摘 要：空中交通管制塔臺模擬機對于塔臺管制員的訓(xùn)練具有重要作用，在具體設(shè)計中，需要明確塔臺模擬機的功能需求及重要技術(shù)。本文首先基于對空中交通管制塔臺模擬機設(shè)計原則作出簡要闡述，然后結(jié)合實例，對一種塔臺模擬機具體設(shè)計進行分析，探究其系統(tǒng)組成、運作流程以及關(guān)鍵技術(shù)，希望對業(yè)內(nèi)可以起到一定參考作用。

關(guān)鍵詞：空中交通管制；塔臺模擬機；設(shè)計原則

中圖分類號：V355.1 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0270-02

前 言

在空中交通管制人員（以下簡稱管制員）培訓(xùn)方面，歐美發(fā)達國家自20世紀80年代起就開始廣泛使用航空管制塔臺模擬機設(shè)備，我國對塔臺模擬機的研制、投入使用時間均相對較晚。使用塔臺模擬機訓(xùn)練航空管制人員最大的優(yōu)點是在投入費用相對較低前提下，管制環(huán)境得到最逼真的模擬，并且可以避免訓(xùn)練過程中出現(xiàn)意外事故，因此，對塔臺模擬機進行設(shè)計研發(fā)具有重要意義。

1 基于空中交通管制塔臺模擬機設(shè)計原則

塔臺模擬機作為一種信息化工具可以對機場塔臺管制指揮程序進行分析和驗證，利用計算機與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以讓塔臺管制員工作環(huán)境得到逼真再現(xiàn)，進而完成和塔臺管制員的實時交互，對于機場塔臺管制人員的培訓(xùn)具有重要作用。在本文中，基于空中交通管制塔臺模擬機的設(shè)計原則共有四條：①可擴展原則。所設(shè)計的空中交通管制塔臺模擬機需要具有可擴展性，在系統(tǒng)中，包含多種不同配置，可以方便系統(tǒng)未來的進一步發(fā)展，以滿足各種特殊情況下的模擬指揮。②成熟軟/硬件原則。在本文空中交通管制塔臺模擬機的設(shè)計中，所采用軟件、硬件均具有相對較好的成熟度，成熟的技術(shù)可以對系統(tǒng)可靠性提供有效保證，并進行更加擬真地還原。③高起點原則。在本文所說空中交通管制塔臺模擬機的設(shè)計中，遵循了高起點原則，并非對國外系統(tǒng)進行簡單仿制，而是努力進行自主創(chuàng)新，不僅保證設(shè)計具有先進性，更是爭取能讓我國掌握核心競爭力。④緊密結(jié)合實踐。在空中交通管制塔臺模擬機的設(shè)計中，緊密結(jié)合了我國當前對空指揮的實際情況以及機場結(jié)構(gòu)，同時保證設(shè)計符合國際民航組織的ICAO標準，讓國際標準符合國內(nèi)實情。

2 基于空中交通管制塔臺模擬機具體設(shè)計

2.1 塔臺模擬機系統(tǒng)組成

2.1.1 系統(tǒng)組成

塔臺模擬機系統(tǒng)中包含一系列硬件及軟件，可以對相關(guān)設(shè)計任務(wù)予以共同完成，在系統(tǒng)設(shè)計中采用了組件式方法，可以塑造模塊化系統(tǒng)，讓多種配置要求均能得到良好適應(yīng)。“子系統(tǒng)”、“席位”是塔臺模擬機中的基本組件，在系統(tǒng)中，多個子系統(tǒng)負責(zé)完成多種功能。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

結(jié)合圖1，在該系統(tǒng)中，主要包含了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、管制員位、實時視景生成器、實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、同步數(shù)字記錄儀、模擬機長位以及通訊子機等。將通訊子機安裝在實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管制員位和模擬機長位，可以構(gòu)建一個擬真的半雙工通信語音網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)PTT（Push-To-Talk），完成本系統(tǒng)的模擬通訊工作，在實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或獨立聯(lián)網(wǎng)微機上設(shè)置運行軟件系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，利用RS232，可以讓同步數(shù)字記錄儀和實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器相連，之后連接模擬通訊系統(tǒng)，利用實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可對其進行控制，進而同步記錄語音與圖像。

2.1.2 具體部件

在該模擬機系統(tǒng)中，主要包含八個主要構(gòu)成部分：①數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以對塔臺模擬機運行過程中所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行編輯、管理，如訓(xùn)練計劃、飛機性能參數(shù)、重復(fù)性飛行計劃、管制空域結(jié)構(gòu)參數(shù)以及氣象參數(shù)模型等。②實時視景生成器。可以對塔臺窗外所看三維視景（180°/360°）進行實時描繪，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以提供視景中運動目標的相關(guān)參數(shù)，虛擬現(xiàn)實三維體系本身具有沉溺性、交互性與構(gòu)思性特點，在三維視景中，主要包含了滑行道、跑道、航空器、特種車輛、候機樓、標志性建筑物、自然環(huán)境模型，各種運行所需的燈光，跑道、滑行道及機坪中的指示標記等。③實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。在塔臺模擬機系統(tǒng)中，實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器占有核心地位，實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會加載在數(shù)據(jù)庫中的訓(xùn)練計劃，進而展開訓(xùn)練，在此過程中，模擬機長席位會將目標控制命令傳輸給實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，而實時視景生成器、管制員席位與模擬機長席位會得到實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器所提供的目標信息與狀態(tài)信息[1]。④模擬機長席位。依照塔臺管制員語音指令，在模擬機長席位，模擬機長可以依照收到的管制指令對模擬臺環(huán)境當中的飛機運動、車輛運動進行有效控制，實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會得到控制命令的傳輸，目標運動速度、狀態(tài)與高度、航向會被實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器計算出來，各個席位會得到運算結(jié)果，進而讓席位顯示內(nèi)容得到刷新。除此之外，利用模擬機長席位，還可以改變氣象條件，設(shè)定各種復(fù)雜的天氣條件。⑤管制員席位。諸如氣象信息、飛行計劃與模擬UTC時間等狀態(tài)信息可以顯示給塔臺管制員，利用管制員席位，還可以對模擬機場燈光開關(guān)進行控制。⑥模擬通訊系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，可以讓機長與模擬塔臺管制員實現(xiàn)“甚高頻無線電通話”。⑦環(huán)繞立體聲系統(tǒng)。依照飛機空間位置、機型等因素，環(huán)繞立體聲系統(tǒng)可以對飛機降落、起飛與地面滑行聲音進行模擬再現(xiàn)，同時還可以將環(huán)境聲音加入其中。⑧同步數(shù)字記錄系統(tǒng)。利用實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行控制，可以讓同步數(shù)字記錄系統(tǒng)對訓(xùn)練當中聲音、圖像進行同步記錄，根據(jù)用戶要求，可以重放訓(xùn)練過程，讓訓(xùn)練后的講評更為方便、直觀。

2.2 塔臺模擬機工作流程

塔臺模擬機系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

結(jié)合圖2，在塔臺模擬機運行過程中，實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會得到啟動，然后讀取在數(shù)據(jù)庫中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，主要包含了空域信息、訓(xùn)練計劃以及機場信息，之后模擬機長席位、管制員席位與實時視景生成器會連接，在席位接入后，利用網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會把初始數(shù)據(jù)傳輸至模擬機長席位與管制員席位，讓席位準備工作得以完成，進而進行訓(xùn)練[2]。

系統(tǒng)實際應(yīng)用效果如圖3所示。

結(jié)合圖3，通過三維視景，受訓(xùn)管制員可以對飛機的起飛、落地以及地面滑行狀況進行直接觀察，通過模擬雷達視圖，可以獲取飛機速度、高度、航向等信息，利用模擬通訊系統(tǒng)，可以將管制指令發(fā)送給模擬機長，在系統(tǒng)中，模擬機長輸入指令后可以對飛機狀態(tài)進行控制。與此同時，管制模擬機教員可以對訓(xùn)練中的風(fēng)向、風(fēng)速、能見度情況進行設(shè)置，或是添加特情事件，從而有效訓(xùn)練管制員的應(yīng)急處置能力，增強特情下的情景意識，讓管制水平得到提升。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 將復(fù)雜動作分解為原語

在塔臺管制中，主要包含了空中管制、地面管制這兩個部分，在進行管制過程中，所用命令數(shù)量相對較多，命令本身較為復(fù)雜，而因為國家之間存在差異，命令也會隨之發(fā)生改變，解決這一問題對系統(tǒng)的維護、推廣具有重要意義。因此，在本文所說的塔臺模擬機系統(tǒng)中，分解地面車輛動作、航空器動作為原語，利用原語編程方法來讓復(fù)雜控制操作得以實現(xiàn)，在讓用戶要求得到滿足的同時，也為模塊化完整性提供了保證。

2.3.2 實時面向?qū)ο蠼?/p>

作為一種實時計算機系統(tǒng)，塔臺模擬機本身具有分布式特點，系統(tǒng)具有較高復(fù)雜性，且具有不可預(yù)測、動態(tài)特點，對其進行設(shè)計與開發(fā)具有較高難度，普通的面向?qū)ο笤O(shè)計對于此類系統(tǒng)并沒有良好的適應(yīng)性，對此，在本系統(tǒng)中，采用了實時面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，來讓軟件設(shè)計開發(fā)質(zhì)量、效率得到提升，讓系統(tǒng)準確性、可靠性得到保證[3]。

2.3.3 自研圖形軟件與通用圖形工作站的結(jié)合

為保證硬件質(zhì)量，可以采用高端通用圖形工作站（SGIONYX2），在圖形工作站軟件設(shè)計中，可以利用OpenGL與工作站基礎(chǔ)圖形引擎結(jié)合的方法，進而讓系統(tǒng)未來可移植性與系統(tǒng)效率得到保證。在本系統(tǒng)中，自研圖形軟件與通用圖形工作站的結(jié)合省去了價格相對較高的視景驅(qū)動軟件包，讓軟件成本得到有效降低。

3 結(jié) 論

綜上所述，遵循可擴展原則、成熟軟/硬件原則、高起點原則和緊密結(jié)合實踐原則，利用將復(fù)雜動作分解為原語、實時面向?qū)ο蠼５汝P(guān)鍵技術(shù)，可以完成基于空中交通管制塔臺模擬機設(shè)計工作，在該塔臺模擬機中，主要包含了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、實時視景生成器、實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、模擬機長席位、模擬通訊系統(tǒng)等多個部分，將此系統(tǒng)對于其他塔臺模擬機的設(shè)計研制具有一定借鑒意義。

參考文獻

[1]武喜萍，楊紅雨，韓松臣.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的空中交通特征與延誤傳播分析[J].航空學(xué)報，2017，38（S1）：113～119.

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[3]楊萬龍.空中交通管制塔臺模擬機的設(shè)計及開發(fā)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（17）：63.

收稿日期：2018-3-25

作者簡介：吳 天（1990-），男，助理工程師，本科，主要從事空中交通管制塔臺管制工作。