民航空管復盤綜合分析系統研究與實現

陳愷

（中國民用航空中南地區空中交通管理局廣西分局，南寧 530000）

0 引言

流量管理系統是當前研究熱點，其合理性、客觀性也顯得尤為突出。復盤系統作為流量管理系統的輔助系統，既能實時顯示目標航跡態勢，也能對復盤數據進行回放與評估，可以結合當時情況下的扇區容量，疊加計算管制員發話頻次，波道繁忙程度，以及偏離計劃航路的航跡的占比[1]，判斷流量管理措施是否合理，有利于后續空管工作運行總結。然而目前國內針對空管復盤分析評估軟件系統的研發相對滯后，現有的系統中存在功能比較單一、復盤態勢信息反饋不夠全面、航跡目標回放機制不夠靈活等問題。這些問題的存在，影響了復盤工作評估的效果，制約了航班正常性工作的發展。此外，南寧區域地處熱帶亞熱帶地區，每年雷雨、強降水等復雜天氣周期較長，對航班正常性工作提出嚴峻考驗。各部門應加強復雜天氣條件下的空管運行復盤工作，不斷總結得失經驗，有效提升天氣預警信息與管制運行的融合程度，為后續工作的開展提供有力支撐[2]。因此，研究一套可提供復盤數據的可視化系統，對復盤工作和提高航班正常性工作具有極大的指導意義。

為了滿足空管運行復盤工作的需求，設計基于Ja?va的空管復盤分析系統。該系統集雷達目標的實時顯示、目標復盤情況的實時統計（如包含單位時間段內復盤目標總個數或目標偏離航路指定距離的個數統計）、目標復盤態勢回放、復盤情況評估報表生成等多種功能于一體，能夠更為全面、真實反饋復盤目標當時運動態勢和數據信息，通過復盤分析系統提供的復盤數據，能汲取工作經驗并及時研究改進措施，建立科學評價體系，有效提升管制運行效能和策略研究。

1 系統實現原理

空管復盤分析系統通過UDP協議接收萊斯或華泰自動化的綜合航跡數據（ASTERIX的062類格式），通過RS-232協議接收多普勒雷達氣象回波云圖信息。然后復盤系統將接收的數據進行解析、封裝，生成并維護有效、實時的航跡信息和云圖信息，并通過圖形疊層顯示（頂層為實時的綜合航跡目標運動態勢，中間夾層為區域航路地圖，底層為多普勒雷達氣象回波云圖）在復盤分析系統HMI界面進行顯示。

解析封裝完畢的數據將進行復盤數據儲存，用于復盤數據回放。復盤回放模塊采用多線程技術，用戶可根據實際情況回放規定時間段內航跡運動態勢，并可調控回放進度和回放速度。此外，系統提供目標復盤情況的實時統計（如包含時間段內復盤目標總個數或目標偏離航路的個數統計），以圖表形式呈現給用戶。

復盤系統分為兩大功能模塊：一是實時顯示與統計功能模塊；二是復盤回放與復盤評估功能模塊。針對兩大功能模塊的具體功能，系統初步設計了四個子模塊，包括：航跡實時顯示模塊、復盤目標統計模塊、復盤回放模塊和復盤評估報表模塊，其結構原理圖如圖1所示。

圖1 復盤分析系統結構框圖

2 關鍵算法研究

2.1 氣象云圖數據解析

氣象云圖一般以強度為度量單位，在單雷達氣象數據中，通常強度分為2、4、6、8，本設計將系統云圖強度等級以4為度量單位，其它單路氣象雷達云圖轉換為系統云圖強度等級關系如表1所示。

表1 氣象云圖強度等級轉換關系表

氣象云圖可用一個具有m個頂點的多邊形表示，其繪制步驟為：首先根據輪廓點序列在區域地圖畫出m個頂點，然后依次用線段將各頂點進行連接，構成一個m邊形，最后多邊形根據氣象云圖的強度等級進行著色，強度越大，顯示云圖的顏色越深。

系統對氣象云圖數據進行更新與丟棄，使HMI界面實時顯示云圖信息。對于單路雷達氣象數據更新，可以采取航跡處理類似方法，即在雷達每一個掃描周期內，對接收的云圖數據進行在線解析，同時輸出一個更新標志位，表示當前區域所掃描的云圖信息已更新。當在VSP時間內未收到云圖數據信息，系統對該云圖進行丟棄處理，其處理流程如圖2所示：

圖2 單路氣象數據處理流程圖

2.2 氣象云圖關聯算法

相關波門是以某次雷達掃描的預測值為中心的一個空間區域，能確定一個觀測（頂點）是新目標還是與已知頂點相關的初步驗證，落入相關波門內的觀測才進行下一步的頂點觀測配對。

假設系統氣象云圖由一塊N個頂點的云圖C和一塊M個頂點的云圖D組成，其頂點分別為和對于D的任一頂點總存在一個頂點( )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位置，其中，r為圓形波門的半徑，k為系統允許云圖之間頂點數的最大偏差值。當滿足矩形波門位置相關時，存在如圖3關系，其中，Δx和Δy分別為矩形波門在x和y方向的數值大小，當Δx=Δy=r時，矩形波門為相應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，可以減少無關云圖數據落入波門的概率，但計算量較大；矩形波門增大了波門尺寸，增大無關云圖數據落入波門的概率，但減少了計算量[4]。鑒于此原因，本設計采取了使用一個較大尺寸粗略的矩形波門，圓形波門處理內部氣象云圖數據的計算模型，該模型結合兩者優點，能優化云圖的關聯算法，減少計算迭代性，當兩塊云圖面積大小接近時，可以等效認為兩塊云圖相關。

圖3 氣象云圖關聯算法模型

2.3 氣象數據融合算法

復盤系統中所引接氣象云圖數據為系統融合氣象數據，需要采用算法進行氣象云圖數據融合。常規融合算法有加權平均法、馬賽克法，加權平均法的核心思想為對每引接的單部氣象雷達云圖數據一個加權系數，各單路雷達云圖參數（如濃度、密度等）根據權重系數參與系統融合氣象數據計算[5]，該算法能全面遍歷各單路氣象雷達數據，但計算量大。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優先級別[6]，當某塊云圖位于某區域馬賽克時，優先采用較高級別的單雷達氣象云圖去更新系統綜合氣象云圖，該算法計算量小，但每塊馬賽克沒有充分利用另外冗余氣象雷達所提供的氣象云圖數據。

本設計提出一種加權平均和馬賽克綜合法，即對于已經和系統氣象云圖關聯的某單路氣象云圖數據采用加權平均進行計算；為提高傳感器氣象雷達數據實時控制，加權平均系數可采用馬賽克計算方法。為了驗證本算法有效性，利用Java編譯環境進行融合算法仿真，圖4是雷達R1、R2、R3均探測到某一塊氣象云圖，假設三部氣象雷達加權系數分別為，馬賽克算法中雷達優先級P按照雷達與所掃描目標云圖的距離進行設置，假設為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，其實驗結果比較平滑，該融合算法既綜合考慮三部雷達的實時探測結果，提高了融合結果的精度性，又能動態根據加權系數進行計算，耗時較小；而對于三部雷達，采用加權系數或馬賽克單一算法，其仿真結果數值矢量擺動性較大，在每一個馬賽克內只考慮優先級最高雷達的馬賽克效果，且加權系統難以確定，導致計算耗時長，精度性低。

圖4 加權平均和馬賽克融合算法

2.44 D航跡剖面算法模型

4D航跡主要用于復盤系統4D預測計劃航跡的形成，即將航空器水平剖面、高度剖面、速度剖面進行分解研究，最后將各階段的航跡特征點集合進行擬合[7]，形成基于飛行計劃的4D航跡。設計基于綜合航跡和MH4029.3計劃信息，建立4D航跡模型，其算法如圖5所示。

（1）系統首次接收MH4029.3的IFPL計劃報時，建立目標航跡的初始4D剖面模型；

（2）當收到起飛報后，以實際起飛時間（ATD）為基準，重新修正目標航跡的初始4D剖面模型，進一步推算出目標航跡入界和經過各航路點的時間、高度、預管制扇區等剖面信息；

（3）利用目標實時航跡信息和電子移交(以下簡稱：AIDC)[8]的EST電報對航空器進行預管制扇區流量的最后一次修正。當收到EST報時，目標航跡會根據EST報的移交高度XFL進行預管制扇區的投遞，修正目標航跡4D剖面模型；

（4）進入本管制區域后，系統能根據實時雷達航跡修正過點信息，更新目標航跡4D剖面信息；

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

圖5 4D航跡剖面模型流程圖

2.5 系統航跡設計模型

復盤分析系統監視數據處理模塊主要收集自動化系統通過UDP協議送來的綜合航跡數據，并根據CAT062數據格式定義進行數據項的分解，提取出主要信息，包括目標的屬性、識別符（二次代碼、航跡號、地址碼等）、位置、高度、速度等。對這些數據項進行合法性檢查后，將通過質量檢查的目標信息WGS-84坐標系轉換以南寧系統處理中心為原點的直角坐標系并投影到系統平面上，然后參與綜合航跡的跟蹤處理。

其計算模型如圖6所示，假設Mrdp_HaspMap哈希表存放所有目標最新的航跡信息，當監視數據處理模塊收到某一目標數據時，將解析的該目標航跡號與Mrdp_HaspMap的航跡號進行遍歷比較，如果存在相同航跡號，則認為本次收到的目標信息為對應航跡目標的更新信息，系統將刷新此目標的狀態描述，更新Mrdp_HaspMap；反之，則在Mrdp_HaspMap目標信息列表建立一個新的航跡目標。由于復盤系統要存儲若干歷史航跡信息，在存在相同航跡號的條件下，將本次接收的目標航跡數據存放在HisList[Track_num][0]中，HisList是一個以航跡號為行，歷史航跡個數為列的二維數組，對于歷史航跡數據存放，則在循環遍歷中使用迭代法：HisLis1[Track_num][i]=HisLis1[Track_num][i-1]（1<=i<=hisCount-1）。

圖6 系統航跡計算模型

3 系統運行效果

系統采用C/S架構，復盤系統服務器主要作用是解析自動化系統傳送的綜合航跡數據和氣象云圖數據，并儲存數據，并通過SNMP協議與復盤顯示終端通信，將解析封裝完畢的數據顯示在復盤態勢終端，形成實時目標航跡態勢和氣象云圖信息。航跡回放功能則調取復盤服務器對應時間段的儲存數據，在復盤態勢終端實現航跡回放功能。其主界面如圖7所示。

圖7 系統主界面圖

系統可支持以下常規操作：

（1）態勢界面顯示范圍進行放大、縮小、平移操作；

（2）可對目標進行測距、標牌拖拽；

（3）目標高度和SSR過濾；

（4）目標航跡回放功能；

（5）統計時間段內復盤目標的個數，統計目標偏離航路固定點的目標個數，以圖形柱體表示，方便查看時間段內流量管理情況；

（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，系統預留引接廣州云數據中心數據（如飛行計劃數據、基礎數據等）接口，為本系統提供必要的數據來源，實現數據共享、移植、創新挖掘等作用。此外，復盤系統可將儲存的航跡和氣象數據，通過本地的云數據系統，向廣州云數據中心提供本地空管業務數據（如本地雷達綜合航跡數據、氣象云圖數據等），以便進行大數據分析、數據質量管理、有效對數據進行運維管控，復盤分析系統擴展性結構圖如圖8所示。

4 結語

基于Java的空管復盤綜合分析系統，采用模塊化設計，提高了系統的可擴展性和可維護性；本方案所提及利用自動化綜合航跡輸出信號和多普勒氣象云圖作為復盤系統航跡輸入源，能準確無誤顯示目標運動軌跡和云圖變化情況。該系統運用數據庫技術實現了系統信息的共享性和數據封裝性，實現復盤數據回放。整個系統具有可靠性高、響應速度快、易于擴展等優點。該系統能復現當時運行過程中的氣象數據、雷達航跡數據、流量管理策略數據等，為后期相似環境下指導航跡目標如何運行提供數據支撐，在空管單位具有廣泛的應用前景。

圖8 復盤系統引接云數據中心結構拓撲圖