基于網絡的雷達管制模擬機培訓系統設計與開發

張曉燕，陳亞青，李宇華

(1.上海民航職業技術學院 航空制造系，上海 200232；2.中國民航飛行學院 民航飛行技術與飛行安全科研基地，四川 廣漢 618307；3.上海吉祥航空公司 飛行訓練中心，上海 201315)

0 引言

近年來隨著空中交通流量的急劇增加，各一線管制單位對管制員的管制技能要求越來越高。與此同時，管制學生培養規模的不斷擴大，使管制學生模擬機技能訓練資源逐漸緊張，嚴重影響了管制學生管制模擬機的管制實踐技能訓練水平。空管教學的改革，大幅度地增加了在校管制學生的練習數量，造成了管制教師嚴重超負荷工作。這對學院和各一線管制單位“1對2”(1位管制教員對2位管制學員)的管制模擬機培養模式提出了挑戰。如何在管制模擬機課堂實踐教學之外增加學生的模擬機訓練時間，加強培養其管制沖突意識、提升管制技能，同時緩解管制教師的超負荷工作現象，成為民航院校和各一線管制單位必須面對的問題。

管制模擬機課程是交通運輸專業教學的重要實訓環節，在空中交通管制員的培養和培訓中具有舉足輕重的作用。王超等早在1998年便開發了具備DRS-93雷達模擬機的主要功能、適用于獨立微機上操作練習的雷達區域管制模擬訓練系統[1]。李楠等研制了桌面式機場塔臺管制仿真系統，以機場塔臺視景仿真為中心，通過分布交互實時網絡，真實模擬機場塔臺管制各個環節，為學員提供一個逼近真實的虛擬仿真訓練環境[2]。2013年張曉燕、馬江濤詳細分析了日本游戲制造商開發的管制模擬軟件ATC3的特點，研究了其在管制員模擬機培訓的可應用性[3]。2014年陳亞青等對雷達管制網絡模擬培訓總體方案進行了設計，其系統更貼近于管制員的實際工作[4]。楊萬龍等對空中交通管制塔臺模擬機的設計原理、工作流程及其應用進行了簡單的介紹[5]。石怡等使用ASP.NET、AJAX、ADO.NET等技術開發了網絡培訓系統，以用戶需求為中心，為培訓用戶和培訓機構提供了一個功能強大的交互平臺[6]。繆志新等對管制模擬機訓練存在的問題進行了剖析，提出了相應的對策[7]。張健等通過介紹“大工程觀”教育理念實質及特點，提出在空管人才培養中，應積極推進雷達管制實踐教學模式改革，以應對行業快速發展對空中交通管制人才綜合素質的更高要求[8]。黃貽剛等提出借助現代教育技術手段，設計并制作基于Flash 的《雷達管制運行環境自主學習系統》CBT課件，開發了自主學習系統[9]。牟奇鋒在整個空域的建立、飛行過程的計算模型的基礎上，開發了雷達管制軟件系統[10]。朱曉波等分析了我國管制員在院校學習階段的雷達管制模擬機培訓情況，從訓練制度、訓練模式、訓練練習編排等幾個方面提出了建議[11]。郭昕等以雷達管制課程為研究對象，分析了雷達管制課程實踐教學的特點和原則，對雷達管制課程主要實踐教學方法進行了闡述[12]。然而，國內尚未開發出基于網絡的雷達管制模擬機培訓系統。

為了有效緩解民航院校和管制單位雷達管制培訓中模擬機設備和管制教員不足的壓力，改進現階段民航三大管制員培養院校和各一線管制單位管制學生(員)的訓練模式，提高管制模擬培訓的靈活性，增加學員管制模擬訓練的時間，提高培訓效率和質量，本文采用基于Microsoft.Net架構的多層結構和面向對象的模塊化設計方式、利用SQL server數據庫和C#語言開發了基于網絡的雷達管制模擬機培訓系統。該系統和平臺可實現學生異地自主訓練、系統自動評分、教員在線評價等功能，進而替代部分雷達管制模擬機課堂實踐的教學環節，提高實踐教學的質量。

1 系統總體設計

1.1 系統網絡設計

系統的網絡設計采用Client+Web Service(客戶端 + 網絡服務)和B/S(瀏覽器端/服務端)兩種架構體系來實現。系統應用程序服務器采用云計算主機，保證服務器端的處理能力與數據的穩定可靠。服務器端采用性能優異的SQL Server數據庫，服務器應用處理系統采用Microsoft.NET平臺開發，提供賬戶管理、學員訓練管理與資料存取、教員評閱信息存取以及教員與學員互動等功能。學員訓練端與教員評閱端采用Microsoft.NET平臺開發，并且結合流行的圖形引擎給學員展示形象逼真的仿真效果。系統的網絡配置如圖1所示。

圖1 系統網絡配置示意圖

1.2 結構設計

基于網絡的雷達管制模擬機培訓系統采用基于Microsoft.Net架構的多層結構和面向對象的模塊化設計方式，可以方便地對系統進行維護和功能擴展。服務端數據庫采用SQL Server數據庫，可快速有效地進行數據管理和維護。

Microsoft.Net架構的多層結構包括數據層、邏輯處理層和交互展示層等。

(1)在數據層中，利用ADO.NET 訪問數據庫。

(2)在邏輯處理層中，教員端、學員端和網絡查詢管理系統端與服務端的數據庫之間采用TCP/IP協議進行連接以及配置Web Service數據接口對數據進行控制。

(3)系統的交互展示層主要包括了網絡管理端、教員端和學員端三個部分。網絡管理端采用ASP.NET AJAX 技術，交互展示層采用Microsoft.Net平臺框架開發，通過Visual Studio開發出各種系統界面。

學員端機場空域圖采用.NET與XNA游戲引擎聯合開發，根據實際機場的數據在程序代碼層繪制包括跑道、下滑道和距離環等機場空域數據，以及飛機尾跡、航向、速度、高度等航行諸元。通過實時的圖形渲染與運行數據模擬，逼真地仿真管制場景。

2 系統構架

基于網絡的雷達管制模擬機培訓系統由網絡管理平臺和雷達管制模擬機培訓系統兩部分組成，如圖2所示。其中網絡管理平臺用于管理員、教員和用戶的管理、成績查詢、通告管理、訓練成績上傳以及用戶認證等，雷達管制模擬機培訓系統用于用戶的雷達管制模擬機電腦端本地訓練。

圖2系統總體構架圖

3 系統實現

系統采用基于Microsoft XNA游戲引擎和面向對象的模塊化設計方式進行設計，利用SQL server數據庫和C#語言進行開發。系統的若干關鍵技術體現在兩方面：

基于Web Service+客戶端的構架，讓學員擺脫了空間的限制，能夠在任何地方進行雷達管制模擬機的練習。

基于XNA的場景渲染與實時運算系統，將空域從實際場景映射到軟件界面上，并對內部各個元素進行實時運算仿真和模擬。

3.1 網絡管理平臺構成及功能

網絡管理平臺是服務器提供的一個網站服務系統，用戶只需打開瀏覽器輸入http://atc.zimasys.com/即可以訪問該網站平臺，對用戶、學員、教員等信息進行管理。該網絡管理端主要包括四個模塊：學員模塊，教員模塊，管理員模塊及關于系統使用模塊。

3.1.1 學員模塊

輸入用戶名和密碼，進入學員信息模塊，可實現以下功能：

(1)訓練記錄查詢：可查看學員本人的訓練時間及訓練成績。

(2)修改密碼：可對學員本人的密碼進行重置功能。

3.1.2 教員模塊

輸入用戶名和密碼，進入教員信息模塊，可實現如下功能：

(1)成績查詢：通過下拉框選擇學生姓名，對其作答記錄進行查詢，可查看學員的訓練時間及訓練成績。如圖3所示。

(2)修改密碼：可對教員本人的密碼進行重置功能。

圖3 教員信息模塊圖

3.1.3 管理員模塊

管理員模塊包括以下六個子模塊：

(1)成績管理：通過下拉框選擇學員姓名，對其作答記錄進行查詢，可查看學員的訓練時間及成績。

(2)管理員管理：可對管理員賬戶進行管理，修改管理員的賬戶及密碼；開啟新的管理員賬戶。

(3)教員賬戶管理：修改教員的賬戶及密碼；開啟新的教員賬戶。

(4)學員管理：對學員賬戶進行管理；修改學員賬戶及密碼；開啟新的學員賬戶。在該子模塊中，可批量導入學員賬戶信息。

(5)通告管理：可添加通告標題及內容，并對通告內容進行修改。

(6)修改密碼：對某一管理員的密碼進行修改。

3.2 雷達管制模擬培訓系統

該系統采用C#+Web Service+XNA進行編程，實現管制學員的基本技能及提高技能的培養。系統的組成模塊如圖4所示。

各模塊的功能如下：

空域仿真模塊：用于對仿真空域的場景生成與模擬；

飛機沖突檢測模塊：用于計算空域內飛機之間的間隔，進行實時評估；

跑道仿真模塊：用于對仿真機場跑道的場景生成與模擬；

航班仿真模塊：用于對仿真航班的生成與模擬；

走廊口仿真模塊：用于對仿真走廊口的場景生成與模擬；

航班起降仿真模塊：用于對仿真進離港航班的跑道起降計算模擬；

系統實時計算模塊：用于對整個仿真系統進行實時運算；

系統操作模塊：用于指揮進程的控制以及訓練得分數據上傳到云端服務器；

系統計分模塊：用于對仿真指揮的分數計算。

圖4 雷達管制模擬培訓系統模塊組成

該系統實現了學員的一站式全自助的學習。學員通過網絡管理端首頁，下載《AirControl管制模擬訓練器》至本地電腦，運行《AirControl管制模擬訓練器》，登錄系統，可進入主菜單。主菜單共包括三個模塊：“創建新訓練”“系統設置”及“退出系統”。系統設置包含“尾跡”“燃油”和“聲音”三大功能，可對此三項功能進行開啟、關閉設置。如圖5所示。

圖5 雷達管制模擬訓練器系統界面

在以上界面的“系統設定”中，可實現兩大功能的設置：距離環的設置和進離港航班密度的設置。通過進港航班密度和離港航班密度的設置，為不同水平的學員提供不同難度水平的練習。

設置進離港密度分別為0.5，練習啟動，界面如圖6所示。

圖6 模擬練習界面圖

3.2.1 雷達管制模擬訓練空域設置

雷達管制模擬訓練空域包含東、南、西、北四個走廊口，該空域實行進離港分離程序，西、南兩個走廊口為進港走廊口，東、北兩個走廊口為離港走廊口。離港飛機均沿標準離港程序離港，起飛后直飛離港走廊口。學員通過對進港飛機的高度調整、雷達引導和速度調整等雷達管制基礎技能的運用，對進港飛機進行排序，引導落地。

3.2.2 雷達管制模擬訓練計分規則

在雷達管制模擬培訓系統中，根據我國民航雷達管制的管制規則，建立如下的計分規則：

對進港飛機規則如下：

飛機墜毀：-10000；

飛機正常落地：+100；

指揮時長<=4分鐘：+20；

飛機在整個航程中間隔正常(水平間隔>=6km 或者垂直間隔>=1000英尺)，進行間隔保持獎勵：+50。

離港飛機的生成：跑道端點距離<14.0km且高度小于 2000英尺范圍內沒有飛機，則離港飛機將自動生成。

對離港飛機規則如下：

飛機正常離港：+10;

指揮時長<=4分鐘：+10；

飛機在整個航程中間隔正常(水平間隔>=6km 或者垂直間隔>=1000英尺)，進行間隔保持獎勵：+50。

飛機飛出扇區則移除該航班，飛機飛出扇區：-100。

該系統的自動評分功能可為教員提供不同學生的管制水平的參考，以針對性地對學生進行指導。

3.2.3 飛機間沖突的判斷

三維立體距離<6km且垂直距離<1000英尺，則觸發航班沖突警告；

三維立體距離<0.2km且垂直距離<100英尺，則觸發航班mayday警告，且飛機處于墜毀狀態從此不受控，直到飛機墜毀。

3.2.4 雷達管制模擬訓練成績保存及上傳

練習結束后，訓練成績需要學員提交才能夠進入服務器中。具體操作如下：訓練過程中按下Esc按鍵，點擊“保存戰績”即可保存該次練習系統的自動評分。同時，教員也可在網絡平臺同步查詢該次訓練成績。圖7所示即為網絡平臺同步查詢的成績。

圖7 網絡平臺同步查詢訓練成績

4 系統測試

系統開發完成后經某民航院校2014級交通運輸專業部分本科生試用。試用顯示，該系統實現了雷達管制模擬訓練的基本功能，可根據學員的水平區別性、針對性地訓練學員的調速技能、間隔調配技能及雷達引導技能，且實現了遠程訓練的各個功能。該系統的設計和開發達到了預期目標，豐富了交通運輸專業雷達管制模擬機教學的方式，在雷達管制模擬機教學中具有一定的推廣應用價值。

5 結語

基于網絡的雷達管制培訓系統由網絡管理平臺和雷達管制模擬機培訓系統兩部分組成。該系統基于網絡開發，不受場地、時間的局限，實現了學員在電腦上進行遠程自主訓練的目標。學員只需要通過訪問網站，下載雷達管制模擬培訓系統到本地即可直接運行和練習。同時，系統依據中國民航雷達管制的管制規則，建立了相應的計分規則，實現了自動評分功能。

該系統的自主研發可改進現階段民航管制員培養院校和各一線管制單位管制學員的訓練模式，提高培訓效率和質量，更好滿足各管制單位對應用型人才的迫切需求。

未來可在以下方面完善系統：

(1)練習設置上增加進、離港程序交叉的部分。

(2)可融合語音識別系統，以同時實現標準無線電陸空通話的訓練。