陳愷

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局廣西分局，南寧 530000）

0 引言

流量管理系統(tǒng)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，其合理性、客觀性也顯得尤為突出。復(fù)盤系統(tǒng)作為流量管理系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，既能實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)航跡態(tài)勢，也能對復(fù)盤數(shù)據(jù)進(jìn)行回放與評估，可以結(jié)合當(dāng)時(shí)情況下的扇區(qū)容量，疊加計(jì)算管制員發(fā)話頻次，波道繁忙程度，以及偏離計(jì)劃航路的航跡的占比[1]，判斷流量管理措施是否合理，有利于后續(xù)空管工作運(yùn)行總結(jié)。然而目前國內(nèi)針對空管復(fù)盤分析評估軟件系統(tǒng)的研發(fā)相對滯后，現(xiàn)有的系統(tǒng)中存在功能比較單一、復(fù)盤態(tài)勢信息反饋不夠全面、航跡目標(biāo)回放機(jī)制不夠靈活等問題。這些問題的存在，影響了復(fù)盤工作評估的效果，制約了航班正常性工作的發(fā)展。此外，南寧區(qū)域地處熱帶亞熱帶地區(qū)，每年雷雨、強(qiáng)降水等復(fù)雜天氣周期較長，對航班正常性工作提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。各部門應(yīng)加強(qiáng)復(fù)雜天氣條件下的空管運(yùn)行復(fù)盤工作，不斷總結(jié)得失經(jīng)驗(yàn)，有效提升天氣預(yù)警信息與管制運(yùn)行的融合程度，為后續(xù)工作的開展提供有力支撐[2]。因此，研究一套可提供復(fù)盤數(shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)，對復(fù)盤工作和提高航班正常性工作具有極大的指導(dǎo)意義。

為了滿足空管運(yùn)行復(fù)盤工作的需求，設(shè)計(jì)基于Ja?va的空管復(fù)盤分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)集雷達(dá)目標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示、目標(biāo)復(fù)盤情況的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)（如包含單位時(shí)間段內(nèi)復(fù)盤目標(biāo)總個(gè)數(shù)或目標(biāo)偏離航路指定距離的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)）、目標(biāo)復(fù)盤態(tài)勢回放、復(fù)盤情況評估報(bào)表生成等多種功能于一體，能夠更為全面、真實(shí)反饋復(fù)盤目標(biāo)當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢和數(shù)據(jù)信息，通過復(fù)盤分析系統(tǒng)提供的復(fù)盤數(shù)據(jù)，能汲取工作經(jīng)驗(yàn)并及時(shí)研究改進(jìn)措施，建立科學(xué)評價(jià)體系，有效提升管制運(yùn)行效能和策略研究。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

空管復(fù)盤分析系統(tǒng)通過UDP協(xié)議接收萊斯或華泰自動(dòng)化的綜合航跡數(shù)據(jù)（ASTERIX的062類格式），通過RS-232協(xié)議接收多普勒雷達(dá)氣象回波云圖信息。然后復(fù)盤系統(tǒng)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、封裝，生成并維護(hù)有效、實(shí)時(shí)的航跡信息和云圖信息，并通過圖形疊層顯示（頂層為實(shí)時(shí)的綜合航跡目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢，中間夾層為區(qū)域航路地圖，底層為多普勒雷達(dá)氣象回波云圖）在復(fù)盤分析系統(tǒng)HMI界面進(jìn)行顯示。

解析封裝完畢的數(shù)據(jù)將進(jìn)行復(fù)盤數(shù)據(jù)儲存，用于復(fù)盤數(shù)據(jù)回放。復(fù)盤回放模塊采用多線程技術(shù)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況回放規(guī)定時(shí)間段內(nèi)航跡運(yùn)動(dòng)態(tài)勢，并可調(diào)控回放進(jìn)度和回放速度。此外，系統(tǒng)提供目標(biāo)復(fù)盤情況的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)（如包含時(shí)間段內(nèi)復(fù)盤目標(biāo)總個(gè)數(shù)或目標(biāo)偏離航路的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)），以圖表形式呈現(xiàn)給用戶。

復(fù)盤系統(tǒng)分為兩大功能模塊：一是實(shí)時(shí)顯示與統(tǒng)計(jì)功能模塊；二是復(fù)盤回放與復(fù)盤評估功能模塊。針對兩大功能模塊的具體功能，系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)了四個(gè)子模塊，包括：航跡實(shí)時(shí)顯示模塊、復(fù)盤目標(biāo)統(tǒng)計(jì)模塊、復(fù)盤回放模塊和復(fù)盤評估報(bào)表模塊，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 復(fù)盤分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 關(guān)鍵算法研究

2.1 氣象云圖數(shù)據(jù)解析

氣象云圖一般以強(qiáng)度為度量單位，在單雷達(dá)氣象數(shù)據(jù)中，通常強(qiáng)度分為2、4、6、8，本設(shè)計(jì)將系統(tǒng)云圖強(qiáng)度等級以4為度量單位，其它單路氣象雷達(dá)云圖轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)云圖強(qiáng)度等級關(guān)系如表1所示。

表1 氣象云圖強(qiáng)度等級轉(zhuǎn)換關(guān)系表

氣象云圖可用一個(gè)具有m個(gè)頂點(diǎn)的多邊形表示，其繪制步驟為：首先根據(jù)輪廓點(diǎn)序列在區(qū)域地圖畫出m個(gè)頂點(diǎn)，然后依次用線段將各頂點(diǎn)進(jìn)行連接，構(gòu)成一個(gè)m邊形，最后多邊形根據(jù)氣象云圖的強(qiáng)度等級進(jìn)行著色，強(qiáng)度越大，顯示云圖的顏色越深。

系統(tǒng)對氣象云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行更新與丟棄，使HMI界面實(shí)時(shí)顯示云圖信息。對于單路雷達(dá)氣象數(shù)據(jù)更新，可以采取航跡處理類似方法，即在雷達(dá)每一個(gè)掃描周期內(nèi)，對接收的云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行在線解析，同時(shí)輸出一個(gè)更新標(biāo)志位，表示當(dāng)前區(qū)域所掃描的云圖信息已更新。當(dāng)在VSP時(shí)間內(nèi)未收到云圖數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)對該云圖進(jìn)行丟棄處理，其處理流程如圖2所示：

圖2 單路氣象數(shù)據(jù)處理流程圖

2.2 氣象云圖關(guān)聯(lián)算法

相關(guān)波門是以某次雷達(dá)掃描的預(yù)測值為中心的一個(gè)空間區(qū)域，能確定一個(gè)觀測（頂點(diǎn)）是新目標(biāo)還是與已知頂點(diǎn)相關(guān)的初步驗(yàn)證，落入相關(guān)波門內(nèi)的觀測才進(jìn)行下一步的頂點(diǎn)觀測配對。

假設(shè)系統(tǒng)氣象云圖由一塊N個(gè)頂點(diǎn)的云圖C和一塊M個(gè)頂點(diǎn)的云圖D組成，其頂點(diǎn)分別為和對于D的任一頂點(diǎn)總存在一個(gè)頂點(diǎn)( )xj,yj滿足以下條件[3]：

則云圖C和云圖D滿足圓形波門的相關(guān)位置，其中，r為圓形波門的半徑，k為系統(tǒng)允許云圖之間頂點(diǎn)數(shù)的最大偏差值。當(dāng)滿足矩形波門位置相關(guān)時(shí)，存在如圖3關(guān)系，其中，Δx和Δy分別為矩形波門在x和y方向的數(shù)值大小，當(dāng)Δx=Δy=r時(shí)，矩形波門為相應(yīng)圓形波門的外接矩形。

由于圓形波門波門尺寸與矩形波門比較相對較小，可以減少無關(guān)云圖數(shù)據(jù)落入波門的概率，但計(jì)算量較大；矩形波門增大了波門尺寸，增大無關(guān)云圖數(shù)據(jù)落入波門的概率，但減少了計(jì)算量[4]。鑒于此原因，本設(shè)計(jì)采取了使用一個(gè)較大尺寸粗略的矩形波門，圓形波門處理內(nèi)部氣象云圖數(shù)據(jù)的計(jì)算模型，該模型結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，能優(yōu)化云圖的關(guān)聯(lián)算法，減少計(jì)算迭代性，當(dāng)兩塊云圖面積大小接近時(shí)，可以等效認(rèn)為兩塊云圖相關(guān)。

圖3 氣象云圖關(guān)聯(lián)算法模型

2.3 氣象數(shù)據(jù)融合算法

復(fù)盤系統(tǒng)中所引接氣象云圖數(shù)據(jù)為系統(tǒng)融合氣象數(shù)據(jù)，需要采用算法進(jìn)行氣象云圖數(shù)據(jù)融合。常規(guī)融合算法有加權(quán)平均法、馬賽克法，加權(quán)平均法的核心思想為對每引接的單部氣象雷達(dá)云圖數(shù)據(jù)一個(gè)加權(quán)系數(shù)，各單路雷達(dá)云圖參數(shù)（如濃度、密度等）根據(jù)權(quán)重系數(shù)參與系統(tǒng)融合氣象數(shù)據(jù)計(jì)算[5]，該算法能全面遍歷各單路氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)，但計(jì)算量大。馬賽克法則將管制空域劃分為等額面積的馬賽克塊，每塊馬賽克賦予不同氣象雷達(dá)優(yōu)先級別[6]，當(dāng)某塊云圖位于某區(qū)域馬賽克時(shí)，優(yōu)先采用較高級別的單雷達(dá)氣象云圖去更新系統(tǒng)綜合氣象云圖，該算法計(jì)算量小，但每塊馬賽克沒有充分利用另外冗余氣象雷達(dá)所提供的氣象云圖數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)提出一種加權(quán)平均和馬賽克綜合法，即對于已經(jīng)和系統(tǒng)氣象云圖關(guān)聯(lián)的某單路氣象云圖數(shù)據(jù)采用加權(quán)平均進(jìn)行計(jì)算；為提高傳感器氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制，加權(quán)平均系數(shù)可采用馬賽克計(jì)算方法。為了驗(yàn)證本算法有效性，利用Java編譯環(huán)境進(jìn)行融合算法仿真，圖4是雷達(dá)R1、R2、R3均探測到某一塊氣象云圖，假設(shè)三部氣象雷達(dá)加權(quán)系數(shù)分別為，馬賽克算法中雷達(dá)優(yōu)先級P按照雷達(dá)與所掃描目標(biāo)云圖的距離進(jìn)行設(shè)置，假設(shè)為PR1>PR2>PR3。融合效果如圖4所示，符號表示融合算法的仿真效果，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較平滑，該融合算法既綜合考慮三部雷達(dá)的實(shí)時(shí)探測結(jié)果，提高了融合結(jié)果的精度性，又能動(dòng)態(tài)根據(jù)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，耗時(shí)較??；而對于三部雷達(dá)，采用加權(quán)系數(shù)或馬賽克單一算法，其仿真結(jié)果數(shù)值矢量擺動(dòng)性較大，在每一個(gè)馬賽克內(nèi)只考慮優(yōu)先級最高雷達(dá)的馬賽克效果，且加權(quán)系統(tǒng)難以確定，導(dǎo)致計(jì)算耗時(shí)長，精度性低。

圖4 加權(quán)平均和馬賽克融合算法

2.44 D航跡剖面算法模型

4D航跡主要用于復(fù)盤系統(tǒng)4D預(yù)測計(jì)劃航跡的形成，即將航空器水平剖面、高度剖面、速度剖面進(jìn)行分解研究，最后將各階段的航跡特征點(diǎn)集合進(jìn)行擬合[7]，形成基于飛行計(jì)劃的4D航跡。設(shè)計(jì)基于綜合航跡和MH4029.3計(jì)劃信息，建立4D航跡模型，其算法如圖5所示。

（1）系統(tǒng)首次接收MH4029.3的IFPL計(jì)劃報(bào)時(shí)，建立目標(biāo)航跡的初始4D剖面模型；

（2）當(dāng)收到起飛報(bào)后，以實(shí)際起飛時(shí)間（ATD）為基準(zhǔn)，重新修正目標(biāo)航跡的初始4D剖面模型，進(jìn)一步推算出目標(biāo)航跡入界和經(jīng)過各航路點(diǎn)的時(shí)間、高度、預(yù)管制扇區(qū)等剖面信息；

（3）利用目標(biāo)實(shí)時(shí)航跡信息和電子移交(以下簡稱：AIDC)[8]的EST電報(bào)對航空器進(jìn)行預(yù)管制扇區(qū)流量的最后一次修正。當(dāng)收到EST報(bào)時(shí)，目標(biāo)航跡會根據(jù)EST報(bào)的移交高度XFL進(jìn)行預(yù)管制扇區(qū)的投遞，修正目標(biāo)航跡4D剖面模型；

（4）進(jìn)入本管制區(qū)域后，系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)雷達(dá)航跡修正過點(diǎn)信息，更新目標(biāo)航跡4D剖面信息；

（5）根據(jù)管制員操作所更新的指令高度PCFL[9]，觸發(fā)航班4D剖面信息的變化，重新計(jì)算飛行剖面，及時(shí)更新4D剖面信息。

圖5 4D航跡剖面模型流程圖

2.5 系統(tǒng)航跡設(shè)計(jì)模型

復(fù)盤分析系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理模塊主要收集自動(dòng)化系統(tǒng)通過UDP協(xié)議送來的綜合航跡數(shù)據(jù)，并根據(jù)CAT062數(shù)據(jù)格式定義進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)的分解，提取出主要信息，包括目標(biāo)的屬性、識別符（二次代碼、航跡號、地址碼等）、位置、高度、速度等。對這些數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行合法性檢查后，將通過質(zhì)量檢查的目標(biāo)信息WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換以南寧系統(tǒng)處理中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系并投影到系統(tǒng)平面上，然后參與綜合航跡的跟蹤處理。

其計(jì)算模型如圖6所示，假設(shè)Mrdp_HaspMap哈希表存放所有目標(biāo)最新的航跡信息，當(dāng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理模塊收到某一目標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，將解析的該目標(biāo)航跡號與Mrdp_HaspMap的航跡號進(jìn)行遍歷比較，如果存在相同航跡號，則認(rèn)為本次收到的目標(biāo)信息為對應(yīng)航跡目標(biāo)的更新信息，系統(tǒng)將刷新此目標(biāo)的狀態(tài)描述，更新Mrdp_HaspMap；反之，則在Mrdp_HaspMap目標(biāo)信息列表建立一個(gè)新的航跡目標(biāo)。由于復(fù)盤系統(tǒng)要存儲若干歷史航跡信息，在存在相同航跡號的條件下，將本次接收的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)存放在HisList[Track_num][0]中，HisList是一個(gè)以航跡號為行，歷史航跡個(gè)數(shù)為列的二維數(shù)組，對于歷史航跡數(shù)據(jù)存放，則在循環(huán)遍歷中使用迭代法：HisLis1[Track_num][i]=HisLis1[Track_num][i-1]（1<=i<=hisCount-1）。

圖6 系統(tǒng)航跡計(jì)算模型

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，復(fù)盤系統(tǒng)服務(wù)器主要作用是解析自動(dòng)化系統(tǒng)傳送的綜合航跡數(shù)據(jù)和氣象云圖數(shù)據(jù)，并儲存數(shù)據(jù)，并通過SNMP協(xié)議與復(fù)盤顯示終端通信，將解析封裝完畢的數(shù)據(jù)顯示在復(fù)盤態(tài)勢終端，形成實(shí)時(shí)目標(biāo)航跡態(tài)勢和氣象云圖信息。航跡回放功能則調(diào)取復(fù)盤服務(wù)器對應(yīng)時(shí)間段的儲存數(shù)據(jù)，在復(fù)盤態(tài)勢終端實(shí)現(xiàn)航跡回放功能。其主界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主界面圖

系統(tǒng)可支持以下常規(guī)操作：

（1）態(tài)勢界面顯示范圍進(jìn)行放大、縮小、平移操作；

（2）可對目標(biāo)進(jìn)行測距、標(biāo)牌拖拽；

（3）目標(biāo)高度和SSR過濾；

（4）目標(biāo)航跡回放功能；

（5）統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)復(fù)盤目標(biāo)的個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)偏離航路固定點(diǎn)的目標(biāo)個(gè)數(shù)，以圖形柱體表示，方便查看時(shí)間段內(nèi)流量管理情況；

（6）告警提示：無效高度（以“INV”表示），無效 SSR（以“????”表示），偏離航路RAM。

此外，系統(tǒng)預(yù)留引接廣州云數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)（如飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等）接口，為本系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)來源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、移植、創(chuàng)新挖掘等作用。此外，復(fù)盤系統(tǒng)可將儲存的航跡和氣象數(shù)據(jù)，通過本地的云數(shù)據(jù)系統(tǒng)，向廣州云數(shù)據(jù)中心提供本地空管業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（如本地雷達(dá)綜合航跡數(shù)據(jù)、氣象云圖數(shù)據(jù)等），以便進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、有效對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)維管控，復(fù)盤分析系統(tǒng)擴(kuò)展性結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

4 結(jié)語

基于Java的空管復(fù)盤綜合分析系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性；本方案所提及利用自動(dòng)化綜合航跡輸出信號和多普勒氣象云圖作為復(fù)盤系統(tǒng)航跡輸入源，能準(zhǔn)確無誤顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和云圖變化情況。該系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)信息的共享性和數(shù)據(jù)封裝性，實(shí)現(xiàn)復(fù)盤數(shù)據(jù)回放。整個(gè)系統(tǒng)具有可靠性高、響應(yīng)速度快、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)能復(fù)現(xiàn)當(dāng)時(shí)運(yùn)行過程中的氣象數(shù)據(jù)、雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)、流量管理策略數(shù)據(jù)等，為后期相似環(huán)境下指導(dǎo)航跡目標(biāo)如何運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐，在空管單位具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖8 復(fù)盤系統(tǒng)引接云數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D