基于5G通信技術的現代機場航班信息管理系統設計

彭文路

(華設設計集團北京民航設計研究院有限公司,北京 100000)

0 引言

機場管理需要對跑道、航站樓、塔臺、停機坪等設施的信息進行集中調控,以實現機場管制、空中交通管制等服務[1]。由于游客量逐年增加,對機場管理的實時性、便捷性提出了更高的要求。在設計管理系統方面,有許多學者研究出了相應成果。鄭清華[2]提出基于數據包絡分析的管理系統。系統硬件主要分為主控驅動模塊、資料監測模塊和服務器。該系統利用多功能層和子程序管理資料信息,以相對較少的時間為目標,結合數據包絡分析法,實現資料數據的存儲和調度等管理功能。陳晨[3]等提出應用大數據分析方法,選取影響管理效果的關鍵數據指標,構建制造執行系統以采集運行數據,對生產數據進行有效的分析處理,從而提升運行管理效率。但上述方法的理論在應用于機場管理時,存在響應速度慢等問題,影響了機場內部工作效率和機場對外服務質量。

本文引入5G通信技術,借助其高速率人機物互聯的優勢,將其應用到現代機場航班信息管理系統的優化設計中。利用5G通信技術替換機場管理系統的原有4G通信網絡,可大幅度增加帶寬、濾除干擾信息、增強通信質量。采用IEEE 802.15.4構建的5G通信協議,可以在保障數據在各通信節點之間傳輸實時性的同時,均衡分配數據傳輸量,以免通信擁堵。通過所構建的5G通信網絡節點采集并傳輸數據,可以增加切換網關模塊,從而適應飛機飛行時的動態和遠距離特性,保障通信可靠。在應用PXA310型號數據處理器的基礎上接入數字信號處理(digital signal processing,DSP)協同處理器,可以加強通信質量、增強大量旅客服務數據荷載時系統的協同性,以便中央調控管理。試驗結果表明,該系統的吞吐量和抗干擾性能良好,數據處理結果的準確度較高,具有一定的實際應用價值。

1 現代機場航班信息管理系統設計

1.1 構建現代機場5G通信網絡

機場發布端、飛機端以及塔臺等設備之間的距離較遠,因此原有的4G通信網絡的通信效率和通信質量已遠不能滿足當前需求。現有解決方案往往選擇5G通信網絡代替傳統的通信網絡。

5G通信網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 5G通信網絡拓撲結構圖

機場管理系統的各終端工作站,如身份信息驗證臺、航班信息顯示臺、管理工作站等,都與鄰近的接入交換機連接。系統與離港系統、地面信息系統等其他信息系統之間的數據交流采用防火墻的存取規則進行有限通信。為保障上述功能的有效性,系統所采用的5G通信網路為2層結構,即由2個核心交換機組成的裝置層級分別承擔冗余備份和效能擴充的功能。每個存取層交換機經雙光纖連接存取核心交換機,從而在鏈路上建立冗余備份。系統的數據庫和其他接口服務器均設在中央機房,與核心交換機進行連接。為了支持5G通信技術的運行,需要優化傳統通信網絡中的路由器設備,將傳統的4G通信路由器替換為5G通信路由器,并使用無線擴展功能將路由器的帶寬提升至1 000 MB[2]。在路由器配置過程中,必須設置入站路由和出站路由。其中:入站路由用于執行過濾、聚合、重新排序等功能;出站路由用于指明消息處理結果的目標地址。路由器根據通信信息的內容和規則,采用篩選器來分配。在信息到達組件前,輸入過濾器會濾除無效信息,而出口過濾器會濾除無需輸出的信息[3]。服務器、通信終端、網關以及優化的路由器設備按照既定的拓撲結構進行連接,即完成系統5G通信網絡的優化,從而使機場各端的通信不受干擾、連接迅速。

1.2 設置5G通信協議

在5G通信網路部署過程中,為實現網路資料的收集與傳送,同時不增加協定欄位的標記及額外的通信代價,其在硬件設備的基礎上采用IEEE 802.15.4作為數據通信協議[4],并使用信標啟用通信方式。信標啟用通信方式將實時通信轉變為超幀結構,以保證數據不被遺漏。每幀超幀結構通信數據包括信標幀段、信標幀間隔、超幀持續時間等。根據IEEE 802.15.4的要求,在超幀結構中,通信數據必須滿足以下條件。

(1)

式中:t為時隙值;xt為超幀持續時間基數;nsuperframe為超幀序數;nbeacon為信標序數。

現代機場的數據通信既要保證數據傳輸的可靠性,又要保證數據傳輸的實時性。所以由發送數據的節點主動提出同步時隙(guaranteed time slot,GTS)的請求,在優先權優先原則的支持下根據當前通信節點的傳輸數據量分配GTS和時隙資源,以降低通信通道的占用量。

1.3 采集并傳輸現代機場實時數據

機場管理中飛機常處于動態飛行狀態,會影響通信效果。為了給現代機場航班信息管理功能的實現提供數據支持,系統在5G通信網絡與協議的支持下采集飛行狀態、旅客安檢信息等數據,并傳輸到系統服務器終端[5]。以飛行狀態數據的采集為例,在不考慮大氣層折射影響的條件下,飛機i與通信網絡中心之間的距離可以表示為:

di=vcΔτtra=[(xco-xi)2+(yco-yi)2+

(2)

式中:vc為光速;Δτtra為采集信號的傳輸時間;(xco,yco,zco)為通信中心節點;(xi,yi,zi)為飛機當前飛行位置坐標[6]。

同理可以得出目標飛行飛機與任意1個通信網絡節點之間的距離。在已知距離數據和通信網絡位置數據的情況下,可以求出飛機飛行位置數據的唯一解。另外,飛機飛行速度數據的采集結果可以表示為:

vaircraft,t=(di,t-di,t-1)×Δτt

(3)

式中:di,t為t時刻飛機i的距離求解結果;di,t-1為(t-1)時刻飛機i的距離求解結果;Δτt為前后2次檢測的時間間隔。

按照上述方式,利用相應的硬件設備可以構建飛機通信端通信節點,在5G通信網絡中得出機場中各節點的實時數據采集結果。采集數據加入通信隊列后,在5G通信協議的約束下,可完成實時數據的傳輸[7]。由于地面與空中通信網絡之間的網關不同,在地面對空通信過程中需要切換網關。通過通信信道選擇、網關切換、服務端接收數據等步驟,即可完成現代機場實時數據的采集與傳輸工作。

1.4 實現現代機場航班信息管理功能

現代機場航班信息管理的內容包括飛機飛行狀態、航班信息、旅客自助服務以及旅客安檢等。從現代機場航班信息管理系統的應用角度出發,本文選擇PXA310型號的處理器作為管理系統的數據處理器。該處理器屬于精簡指令集架構的64位微處理器,能夠同時處理多組不同格式的數據,從而滿足現代機場航班信息管理數據的處理需求[8]。選擇的數據處理器的主頻能夠達到848 MHz,滿足5G通信網絡傳輸數據的快速處理要求。為了適應現代機場航班信息管理數據的處理要求,系統在PXA310處理器的基礎上接入了1個DSP協同處理器。在正常運行狀態下,不啟用DSP協同處理器;若出現數據荷載情況時,啟用DSP協同處理器,將處理器轉換為并行運行模式[9]。在上述處理器設備的支持下,本文結合5G通信技術,提高了現代機場航班信息數據的采集與傳輸速度與質量,也間接提升了系統的機場航班信息管理效果。

航班數據具體包括航班號、起飛時間、落地時間、航站、機型等。航班的初始數據信息由客戶機前臺錄入,并檢查航班號格式的合法性、日期和時間的有效性以及航站代碼的存在性。航空調度人員根據機場機型限制和機場關閉限制條件檢查數據項是否滿足要求。如果校驗過程中發現錯誤,系統提示錯誤信息并結束操作;若未出現錄入錯誤,則系統將錄入的航班信息作為初始值[10]。航班分別設置為待飛、起飛、飛行、落地4個狀態。根據通信網絡數據的采集結果,航班狀態數據按照狀態執行順序完成自動更新。航班延誤指航班由于某種原因沒有按照公布的時刻出發或到達。航班出發延誤時間的預期過程可以表示為:

Tdelay,take=Tfog+Twind+Tcontrol+…+Tfault

(4)

式中:Tfog為大霧的持續時間;Twind為大風的持續時間;Tcontrol為空管執行時間;Tfault為機械設備故障的維修時間。

另外,航班到達延誤時間的計算結果可以表示為:

(5)

式中:Lexpect和Lactual為飛機在相應時刻預期到達的位置和實際到達的位置;vavg為飛機的平均飛行速度[11-12]。

延誤時間通過現代機場管理系統的顯示器進行顯示。系統通過標記延誤時間以及預期出發或到達時間,啟動現代機場的廣播設備,完成航班延誤播報。

2 系統性能測試與分析

2.1 測試環境

系統測試選擇某大型機場作為試驗背景。該機場包含國內航站樓和國際航站樓2個部分。為了降低系統測試難度,此次系統測試只選擇國內航站樓及其包含的國內航線作為試驗對象。選擇現代機場研究對象的航站樓占地面積約為620 000 m2,內設174個機位。其中:近機位和遠機位的數量分別為56個和118個;供飛機起飛與降落的跑道共6條;每條跑道長度均為3 600 m,而寬度規格可分為45 m和60 m這2種,能夠滿足機場內飛機起降量的使用需求。據不完全統計,該機場的平均旅客吞吐量約為3 400萬人次,國內航行頻率約為12 次/天。按照硬件系統的設計結果,測試將相關的硬件設備安裝到現代機場測試環境內,并將所有的硬件設備接入5G通信網絡環境中。通過通信實例信號的發送與接收,可驗證硬件設備是否能夠在試驗環境中正常運行。除硬件系統內部設備外,系統測試環境中還安裝了1個數據庫服務器以及通信信號干擾裝置。該服務器采用雙機熱備份處理方式,用于存儲系統運行過程中產生的數據。通信信號干擾裝置用于模擬現代機場環境中的手機信號干擾和飛機設備啟動干擾,并由此形成2種系統測試場景。場景1為無干擾場景。場景2為有干擾場景,干擾強度為5 dB。測試結合天氣情況生成現代機場的飛行計劃,以此作為現代機場航班數據樣本。現代機場航班數據樣本如表1所示。

表1 現代機場航班數據樣本

在系統測試過程中,可以通過調整飛行路線、控制飛行速度等方式,實現航班延誤并記錄航班的延誤時間。

2.2 系統測試過程及指標

系統測試試驗以黑箱形式進行。用戶在系統中進行各種功能的試用測試。根據系統測試內容,試驗分為系統功能測試和系統性能測試2個部分。其中,功能測試就是檢測各模塊功能是否正常并通過對系統功能的運行情況進行分析,從而得到系統工作狀況。在5G通信無干擾環境下,功能測試將現代機場航班信息管理系統的軟件運行程序導入主測設備中,觀察飛機與機場測試端之間的通信鏈路狀態,并根據實時通信的飛機運行數據完成系統航班數據自動更新、航班延誤等管理功能。系統測試環境中的干擾器設備啟動后,將干擾強度設置為5 dB,按照上述操作得出有干擾環境下系統的運行結果。對于系統運行性能的測試,可以在功能運行過程中調取后臺運行數據,以直接得出反映系統運行性能的相關數據。

更新航班數據錯誤率和航班延誤預測偏差這2個指標為系統功能的量化測試指標。其中,更新航班數據錯誤率的數值結果如下。

(6)

式中:Nupdate為更新的航班數據總量;Nerr為航班數內部的錯誤數據量,具體取值可以通過顯示數據與實際數據的比對統計得出。

另外,航班延誤預測偏差的數值結果為:

γ=|Tdelay-Tactual|

(7)

式中:Tdelay為系統得出的航班延誤時長;Tactual為現代機場對應航班的實際延誤時長。

從系統的運行性能方面來看,本文設置的測試指標為吞吐量。其測試結果可以表示為:

(8)

式中:β為系統并發數;trespones為系統平均響應時間。

為了保證優化設計系統的可行性,要求δ不得高于1%、γ不得高于5 min、系統運行吞吐量不得低于1 200 個/s。

2.3 系統測試結果分析

通過相關數據的統計,得出不同環境下系統管理功能測試結果如表2所示。

表2 系統管理功能測試結果

表2中的數據分別代入式(6)和式(7),可以得出:有、無干擾環境下系統的平均更新航班數據錯誤率分別為0.78%和0.31%;航班延誤預測偏差的平均值分別為3.38 min和1.63 min。由此可知,在有干擾通信環境下系統的管理功能有所下降,但依舊滿足預設要求。綜合2種試驗場景,本文以系統每秒能處理的用戶數量為指標,為便于記錄,每隔10 s統計1次結果。現代機場航班信息管理系統吞吐量測試結果如圖2所示。

圖2 現代機場航班信息管理系統吞吐量測試結果

由圖2可知,優化設計的系統運行吞吐量的最小值為1 210 個/s,高于預設值。

3 結論

本文在5G通信技術的支持下,替換原有的4G通信網絡,設計了具有大帶寬、抗干擾、高通信質量的現代機場航班信息管理系統。試驗結果表明,該現代機場航班信息管理系統在有、無干擾環境下的航班數據更新錯誤率分別為0.78%和0.31%,航班延誤預測偏差分別為3.38 min和1.63 min,系統運行吞吐量均能夠控制在1 210 個/s以上。該系統為現代機場向智能化、自動化方向的轉變提供參考。