光纖矩陣在民航空中交通管制系統的應用研究

趙浪濤

（民航中南空管設備工程<廣州>有限公司 廣東 廣州 510000）

0 引言

光纖矩陣在民航空中交通管制系統的應用，是民航空中交通管制系統的升級，同時也是管制系統完善的重要手段。近年來，民航空中交通管理發展進入高速階段，各種信息技術在空中交通管制系統中的應用，進一步完善了空管系統。當然空管系統管理內容多，管理信息多元化，加上管理規模比較大，因此在一定程度上增加了民航空中交通管制的難度。若依然采用原有的技術手段，已經不能滿足民航空中交通管制系統安全運行以及設備安裝等的需求。基于此，在民航空中交通管制系統中應用光纖矩陣技術，完善空管安全運行系統，強化空管系統的管理作用，為未來空管系統發展提供更多參考。

1 空中交通管制運行介紹

飛機是一種在空中運行的交通方式，逐漸成為人們遠行的一種重要交通工具，飛機跟汽車一樣嚴格遵循著相關的交通規則在空中飛行，飛行在空中所遵守的空中交通規則也受到專門機構的指揮和管控，這就是我們所說的空中交通管制。空中交通管制是指飛機在空中飛行的時候通過先進的設備和技術手段對飛機進行管理和控制，以此方式保證飛機的飛行速度和飛行安全性。空中交通管制的任務主要為了防止飛機在空中飛行的時候出現碰撞，因為撞到障礙物而造成空中交通混亂，通過采取交通管制措施來保證空中交通順暢，飛機順暢飛行。

空中交通管制系統的運行以及光纖矩陣技術的應用，都必須對空中交通管制有詳細的了解，認識到空中交通管制組成，為光纖矩陣技術的應用奠定基礎。

1.1 空中交通管制運行

空中交通管制系統，需根據民航空中管制要求，明確管制范圍，隨后科學展開管制運行工作。當前空中交通管制運行，主要管制單位包括3種：其一是塔臺管制；其二是區域管制；其三是進近管制[1]。空中交通管制的具體場所，主要分布于民航的機場塔臺附近，除此之外，還會在終端管制中心區域進行設置。管制單位根據交通管理運行情況，及時進行管制扇區劃分，針對性地進行管制人員加以管理，同時完善監督控制體系，保證交通管制系統的正常運行[2]。

1.2 空中交通管制設施

空中交通管制系統中，基礎設施以無線通信設備為主，此外還涉及空中交通管制正常運行的自動化處理系統，其核心以雷達監視為主。因為空中交通管制系統必須時刻與地面聯系，加上民航運行線路復雜，因此還需要場面監視雷達融匯處理系統的支持，由氣象自動觀測系統輔助，隨時掌握氣象變化[3]，協同決策管理系統，協助空中交通管制系統運行。空中交通管制涉及大量數據信息，均由空管綜合信息處理系統予以處理。塔臺航班排序電子進程單處理系統以及飛行區視頻監視系統，同樣是重要組成。還需設置機場情報自動通播以及數字放行系統，幫助民航隨時完成信息播報[4]。針對不同的運行系統，配備顯示器以及終端工作站等，保證空管系統的正常運行。

1.3 空中交通管制方法

1.3.1 程序管制

這種管制方法對設備沒有太高的要求，進行管制的時候不需要采用專門的設備來完成管制工作，其工作方法主要是通過地空通話設備來完成管制任務的。管制人員在進行交通管制的時候，通過飛行員發送的位置報告來對各個飛機之間的飛行距離和飛行位置進行分析和了解，并掌握相關的飛行狀況，通過這些信息對空中交通存在的變化做出推斷，并向飛機發出飛行指令，指揮飛機在空中有序飛行。在飛機起飛之前，機長必須要向報告室提交飛行計劃，在經過批準之后才可以正式起飛。飛行計劃涉及的內容有飛機需要攜帶的油量、預計飛行時間、經過各個場點的時間、使用的導航臺、飛行航線、備降機場、降落時間等。當飛行計劃確定之后，空中交通管制員要根據飛行計劃內容對飛行進行監管。空中交通管制員會根據收到的飛行計劃和機長報告的位置，對飛機的實際飛行進程單進行糾正，如果發現航空器之間的間隔小于規定的范圍內，就要馬上采取相應的處理措施，對其進行調配，保證航空器之間的間隔可以在規定的范圍內。程序管制法具有精準度差、速度慢的特點，為了使飛機在空中飛行的時候能夠保證其安全性，一般會設置很多的限制條件，例如，同一航線上的同一型號的飛行在空中的高度必須要相互間隔10 min，因為在固定的空間內能夠容納的航空器數量并不多。在中國民航管制工作中程序管制是當前應用時間最長的一種管制方法。

1.3.2 雷達管制

相對于程序管制而言，雷達管制的安全性能更好，雷達管制員在對空中交通進行管制的過程中，只要通過雷達顯示就可以了解在相關的管轄范圍內雷達波所探測到的航空器所處的精準位置，這樣就可以在很大程度上降低航空器之間的間隔，防止出現空中相撞的問題，同時也能使管制工作從之前的被動變得更加主動，而此時管制人員的工作也可以從被動指揮逐漸過渡到主動指揮中，這種方式對于空中交通管制來說，更加高效、有序和安全。當前我國民航管制中規定能夠采用的雷達種類分為兩種類型，一種是一次監視雷達，這種雷達發射的無線點脈沖，有一小部分會被目標反射回來，同時反射回來的無線電脈沖會被雷達收回然后經過處理之后再次顯示，一般會在顯示器上只出現一個亮點，不會出現其他的數據信息。另一種是二次監視雷達，這種雷達是一種能夠將以應答機形式存在的設備，與已經測到的目標有效協調起來的一種雷達系統，在這種雷達的作用下，顯示器上會顯示出飛機的運行軌跡、特殊編號，以及航班號、符號和標牌等數據信息。

1.3.3 程序管制和雷達管制的區別

這兩種管制方式對于空中交通管制來說都取得了一定的進步和發展。二者相比存在的最大的區別就在于程序管制允許航空器之間的最小間距與雷達管制允許航空器之間存在的最小間距存在區別。在規定的管制范圍內，程序管制因為具有精準度差、速度慢的特點，為了使飛機在空中飛行的時候能夠保證其安全性會要求在同一個航線內，同一機型在同一高度之間存在的水平間距必須要間隔10 min。在雷達監控基礎上，程序管制的間隔保持在75 km，而雷達管制規定的間隔控制在20 km。隨著飛機數量的不斷增加，空中交通流量不斷提升，在技術快速發展的前提下，雷達管制間隔也在隨之縮小，從目前的使用情況來看，已經低于20 km。間隔要求越小，就說明空中的利用率越來越大，能夠容納的飛機數量也越來越多，這樣不僅有助于空中航空指揮的順利實施，同時也有助于提升飛行的飛行效率和飛行安全。

2 空中交通管制系統存在的問題

空中交通管制系統運行，依然出現問題必然會威脅到民航正常運行。傳統空中交通管制系統以塔臺終端工作站為主，管制設備等均設置與安裝于民航空管的管制席位桌。受到系統升級與基礎設施等改善的影響，新建塔臺安裝位置不斷調整，同時增設環形機房，空中交通管制系統中稱其為“檢修環”，其設置位置與塔臺指揮間緊密相連。這種設計模式在多個機場均開始實踐，參考北京東塔與西塔，還有昆明地區新建的塔臺等。當然重慶、武漢等地區在建中的塔臺也采用這種形式。采取有效手段實現鍵盤顯示器、塔臺顯示器能夠打破距離限制直連。當然在實際操作中，受到多方面因素的影響，其中存在一些設計與實施問題有待改進。

2.1 運行環境不確定因素多

塔臺的搭建，受到運行條件限制，必須保證其自身結構沒有視線遮擋，同時也要滿足指揮間的設計要求[5]。不管終端工作站最終選擇安裝于哪個區域，都必須注意塔臺環境要求。根據實踐情況發現，無論是管制桌還是檢修環，都不能滿足機房專用空調設置的標準。近些年塔臺安裝的調整，從一定程度上改善了傳統塔臺在運行環境方面的局限，如散熱不到位、空間規劃不合理等[6]。但是塔臺運行環境調整的同時，民航的運行業務也在不斷增加，再者大眾對民航運行要求越來越嚴格，這種情況下塔臺設備運行壓力加大，運行環境方面的問題解決迫在眉睫。

2.2 空中交通管制成本高

空管系統的正常運行，需要專業技術與設施的支持，不管是技術還是設施，都會消耗大量管制成本。空中交通管制系統的運行，以管制大廳為載體，采取地下管道送風形式，及時對空中交通管制環境進行控制[7]。但是空中交通管制環境的設置，均具有空間層高的特點，如此一來，不管是設備的布局還是消防方案制定等，都要受到空間規劃的挾制，并且提出運行高標準要求。在這種情況下，不僅空中交通管制成本不會降低，還會出現各種成本增加的情況，這方面為空中交通管制系統運行造成很大困擾。

2.3 空管中的席位終端維護難度大

空中交通管制系統中，所有空中指揮都要求處于安靜環境。為方便管制員的管制，將席位工作站設置規劃到相關工作人員工作場所[8]。但是因為空中交通管制設施設置比較分散，并且均設置在檢修環或者管制桌下方，所以增加了席位終端維護的難度。

3 光纖矩陣在民航空中交通管制系統的應用方案

為了科學解決民航空中交通管制系統存在的問題，積極在空中交通管制系統中加入光纖矩陣技術，幫助民航空中交通管制系統實現“人機分離”，有效改善環境方面對其的影響。利用光纖矩陣的方式，將工作站順利從顯示器上剝離，及時轉移到設備機房。光纖矩陣的具體應用，具體按照如下方案展開。

3.1 增設KVM光纖延長器

通過對空中交通管制系統的研究，結合其多功能要求，積極應用光纖矩陣技術。在原有系統結構模式不改變的情況下，為滿足各設施之間的連接順利，分別從終端工作過站、顯示器做出調整，增設光纖傳輸端口，以此達到收發器延長的目的。將打印機、顯示器等有效連接，同時在KVM光纖延長器安裝期間，通過點對點的方式對光纜有效連接，保證系統基礎結構正常運行的基礎上，順利實現遠端工作站控制操作，方便管制員的管控。除此之外，KVM延長器根據雙光纖鏈路情況，增加雙路輸入以及輸出端口，為光纖鏈路的運行增加雙重保險，提高空中交通管制系統的安全性。

3.2 光纖矩陣切換設計

光纖矩陣切換器采用的主要運行方式是通過把各個電腦系統中的RS232串口、音頻、視頻等信號都輸入到光纖矩陣服務器中，然后形成資源池，最后在輸出端的作用下，使資源點通過這個資源池進行訪問。空中交通管制系統應用光纖矩陣，必須做好光纖矩陣切換設計。以切換器為載體，從不同端口分別接入視頻VGA以及音頻等，積極打造資源池，利用光纖矩陣切換器的輸出端，明確資源點后完成切換器資源訪問。輸出端則能夠對資源進行訪問，但是因為輸出端數量多，所以通過資源點的設置，將輸出端資源訪問進行分流，由此達到輸出端有序管理的目的。通過對光纖矩陣切換器的安裝，協調終端工作站的運行，并且幫助空中交通管制系統對資源信息實時共享，既可以做到系統運行的集中監控，又能夠增設多屏操控以及資源隨時處理附加功能，增設空中交通管制的功能性，提高空中交通管制系統運行效率。除此之外，如果在進行光釬矩陣切換設計的時候，采用了單臺光纖矩陣方案，就要利用KVM光纖收發器的雙路輸出或輸入的另一路端口來增加直連光纖，通過這種點對點的光纖從而構成光纖矩陣系統的應急備份。

3.3 空中交通管制系統光纖矩陣具體應用

結合空中交通管制系統情況，應用光纖矩陣過程中，若選擇單臺類型，則需要將KVM光纖收發器做出調整，依然采用雙路輸出與輸入，增加點對點光纖連接處理，在此基礎上還要設計備用光纖矩陣系統，保證交通管制系統的正常運行。切換光纖矩陣模式，通過冗余配置的方式，以不同端口對光纖收發器進行連接，這樣就可以保證空中交通管制系統準備矩陣的運行，還能夠自動切換到傳輸線路系統。在光纖矩陣切換器的作用下，隨時掌握空中交通管制系統情況，尤其是信號狀態以及實時監測數據變化，與此同時，還能夠任意指定光纖矩陣端口的輸出與輸入。終端給出系統信號后，結合操作權限要求，將系統信號傳輸至共享顯示器端口，隨后完成跨屏操作。

4 民航空中交通管制系統中光纖矩陣應用的價值

結合當下民航空中交通管制系統運行情況與提出的創新升級需求，科學融入光纖矩陣技術，打破傳統空中交通管制系統的限制，在此基礎上，從時間上與空間上實現跨屏、遠端操作。尤其是光纖矩陣切換器的加入，不僅完成了席位終端的有效剝離，同時對設備機房空間規劃做出調整，對空中交通管制設施有效集中，方便設施維護與系統運行監督，緩解管制人員的設備維護等壓力，保證設備機房系統穩固性，時刻處于正常運行狀態基礎上，將設備使用壽命有效延長，及時排除設備運行風險，將設備運行隱藏的風險與故障率降到最低。通過實時信息傳輸與操作畫面的切換，主人管制席、技術監控席等靈活調整，隨時掌握空中交通管制系統運行情況，很大程度上將運行監控效率提高。“人機分離”的實現，異地顯示器的安裝，打破空間限制實現運行視頻的實時共享，特別是席位搬遷過渡期，不會再出現同步運行中斷的現象。有光纖矩陣的支持，鍵盤、鼠標實現跨屏操作，同時完成多系統終端控制，對席位桌面布局進行了有效簡化，為人機操作的順利完成創造有利條件。以視頻矩陣的方式，幫助空中交通管制系統及時完成故障席位信號切換處理，節省更多移動位置環節，提高了工作站操作效率。

5 結語

綜上所述，對于民航空中交通管制系統來講，為打破傳統管制模式，改善空中交通管制系統短板，積極提出應用光纖矩陣的策略。雖然光纖矩陣的應用很多方面還處于探索與實驗階段，但是通過目前的應用發現，光纖矩陣對空中交通管制系統運行有重要價值，從多方面改善了傳統空中交通管制的問題。特別是光纖矩陣切換器的應用，提高了空中交通管制系統的穩定性與安全性，為高速發展的空中交通管制系統錦上添花。