空中交通管制智能化指揮的探索

王曉帆

【摘要】? ? 本文首先論述了針對(duì)空中交通管制智能化指揮開展研究探索的重要意義，并在此基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)前時(shí)代背景下，空中交通管制智能化指揮所涉及到的重要技術(shù)，希望可以為相關(guān)單位以此從事相關(guān)領(lǐng)域工作的人員帶來有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 空中交通管制? ? 智能化指揮? ? 價(jià)值? ? 關(guān)鍵技術(shù)

引言：

在當(dāng)前時(shí)代背景下，世界范圍內(nèi)的空中指揮系統(tǒng)整體處在“半自動(dòng)化”階段。例如：管理自動(dòng)化系統(tǒng)，并不是真正意義上達(dá)到了自動(dòng)化，而只是達(dá)到了監(jiān)測數(shù)據(jù)、航行計(jì)劃等信息的自動(dòng)化處理，真正意義上的管理指揮仍然需要大量依托管理者的人力操作，所以全球范圍內(nèi)的空中交通管制系統(tǒng)自動(dòng)化的整體實(shí)力仍然需要進(jìn)一步強(qiáng)化。今后的空中交通管制的發(fā)展目標(biāo)是朝著高度智能化、高度協(xié)同化、高度精細(xì)化，其中，高度智能化指的是把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和空中交通管制傳統(tǒng)技術(shù)與先進(jìn)儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效融合，由此實(shí)現(xiàn)空中交通管制的智能化目標(biāo);而高度協(xié)同化一般是指空中交通管制過程中，將更關(guān)注軍地空管、空管內(nèi)部、航空企業(yè)、機(jī)場等部門之間的協(xié)同穩(wěn)定運(yùn)行;最后，高度精細(xì)化則是指對(duì)空中交通今后的使用狀態(tài)（如氣候環(huán)境等）的準(zhǔn)確評(píng)估與對(duì)比，由此保障相關(guān)航班在運(yùn)行過程中可以及時(shí)達(dá)到對(duì)應(yīng)的目的地。

綜上，對(duì)于相關(guān)航空企業(yè)和相關(guān)從業(yè)人員來講，深入認(rèn)識(shí)空中交通管制智能化指揮的重要意義，了解空中交通管制智能化指揮所設(shè)計(jì)到了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，便成為了其必須要關(guān)注的重要課題。

一、開展空中交通管制智能化指揮研究的重要意義

在新時(shí)代背景下，針對(duì)全球范圍內(nèi)航空產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展以及空中流量的持續(xù)性提升，基于人類腦力運(yùn)算為背景，空中交通管制方案的傳統(tǒng)模式已經(jīng)暴露出了許多值得關(guān)注的問題。

第一，因?yàn)榭罩薪煌ü苤乒ぷ魅藛T在無意識(shí)情況下的錯(cuò)誤操作，可能導(dǎo)致相關(guān)航班在低于規(guī)定安全間隔管制的情況下，出現(xiàn)各類安全事故，這一情況已經(jīng)成為了影響全球空中交通管制安全的核心因素之一，因?yàn)橄嚓P(guān)崗位工作人員的個(gè)人情緒、技術(shù)差異、經(jīng)驗(yàn)差異等存在的特殊性、不穩(wěn)定性、不確定性，加上其他各種外界環(huán)境因素的干擾，導(dǎo)致了空中交通管制過程中，存在有諸多的不安全因素，可能誘發(fā)大量的安全事故。

第二，在針對(duì)某一個(gè)扇形區(qū)域中，相關(guān)航班密度持續(xù)性增加的情況下，管制人員會(huì)更多地把個(gè)人精力投入到空中交通管制的特殊重要環(huán)節(jié)。由此不可避免導(dǎo)致對(duì)其他環(huán)節(jié)關(guān)注度的削弱，引起基于管制人員自身判斷和調(diào)配能力所帶來的管制服務(wù)質(zhì)量的逐步弱化，這和流量的增長呈現(xiàn)出反比例關(guān)系。

第三，在當(dāng)前的空中交通管制人員體系結(jié)構(gòu)中，不同個(gè)體之間的管制人員之間也或多或少存在有技能、素質(zhì)等方面的差距，并且伴隨著人類個(gè)體之間生理指標(biāo)在不斷發(fā)生變化，讓管制服務(wù)不能長時(shí)間保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)之下，所帶來的管制服務(wù)整體質(zhì)量也會(huì)受到一定程度的負(fù)面影響，這在無形當(dāng)中提升了空中和地面進(jìn)行交通管制的協(xié)同配合難度，影響了空中交通管制的整體質(zhì)量。

從全球視角進(jìn)行觀察，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，以大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)為代表的先進(jìn)技術(shù)在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中得到了較為廣泛的運(yùn)用，獲得了巨大成效。這給計(jì)算機(jī)技術(shù)智能化發(fā)展和配套相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步成熟提供了良好的條件。

二、空中交通管制智能化指揮工作中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)分析

當(dāng)前中國所采用的空中交通管理控制系統(tǒng)一般是建立在二次雷達(dá)信息處理，重點(diǎn)在于短時(shí)間內(nèi)沖突檢測和沖突警告。因?yàn)椴⑽催_(dá)到從系統(tǒng)自動(dòng)給出飛行矛盾控制方案與飛行指揮命令和飛行指令沖突控制化解程序，該系統(tǒng)的智能化程度仍然需要進(jìn)一步得到強(qiáng)化。不管是在國外民航強(qiáng)國還是中國國內(nèi)，針對(duì)于建立在多元化、異構(gòu)化、跨界化的數(shù)據(jù)管控智能化系統(tǒng)的研發(fā)以及直接使用在一線民航空中管制使用的成型產(chǎn)品，都還沒有典型產(chǎn)品案例，這也是目前全球范圍內(nèi)民航領(lǐng)域亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)問題，對(duì)技術(shù)瓶頸進(jìn)行分析，主要包含有以下幾個(gè)方面。

2.1預(yù)判評(píng)估航空飛行器的潛在飛行沖突

構(gòu)建航班路線、航行飛行模型，衡量扇形區(qū)范圍當(dāng)中的全部航空器，及早評(píng)估某一扇形區(qū)范圍當(dāng)中航空器與將要來到某一扇形區(qū)范圍內(nèi)的航空器在飛行過程中可能出現(xiàn)的沖突，科學(xué)設(shè)置起飛時(shí)間點(diǎn)與進(jìn)入某一扇形區(qū)域的時(shí)間點(diǎn)，及早給予全部航空飛行器來到某一扇形區(qū)域的預(yù)計(jì)上升和下降的距離和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，由此達(dá)到有效預(yù)防航空器在使用過程中出現(xiàn)飛行沖突的作用，針對(duì)對(duì)應(yīng)扇形區(qū)域內(nèi)的全部航空器的飛行沖突開展有限探測和評(píng)估，自動(dòng)判定出每一個(gè)管制區(qū)域當(dāng)中所有航空設(shè)備的飛行高度，為相關(guān)崗位工作人員提供有效的數(shù)據(jù)支持。

按照實(shí)際設(shè)置的航班線路、飛行高度、航班軌跡、飛行速率、機(jī)場情況、扇區(qū)情況、管制區(qū)情況等，按照民航實(shí)際業(yè)務(wù)量，建設(shè)相關(guān)的GIS模型，使用該GIS模型開展行之有效的沖突檢測。

可以代入一個(gè)關(guān)于飛行器標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)區(qū)的相關(guān)理論，按照標(biāo)準(zhǔn)間隔距離的要求，在終端區(qū)范圍當(dāng)中，為最大限度保障安全，兩家航空器在水平方向的間隔距離需要超過3Nm，并且垂直方向間隔距離需要超過1000ft，于遠(yuǎn)距離位置的航線上，兩架飛行器的水平間隔距離需要提升至5Nm。所以需要想象一個(gè)高為1000ft，半徑為3Nm或者5Nm的圓柱體當(dāng)做飛機(jī)的保護(hù)區(qū)域。如圖1所示，在該飛行器保護(hù)區(qū)范圍當(dāng)中，必須要禁止其他飛行器進(jìn)入，若其他飛行器進(jìn)入另一個(gè)飛行器的保護(hù)區(qū)域，便認(rèn)為其存在飛行沖突。

把需要開展沖突檢測解除的位置劃分成多個(gè)4D空間-時(shí)間的網(wǎng)格，與此同時(shí)，每一個(gè)網(wǎng)格單元的大小基于標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)，也就是終端位置水平位置3Nm，垂直方向1000ft，遠(yuǎn)離終端區(qū)的航線當(dāng)中，水平方向5Nm，此后每條飛行線路都需要設(shè)計(jì)好對(duì)應(yīng)的4D網(wǎng)格，之后對(duì)航行軌跡開展橫向?qū)Ρ取Ｈ粢粋€(gè)網(wǎng)格單元同時(shí)被不同的航空器軌道所占用，亦或是相同網(wǎng)格單元中的鄰近網(wǎng)格被其他類型飛行器所占用，則系統(tǒng)可以自動(dòng)判定為存在沖突。

基于以上的航空器的間隔距離標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上，若對(duì)全部飛行器軌跡開展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)沖突檢測將會(huì)是一項(xiàng)較為龐大的工程。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)探測階段復(fù)雜程度的有效控制，會(huì)使用封裝航空設(shè)備飛行軌跡按照方向分成多個(gè)飛行路段，把每一個(gè)飛行路段劃入同一個(gè)邊界框當(dāng)中，此后對(duì)全部封裝好的航線進(jìn)行探索，判定所有不同飛行器路線之間是否可能存在有交匯，之后，若針對(duì)不同飛行器的飛行軌道線路開展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的沖突檢測，以圖2為例，在該圖當(dāng)中，飛行器a和飛行器的兩個(gè)邊界存在重合，則需要會(huì)沖突的邊界框的航路開展沖突檢測，若交匯邊界航線點(diǎn)滿足沖突條件，則判定為存在沖突。

2.2構(gòu)建矛盾解脫程序經(jīng)驗(yàn)庫的辦法

按照管制工作人員的日常工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際面對(duì)的矛盾解脫案例來構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)庫，依靠沖突檢測的實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)庫對(duì)比，給予合理的建議的矛盾解脫程序，研判矛盾解脫過程中管制人員的經(jīng)驗(yàn)庫，按照管制人員的愛好形成的策略開展排序升級(jí)，進(jìn)一步處置驗(yàn)證過的方法，生成處理預(yù)案。這是管理人員輔助矛盾解脫模型的前提，之后按照決策樹內(nèi)容，設(shè)計(jì)針對(duì)對(duì)象的軟件模型，把新模型整合進(jìn)空中飛行交通仿真系統(tǒng)，并基于現(xiàn)實(shí)情況開展仿真。

在系統(tǒng)檢測到矛盾以后，需要憑借算法調(diào)配開展矛盾調(diào)配，飛行器之間的矛盾調(diào)配一般可以劃分成憑借橫向（飛行方向改變）、縱向（飛行速率改變）以及垂直方向（飛行高度改變）。建立在規(guī)則的矛盾調(diào)配在規(guī)則系統(tǒng)的前提下給予飛行器下達(dá)指定的調(diào)整動(dòng)作，規(guī)則涉及到飛行器的所處位置、速率、矛盾情況、飛行高度以及航班信息等，而構(gòu)建規(guī)則庫的一個(gè)有效方法是基于決策樹提供一種能夠展現(xiàn)在任何條件下得出對(duì)應(yīng)結(jié)果的規(guī)則，能夠針對(duì)連續(xù)事件開展處理，形成可理解性規(guī)則，清楚的展現(xiàn)處理結(jié)果。

大量影響矛盾解脫方案形成的原因，例如飛行流程、飛行距離、矛盾種類、飛行器爬升率等，按照不同原因的結(jié)合，形成不同的矛盾解決方案。整合有關(guān)要求和管制人員的操作習(xí)慣，對(duì)形成的方案優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。例如：在飛行器進(jìn)行巡航的過程中，幾乎不會(huì)采用速度調(diào)整的方案，只是在近地管制時(shí)，采用速度調(diào)整的方案。

在針對(duì)經(jīng)驗(yàn)庫開展設(shè)計(jì)的過程中，將包含沖突規(guī)避的規(guī)則劃分為兩種，即正式規(guī)則與非正式規(guī)則。所謂非正式規(guī)則一般是指那些很難使用參數(shù)或者數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表述的理論，將其用于描述飛行器管制規(guī)則，避免碰撞方案的制定，常見的非正式規(guī)則包含有飛行器的優(yōu)先級(jí)別評(píng)估、飛行器的飛行軌跡生成等。

2.3建設(shè)分布式并行計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)的計(jì)算性能始終是飛行矛盾檢測技術(shù)的瓶頸，該系統(tǒng)建設(shè)分布式文件系統(tǒng)與分布式數(shù)據(jù)庫，開展分布式部署，使用大量并行計(jì)算的方式，可以迅速高效運(yùn)算出各種航空器合理的起飛時(shí)間與多機(jī)的飛行沖突并處理并行運(yùn)算時(shí)可能出現(xiàn)的耦合問題，能夠幫助其顯著提升系統(tǒng)的整體功能。

該系統(tǒng)使用DDS作為分布式并行運(yùn)算的中間件，DDS為對(duì)象管理組織所發(fā)布的分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)規(guī)范，此規(guī)范定義了分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的信息發(fā)布、傳輸、接收的接口行為，為航空器飛行管制提供的一個(gè)高效的商業(yè)平臺(tái)構(gòu)架。

三、結(jié)束語

依托計(jì)算機(jī)智能輔助決策，有效減少了管制人員的工作壓力，因此其始終是我國航空發(fā)展的一個(gè)重要方向，值得進(jìn)行大力研究。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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