塔台管制模拟系统研制

崔喧茗++顾宏斌++徐正家

摘要：塔台管制模拟系统主要面向空管教育和民航生产，通过虚拟现实等网络技术，将塔台管制的各个环节逼真地展现给学员，是一套复杂的实时仿真系统，可以让管制学员更加真实地体会管制工作的各个流程。其特点是成本低，仿真度高。本文主要介绍塔台管制模拟系统的体系结构，以及系统研制所涉及的关键技术。

关键词：塔台管制 体系结构 关键技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0044-02

近年来，我国民航运输业的发展速度十分迅猛，国际民航组织关于新航行系统的实施以及空管现代化进程的加快，对空管设备和管制人员的职业技能要求也越来越高。高水平的空管模拟训练设备可以提高管制人员的工作能力，技术水平和个人素质。因此现代化的训练手段对塔台管制人员的培训起着至关重要的作用。正是由于塔台管制模拟系统在空中交通管制人员的培训中起着十分重要的作用，国内外对空管模拟设备的研发也极其重视。但由于技术复杂和对系统硬件极高的要求此类模拟机技术复杂，导致其开发成本高，推广应用困难。国外很早就开展了这方面研究，目前，国际知名的塔台模拟机系统有 NASA（美国航空航天局）的Future Flight Central Tower Simulator，CAE-Link公司的Virtual Tower Tower Visual Simulator以及Cell-ITS 的DATS-Durable Aviation系统等[1]。这些系统成本高昂，价格在几百万甚至几千万美元。相比于国外，我国对于塔台模拟系统的研发起步较晚。目前，高校中天津民航学院和广汉民航飞行学院等少数单位开始进行研制塔台模拟机，但尚无成熟产品[2]。四川大学成立的川大智胜公司推出了一系列空管模拟类产品，在业内处于领先地位，在国内一些机场已经安装大型空管自动化系统并投入使用，但高昂的成本也使公司的发展收到了限制。总得来说，目前国内简易型塔台模拟训练系统仍存在仿真能力仍不够的问题，也就无法满足高逼真度空管模拟需求。

塔台管制模拟系统的研制目的是训练管制学员、分析学员操作所反馈的数据、检验管制员管制工作程序是否正确，可以通过多种专门针对塔台管制员的训练科目，各种机场地面、跑道等动态场景，以及空中飞行场景，对塔台管制员进行塔台管制和地面管制技能培训。本系统将主要适用于空管人员的塔台管制训练任务，真实再现塔台管制情形，有效训练塔台管制人员，做到训练系统科学合理，仿真度高。训练后的数据统计分析，可用于科学研究以及后期人员培训的改进。

1 系统结构

1.1 体系结构

塔台管制模拟系统主要作用是训练、分析和检验管制学员是否掌握正确的塔台管制流程，是正式踏入工作岗位之前的关键步骤。通过专门针对塔台管制员的训练课程，空中飞行场景以及各种机场地道面等动态场景，对管制学员进行塔台管制和地面管制技能培训。

系统共分为五个模块，其中系统管理模块主要负责维护机场数据以及训练计划数据。教员控制模块主要负责查看选择加载训练计划、监控训练进度、进行训练管理以及添加特请和动态添加飞行计划，指定记录分组，实现三维视景系统、各辅助信息终端和语音通讯的同步记录。模拟飞行员模块主要实现飞机和机场内车辆的控制操作。运动仿真运算模块主要包括产生和发送飞行电报、气象数据等，处理训练计划、接收模拟飞行员模块指令，实现飞机的各种控制及运动仿真。视景模块建立飞机的动力学模型，模拟目标在地面和进近阶段的运动姿态，为管制员提供视景显示。系统各模块间数据走向如图1所示。

塔台管制模拟系统采用C/S结构，用QT开发，客户端为学员使用机器，服务器端为教员使用机器。客户端实现与服务器端通过没有中间环节的衔接，系统响应速度快；操作界面多种多样且美观实用，可以满足不同用户的不同需求；此外，C/S结构在管理用户方面拥有很强的能力，可以让教员在最短时间内对学员进行系统化的管理，是实现复杂空管业务流程中及其重要的一环。本系统通过学员机和教员机的语音通信功能，学员发布操作指令、教员确认指令、教员机实时操作计算，在学员机上以视景的方式实时显示机场和管制空域的各种动态，达到训练空管学员的目的。

1.2 席位设计

为了满足民航类院校对空中交通管制人员的培训以及机场管制行业的培训需求，本系统从功能实现的角度出发，将塔台管制模拟系统划分为五个席位。

（1）系统管理员席位。系统管理员拥有最高权限，可对系统训练内容及教员、学员配置进行管理。（2）教员席位。教员席位可通过编辑机场二维数据及各种适应性参数，编辑各种科目的训练剧本，进行训练过程管理。如加载不同训练计划，控制训练的开始、暂停和退出的控制以及系统监控功能。（3）地面管制员席位。地面管制员主要负责监控及指挥飞机在本场内的活动。通过视景系统以及雷达显示屏来监控场面运行情况。并通过相关航班飞行计划、航行通告以及气象系统，通过内话系统向航班机长和车辆驾驶人员发出指令来进行管制。（4）塔台管制员席位。塔台管制员主要负责起飞、进近及复飞阶段的指挥工作。管制学员指挥模拟机长操作主要通过观察三维视景显示屏所反馈的机场终端区的运行情况，以及雷达监控和气象系统反馈的信息。（5）模拟机长席位。配合地面管制员以及塔台管制员指挥，执行相应操作，对飞机运行进行控制，主要包括推出、开车、滑行、等待、起飞、复飞等。

2 系统关键技术

2.1 C/S架构

整个塔台管制模拟系统拟采用C/S结构，用QT开发。客户端为塔台管制学员使用机器，主要提供三维视景显示以及发布操作指令功能，即塔台管制员发布指令，对应模拟机长执行该指令，三维视景对应显示飞机运动状态；服务器端为教员使用机器，主要用于学员、机场、飞行计划、教员超控等相关数据的维护，即教员可以在服务器端对塔台管制学员进行管理、维护机场数据、维护训练计划以及特情设置等。客户端实现与服务器端通过没有中间环节的衔接，系统响应速度快；操作界面多种多样且美观实用，可以满足不同用户的不同需求。

C/S结构在管理用户信息系统方面拥有很强的能力，可以让教员在最短时间内对学员进行系统化的管理，是实现复杂空管业务流程的关键技术。本系统通过学员端和教员端的语音通信功能，学员发布操作指令、教员确认指令、教员机实时操作计算，在学员机上以三维视景的方式实时显示机场各种动态，达到训练管制学员的目的。训练过程控制流程图如图2所示。

2.2 飞机运动仿真建模

飞机运动仿真计算是系统仿真运算模块的核心内容，在仿真系统中起着至关重要的作用。飞机运动仿真计算模块的功能主要实现飞机的各种控制及运动仿真，包括：申请放行、放行确认、申请推出、推出、申请开车、开车、申请滑行、滑行、立刻等待、在某道口前等待，跟随前机、跑道180度调头、跑道外等待、进跑道、穿越跑道、起飞、中断起飞、起落航线、连续起落、复飞、调速、爬升、下降、改变航向、建立盲降、盘旋等待、加入起落航线等。飞行性能的计算依据飞行航段的不同需要采用不同的参数进行计算。所以，在建模时，飞行特性的不同必然要求我们对飞行航段进行分类。因此，根据飞行特点将飞行阶段划分为是十个阶段，分别是起飞滑跑、起飞、爬升、入航爬升、巡航、下降、进近下降、最后下降和着陆阶段[3]。

飞机运动仿真计算模块开始后，塔台管制员对模拟机长发出指令，模拟机长根据相应指令，执行管制员操作，系统首先对管制员指令进行解析，生成飞机运动路径，然后依据飞机性能数据库实时仿真计算出飞机的位置姿态等参数。读取机场数据和训练计划数据，建立线程专门接受模拟飞行员模块和教员控制模块的控制指令和视景模块的反馈信息；建立定时器，每隔一段时间进行仿真运算和对视景模块输出数据；根据控制指令调用相应的功能函数，完成控制指令。飞机运动仿真计算模块流程图如图3所示。

目前主要的飞行器性能模型有CTAS performance model 和Eurocontrol的BADA（base of aircraft data）[4]。BADA是把飞机看成一个质点，在飞机重量不同的情况下，模拟出该质点上的力，建立模型来分析飞机的性能，它由三部分结构组成：飞机性能模型、航空公司程序模型和飞机特征数据[5]。我们依据BADA建立了飞机性能数据库，数据主要用于飞行仿真、航迹预测、排放评估和油耗计算四个方面。本系统主要使用飞行仿真相关数据进行建模运算。

2.3 三维视景场景模拟和显示

三维图形应用的一个重要步骤就是三维建模，视景图象的真实性和绘制速度取决于模型的搭建质量。塔台环境包括机场建筑，跑道，飞机，树木，地形等各种物体。模型复杂，直接利用OpenGL中绘制基本图元方式构建这些物体肯定是不完善的，因此必须使用专门的建模工具展开工作。项目中采用Multigen Creator进行建模，Creator可与多种实时仿真软件结合，在多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成方面具有很强大的功能，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着世界领先的地位。利用其可方便快速得构建出飞机，机场等各种复杂模型。其中，视景子系统的总体结构设计及各功能模块的结构设计，视景建模以及具体的场景渲染算法是三维视景场景模拟显示的关键技术点。

塔台模拟机视景部分是一种对时间要求很高的应用，是典型的限时计算、实时渲染绘制。系统中建立运动目标（航空器、车辆等）的动力学模型，模拟目标在地面和进近阶段的运动姿态，为管制员提供视景显示。视景是随时间不断变化的，连续显示视景中气象、飞机以及车辆的变化，要加快视景的切换速度，在微机作为视景工作站条件下（采用高性能CPU 和图形加速部件GPU），需在软件方面精心设计算法，实现基于微机的高效沉浸式三维视景仿真程序设计。此外，本系统还需要为用户提供生动高效的可视化图像，对机场三维场景实时绘制和渲染，显示塔台外所看到的机场场面，包括飞机、车辆，天气等。实现对机场、运动目标和气象效果的仿真模拟。场景内容主要包括：飞机、机场跑道、航站楼、滑行道、车辆、车辆道路以及其他与机场相关的标志性建筑等，还提供望远镜放大机场场面和视景切换功能以便管制员更准确获得所需信息。三维视景效果图如图4所示。

3 结语

本文主要介绍了塔台管制模拟系统的体系结构，席位划分以及系统研制所涉及的关键技术。塔台模拟训练器可用于民航空管从业人员的模拟训练与演习，同时也广泛用于民航、军航院校的养成培训，是空管人员入职培训、在岗培训、复训以及强化训练的重要设备，也是用于机场管制程序设计、新机场设计和机场容量评估的重要装备，具有广阔的市场前景。南京航空航天大学民航学院空中交通管制专业是培养空中管制人员的基地之一，低成本，批量化的桌面塔台模拟器能满足自身本科教学任务需要。其他民航高校，比如中国民航大学，中国民用航空飞行学院，也都在进行塔台模拟的研究工作，其需求也非常大。而国内各民航机场，需求更加强烈，目前已有部分机场配备了大型塔台模拟训练设备，但仍不能完全满足人员培训的需要，高昂的设备成本制约了其普及率。低成本的塔台模拟训练系统正好可以作为大型塔台模拟设备补充，低成本条件下可进行批量配置，满足大部分训练任务需求。

参考文献

[1]李楠，王林，徐肖豪.桌面式机场塔台管制仿真系统的设计与实现[J].计算机应用与软件，2010（04）：35-37.

[2]莫世锋.空管模拟训练软件产品线体系结构的研究[D].四川大学，2005.

[3]国际民航组织.ICAO DOC8168-OPS/611.空中航行服务程序—航空器运行（第一卷）飞行程序（第四版）[S].国际民航组织，2003.

[4]郭运韬，朱衍波，黄智刚.民用飞机航迹预测关键技术研究[J].中国民航大学学报，2007（01）：20-24.

[5]Damir Poles， Angela Nuic， Vincent Mouillet. Advanced Aircraft Performance Modeling for ATM：Analysis of BADA Model Capabilities[C].29th Digital Avionics Systems Conference，2010.