基于5G通信技術(shù)的現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)設計

彭文路

(華設設計集團北京民航設計研究院有限公司,北京 100000)

0 引言

機場管理需要對跑道、航站樓、塔臺、停機坪等設施的信息進行集中調(diào)控,以實現(xiàn)機場管制、空中交通管制等服務[1]。由于游客量逐年增加,對機場管理的實時性、便捷性提出了更高的要求。在設計管理系統(tǒng)方面,有許多學者研究出了相應成果。鄭清華[2]提出基于數(shù)據(jù)包絡分析的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要分為主控驅(qū)動模塊、資料監(jiān)測模塊和服務器。該系統(tǒng)利用多功能層和子程序管理資料信息,以相對較少的時間為目標,結(jié)合數(shù)據(jù)包絡分析法,實現(xiàn)資料數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)度等管理功能。陳晨[3]等提出應用大數(shù)據(jù)分析方法,選取影響管理效果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標,構(gòu)建制造執(zhí)行系統(tǒng)以采集運行數(shù)據(jù),對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行有效的分析處理,從而提升運行管理效率。但上述方法的理論在應用于機場管理時,存在響應速度慢等問題,影響了機場內(nèi)部工作效率和機場對外服務質(zhì)量。

本文引入5G通信技術(shù),借助其高速率人機物互聯(lián)的優(yōu)勢,將其應用到現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計中。利用5G通信技術(shù)替換機場管理系統(tǒng)的原有4G通信網(wǎng)絡,可大幅度增加帶寬、濾除干擾信息、增強通信質(zhì)量。采用IEEE 802.15.4構(gòu)建的5G通信協(xié)議,可以在保障數(shù)據(jù)在各通信節(jié)點之間傳輸實時性的同時,均衡分配數(shù)據(jù)傳輸量,以免通信擁堵。通過所構(gòu)建的5G通信網(wǎng)絡節(jié)點采集并傳輸數(shù)據(jù),可以增加切換網(wǎng)關(guān)模塊,從而適應飛機飛行時的動態(tài)和遠距離特性,保障通信可靠。在應用PXA310型號數(shù)據(jù)處理器的基礎(chǔ)上接入數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP)協(xié)同處理器,可以加強通信質(zhì)量、增強大量旅客服務數(shù)據(jù)荷載時系統(tǒng)的協(xié)同性,以便中央調(diào)控管理。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)的吞吐量和抗干擾性能良好,數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準確度較高,具有一定的實際應用價值。

1 現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)設計

1.1 構(gòu)建現(xiàn)代機場5G通信網(wǎng)絡

機場發(fā)布端、飛機端以及塔臺等設備之間的距離較遠,因此原有的4G通信網(wǎng)絡的通信效率和通信質(zhì)量已遠不能滿足當前需求。現(xiàn)有解決方案往往選擇5G通信網(wǎng)絡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通信網(wǎng)絡。

5G通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

機場管理系統(tǒng)的各終端工作站,如身份信息驗證臺、航班信息顯示臺、管理工作站等,都與鄰近的接入交換機連接。系統(tǒng)與離港系統(tǒng)、地面信息系統(tǒng)等其他信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流采用防火墻的存取規(guī)則進行有限通信。為保障上述功能的有效性,系統(tǒng)所采用的5G通信網(wǎng)路為2層結(jié)構(gòu),即由2個核心交換機組成的裝置層級分別承擔冗余備份和效能擴充的功能。每個存取層交換機經(jīng)雙光纖連接存取核心交換機,從而在鏈路上建立冗余備份。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和其他接口服務器均設在中央機房,與核心交換機進行連接。為了支持5G通信技術(shù)的運行,需要優(yōu)化傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡中的路由器設備,將傳統(tǒng)的4G通信路由器替換為5G通信路由器,并使用無線擴展功能將路由器的帶寬提升至1 000 MB[2]。在路由器配置過程中,必須設置入站路由和出站路由。其中:入站路由用于執(zhí)行過濾、聚合、重新排序等功能;出站路由用于指明消息處理結(jié)果的目標地址。路由器根據(jù)通信信息的內(nèi)容和規(guī)則,采用篩選器來分配。在信息到達組件前,輸入過濾器會濾除無效信息,而出口過濾器會濾除無需輸出的信息[3]。服務器、通信終端、網(wǎng)關(guān)以及優(yōu)化的路由器設備按照既定的拓撲結(jié)構(gòu)進行連接,即完成系統(tǒng)5G通信網(wǎng)絡的優(yōu)化,從而使機場各端的通信不受干擾、連接迅速。

1.2 設置5G通信協(xié)議

在5G通信網(wǎng)路部署過程中,為實現(xiàn)網(wǎng)路資料的收集與傳送,同時不增加協(xié)定欄位的標記及額外的通信代價,其在硬件設備的基礎(chǔ)上采用IEEE 802.15.4作為數(shù)據(jù)通信協(xié)議[4],并使用信標啟用通信方式。信標啟用通信方式將實時通信轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑤Y(jié)構(gòu),以保證數(shù)據(jù)不被遺漏。每幀超幀結(jié)構(gòu)通信數(shù)據(jù)包括信標幀段、信標幀間隔、超幀持續(xù)時間等。根據(jù)IEEE 802.15.4的要求,在超幀結(jié)構(gòu)中,通信數(shù)據(jù)必須滿足以下條件。

(1)

式中:t為時隙值;xt為超幀持續(xù)時間基數(shù);nsuperframe為超幀序數(shù);nbeacon為信標序數(shù)。

現(xiàn)代機場的數(shù)據(jù)通信既要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?又要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。所以由發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點主動提出同步時隙(guaranteed time slot,GTS)的請求,在優(yōu)先權(quán)優(yōu)先原則的支持下根據(jù)當前通信節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)量分配GTS和時隙資源,以降低通信通道的占用量。

1.3 采集并傳輸現(xiàn)代機場實時數(shù)據(jù)

機場管理中飛機常處于動態(tài)飛行狀態(tài),會影響通信效果。為了給現(xiàn)代機場航班信息管理功能的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持,系統(tǒng)在5G通信網(wǎng)絡與協(xié)議的支持下采集飛行狀態(tài)、旅客安檢信息等數(shù)據(jù),并傳輸?shù)较到y(tǒng)服務器終端[5]。以飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集為例,在不考慮大氣層折射影響的條件下,飛機i與通信網(wǎng)絡中心之間的距離可以表示為:

di=vcΔτtra=[(xco-xi)2+(yco-yi)2+

(2)

式中:vc為光速;Δτtra為采集信號的傳輸時間;(xco,yco,zco)為通信中心節(jié)點;(xi,yi,zi)為飛機當前飛行位置坐標[6]。

同理可以得出目標飛行飛機與任意1個通信網(wǎng)絡節(jié)點之間的距離。在已知距離數(shù)據(jù)和通信網(wǎng)絡位置數(shù)據(jù)的情況下,可以求出飛機飛行位置數(shù)據(jù)的唯一解。另外,飛機飛行速度數(shù)據(jù)的采集結(jié)果可以表示為:

vaircraft,t=(di,t-di,t-1)×Δτt

(3)

式中:di,t為t時刻飛機i的距離求解結(jié)果;di,t-1為(t-1)時刻飛機i的距離求解結(jié)果;Δτt為前后2次檢測的時間間隔。

按照上述方式,利用相應的硬件設備可以構(gòu)建飛機通信端通信節(jié)點,在5G通信網(wǎng)絡中得出機場中各節(jié)點的實時數(shù)據(jù)采集結(jié)果。采集數(shù)據(jù)加入通信隊列后,在5G通信協(xié)議的約束下,可完成實時數(shù)據(jù)的傳輸[7]。由于地面與空中通信網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關(guān)不同,在地面對空通信過程中需要切換網(wǎng)關(guān)。通過通信信道選擇、網(wǎng)關(guān)切換、服務端接收數(shù)據(jù)等步驟,即可完成現(xiàn)代機場實時數(shù)據(jù)的采集與傳輸工作。

1.4 實現(xiàn)現(xiàn)代機場航班信息管理功能

現(xiàn)代機場航班信息管理的內(nèi)容包括飛機飛行狀態(tài)、航班信息、旅客自助服務以及旅客安檢等。從現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)的應用角度出發(fā),本文選擇PXA310型號的處理器作為管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器。該處理器屬于精簡指令集架構(gòu)的64位微處理器,能夠同時處理多組不同格式的數(shù)據(jù),從而滿足現(xiàn)代機場航班信息管理數(shù)據(jù)的處理需求[8]。選擇的數(shù)據(jù)處理器的主頻能夠達到848 MHz,滿足5G通信網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的快速處理要求。為了適應現(xiàn)代機場航班信息管理數(shù)據(jù)的處理要求,系統(tǒng)在PXA310處理器的基礎(chǔ)上接入了1個DSP協(xié)同處理器。在正常運行狀態(tài)下,不啟用DSP協(xié)同處理器;若出現(xiàn)數(shù)據(jù)荷載情況時,啟用DSP協(xié)同處理器,將處理器轉(zhuǎn)換為并行運行模式[9]。在上述處理器設備的支持下,本文結(jié)合5G通信技術(shù),提高了現(xiàn)代機場航班信息數(shù)據(jù)的采集與傳輸速度與質(zhì)量,也間接提升了系統(tǒng)的機場航班信息管理效果。

航班數(shù)據(jù)具體包括航班號、起飛時間、落地時間、航站、機型等。航班的初始數(shù)據(jù)信息由客戶機前臺錄入,并檢查航班號格式的合法性、日期和時間的有效性以及航站代碼的存在性。航空調(diào)度人員根據(jù)機場機型限制和機場關(guān)閉限制條件檢查數(shù)據(jù)項是否滿足要求。如果校驗過程中發(fā)現(xiàn)錯誤,系統(tǒng)提示錯誤信息并結(jié)束操作;若未出現(xiàn)錄入錯誤,則系統(tǒng)將錄入的航班信息作為初始值[10]。航班分別設置為待飛、起飛、飛行、落地4個狀態(tài)。根據(jù)通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的采集結(jié)果,航班狀態(tài)數(shù)據(jù)按照狀態(tài)執(zhí)行順序完成自動更新。航班延誤指航班由于某種原因沒有按照公布的時刻出發(fā)或到達。航班出發(fā)延誤時間的預期過程可以表示為:

Tdelay,take=Tfog+Twind+Tcontrol+…+Tfault

(4)

式中:Tfog為大霧的持續(xù)時間;Twind為大風的持續(xù)時間;Tcontrol為空管執(zhí)行時間;Tfault為機械設備故障的維修時間。

另外,航班到達延誤時間的計算結(jié)果可以表示為:

(5)

式中:Lexpect和Lactual為飛機在相應時刻預期到達的位置和實際到達的位置;vavg為飛機的平均飛行速度[11-12]。

延誤時間通過現(xiàn)代機場管理系統(tǒng)的顯示器進行顯示。系統(tǒng)通過標記延誤時間以及預期出發(fā)或到達時間,啟動現(xiàn)代機場的廣播設備,完成航班延誤播報。

2 系統(tǒng)性能測試與分析

2.1 測試環(huán)境

系統(tǒng)測試選擇某大型機場作為試驗背景。該機場包含國內(nèi)航站樓和國際航站樓2個部分。為了降低系統(tǒng)測試難度,此次系統(tǒng)測試只選擇國內(nèi)航站樓及其包含的國內(nèi)航線作為試驗對象。選擇現(xiàn)代機場研究對象的航站樓占地面積約為620 000 m2,內(nèi)設174個機位。其中:近機位和遠機位的數(shù)量分別為56個和118個;供飛機起飛與降落的跑道共6條;每條跑道長度均為3 600 m,而寬度規(guī)格可分為45 m和60 m這2種,能夠滿足機場內(nèi)飛機起降量的使用需求。據(jù)不完全統(tǒng)計,該機場的平均旅客吞吐量約為3 400萬人次,國內(nèi)航行頻率約為12 次/天。按照硬件系統(tǒng)的設計結(jié)果,測試將相關(guān)的硬件設備安裝到現(xiàn)代機場測試環(huán)境內(nèi),并將所有的硬件設備接入5G通信網(wǎng)絡環(huán)境中。通過通信實例信號的發(fā)送與接收,可驗證硬件設備是否能夠在試驗環(huán)境中正常運行。除硬件系統(tǒng)內(nèi)部設備外,系統(tǒng)測試環(huán)境中還安裝了1個數(shù)據(jù)庫服務器以及通信信號干擾裝置。該服務器采用雙機熱備份處理方式,用于存儲系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。通信信號干擾裝置用于模擬現(xiàn)代機場環(huán)境中的手機信號干擾和飛機設備啟動干擾,并由此形成2種系統(tǒng)測試場景。場景1為無干擾場景。場景2為有干擾場景,干擾強度為5 dB。測試結(jié)合天氣情況生成現(xiàn)代機場的飛行計劃,以此作為現(xiàn)代機場航班數(shù)據(jù)樣本。現(xiàn)代機場航班數(shù)據(jù)樣本如表1所示。

表1 現(xiàn)代機場航班數(shù)據(jù)樣本

在系統(tǒng)測試過程中,可以通過調(diào)整飛行路線、控制飛行速度等方式,實現(xiàn)航班延誤并記錄航班的延誤時間。

2.2 系統(tǒng)測試過程及指標

系統(tǒng)測試試驗以黑箱形式進行。用戶在系統(tǒng)中進行各種功能的試用測試。根據(jù)系統(tǒng)測試內(nèi)容,試驗分為系統(tǒng)功能測試和系統(tǒng)性能測試2個部分。其中,功能測試就是檢測各模塊功能是否正常并通過對系統(tǒng)功能的運行情況進行分析,從而得到系統(tǒng)工作狀況。在5G通信無干擾環(huán)境下,功能測試將現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)的軟件運行程序?qū)胫鳒y設備中,觀察飛機與機場測試端之間的通信鏈路狀態(tài),并根據(jù)實時通信的飛機運行數(shù)據(jù)完成系統(tǒng)航班數(shù)據(jù)自動更新、航班延誤等管理功能。系統(tǒng)測試環(huán)境中的干擾器設備啟動后,將干擾強度設置為5 dB,按照上述操作得出有干擾環(huán)境下系統(tǒng)的運行結(jié)果。對于系統(tǒng)運行性能的測試,可以在功能運行過程中調(diào)取后臺運行數(shù)據(jù),以直接得出反映系統(tǒng)運行性能的相關(guān)數(shù)據(jù)。

更新航班數(shù)據(jù)錯誤率和航班延誤預測偏差這2個指標為系統(tǒng)功能的量化測試指標。其中,更新航班數(shù)據(jù)錯誤率的數(shù)值結(jié)果如下。

(6)

式中:Nupdate為更新的航班數(shù)據(jù)總量;Nerr為航班數(shù)內(nèi)部的錯誤數(shù)據(jù)量,具體取值可以通過顯示數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的比對統(tǒng)計得出。

另外,航班延誤預測偏差的數(shù)值結(jié)果為:

γ=|Tdelay-Tactual|

(7)

式中:Tdelay為系統(tǒng)得出的航班延誤時長;Tactual為現(xiàn)代機場對應航班的實際延誤時長。

從系統(tǒng)的運行性能方面來看,本文設置的測試指標為吞吐量。其測試結(jié)果可以表示為:

(8)

式中:β為系統(tǒng)并發(fā)數(shù);trespones為系統(tǒng)平均響應時間。

為了保證優(yōu)化設計系統(tǒng)的可行性,要求δ不得高于1%、γ不得高于5 min、系統(tǒng)運行吞吐量不得低于1 200 個/s。

2.3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,得出不同環(huán)境下系統(tǒng)管理功能測試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)管理功能測試結(jié)果

表2中的數(shù)據(jù)分別代入式(6)和式(7),可以得出:有、無干擾環(huán)境下系統(tǒng)的平均更新航班數(shù)據(jù)錯誤率分別為0.78%和0.31%;航班延誤預測偏差的平均值分別為3.38 min和1.63 min。由此可知,在有干擾通信環(huán)境下系統(tǒng)的管理功能有所下降,但依舊滿足預設要求。綜合2種試驗場景,本文以系統(tǒng)每秒能處理的用戶數(shù)量為指標,為便于記錄,每隔10 s統(tǒng)計1次結(jié)果。現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)吞吐量測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)吞吐量測試結(jié)果

由圖2可知,優(yōu)化設計的系統(tǒng)運行吞吐量的最小值為1 210 個/s,高于預設值。

3 結(jié)論

本文在5G通信技術(shù)的支持下,替換原有的4G通信網(wǎng)絡,設計了具有大帶寬、抗干擾、高通信質(zhì)量的現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明,該現(xiàn)代機場航班信息管理系統(tǒng)在有、無干擾環(huán)境下的航班數(shù)據(jù)更新錯誤率分別為0.78%和0.31%,航班延誤預測偏差分別為3.38 min和1.63 min,系統(tǒng)運行吞吐量均能夠控制在1 210 個/s以上。該系統(tǒng)為現(xiàn)代機場向智能化、自動化方向的轉(zhuǎn)變提供參考。