淺談面向協(xié)同的空管運(yùn)行仿真關(guān)鍵技術(shù)研究論文

　　仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性技 術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的 或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)。例如，汽車或飛機(jī)的駕駛訓(xùn)練模擬器，就是應(yīng)用仿真技術(shù)的成果。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：淺談面向協(xié)同的空管運(yùn)行仿真關(guān)鍵技術(shù)研究相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!

　　淺談面向協(xié)同的空管運(yùn)行仿真關(guān)鍵技術(shù)研究全文如下：

　　1 引言

　　20 世紀(jì)70 年代末開始，歐美等發(fā)達(dá)國家將系統(tǒng)仿真方法引入到空域和機(jī)場管理中來，一開始主要用于評估機(jī)場容量和航班延誤的研究，后來逐漸擴(kuò)展到對整個(gè)機(jī)場地面和空域管理的研究和評估。隨著我國軍民航以及通用航空的迅速發(fā)展，空中飛行流量迅速增長，空域日益繁忙和擁擠。航空活動的多元化發(fā)展趨勢，導(dǎo)致空域飛行的復(fù)雜性增強(qiáng)，對提高空中交通運(yùn)行效率提出了更高要求，空管系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行中越來越重視對仿真方法的運(yùn)用。

　　本文構(gòu)建了一個(gè)面向空地協(xié)同的空管運(yùn)行環(huán)境仿真平臺，探究復(fù)雜條件下空地協(xié)同決策中的人為因素以及協(xié)同工具的效能，為空管運(yùn)行保障機(jī)制研究，空管運(yùn)行新模式、新概念的評估驗(yàn)證，空管系統(tǒng)效能分析，空管裝備體系建設(shè)的需求分析和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及新技術(shù)在空管系統(tǒng)中的適用性與可用性等提供仿真運(yùn)行環(huán)境和評估手段，為我國空管系統(tǒng)運(yùn)行及未來的設(shè)計(jì)規(guī)劃提供技術(shù)支持。

　　2 需求分析

　　2.1 空管運(yùn)行中的協(xié)同

　　ICAO 和歐美等航空強(qiáng)國已經(jīng)提出了面向未來的下一代空管運(yùn)行新概念。ICAO 全球2020 年空管運(yùn)行目標(biāo)是在全球范圍建立一種全新的一體化、互操作和無縫隙的空管運(yùn)行模式;歐洲單一天空計(jì)劃(SESAR)中提出了“空管的運(yùn)行從基于空域的環(huán)境向基于航跡的環(huán)境轉(zhuǎn)變”、“加強(qiáng)人的核心地位”等空管新理念，安全管理和管制運(yùn)行責(zé)任從地面到空中進(jìn)行部分轉(zhuǎn)移，支持航空器的自主飛行服務(wù)能力和空地協(xié)同運(yùn)行能力;美國聯(lián)邦航空局(FAA)提出的下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)計(jì)劃( NextGen ， Next Generation Air TransportationSystem)包括三方面內(nèi)容：一體化協(xié)同運(yùn)行、空管綜合信息整合(SWIM)和基礎(chǔ)設(shè)施支撐。圍繞飛機(jī)、空間和地面設(shè)施，提高各類空管系統(tǒng)之間信息共享和自動化處理程度，支持各種業(yè)務(wù)領(lǐng)域之間實(shí)施協(xié)同決策(CDM)，利用先進(jìn)的輔助管理工具和地空信息共享，提高飛行的安全性和效率，降低能源消耗，為旅客提供更多的選擇，減少飛行時(shí)間和運(yùn)行成本，提供更多的服務(wù)內(nèi)容。

　　2.2 協(xié)同的人為因素

　　在現(xiàn)代航空活動中，人—飛機(jī)—環(huán)境是構(gòu)成航空系統(tǒng)的三個(gè)最主要的因素。無論航空器多么先進(jìn)，自動化程度有多高，“人”始終都是航空活動的主體。隨著有限空域資源的不斷消耗和競爭加劇，單純依靠擴(kuò)大空域范圍和漸進(jìn)式調(diào)整基礎(chǔ)設(shè)施已無法從根本上解決空中交通擁擠問題。協(xié)同決策(Collaborative Decision Making，CDM)就是一種通過相互協(xié)調(diào)來挑戰(zhàn)資源限制、提高空域使用率、滿足空域多方用戶需求的有效方法?？罩薪煌ü芾韰f(xié)同決策建立在機(jī)場運(yùn)營人、管制服務(wù)機(jī)構(gòu)、飛行計(jì)劃和機(jī)組等飛行運(yùn)營人、空域用戶、軍隊(duì)等參與各方之間的信息共享和公共態(tài)勢感知基礎(chǔ)之上，需參與各方的合作。協(xié)同決策中參與各方的目標(biāo)、資源和能力是信息交換和協(xié)商的基礎(chǔ)，信息交換又是操作人員之間公共態(tài)勢感知和協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。飛行員與管制員通過信息交換共同確定航空器飛行期間的所有活動及所需的合作行為?？盏貐f(xié)同決策中的人為因素是確保空中交通安全、順暢的重要因素。

　　2.3 意圖信息處理

　　現(xiàn)代航空活動是以人為中心的自動化操作，人的意圖信息直接影響到對航空器未來位置的推算。通常空管意圖信息包括飛行計(jì)劃、管制員的指令或許可(即管制意圖信息)、飛行員的操作(即飛行意圖信息)。缺少空管意圖信息而建立的航空器運(yùn)動仿真將無法反映航空器的實(shí)際飛行性能和狀態(tài)。

　　空管運(yùn)行的協(xié)同中，飛行員在駕駛航空器時(shí)的意圖、意向通過通信設(shè)備與其他航空器和地面自動化系統(tǒng)進(jìn)行交換;地面管制員保證空中航空器安全、有序運(yùn)行，防止航空器之間相撞的安全管制意圖，以及加快并保持空中交通合理、有次序流動的流量控制意圖，通過塔臺席位和管制指揮席位進(jìn)行交換，并通過網(wǎng)絡(luò)將管制意圖信息進(jìn)行共享。

　　2.4 仿真技術(shù)

　　系統(tǒng)仿真是通過建立仿真模型，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)，并模擬真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過程而得到系統(tǒng)解的研究方法。作為分析評價(jià)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或優(yōu)化設(shè)計(jì)未來系統(tǒng)性能與功能的一種技術(shù)手段，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、電子、通訊等眾多領(lǐng)域，成為許多復(fù)雜系統(tǒng)工程分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、評估等不可缺少的重要手段。系統(tǒng)仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性新技術(shù)。仿真按所用模型的不同，分為數(shù)學(xué)仿真、半實(shí)物仿真和物理仿真三種類型。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的數(shù)學(xué)仿真，又稱計(jì)算機(jī)仿真，若有實(shí)物接入模型，稱為半實(shí)物仿真。

　　空管運(yùn)行仿真用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、仿真管理和空管運(yùn)行綜合評估的數(shù)學(xué)仿真，用塔臺模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席進(jìn)行半實(shí)物仿真?？展苓\(yùn)行仿真應(yīng)具有通用性，能滿足各種運(yùn)行條件下的仿真需求，既要符合空中交通運(yùn)行規(guī)則，又要能夠調(diào)整仿真評估粒度，可以進(jìn)行不同層次、不同粒度的全局性宏觀仿真和微觀仿真。確保仿真結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，提高建模與仿真的效率，提升系統(tǒng)模型的柔度是空管運(yùn)行仿真的重要方面。

　　3 關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 系統(tǒng)集成技術(shù)

　　空管運(yùn)行環(huán)境仿真是一個(gè)包括從飛行到管制、從空中到地面、從航路到機(jī)場的一體化的大型空中交通仿真系統(tǒng)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為具有大量、復(fù)雜、高精度、費(fèi)時(shí)的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，要求具有高速運(yùn)算能力、高速數(shù)據(jù)交換能力、大容量的數(shù)據(jù)存儲能力以及高速圖形圖像顯示能力。參考HLA 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，空管運(yùn)行環(huán)境仿真構(gòu)建以RTI 為核心的分布式網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，滿足交互實(shí)時(shí)性、時(shí)間一致性、系統(tǒng)層次性和傳輸可靠性等的要求，支持席位之間的互操作性和建模與仿真資源的可重用性，實(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行體系評估平臺各分系統(tǒng)之間，以及各分系統(tǒng)與半實(shí)物仿真平臺的各席位之間的協(xié)同交互，并為今后可能接入的半實(shí)物仿真系統(tǒng)預(yù)留接口。

　　3.2 飛行流仿真

　　空管運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)是合理有效的飛行流，在飛行流仿真過程中，不僅要在概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真需求分析航班流的分布特征，確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)概率分布模型，包括起降機(jī)場的離散分布模型、各機(jī)場航班起飛時(shí)間的泊松分布模型、機(jī)型配比的離散分布模型等，而且要對照實(shí)際飛行過程的管制運(yùn)行規(guī)則和突發(fā)事件影響情況，對生成的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合校驗(yàn)，使得航班流數(shù)據(jù)偏差在仿真需求允許的容差范圍以內(nèi)。

　　3.3 4D 航跡推算

　　一切空管運(yùn)行都是基于4D 航跡來展開的。4D 航跡推算不僅要根據(jù)航空器狀態(tài)信息(速度、高度、位置、加速度、航向等)、航空器性能數(shù)據(jù)(載重、爬升率等)、環(huán)境信息(風(fēng)、溫度、壓力等)和飛行計(jì)劃進(jìn)行推算，同時(shí)要考慮空中交通規(guī)則、管制指令和機(jī)組飛行意圖等因素對4D航跡的影響，而且在不同的飛行階段要與進(jìn)離場航線、航線相吻合。4D 航跡推算準(zhǔn)確度越高，仿真評估結(jié)果的可信度也就越高。

　　3.4 飛行姿態(tài)計(jì)算

　　飛行器在空中的運(yùn)動，在一定的假設(shè)條件下，可以視為理想剛體的運(yùn)動，遵循剛體的基本運(yùn)動規(guī)律。與一般剛體運(yùn)動相比，飛行器運(yùn)動較為復(fù)雜，可以分解為3 個(gè)力和3 個(gè)力矩共6 個(gè)自由度來建立其運(yùn)動方程。在飛行模擬中，針對飛行過程建立數(shù)學(xué)模型是一個(gè)關(guān)鍵問題，飛行動力學(xué)建模的目的是為了完成飛機(jī)6 個(gè)自由度剛體運(yùn)動方程的解算，綜合飛機(jī)所受的各種力和力矩，如隨著燃油消耗而變化的飛機(jī)質(zhì)量、重心以及慣性力矩，隨絕對高度變化的高空風(fēng)大小和方向，發(fā)動機(jī)推力和地面接觸力等，計(jì)算出飛機(jī)的線速度和角速度并且將其轉(zhuǎn)化為飛行的6 個(gè)自由度的變化值，以此得出飛機(jī)的飛行狀態(tài)，完成飛機(jī)飛行姿態(tài)的模擬仿真。

　　3.5 運(yùn)行評估

　　指標(biāo)體系是評估工作的核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行體系評估的具體可操作化的行為指南。要實(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行體系的準(zhǔn)確評估，必須建立一套完整的能夠全面反映我國空管運(yùn)行特點(diǎn)的評估指標(biāo)體系，包括評估維度的確定、評價(jià)指標(biāo)的選取、指標(biāo)權(quán)重的確定以及評價(jià)指數(shù)的計(jì)算4 個(gè)步驟。指標(biāo)體系的建立必須多方面、多角度、多層次，能夠反映空域管理使用、空管運(yùn)行效能、軍民航運(yùn)行協(xié)調(diào)、空管空防一體化、空管運(yùn)行安全和空管系統(tǒng)保障等各方面，研究與確定指標(biāo)體系的構(gòu)成與權(quán)重是一項(xiàng)評估是否科學(xué)的首要步驟，而評價(jià)方法的選擇是構(gòu)建空管運(yùn)行指標(biāo)體系后非常重要的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外進(jìn)行綜合評價(jià)的常用方法有評分評價(jià)法(指數(shù)法)、模糊綜合評價(jià)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法等，結(jié)合空管運(yùn)行實(shí)際，我們采用灰色綜合評價(jià)方法進(jìn)行多指標(biāo)評價(jià)。

　　4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　空管運(yùn)行環(huán)境仿真主要包括兩部分：空管運(yùn)行體系評估平臺和半實(shí)物仿真平臺。空管運(yùn)行體系評估平臺根據(jù)仿真需求，將生成的仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給半實(shí)物仿真平臺進(jìn)行空管運(yùn)行仿真，并根據(jù)半實(shí)物仿真平臺的空管運(yùn)行態(tài)勢和空管運(yùn)行特征進(jìn)行空管運(yùn)行綜合評估。

　　空管運(yùn)行體系評估平臺由任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)、仿真管理分系統(tǒng)、空管運(yùn)行綜合評估分系統(tǒng)和空管運(yùn)行評估支撐分系統(tǒng)組成。任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)根據(jù)空管運(yùn)行仿真需求，編輯、設(shè)定仿真場景和各類模型參數(shù)，生成合理有效的飛行流。仿真管理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行控制、4D 航跡推算、飛行沖突探測解脫以及飛行姿態(tài)計(jì)算等功能?？展苓\(yùn)行綜合評估分系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)、分析空管運(yùn)行態(tài)勢和特征，實(shí)現(xiàn)空管運(yùn)行概念評估驗(yàn)證、協(xié)同機(jī)制評估驗(yàn)證、空管運(yùn)行安全評估、空管運(yùn)行效益評估、環(huán)境影響評估、空管裝備建設(shè)需求評估和空管系統(tǒng)效能評估等功能。

　　半實(shí)物仿真平臺由塔臺模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席等組成。塔臺模擬器根據(jù)軍民航塔臺的管制范圍、管制方式和管制流程，真實(shí)再現(xiàn)機(jī)場塔臺管制復(fù)飛和起落航線的各個(gè)環(huán)節(jié)，并與飛行模擬器和管制指揮席一起構(gòu)建成完整的空管交通仿真系統(tǒng)。飛行模擬器用于支持仿真環(huán)境下的航空器運(yùn)行，與塔臺模擬器和管制指揮模擬席進(jìn)行空地協(xié)同信息交互，包括軍航飛行模擬器、民航飛行模擬器、通航飛行模擬器和無人機(jī)控制模擬器。管制指揮模擬席是管制中心實(shí)施空域運(yùn)行管理、飛行流量管理、管制指揮和飛行服務(wù)的工作平臺，顯示空域運(yùn)行態(tài)勢、飛行流量態(tài)勢和空管運(yùn)行特征，模擬實(shí)現(xiàn)軍航管制中心、民航管制中心、通航飛行服務(wù)站和對空射擊管理終端的空管業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能。

　　4.2 仿真流程

　　空管運(yùn)行仿真是由飛行流驅(qū)動的，因此飛行流引擎仿真是關(guān)鍵。為了使仿真貼近實(shí)際，進(jìn)而提高仿真評估結(jié)果的可信度，在飛行流仿真過程中不僅要充分考慮空中交通管理邏輯，以足夠的精確度再現(xiàn)全局客觀的空中交通現(xiàn)象，而且還應(yīng)能模擬如奧運(yùn)等事件引發(fā)的局部流量增加的航班飛行流，實(shí)現(xiàn)對空管系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件能力的科學(xué)評估。航跡管理是空管運(yùn)行的核心，一切行為活動都是基于4D 航跡來展開的，4D 即航班的經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間。

　　4D 航跡涵蓋了航班從起飛、爬升、巡航再到下降、降落的全過程中關(guān)鍵點(diǎn)的位置、高度和時(shí)間。航跡預(yù)測研究通常采用兩種算法，一是基于卡爾曼濾波或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等估計(jì)算法的無參數(shù)方法;二是建立飛行器模型, 進(jìn)行飛行模擬。本文采用第二種算法即建立飛行器模型進(jìn)行航跡預(yù)測，這也是目前航跡預(yù)測研究的主流算法。影響航跡預(yù)測的因素包括飛機(jī)性能、飛行計(jì)劃、飛行意圖、空中交通規(guī)則、大氣環(huán)境及飛機(jī)狀態(tài)等。

　　飛行仿真模擬是典型的人在回路仿真系統(tǒng)，空管運(yùn)行仿真不僅要根據(jù)作用在飛機(jī)上的力和力矩計(jì)算出飛機(jī)的6 個(gè)自由度飛行姿態(tài)信息，還要模擬管制員與飛行員之間的空地協(xié)同信息，以此完成飛機(jī)的飛行模擬仿真，在塔臺視景模擬器和管制指揮模擬席等半實(shí)物仿真平臺顯示空管運(yùn)行態(tài)勢，在空管運(yùn)行體系評估平臺進(jìn)行空管運(yùn)行特征統(tǒng)計(jì)分析和效能評估。

　　5 結(jié)論

　　通過建立空管運(yùn)行環(huán)境仿真平臺，從運(yùn)行概念研究、協(xié)同機(jī)制驗(yàn)證、空管運(yùn)行安全、運(yùn)行效益、環(huán)境影響和現(xiàn)行空管系統(tǒng)效能等多角度評估空管運(yùn)行體系，能夠?yàn)閮?yōu)化現(xiàn)有空管系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和配置，提高系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平，探索未來運(yùn)行機(jī)制，并指導(dǎo)后續(xù)空管系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)我國空管系統(tǒng)建設(shè)由技術(shù)推動型向需求牽引型過渡，為提升空管系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行效益提供技術(shù)支持。