中期沖突告警在空管中的應用

摘要：短期沖突告警（STCA）已逐漸無法滿足當前大流量高負荷的航空管制工作，通過對中期沖突告警（MTCA）的研究和應用，有利于提前對航空器飛行沖突的進行預警，給予管制員充足的時間調配航班，減少STCA和緊急避讓等危險情況的發生。文章介紹了MTCA在空管自動化系統中應用的必要性，實現基礎和算法研究，探索了一種告警設置及人機交互的方式，并對MTCA與其他空管新技術的結合進行了展望。

關鍵詞：中期沖突；MTCA；空管自動化

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）15-0063-02

隨著我國經濟的飛速發展，航班流量急劇增加，當前已啟用的RVSM（縮小垂直間隔）機制和流量放行系統提高了航線和空域的利用率，大型區管的建設也有利于對航班流量的集中控制，但也隨之帶來了大密度流量引起管制員工作強度上升，指揮調配難度增大，容易由人為失誤引起安全隱患等問題。因此，空管自動化系統是否能提供可靠的沖突告警（Confilict Alert）功能成為管制員能否及早發現可能存在危險的關鍵一環。

國內大型區管在用的主流空管自動化系統如歐洲貓自動化系統和國產牧馬人2 000自動化系統都只具備短期沖突告警（STCA，Shot Term Conflict Alert）功能，而根據STCA的定義，在任意航向上探測到2 min之內，兩航班距離<10 km時將觸發告警，管制員在STCA告警觸發時能夠利用的解決沖突的時間非常短，對管制員造成巨大的心里壓力，同時有可能觸發航空器的空中防撞系統TCAS（Traffic Collision Avoidance System）報警，迫使機組需進行緊急避讓機動，給飛行帶來危險。

1中期沖突告警概述

中期沖突告警（MTCA）是目前國內外學術界非常重視的一個技術，通過把航空器的雷達航跡要素（包括位置、高度、速度、航向等）與航班計劃要素結合起來考慮，就能夠把航空器沖突探測的時間提前。研究人員對沖突的探測和解決進行了大量的研究，提出了多重模型和解決算法，避免絕大多數虛警，從而使管制員能夠提前20~30 min發現沖突，可利用的沖突解除時間延長，極大地降低沖突航班小于規定間隔標準的幾率，可以大幅提高空管系統的安全性。

2中期沖突告警的處理

2.1建立精確的4D航跡

空管自動化系統根據收到的航空報文信息，對飛行計劃進行4D飛行航跡建模，預測飛行過程中各個軌跡點信息，格式為（x，y，hight，time），其中x為坐標系橫坐標，y為坐標系縱坐標，hight為軌跡點高度，time為軌跡點時刻。

首先系統對飛行剖面進行初始化，以航空器性能參數庫中的爬升率、巡航速度、下降率等數據計算4D航跡中各點的高度、速度和過點時間。再根據飛行計劃報（FPL）中航路點規定的高度和速度進行修正。

在飛行全程中需對生成后的模型實時進行雷達修正和計劃修正。

雷達修正：4D航跡計算模塊接收雷達探測得到的真實的目標高度、速度、爬升/下降率，對已有的4D模型進行比對，當誤差超過一個閾值，則以當前雷達數據對4D航跡進行修正，當前高度不僅修正當前位置報告點信息，同時對未來模型產生影響。在偏航的情況下，雷達修正直接以雷達當前報告位置和下個報告點位置開始的航路建立剖面模型。

計劃修正：4D航跡模塊接受管制員人工輸入的預先指令高度（PCFL），變更航路、過點速度或收到報文等數據時，之后的4D軌跡都應該重新計算，使后續的預測軌跡更匹配管制員的意圖信息。如圖1所示。

2.2沖突探測算法

在4D模型基礎上，對所有相關的飛行計劃兩兩進行沖突探測，國內外對沖突探測算法的研究主要集中在概率型方法和非概率型方法兩個方向。概率型中期沖突探測算法以Prandini的隨機化算法和Paielli的近似解析算法最為典型；非概率型算法最典型的代表是幾何型中期沖突探測算法。Prandini的隨機化算法適用航路變化的情況下的概率計算，同時考慮了預測誤差，但計算量較大，實時利用該算法進行沖突探測對系統造成很大負荷。Paielli的近似解析算法較適用于直線航路。幾何算法相對簡單容易實現，但無法靈活處理軌跡預測的不確定性和誤差。

沖突解脫算法分為離散和連續兩類：離散型通過調整計劃航路點序列，生成最大可能按預期執行順序飛行的無沖突航路；連續型主要是調整飛機軌跡使其偏離沖突機的誤差區域。如圖2所示。

當前對算法的研究在原有算法基礎上不斷進行改進，如對改進隨機化算法的效率瓶頸部分和提升精確度部分，改進近似解析算法使之適應轉向較多的航路等，取得了較好的實驗效果，但目前國外的沖突探測和解脫算法的研究均建立在自由改變飛行航跡的基礎上，但我國的民航有嚴格的航線規則，空域資源也由空軍統一協調，符合我國民航國情的中期沖突探測算法，各大高等院校和研究所已經做了大量的研究，不久將會形成成熟的方案。

2.3MTCA的實現

MTCA模塊和其他軟件模塊相對獨立，特別是與STCA模塊互不影響，各自獨立計算。由于MTCA計算量較大，可以考慮雙機冗余配置MTCA服務器，用于運行MTCA進程，MTCA服務器需與自動化系統工作網相連接，從自動化系統工作網上實時獲取MTCA計算相關的監視航跡信息，飛行計劃數據，人機操作包括航路的修改、CFL的修改等要素進行沖突探測。再將探測到的沖突發送到有關MMI。

在告警顯示的優先級上，STCA應高于MTCA，由于滿足STCA條件的沖突必然滿足MTCA，因此，在發生STCA時，航跡標牌上應顯示STCA告警。

MTCA使用的告警參數在自動化系統中統一配置，不同的區域、不同的高度可以配置不同的告警參數。當兩個航跡屬于不同的告警區域時，水平告警間隔和垂直告警間隔應當使用其中較大的參數值，告警時間參數采用其中的較小值。同時在管制員的主任席位（能對數個管制員席位的配置和監控）上，應能對MTCA告警的開關、音量大小、告警顯示方式進行實時調節。

3人機界面上的交互

目前空中交通管理由空中交通管制員負責航空器的統一調度。當管制員發現自動化系統提示潛在的沖突時，直接發出指令來改變飛行高度、航向或速度來避免沖突。因此在發生MTCA告警時需要在人機界面上對管制員進行提示。

以下給出一種告警提示方式。

①探測到沖突將發生的前20~10 min，在對航班有管制權限的管制員的屏幕上彈出提示窗口，相關雷達標牌加醒目顏色顯示。

②探測到沖突將發生的前10~2 min，在對航班有管制權限的管制員的屏幕上再次彈出提示窗口，相關雷達標牌加醒目顏色閃爍顯示。

③探測到沖突將發生的前2 min以內，在對航班有管制權限的管制員的屏幕上再次彈出提示窗口，相關雷達標牌加醒目顏色閃爍顯示，沖突航班用測距線連接，并發出告警音。

MTCA功能應監控管制員的意圖信息，在管制員修改航班的CFL時，對雷達探測的該航班高度進行重新計算，并對管制員錯誤的調配意圖給予提示：在管制員輸入的CFL將引起2 min內的飛行沖突，應在相關來打標牌上加醒目顏色提示，并發出告警音。同時，管制員在收到告警信息時，對于各種告警提示能夠人工確認消除，以應對一些特殊情況。

4結語

在未來，MTCA功能將集成到空管自動化系統中，這將有效的減少STCA的產生，降低空中安全隱患。同時，告警時間提前20~30 min，將給予管制員充足的調配時間以解決沖突，降低管制員的工作壓力。在可信任的MTCA功能支持下，管制員可同時管制的航空器數增加，提升扇區航空器容量，從而提高空域流量。對于航空公司來說，依賴MTCA、管制員飛行員數據鏈（CPDLC）等新技術為基礎的協同決策（CDM），可以獲得一定的自主權以能更加安全高效的改變航路，調整空中等待等。Eurocontrol通過研究計算出該模式將為空域使用者每年節省近64 300萬歐元。在減少地面和空中的燃油損耗的同時，也將大量減少碳排放量，使航空業對環境更友好。

國外在用空管自動化系統已開始加入MTCA功能。在我國，隨著研究工作的成熟以及空管自動化軟件更新周期的到來，MTCA功能作為管制方式變革的方向，將得到有力的推進。相信在不久的將來，包括MTCA在內的各種新工具的運用，將使飛行變得更加安全、舒適、綠色、快捷。

參考文獻：

[1] Prandini，M.，Hu，J.，Lygeros，J.，et al.A Probabilistic Approach to Aircraft Conflict Detection.IEEE Trans[D].On Intelligent Tra-

nsportation System，2000.

[2] 張明偉，陳剛.中期沖突探測研究與應用[J].現代電子工程，2009，(6).

[3] 李俊菊，宋萬忠，梁海軍，等.中期沖突探測算法的研究與設計[J].計算機工程與設計，2010，(20).

[4] 曾艷.中程飛行沖突探測模型以及基于UPF的算法[D].成都:四川大學，2006.

[5] PAIELLIRA，Erzberger，H.Conflict probability estimation for free flight[D].Joumal of Guidance，Control and dynamics，1997.