空管飛行數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計

文/李云鵬

民航空管的核心數(shù)據(jù)主要包括監(jiān)視數(shù)據(jù)和飛行計劃數(shù)據(jù)，其中監(jiān)視數(shù)據(jù)有一/二次雷達(dá)數(shù)據(jù)、ADS-B（廣播式自動相關(guān)監(jiān)視）數(shù)據(jù)、MLAT（多點定位）數(shù)據(jù)等，其數(shù)據(jù)格式主要由歐控組織（Eurocontrol）的Asterix 標(biāo)準(zhǔn)所定義，其數(shù)據(jù)發(fā)送周期依數(shù)據(jù)源不同，分別為0.5 秒至4 秒不等。飛行計劃數(shù)據(jù)主要由《MH4007 民用航空飛行動態(tài)固定電報格式》所定義，是民航空管運行的核心數(shù)據(jù)流。

伴隨著每天民航航班的忙碌運行，各類系統(tǒng)都會生產(chǎn)出海量的數(shù)據(jù)日志，而這些都是空管行業(yè)寶貴的無形資產(chǎn)，進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)挖掘利用，能夠生成一套歷史飛行數(shù)據(jù)經(jīng)驗庫，對關(guān)鍵事件進(jìn)行重演，并為高層做決策提供科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)采用了二層組件架構(gòu)體系，包括數(shù)據(jù)挖掘組件、數(shù)據(jù)仿真可視化組件。

1 數(shù)據(jù)挖掘組件

歷史飛行數(shù)據(jù)中詳細(xì)記錄了航班的飛行過程，存在潛在的利用價值。數(shù)據(jù)挖掘組件通過導(dǎo)入大批量歷史飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，提取起落機(jī)場、航班號、航路點信息、過點高度、過點速度、起飛時間、落地時間等航班信息，生成班機(jī)劇情庫，用于以后續(xù)仿真及可視化。

數(shù)據(jù)挖掘組件流程如圖1所示，需要對大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)分析，獲取真實的飛行數(shù)據(jù)，如表1所示，包括經(jīng)過航路點的經(jīng)緯度、速度、高度等精確信息，將航班關(guān)鍵信息導(dǎo)入航班信息數(shù)據(jù)庫，并生成用于可視化組件的飛行劇情。如表2所示。

根據(jù)航班信息數(shù)據(jù)庫制作飛行劇情，飛行劇情要滿足飛行計劃所需要的關(guān)鍵信息，例如圖2中的航班號、二次代碼、起降日期、起降機(jī)場、航路信息等。

2 數(shù)據(jù)仿真可視化組件

數(shù)據(jù)仿真可視化組件通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)挖掘組件生成的班機(jī)劇情，能夠?qū)v史飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行重演和三維可視化，并記錄重演數(shù)據(jù)導(dǎo)出智能解脫經(jīng)驗庫。仿真組件根據(jù)班機(jī)劇情生成相應(yīng)的飛行計劃，然后根據(jù)飛行計劃創(chuàng)建用于可視化的仿真飛機(jī)，依據(jù)BADA 庫等飛機(jī)性能庫來提高重演數(shù)據(jù)的精確度。

仿真可視化組件流程如圖3所示，通過仿真飛行劇情，創(chuàng)建飛行計劃，對每一個飛行計劃創(chuàng)建一架飛機(jī)，并根據(jù)BADA 庫等添加飛機(jī)性能信息，然后進(jìn)行時序重演數(shù)據(jù)，并將重演數(shù)據(jù)可視化。

3 系統(tǒng)通信設(shè)計

系統(tǒng)外部接口包括一/二次雷達(dá)數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)及空管自動化系統(tǒng)綜合航跡數(shù)據(jù)。其中一/二次雷達(dá)數(shù)據(jù)通過HDLC 鏈路引接，需經(jīng)過多業(yè)務(wù)路由器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換；ADS-B數(shù)據(jù)及空管自動化系統(tǒng)綜合航跡數(shù)據(jù)以IP 網(wǎng)絡(luò)方式引接。

圖1：數(shù)據(jù)挖掘組件流程圖

系統(tǒng)內(nèi)部通信采用OpenDDS 數(shù)據(jù)總線，以統(tǒng)一格式的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。典型的數(shù)據(jù)消息結(jié)構(gòu)包括消息 頭（BaseMessageHeader）、 監(jiān)視信息（SurveillanceInfo）、監(jiān)視計劃信息（SurveillancePlanInfo）、 監(jiān)視擴(kuò)展信息（SurveillanceExtendInfo）。

BaseMessageHeader 標(biāo)識了數(shù)據(jù)信號源及消息長度等信息；SurveillanceInfo 包含航跡類型、航跡號、二次代碼、航班標(biāo)識、高度、速度、經(jīng)緯度及信號質(zhì)量狀態(tài)等信息；SurveillancePlanInfo 包括該航班的相應(yīng)計劃數(shù)據(jù)，如航班號、起飛機(jī)場、落地機(jī)場、機(jī)型等數(shù)據(jù)；監(jiān)視擴(kuò)展信息包括其他用戶需要了解的數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前扇區(qū)、管制狀態(tài)、機(jī)場橋位等信息。

4 應(yīng)用效果

表1：機(jī)場信息表

表2：基礎(chǔ)信息表

圖2：飛行數(shù)據(jù)挖掘

圖3：數(shù)據(jù)仿真可視化組件流程圖

圖4：數(shù)據(jù)可視化效果

系統(tǒng)開發(fā)采用C++語言，圖形庫使用QT5.6.2，圖4是最終系統(tǒng)仿真可視化的圖形界面，其中綠色航跡點是通過數(shù)據(jù)挖掘所生成的真實飛行劇本產(chǎn)生的歷史航跡。數(shù)字地球背景采用ArcGis，通過放大地圖可以看到相關(guān)航班的航班號和起飛落地機(jī)場等飛行動態(tài)數(shù)據(jù)。