李海涼

摘? 要：雷達(dá)管制模擬機(jī)訓(xùn)練日漸成為技能培養(yǎng)、安全管理的重要手段，但模擬機(jī)技術(shù)一直發(fā)展遲緩。文章提出一種新型的雷達(dá)管制模擬機(jī)構(gòu)思，它以處理雷達(dá)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代大數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行數(shù)字建模，能夠大大提高訓(xùn)練擬真度和訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞：模擬機(jī);運(yùn)行數(shù)據(jù);容量評估;數(shù)字建模;大數(shù)據(jù)

中圖分類號：V355 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）24-0159-03

Abstract： Radar control simulator training has increasingly become an important means of skill training and safety management， but the development of simulator technology has been slow. In this paper， a new type of radar control simulation mechanism is proposed， which is based on the processing of radar operation data and combined with modern big data mining for digital modeling， which can greatly improve the training fidelity and training effect.

Keywords： simulator; running data; capacity assessment; digital modeling; big data

概述

空中交通管制行業(yè)具有地域跨度大、科技含量高、社會影響大等特點(diǎn)，雖然空中交通管制服務(wù)的產(chǎn)品幾乎都與航空器之間的間隔與效率有關(guān)，但其背后的原因錯綜復(fù)雜，涉及設(shè)備、氣象、人為因素、過程管理等多種范疇。管制員的經(jīng)驗(yàn)積累往往成為影響服務(wù)質(zhì)量的一個決定因素。當(dāng)經(jīng)驗(yàn)積累無法通過運(yùn)行完成時，管理部門只能通過過程約束或模擬機(jī)訓(xùn)練來完成風(fēng)險控制，而模擬機(jī)訓(xùn)練是最具積極意義和實(shí)效的手段。近年來，模擬機(jī)訓(xùn)練在安全管理體系內(nèi)的地位與日俱增，除傳統(tǒng)的資格培訓(xùn)、設(shè)備培訓(xùn)、復(fù)習(xí)培訓(xùn)等內(nèi)容外，管制員安全教育、自制核查、風(fēng)險控制等內(nèi)容也需要通過模擬機(jī)完成，這一趨勢還在逐年增加。

1 雷達(dá)管制模擬機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 背景

管制模擬機(jī)主要分為雷達(dá)（監(jiān)視）管制模擬機(jī)、程序模擬機(jī)、機(jī)場（塔臺）模擬機(jī)，本文所述模擬機(jī)單指雷達(dá)（監(jiān)視）管制模擬機(jī)（下文簡稱模擬機(jī)）。2013年，空管行業(yè)管理辦公室下發(fā)的《雷達(dá)（監(jiān)視）管制模擬機(jī)需求技術(shù)規(guī)范》根據(jù)模擬機(jī)性能的完善性和系統(tǒng)技術(shù)要求的差異程度，將雷達(dá)（監(jiān)視）管制模擬機(jī)分為I、II兩類，II類雷達(dá)（監(jiān)視）管制模擬機(jī)能夠模擬雷達(dá)和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）等監(jiān)視管制所需功能和工作條件，又分A、B、C三級，其中三級能達(dá)到和實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)一致的模擬水平，這個規(guī)范可行性較好，符合我國國情[1]。

在實(shí)際運(yùn)行中，管制模擬機(jī)受限于技術(shù)發(fā)展，仍然有不盡如人意的地方，主要體現(xiàn)在仿真程度不高，特別是對“軟環(huán)境”的模擬。

“軟模擬”指對空中交通管制扇區(qū)交通流運(yùn)行特征的模擬，主要包括航班計(jì)劃特征、出現(xiàn)點(diǎn)、離去點(diǎn)的時空特征、軌跡等。與飛行模擬器比較可知，飛行模擬器除了模擬航空器主要的設(shè)備操作，還能夠模擬飛行的軟環(huán)境及其反饋，如視覺圖像、大氣條件、滾轉(zhuǎn)顛簸等。民航現(xiàn)有空管模擬機(jī)一般都能較好完成對席位設(shè)備的硬模擬，如音頻、視頻交互、人機(jī)操作界面等，其軟環(huán)境模擬一般采用預(yù)編寫練習(xí)劇情的方式，通過定義一系列的航班初始條件和最后條件來模擬交通流，并可由負(fù)責(zé)教學(xué)的教員安排所需的特情劇情。

1.2 雷達(dá)模擬機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，管制模擬機(jī)對運(yùn)行環(huán)境硬件的模擬程度越來越高，有些已經(jīng)達(dá)到了備用設(shè)備的要求，但是管制軟環(huán)境的模擬一直進(jìn)展緩慢，基本還停留在上世紀(jì)九十年代的水平，傳統(tǒng)模擬機(jī)的軟模擬方式，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很突出，主要有：

1.2.1 難度把握

預(yù)先編寫劇本能夠清晰、方便地控制練習(xí)難度和側(cè)重點(diǎn)，能夠預(yù)見到大部分練習(xí)過程中發(fā)生的情況。但這種方式要求編寫者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)安排各類沖突出現(xiàn)的時間、地點(diǎn)，和預(yù)測受訓(xùn)者的反應(yīng)，對編寫者的要求較高，練習(xí)難度不易把握，適合用于重復(fù)運(yùn)行和對比講解。

1.2.2 劇本泄露

劇本重復(fù)運(yùn)行易造成劇本泄露，由于空中交通管制技能本身很依賴受訓(xùn)者的預(yù)見性和即時反應(yīng)，劇本泄露大大降低了練習(xí)的難度和訓(xùn)練效果。為平衡這種缺陷，劇本編寫者不得不提高劇本難度，造成訓(xùn)練與真實(shí)運(yùn)行環(huán)境偏離大。根據(jù)受訓(xùn)次序，首位受訓(xùn)者往往感覺難度偏高，后續(xù)受訓(xùn)者感覺偏低，訓(xùn)練整體效果難以把握。

1.2.3 特情訓(xùn)練

近年來，管制“錯、忘、漏”安全防護(hù)技術(shù)提升較快，一定程度上降低了對基本管制技能的訓(xùn)練壓力，安全管理的側(cè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向特情處置能力，要求管制員能冷靜應(yīng)對突發(fā)事件，模擬機(jī)應(yīng)當(dāng)能夠自動或者半自動仿真常見特情，并具有一定的隱蔽性。

2 利用仿真技術(shù)自動生成劇本

提高空管模擬機(jī)的軟環(huán)境模擬水平，可以采用結(jié)合預(yù)先編寫劇本和自動生成劇本兩種方式并存的方法，預(yù)先編寫劇本適合資格培訓(xùn)、設(shè)備培訓(xùn)、附加培訓(xùn)等場合，自動生成劇本適合崗位培訓(xùn)、復(fù)習(xí)培訓(xùn)、補(bǔ)習(xí)培訓(xùn)等場合。

2.1 自動生成劇本

自動生成劇本是對軟環(huán)境模擬的更復(fù)雜形式，通過一系列的環(huán)境參數(shù)設(shè)置來完成，可以認(rèn)為是空域數(shù)字仿真系統(tǒng)的一個應(yīng)用。從數(shù)據(jù)描述來看，空中交通管制的交通流可以拆分成幾組具有相同特征的4D軌跡的組合，這種特征往往可以用機(jī)場對、進(jìn)離港程序?yàn)榫€索歸類（即傳統(tǒng)模擬機(jī)內(nèi)的“飛行計(jì)劃模板”），并得到各軌跡的占比。在此基礎(chǔ)上考慮（或去除）環(huán)境變化因素的影響，如重要天氣、通行軌跡限制（部隊(duì)活動）、風(fēng)險控制習(xí)慣等，就可以得到交通流的數(shù)字仿真。當(dāng)運(yùn)行練習(xí)時，教員只需設(shè)定幾個基本參數(shù)，如空域、同時指揮架次數(shù)、特情數(shù)量等，系統(tǒng)根據(jù)交通流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)補(bǔ)充虛擬航班起始時間、高度等（即傳統(tǒng)模擬機(jī)的編寫飛行計(jì)劃部分），就可實(shí)時生成練習(xí)，其空域運(yùn)行特征與實(shí)際運(yùn)行一致。

2.2 自動生成劇本的應(yīng)用場合

自動生成劇本可能會產(chǎn)生一系列虛擬航班，但沒有任何沖突，所以自動生成劇本是不適合小流量、低難度的訓(xùn)練場合，但對于復(fù)習(xí)培訓(xùn)、強(qiáng)化技能等需要大流量背景的場合很有用。例如，在崗位帶教過程中，處于帶教后期的學(xué)員已經(jīng)掌握了管制基本技能，但缺乏大流量、復(fù)雜天氣的經(jīng)驗(yàn)積累，而類似的場合又不被安排見習(xí)，造成所謂的“玻璃天花板”現(xiàn)象。如能在模擬機(jī)上進(jìn)行訓(xùn)練，就可以大大加快訓(xùn)練進(jìn)度。甚至，如果模擬機(jī)能在線記錄自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)，則能夠重放指定時段的交通流供練習(xí)，訓(xùn)練效果更好。

2.3 利用多次采樣確保模擬效果

為保證管制模擬效果的準(zhǔn)確性，僅采樣一次或數(shù)次是不夠的，我國空中交通管制環(huán)境難以準(zhǔn)確預(yù)測，干擾因素多，同一航班在不同日期的4D軌跡差異可能較大，要建立扇區(qū)的常規(guī)環(huán)境仿真，需要對大量交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，篩選出可用的模型，還能夠每隔6個月重復(fù)這一過程以適應(yīng)航班時刻表的變化。目前，采用大數(shù)據(jù)建模技術(shù)能夠做到這一點(diǎn)，巧合的是，這種技術(shù)最常見的應(yīng)用是預(yù)測和訓(xùn)練，與空管管制模擬機(jī)的用途正好不謀而合。

3 采用雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模的可行性

數(shù)據(jù)建模一般分為5個步驟，分別是：選擇模型、訓(xùn)練模型、評估模型、應(yīng)用模型和優(yōu)化模型[2]。

3.1 選擇模型

按照剝離不可控因素，空中交通管制可以看作是一類有計(jì)劃的生產(chǎn)行為，在一段固定的周期（航班時刻表）內(nèi)是重復(fù)的，可用一個簡單的回歸模型進(jìn)行描述，即A=kB，其中B是集合序號，k是落點(diǎn)概率，A是落點(diǎn)序號。

3.2 訓(xùn)練模型

將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，將訓(xùn)練集數(shù)據(jù)饋入所選模型，數(shù)據(jù)量越大，則計(jì)算的k值越精確，仿真效果越好。例如，截取某扇區(qū)交通流（201901011400-201901011500）的部分?jǐn)?shù)據(jù)如下，將具有相同3D航跡的航班分類并統(tǒng)計(jì)占比如表1。

表1 交通流分類

表2 影響建模的可變因素

可見第一類占比為k=6.82%，饋入數(shù)據(jù)越大，則k值越精確。如果訓(xùn)練集數(shù)據(jù)足夠大，可不進(jìn)行機(jī)場對分類，將每一個機(jī)場對都作為一個分類計(jì)算k值。顯然，班期時刻表是影響k值的主要因素（但并非唯一因素）。研發(fā)能夠在線處理海量運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)，并在每次更換班期時刻表的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重置，可以得到高度仿真的交通流模擬。

對計(jì)算機(jī)場對分類、航班號、進(jìn)入點(diǎn)三維坐標(biāo)、離去點(diǎn)三維坐標(biāo)、軌跡、機(jī)型等數(shù)據(jù)k值進(jìn)行遞進(jìn)，就可以得到一類交通流子集的k值序列，其結(jié)果類似于預(yù)編寫練習(xí)方式內(nèi)的“飛行計(jì)劃模板”，區(qū)別在于數(shù)據(jù)量、擬合度要大大高于后者。

3.3 評估模型

在評估模型時，應(yīng)預(yù)先考察驗(yàn)證集的實(shí)施條件。影響交通流的因素除了班期時刻表和飛行計(jì)劃，還有下列因素，如表2所示。

數(shù)字建模應(yīng)當(dāng)區(qū)分這些因素的差異，由于可變因素在總量內(nèi)的占比并不高，所以可以用差異性來區(qū)分。例如，研究同一機(jī)場對的3D軌跡，k值占比最高的通常是正常航路飛行;受重要天氣影響的，其航跡軌跡k值會明顯偏低;受通行軌跡限制的，則進(jìn)出點(diǎn)高度明顯偏離最高值，等等。

采用不同運(yùn)行條件下的多個驗(yàn)證集評估模型，可以有效避免復(fù)雜因素對評估的干擾。例如，選取沒有重要天氣、通行限制的日期取得的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，其結(jié)果應(yīng)當(dāng)符合各k值最大值的組合。

3.4 應(yīng)用模型

取得了交通流的數(shù)據(jù)描述，就可以在空管模擬機(jī)上應(yīng)用模型。以前述樣例（表2第一行重要天氣）來看，當(dāng)選擇自動生成劇本時，系統(tǒng)產(chǎn)生一個100以內(nèi)的隨機(jī)數(shù)來確定機(jī)場對，當(dāng)這個隨機(jī)數(shù)落在0

3.5 優(yōu)化模型

交通流模型確定以后，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景，調(diào)整模型參數(shù)為人工定義或自動生成。如果調(diào)整得當(dāng)，則可大幅度提高模擬機(jī)訓(xùn)練的效果。

3.5.1 崗位培訓(xùn)

管制員崗位教學(xué)面臨著教員少、可訓(xùn)扇區(qū)少和可訓(xùn)時段少等問題。新一代模擬機(jī)的高度仿真、劇本隱蔽等特點(diǎn)可為崗位培訓(xùn)提供良好的模擬基礎(chǔ)。通過調(diào)整練習(xí)的飛行量定義難度，可適應(yīng)不同進(jìn)度的受訓(xùn)者，經(jīng)過模擬機(jī)較高難度的訓(xùn)練后再進(jìn)行實(shí)際帶教，其效率和安全性都得到提升。

3.5.2 效果評估

傳統(tǒng)的模擬機(jī)教學(xué)，其教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)督高度依賴教員，要求帶教過程持續(xù)仔細(xì)監(jiān)控，教員的素質(zhì)和一致性也會影響訓(xùn)練效果。新一代模擬機(jī)可以自動監(jiān)視過程，使用優(yōu)選軌跡庫、離去點(diǎn)條件庫對訓(xùn)練過程進(jìn)行評估，減輕教員壓力并可以生成綜合考評分。

3.5.3 特情處置

更改部分參數(shù)可以生成相似航班號、錯誤掛單、近距告警等各種特情，適應(yīng)不同的培訓(xùn)要求，借助智能處理的優(yōu)勢，可以大大減輕編排練習(xí)的工作量，并取得較好訓(xùn)練效果。

如上所述，基于數(shù)據(jù)建模的模擬機(jī)具備多種優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很顯著，局部沖突的不可控、訓(xùn)練時間難以把握等都是它的弊端，有這種需要的場合，就需要直接定義交通流的起始狀態(tài)，即兼容傳統(tǒng)劇本編輯方式，傳統(tǒng)為主，新技術(shù)為輔，兩者結(jié)合起來才能達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

4 結(jié)束語

如果在將來新一代管制模擬機(jī)能結(jié)合語音識別、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，其將能提供獨(dú)立的反饋和評估，從而脫離“管制員-教員-機(jī)長”模式，達(dá)到單機(jī)運(yùn)行的水平，可在標(biāo)準(zhǔn)通話訓(xùn)練、受訓(xùn)者特性分析方面發(fā)揮更大作用，國外如新西蘭等地已經(jīng)開發(fā)出來單機(jī)運(yùn)行的管制模擬機(jī)，在這方面提供了更好的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國民用航空局空管行業(yè)管理辦公室.AC-70-TM-2013-01.雷達(dá)（監(jiān)視）管制模擬機(jī)需求技術(shù)規(guī)范[S].北京，2013.

[2]王紅衛(wèi).建模與仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2005.