基于软交换技术的新型通信系统在空管模拟仿真实验室的应用

白 鹏，赵嶷飞，张亚宜

（中国民航大学 空中交通管理学院，天津 300300）

空中交通管理（air traffic control，以下 简称“空管”）是对航空器的空中活动进行管理和控制的业务［1］。空管起源于上世纪30年代，空管方法由原先的程序管制发展到雷达管制，伴随着计算机、自动化方面研究应用的深入，空管的自动化程度越来越高［2－3］。

由于空管对于航空安全有直接的影响，所以空管学员在进行管制活动前，必须经过空管模拟系统的训练，在取得空管执照后方能持照上岗［4］。空管模拟仿真系统不仅仿真度高，而且能够通过飞行计划编辑功能设置不同的模拟管制特情，使得此类系统得到了广泛的应用。

1 现有模拟仿真通信系统介绍及分析

目前中国民航大学空中交通管理学院使用的空管模拟仿真系统主要来自法国的泰雷兹集团、中国的四川大学研发团队和本院研发基地。其中，国内研发的空管模拟系统均基于Windows操作系统，国内空管模拟系统的研究与发展使得空管学员训练的成本大大降低［5］，也成为了各航空院校的首选。在中国民航大学2011年承办的第三届中国民航空管技能大赛中使用的空管模拟仿真软件系统为我校自主研发。该系统运行稳定［6］，可以代表国内空管模拟仿真的先进水平。

在空管模拟仿真系统中，语音通信是空管管制员与飞行员之间沟通的直接载体，现阶段通信系统的通信功能由硬件实现。在图1所示的硬件通信端控制面板中，左上角的键盘设备为硬件通信端的控制面板，通过操作控制面板来选择不同的通信对象，完成训练任务。

图1 硬件通信设备图

硬件通信系统存在如下缺点。

（1）建设与维护成本高。现有的硬件通信系统需要单独设置线路，并且需要配合水晶头耳机、脚踏或手持通信闭合装置使用，硬件的建设成本和维护成本较高。

（2）对场地设施的要求高。由于现阶段通信系统相对独立，除对操作台的构造有一定的要求外［7］，还需要在实验室的建设前期对通信系统线路的铺设做出规划。

（3）扩展的自由度低。由于受到硬件设备的限制，模拟仿真实验室扩容时，仍需购置相应的设备，并且随着系统的不断更新，造成的新旧设备 不兼容等问题也愈加严重。

上述情况反映了在空管模拟仿真系统中存在的问题，这给实验室的管理和维护造成了诸多不便。开发性能稳定、易于维护的新型通信系统，对于空管模拟仿真实验室的管理与维护的意义重大。

2 软交换技术优势分析

软交换技术的核心思想是将硬件设备软件化，通信对象之间通过标准协议来进行连接［8］。软交换主要处理实时性业务，内容包括语音、视频等多媒体，应用环境包括基于IP的网络、ATM网络以及电路交换网络［9］。

对于空管模拟仿真实验室，软交换技术具有很大优势，主要表现在3方面。

2.1 大集成性与分布性

随着空管模拟仿真技术的不断提升，由塔台、进近、区域以及机场现场协同运行的实验室仿真环境被引入实践训练［10］，大规模多媒体数据处理将对空管自动化系统带来前所未有的挑战，而软交换技术的优势之一即为实现语音、视频的数据融合，能够充分满足各种网络数据处理要求，具有足够的前瞻性。

此外，当前基于硬件客户端的通信系统由于需要独立的线路设施，对于场地的要求也很严格，而软交换技术可以采用服务器群的集联方式，通过网络线路达到异地通信的目的。与其集成优势结合，可以搭建出大容量、多类型数据的通信平台。

2.2 兼容性与可扩展性

随着空管仿真实验室的新建与增容，新旧设备的兼容性问题将直接影响实验教学工作。软交换技术可以通过不同版本的对接、升级，使通信系统成功并轨［11］；同时，软交换技术在扩展方面的优势将降低实验室管理、维护工作的难度，并且可以通过网络线路直接运行，无需单独铺设线路，对场地、操作台的要求大大降低［12］。

2.3 节约维护成本

由于空管自动化设备规模扩大，维护成本将增加。以我院空管模拟仿真实验室为例，目前包括程序管制、雷达管制、机场管制，机场现场的通信客户端数量为194个。2013年，学院的空管实验中心获评国家级实验教学示范中心，到2015年，新的空管教学综合实验楼将交付使用，届时模拟仿真实验设备的通信客户端数量预计将达到600个。软交换技术的应用可以节约大量手持闭合装置、脚踏闭合装置与水晶头耳机的购置与维护费用。

3 软交换应用方案

3.1 通信系统架构

如图2所示，通信系统的网络架构可以分为服务器群和监视席、网络层和客户端层。

图2 语音通信系统架构图

（1）服务器群和监视席。这一层次主要包括飞行计划编辑席、语音服务器和监视席，其中：飞行计划编辑主要负责模拟飞行计划的输入和生成，飞行数据的存储和发送；语音服务器负责语音系统各角色分组规划、语音信号的传输、语音数据的记录；监视席负责监视各组模拟客户端的通信状态，对各组语音通信的监听，并且可以通过网络获取语音录音。

（2）网络层。网络层根据实验室仿真设备规模而定，由若干路由器级联组成，负责各类设备的连接与数据传送。

（3）客户端层。客户端层由模拟管制员席与模拟飞行员席组成，是训练系统的终端，负责学员的模拟训练任务的完成。

3.2 客户端流程设计

图3所示为语音通信的客户端通信流程图，学生通过系统登录后，可以根据训练要求进行模拟管制员与模拟飞行员的分组配对。

图3 语音客户端通信流程图

在实际工作中，管制员与飞行员之间是通过甚高频（VHF）信号来进行对话的，属于半双工的通信方式。在模拟仿真实验中，为了模拟出实际效果，加入了语音判断的步骤，同一分组内如果频道已经被占用，则无法发布命令，否则语音命令将传送给组内成员。

3.3 语音系统功能升级

（1）模拟机分组。对传统固定的分组模式进行了升级，改革了原先空管员与飞行员1对1的训练方式，通过软技术的支持，可以安排空管员与多个飞行员进行通话训练，通过加大飞行流量以增加空管员的训练强度，提高空管员的训练效果。

（2）添加训练噪音。通过软交换的支持，语音系统可以按照预先设定的时刻加入语音噪声，例如在航空器起飞、降落时刻加入发动机的轰鸣声；在航空器推出开车时加入拖车的背景声；预设或随机加入电子通信设备产生的噪声等各类背景声音，提高管制模拟的仿真度。

（3）录音数据的记录与回放。通过软交换技术的支持，可以进行空管音频数据的记录，配合仿真系统的回放功能，实现空管过程的情景再现，有利于教学中对训练效果的总结与点评。

（4）实时监视与评价。通过软交换的支持，教员可以在监视席位随时进入各个通信组察看，实时纠正学员在训练中出现的管制错误，缩短模拟系统的训练周期，有效提高学习效果。

4 结论与展望

我校塔台管制模拟仿真实验室引入了基于软交换技术的语音通信软件，进行了试运行，并对试运行效果进行了跟踪及问卷调查。在发放的56份调查问卷中，对软交换通信系统语音方面的满意度达到了95%以上。软交换技术的集成性、兼容性、扩展性与经济性在空管仿真领域能够有效支持空管人才协同运行能力的培养与提高。配合管制需要进行改造后，将对空管仿真协同运行、运行风险告警等方面起到良好的支撑作用。

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［1］张健，杨新湦，钟涵，等.基于协同运行的空管实践仿真体系构建与实施［J］.实验技术与管理，2013，30（8）：141－144.

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［3］吴正刚.空管自动化系统应用与维护探索［J］.测控技术，2013，32（1）：109－111.

［4］张健，刘永欣，王同乐.中美管制员培养规范体系对比分析［J］.实验技术与管理，2013，30（6）：150－154.

［5］李轲.基于空管设备投资自动化管理的研究［D］.成都：电子科技大学，2013.

［6］赵嶷飞，徐肖豪，王超，等.机场离港航班协同放行系统：中国，CN101344995［P］.2009－01－14.

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［8］倪林，唐天成，朱尔炜，等.基于NGN核心技术的通信实验教学［J］.实验室研究与探索，2013，32（3）：83－86.

［9］涂继辉，佘新平，陈永军.软交换实验平台中SIP协议分析软件的设计与实现［J］.实验技术与管理，2013，30（8）：105－108.

［10］张进，胡明华，张晨.空中交通管理中的复杂性研究［J］.航空学报，2009，30（11）：2132－2142.

［11］LAKSMI－RATAN R A.The lucent technologies softswitch－realizing the promise of convergence［J］.Bell Labs Tech J，1999，4（2）：174－195.

［12］吴乃星，廖建新，徐鹏，等.一种基于软交换的集群媒体服务器的系统结构［J］.电信科学，2004，20（7）：11－15.