǎn),主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1.1 更新周期

全國(guó)流量管理系統(tǒng)引接的監(jiān)視數(shù)據(jù)更新周期不同。一般情況下,自動(dòng)化系統(tǒng)輸出綜合航跡周期為4秒或8秒,場(chǎng)監(jiān)、ADS-B系統(tǒng)輸出的綜合航跡周期為1秒。但在實(shí)際引接中發(fā)現(xiàn),部分自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新周期為16秒或20秒,ACARS位置數(shù)據(jù)更新周期為2分鐘,遠(yuǎn)大于其他監(jiān)視源。監(jiān)視數(shù)據(jù)更新周期不一致或更新周期過(guò)長(zhǎng),全國(guó)流量管理系統(tǒng)在航跡融合處理時(shí),易出現(xiàn)目標(biāo)分裂/不穩(wěn)定、位置回跳/漂移等現(xiàn)象。

2.1.2 協(xié)議格式

常見(jiàn)的綜合航跡的輸出格式有ASTRIX CAT 062,CAT 010,CAT 021和MH 4008。其中MH 4008協(xié)議格式中,數(shù)據(jù)項(xiàng)I 003/042(用直角坐標(biāo)計(jì)算的目標(biāo)位置)表示的直角坐標(biāo)位置范圍為[-1024,+1024](單位:千米),因此使用MH 4008協(xié)議引接的航跡范圍不應(yīng)超過(guò)1024 KM。另外,MH 4008協(xié)議中含數(shù)據(jù)項(xiàng)I 003/181(表示降落機(jī)場(chǎng)),但未有數(shù)據(jù)項(xiàng)表示起飛機(jī)場(chǎng)。因此在引接監(jiān)視數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)盡量配置ASTRIX CAT 062格式,避免使用MH 4008格式。

ACARS數(shù)據(jù)輸出格式為XML,包含航班號(hào)、經(jīng)緯度、起降場(chǎng)和發(fā)送時(shí)間信息等。需要注意的是,ACARS數(shù)據(jù)中的航班號(hào)使用二字碼表示,為實(shí)現(xiàn)與其他空管監(jiān)視源的統(tǒng)一,系統(tǒng)處理前須將航班號(hào)的二字碼轉(zhuǎn)換為三字碼。

2.1.3 時(shí)延

全國(guó)流量管理系統(tǒng)引接的各地監(jiān)視數(shù)據(jù)時(shí)延大小不同,主要原因有:(1)部分監(jiān)視源系統(tǒng)輸出的綜合航跡經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)引接至全國(guó)流量管理系統(tǒng),中間鏈路或系統(tǒng)增多,加大了信號(hào)延遲。(2)部分監(jiān)視源系統(tǒng)輸出的綜合航跡經(jīng)過(guò)串口引接至全國(guó)流量管理系統(tǒng)。受串口帶寬的影響,可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或延遲的情況。(3)一級(jí)節(jié)點(diǎn)引接的ADS-B數(shù)據(jù)中心輸出的綜合航跡延遲較小(小于1秒),引接的二級(jí)節(jié)點(diǎn)輸出的綜合航跡延遲偏大(二級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)視數(shù)據(jù)的融合處理產(chǎn)生了一定的延遲)。

監(jiān)視數(shù)據(jù)時(shí)延大小不一致,全國(guó)流量管理系統(tǒng)在航跡融合處理時(shí),易出現(xiàn)目標(biāo)分裂/不穩(wěn)定、位置回跳/漂移等現(xiàn)象。

2.1.4 數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容

相對(duì)原始雷達(dá)數(shù)據(jù)源,自動(dòng)化、場(chǎng)監(jiān)系統(tǒng)輸出的綜合航跡含有飛行計(jì)劃信息(航班號(hào)、地址碼、起降場(chǎng)等),ADS-B數(shù)據(jù)中心輸出的綜合航跡含有S模式數(shù)據(jù)。全國(guó)流量管理系統(tǒng)引接的監(jiān)視數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容更豐富,有助于系統(tǒng)更準(zhǔn)確地進(jìn)行航跡相關(guān)和“掛牌”處理,但也會(huì)帶來(lái)一定的干擾,以航班號(hào)為例:(1)同一目標(biāo),不同監(jiān)視源航跡中的計(jì)劃航班號(hào)不一致。可能的原因是,管制區(qū)外的航班相關(guān)了錯(cuò)誤的飛行計(jì)劃。(2)計(jì)劃航班號(hào)與S模式航班號(hào)不一致,可能的原因是,飛行員輸錯(cuò)或遺漏航班號(hào)中的數(shù)字/字母,或使用二字碼、機(jī)尾號(hào)等作為航班號(hào)。

2.2 監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號(hào)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容的準(zhǔn)確性和全面性,是正確處理監(jiān)視數(shù)據(jù)的前提。全國(guó)流量管理系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)方面對(duì)監(jiān)視源信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià):(1)鏈路的通斷、數(shù)據(jù)的有無(wú)。(2)數(shù)據(jù)誤碼率及錯(cuò)幀數(shù)。(3)數(shù)據(jù)延遲大小。(4)關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容缺失占比。(5)與實(shí)際偏差較大或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)項(xiàng)占比,如航班號(hào)不正確、空中目標(biāo)速度明顯偏小等。

3 監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

3.1 目標(biāo)相關(guān)、融合

與空管自動(dòng)化系統(tǒng)不同[4],全國(guó)流量管理系統(tǒng)中的目標(biāo)相關(guān)和融合算法有其自身特點(diǎn)。

(1)全國(guó)范圍內(nèi)航班二次代碼重復(fù)的幾率增加,因此,航跡相關(guān)時(shí),二次代碼的權(quán)重應(yīng)降低,航班號(hào)、地址碼、起降場(chǎng)的權(quán)重可適當(dāng)增加。對(duì)于少量未掛牌航班,目標(biāo)位置、高度、速度、航向等可作為目標(biāo)相關(guān)的重要因子。

(2)綜合航跡的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容盡量選擇同一數(shù)據(jù)源,避免在不同數(shù)據(jù)源反復(fù)切換選擇,綜合航跡產(chǎn)生數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容跳變的情況。一般情況下,管制區(qū)內(nèi)航班的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容的準(zhǔn)確性高于管制區(qū)外的航班。因此,可通過(guò)判定當(dāng)前航班所屬的管制區(qū),從而優(yōu)選該管制區(qū)信號(hào)源數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容作為綜合航跡的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容。

(3)監(jiān)視數(shù)據(jù)源更新周期、延遲大小等不同,目標(biāo)融合算法可結(jié)合目標(biāo)航向、航跡更新時(shí)間等信息,增加防回跳、防分裂的處理機(jī)制。

3.2 航跡與飛行計(jì)劃關(guān)聯(lián)

全國(guó)流量管理系統(tǒng)中航跡與飛行計(jì)劃關(guān)聯(lián)算法也與空管自動(dòng)化系統(tǒng)不同,主要在以下方面。

(1)全國(guó)范圍內(nèi)航班二次代碼重復(fù)的概率增加,因此,航跡與飛行計(jì)劃關(guān)聯(lián)時(shí),關(guān)聯(lián)因子中航班號(hào)、地址碼、起降場(chǎng)的權(quán)重可適當(dāng)增加,二次代碼的權(quán)重應(yīng)降低。

(2)飛行計(jì)劃中地址碼存在填錯(cuò)的可能,如目標(biāo)無(wú)航班號(hào),但有地址碼標(biāo)識(shí)時(shí),不可將地址碼作為相關(guān)飛行計(jì)劃的唯一關(guān)聯(lián)因子,可結(jié)合二次代碼和航路檢查等共同判斷。

(3)航跡與飛行計(jì)劃時(shí),關(guān)聯(lián)因子不同,在航路檢查時(shí),可使用不同的偏差門(mén)限。如目標(biāo)帶有航班號(hào)標(biāo)識(shí)時(shí),航路檢查的偏差門(mén)限可適當(dāng)增加;如目標(biāo)無(wú)航班號(hào)標(biāo)識(shí),僅有地址碼或二次代碼標(biāo)識(shí)時(shí),航路檢查的偏差門(mén)限可適當(dāng)減小。

(4)全國(guó)流量管理系統(tǒng)中接入了全國(guó)的飛行計(jì)劃,同一航班可能存在多條預(yù)激活或正在執(zhí)行的飛行計(jì)劃。在空管自動(dòng)化系統(tǒng)中,當(dāng)有多條飛行計(jì)劃與目標(biāo)關(guān)聯(lián)時(shí),系統(tǒng)給予管制員提示,由管制員人工相關(guān)正確的飛行計(jì)劃。在全國(guó)流量管理系統(tǒng)中,飛行計(jì)劃中的SOBT(Scheduled Off-Block Time)和EOBT(Estimated Off-Block Time),也被作為航跡與飛行計(jì)劃關(guān)聯(lián)的參考因子。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段,全國(guó)流量管理系統(tǒng)已經(jīng)匯集了涵蓋高空、中低空以及部分場(chǎng)面的監(jiān)視數(shù)據(jù),相信在不久的未來(lái),更多的場(chǎng)面監(jiān)視數(shù)據(jù)和境外監(jiān)視數(shù)據(jù)會(huì)接入該系統(tǒng)。更大范圍監(jiān)視數(shù)據(jù)的接入,需要系統(tǒng)具備更大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、存儲(chǔ)以及更優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理能力。目前,全國(guó)流量系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)航跡的應(yīng)用較多,存儲(chǔ)的歷史航跡應(yīng)用較少。未來(lái),通過(guò)對(duì)海量歷史航跡的數(shù)據(jù)挖掘[5],并結(jié)合氣象信息、飛行計(jì)劃、環(huán)境信息等數(shù)據(jù),可進(jìn)一步輔助流量管理決策,降低航班延誤率和延誤時(shí)間。