劉芳

民航東北地區(qū)空中交通管理局，遼寧 沈陽 110043

淺談新縣銀河灣國際花園小區(qū)邊坡治理工程設計

分析模擬自由飛行系統(tǒng)性能和適應性的技術

劉芳

民航東北地區(qū)空中交通管理局，遼寧 沈陽 110043

新自動技術被并入空中交通管理系統(tǒng)之前，需要經(jīng)過大量的分析和驗證。不但功能示范而且確定所有系統(tǒng)性能和可靠性都需要這種分析和驗證。運行驗證的危險和成本阻礙了它的正常使用。尤其是驗證系統(tǒng)的適應性--強制蓄意發(fā)生嚴重的失誤來確保它們能夠合理的掌控。幸運的是，本篇論文描述了用于評估在終端區(qū)飛行時所使用的各種自動技術的性能和適應性而設計的模擬系統(tǒng)。它同樣也提出了一些關于系統(tǒng)使用的初步結論。

飛機自動裝置與性能模擬機；線程；拓撲

Abstract

before new automated technologies can be incorporated into the air—traffic-management system, they need to be analyzed and tested extensively. This analysis and testing is required not only to demonstrate functionality, but also to deterrmine overall system performance and dependability. The risks and costs of operational testing preclude its routine use, especially to test system survivablity where intentional serious failures will be forced to occur to ensure that they are handled properly. Fortunately, simulation provides a practical alternative. This paper describes a simulation system designed to assess the performance and survivability of various automated technologies in terminal area flight. It also presnts some preliminary results of the system’s use.

Keywords

Flight Automation & Performance Simulator(FLAPS);thread; topology;

1 FLAPS系統(tǒng)

1.1 結構

FLAPS是通過使用被稱作RAPTOR的網(wǎng)絡模擬裝置系統(tǒng)所建立。RAPTOR提供的主要機能是對象的實施和他們之間的相互作用。對象是通過用戶所提供的代碼片段建立的程序, 然后這些程序再按照RAPTOR設計的線程被執(zhí)行，每個對象建立一個線程。每個對象的線程可以確保每個對象都以真正并行的方式進行操作。因此在模型當中演示出在任意真實系統(tǒng)中固有的非確定性。

線程實施的另一個主要優(yōu)勢就是為所使用的模擬裝置的實際硬件提供了充分的利用。由于線程是由操作系統(tǒng)進行分配，大部分模擬裝置都擁有大量的線程（對象），所有現(xiàn)存的處理系統(tǒng)設備都盡可能地保持繁忙狀態(tài)。

對象之間的相互作用通過內存信息傳遞來實施。任意對象都能夠與其它的對象通過在目標對象的輸入信息緩沖區(qū)進行交流。它便于快速計算。

在許多情況下，模擬機所需求的飛機組合的具體結構將統(tǒng)一標準。為了簡化一些模擬裝置的構建，F(xiàn)LAPS還具有一些額外的功能——它能產(chǎn)生必要的拓撲和與所需飛機數(shù)量剛好的相同文件建立鏈接。

1.2 空域

空域有三個主要的組成部分：機場、航路和飛機類型。這三項組合在一起使FLAPS軟件用戶模擬他們想要研究的任何空域的飛行。

1）機場：機場數(shù)據(jù)文件中輸入機場組件詳細規(guī)定了已標識進入空域的交接點，表明跑道空域邊界的四個角。另外，跑道號和位置的格式以及作為表示機場跑道經(jīng)驗的飛機負載。結合這些參數(shù)為機場提供完整描述。

2）航路：機場文件設立交接點和跑道入口，而空中航路文件提供方法來規(guī)劃從交接點到跑道的具體航路。如果用戶沒有模擬終端區(qū)，空中航路只定義了飛機需要遵循當飛機飛越空域時的路線。

3）飛機類型：定義了不同的飛機類型和他們的特征，像速度限制、尾流間隔要求等等。這些數(shù)據(jù)的使用是靠模擬管制按照具體的交通流量趨勢來產(chǎn)生不同的飛機類型，把飛機不同的性能考慮在內用飛機的性能來模擬現(xiàn)實飛行。

1.3 模型控制

模型控制提供了一種機制，用戶憑此通過FLAPS中的空域來管理飛機流量。模型控制把模擬參數(shù)文件輸入進去——它定義了飛機的分布、交通荷載要求和全部模擬時間。模擬參數(shù)提供基礎的框架——飛機類型、交接點的選擇，每架飛機使用的跑道是由以參數(shù)文件中提供的概率為基礎的組件隨意產(chǎn)生的。

1.4 虛擬空域

當空域組件允許用戶指定空域結構，空域結構的內部演示儲存在虛擬空域組件里。坐標網(wǎng)格是為了標注指定空域里的交接點、匯聚點、跑道和航路。當飛機進入或離開某空域時，虛擬空域通過在坐標網(wǎng)格上標明他們的方位來追蹤他們的航跡。飛機能夠檢索前后飛機的信息以及通過查詢這個組件來確定是否違反間隔距離。因為數(shù)據(jù)需要各種各樣的自動算法，空域中的所有飛機位置的部分歷史航跡都儲存在虛擬空域中。

虛擬空間組件提供了隱藏飛機活動細節(jié)的方法，因為當每架飛機顯示出它的速度和飛行時間時就能提供了它的新位置。這使得未來的動力發(fā)動機更容易細化。虛擬空域提供了飛機的中心位置，它作為模擬裝置的一部分可以申請交通信息并指出周圍環(huán)境的狀態(tài)，同時提供了抽象飛機活動機制。

1.5 進程

進程是指由RAPTOR基于拓撲文件創(chuàng)建的單個線程。目前在FLAPS中有兩種主要線程類型：飛機性能和地面管制性能。飛機性能模擬了飛機的工作狀態(tài)，而地面管制性能模擬了管制員的工作狀態(tài)。

飛機性能：在拓撲文件中定義的每架飛機都與飛機性能有關。飛機性能的主要特性包括：（1）進入某個空域前等待從地面激活信息；（2）與周圍的飛機和地面建立必要的通訊聯(lián)系；（3）真正實施不同的自動算法，如自我間隔。因此，這種性能有責任把產(chǎn)生的速度咨詢傳輸?shù)教摂M空域來移動飛機。最后，這種性能也可以處理任何外部輸出所需的數(shù)據(jù)。

1.6 地面管制性能

這種性能提供管制塔臺或ATC中心管制特定空域所具備的所有性能。例如：為了實現(xiàn)自我間隔，地面管制有責任為飛機進入空域時提供序列號。

1.7 薄弱環(huán)節(jié)及其癥候

FLAPS提供的主要特征之一是有能力驗證單個算法以及整個系統(tǒng)的適應性。為允許驗證它的適應性，F(xiàn)LAPS包含兩個重要設備。第一個是有能力把具體的薄弱環(huán)節(jié)與系統(tǒng)中的具體對象聯(lián)系起來。薄弱環(huán)節(jié)是指組件中有可能發(fā)生的潛在“問題”。第二個重要設備使得應用試驗在模擬過程中具備產(chǎn)生癥候的能力。值得注意的是使用的短語是“癥候”，而不是“故障”。這種理念使得用戶推出了源于故障的重要癥候。因此，用戶提供的易受影響的組件軟件決定了它們所受的影響。

2 FLAPS 和自我間隔

由于FLAPS被研發(fā)成作為分析自由飛行運算的一個平臺，系統(tǒng)通過研發(fā)特殊自我間隔的樣板來評估。自我間隔是每一架飛機在沒有地面管制的幫助下保持他們自身和其他航空器之間的間隔。

自我間隔算法：目前對自我間隔運算的研究操控板載單個飛機并提供有限的速度咨詢。今天所考慮的包括在分布式空中地面交通管理概念中的基礎算法是由Abbott研發(fā)的。Abbott的自我間隔的算法是基于timeto-go間隔的概念。time-to-go間隔背后的理念是對于每一架飛機按照預先定義的時間間隔的量來跟進前機。例如：如果預先定義的時間間隔為△，現(xiàn)在的時間為t，然后任何一架飛機在t時間時所在的位置應當和這架飛機在t-△時間時是相同的。

任何特定的飛機在t時間時和在預期的位置的差異被認為是距離誤差。然而，當出現(xiàn)距離誤差時飛機需要偏離名義速度更正此錯誤。自我間隔算法在偏離所允許的名義速度的量上設置了限制；正常的話，限制在10%的名義速度以內來保證飛機適當?shù)仄x空域所規(guī)定的速度，這些限制有可能引起飛機難以達到間隔的要求。

自我間隔的方法可以用代數(shù)的方法來表示：

（2.1）速度=基礎速度+速度誤差；

（2.2）速度誤差=0.01×Gain1×誤差范圍—Gain2×Delta加速度；

（2.3）范圍誤差=航空器位置—基礎位置；

（2.4）Delta加速度=本機的加速度—其他航空器的加速度；

飛機來完成時間間隔的實際速度△通過2.1等式來計算。用計算機來計算速度的必備數(shù)據(jù)通過2.2，2.3和2.4等式的計算來提供。在等式2.1中基礎速度是所給定航路的名義速度或是指當本機與其它航空器的時間間隔趨于△時的航空器速度。基礎位置是在t-△時的交通位置或是基于最小間隔距離的目標位置。Gain1和Gain2，由Abbott確定的經(jīng)驗常數(shù)各自是2.5/英尺和2.5秒。

為了讓飛機保持在名義速度周圍的約束額定速度之內，需要實施對算法的檢查。編碼方程2.5應用于：

（2.5）如果（速度＞名義速度+偏離速度），速度=名義速度＋偏離速度；

如果（速度＜名義速度﹣偏離速度），速度=名義速度﹣偏離速度；

在飛行期間限制超過額定轉速的最大的總偏差，該算法還對最大的速度變化限制在任何給定的速度命令內。這是保持平穩(wěn)飛行，以提供合理的加速/減速。FLAPS模擬器通過使用公式2.6實現(xiàn)目的：

(2.6) 如果速度（速度誤差>的車速限制）錯誤=車速限制

如果速度（速度誤差<車速限制）錯誤=車速限制

這些方程相結合，提供了一個自我間距算法的實施。伴隨著這種算法分析功能，它的實施也被用于評估FLAPS模擬器。

對自我間距算法的重要觀察發(fā)現(xiàn)之一是，根據(jù)每個模擬裝置隨機產(chǎn)生的交通分布的不同，沖突的數(shù)量差別很大。另一個觀測發(fā)現(xiàn)是指在監(jiān)視顯示器時，由于速度的限制，飛機無法以足夠快的速度來避免沖突的發(fā)生，一旦飛機加速就會超過范圍錯誤。在算法中做一些修改，提前使速度減小來應付這種情況的發(fā)生。此外，速度修改以外的技術可以用來幫助實現(xiàn)正確的間距。例如，使用橫向機動，會增加或減少路徑的長度，必要時將有助于控制間距。自動飛行管理仍能有長足的發(fā)展，可以開發(fā)出更好的解決方法。

這種分析有助于對間距的算法的初步了解，又能對FLAPS的能力進行探索研究。FLAPS很容易實現(xiàn)該算法并能簡單定義具體航班和交通概況。FLAPS是一個有用的平臺，用于測試各種自由飛行算法。

3 結語

飛行自動化性能模擬器為不同的飛行管理自動化計算程序的仿真建模提供了一個平臺。然后將這些模型用來測試單個計算程序的功能性，可行性，性能和適應性。它還提供了一個簡單的方法在逼真的環(huán)境中來實施和評估多個自動化的互動，例如：自我間距和匯聚。FLAPS的主要優(yōu)勢包括：準確地反映不同空域的能力，模擬任意數(shù)量的飛機，根據(jù)時間控制空域內飛機密度，顯示不同飛機類型以及其局限性，和各種各樣的模擬系統(tǒng)故障。

FLAPS生存性分析的能力，是一個中央設施。一旦自動化系統(tǒng)被普遍使用，就要求該系統(tǒng)在所有情況下適用。軟件的性質就是這樣，很容易錯過在測試過程中的重大案件，特別是涉及與其他外部系統(tǒng)的相互作用的情況下。假設有外部和內部元件失誤，它提供了一個獨特的能力——對此進行研究所產(chǎn)生算法的行為能力。

為了提供這個系統(tǒng)的初步評價，研發(fā)了自我間距算法的模型。自我間距算法定義為在終端區(qū)域內從一個切入點到跑道之間的某個固定航徑上飛行飛機的間距。目前，它并不適用于匯聚或多個跑道。算法分析的初步結果表明，由于在單一航線上飛機之間的沖突率很高，所以需要進一步提高模擬算法。

[1] September 2001, APO Data System, Federal Aviation Administration, http://www.apo.data.faa.gov/faatafall.htm

[2] September 2001, Free Flight , Federal Aviation Administration, http://ffp1.ffa.gov.

[3] Abbott, Terence, 2001, Advanced Speed Control Law for Airborne, In-Trail Separation, Hampton, VA,Distributed Air/Ground Traffic Management Research Intiative, NASA’s Langley Research Center.

[4] Knight, John, Kevin Sullivan, 2000, On the Definition of Survivability, University of Virginia,Department of Computer Science, Technical Report CS-TR-33-00， http://www.cs.virginia.edu/~jck/publications/tech.report.2000.33.pdf

[5] Jun 2001, Raptor Simulator, Survivability Research Group, University of Virginia, http://www.cs.virginia.edu/~survive/raptor.

[6] Rowe, Brian, 2002, design and Implementation of a Display Device for Models of Free Flight Algorithms, Senior Thesis, School of Engineering and Applied Science, University of Virginia.

[7] NASA Langley Reaearch Center, 2000, Distributed Air/Ground Traffic Management Concept Element 11 Research Plan, Hampton, VA, Distributed Air/Ground Traffic Management Reaearch Initiative.

Simulation Technology for free flight System Performance and Survivability Analysis

Liu Fang
Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation in Northeast,Liaoning,Shenyang,110043

淺談新縣銀河灣國際花園小區(qū)邊坡治理工程設計

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.017

劉芳 作者單位：民航東北空中交通管理局

單位地址：沈陽桃仙機場東北空中交通管理局航管樓管制中心雷達模擬機室 出生年月：1974年2月5日 性別：女 學歷：大學本科 職稱：中級工程師。