上海区管备份系统中期冲突告警功能的设计与实现论文

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　　摘要：随着上海区管中心管辖范围内的航班流量不断增加,通过飞机实时位置信息和当前速度实现的短期冲突告警(2min以内)也越来越多,管制指挥调配的难度变难,管制员的工作强度变大,容易造成人为失误引起的安全隐患。因此,为了保证更加安全的航空飞行,在上海区管自动化备份系统中,设计了中期冲突告警功能(2~8min),结合管制意图数据、实时航迹信息以及飞行计划信息进行实时的告警计算,给管制员提供足够的航班冲突调整空间,有效提升了管制指挥效率,保障了航班的飞行间隔安全。

　　关键词：航班流量；管制指挥；中期冲突告警；飞行安全

　　【Abstract】：With the continuous increase in flight traffic within the jurisdiction of the Shanghai district management center,there are more and more short-term conflict alerts(within 2 minutes)achieved through real-time aircraft location information and current speed.The difficulty of control and command deployment has become more difficult,and the work of controllers has become more powerful,which can easily lead to safety hazards caused by human error.Therefore,in order to ensure safer aviation flight,a mid-term conflict warning function(2-8 minutes)has been designed in the Shanghai district management automation backup system,which combines control intention data,real-time track information,and flight plan information for real-time alarm calculation,providing sufficient space forflight conflict adjustment for controllers,effectively improving control command efficiency,and ensuring the safety offlight intervals.

　　【Key words】：flightflow;control command;mid-term conflict warning;flight safety

　　0引言

　　在上海区管管制中心管辖的高空空域内,随着航班量的不断增加,整个上海区管空域内航班过载和飞行拥挤情况越来越严重,航空器与航空器之间发生飞行冲突的概率也越来越大。在现有空管自动化系统中,已经设计了短期冲突告警功能,定时根据航空器的当前飞行状态,进行航迹对相对位置计算,例如根据航迹对的当前位置、航向、速度和高度信息,计算出相应的航迹对之间的水平位置、垂直距离信息,当该水平距离和垂直距离都小于用户规定的水平和垂直间隔参数时,系统发出短期冲突探测告警(Short-term Confilict Alert,STCA)[1]。对冲突的目标产生音频和视频告警信号,提示管制员,该告警功能已经很好地解决了航空器与航空器之间的冲突提示功能,为管制员提供了有力的支撑工具。但因为短期冲突告警功能提供了2min内的告警计算,当发生告警冲突时给管制员可以调整的余量有限,在航班量大的情况下特别难调整。而中期冲突告警(Mid-Term Conflict Alarm,MTCA)是解决该难题的有效手段,MTCA技术是现有空管自动化系统的一项新的决策支持工具,它与短期冲突告警相比,时间提前到了8min预测,能够更早地发现潜在的冲突,可以有效保证飞行安全,提高空域利用率[2]。而现有国外的空管自动化系统均实现了该告警功能,国内的空管自动化系统也在进行研究和实现[3]。本文结合上海区管运行特点,参考空管业内对中期冲突告警的研究,在上海区管空管自动化备份系统上,设计并实现了基于管制意图数据、实时航迹信息以及飞行计划信息的中期冲突告警功能,并得到了很好地应用。

　　1上海区管备份系统介绍

　　上海区管空管自动化备份系统是由南京莱斯信息公司研发的国产化空管自动化系统,该系统具备监视数据处理、飞行数据处理、告警服务处理、飞行计划与监视数据相关处理、人机交互处理、电报处理、监控处理、数据管理处理等关键功能,配置了监视数据处理服务器、飞行数据处理服务器、告警处理服务器、中期冲突告警处理服务器、记录重演处理服务器和席位终端设备[4]。系统采用分布式、开放式的客户/服务器(C/S)系统架构。采用三条本地网,具备多种类型的数据接口,具有较强的互联能力,易于和其他设备及其他ATC系统进行联试。系统具有高可靠性、可扩展性、可开放性,易于与其他相关系统互联。同时具有接受其他系统的实时信息输入和同步功能,通过系统切换承担主系统的功能。备份系统总体结构图如图1所示。

　　2中期冲突告警功能设计

　　短期冲突告警功能是根据航迹实际位置和航向进行预测,预测时间一般在60~120s,在预测时间内完全是直线判断,当遇到有转弯点存在时,此时预测的轨迹和飞机的真实轨迹将有很大差距,所以在短时间内的冲突探测还比较准,但是留给管制员可调配的时间不够,因此研究中期冲突告警功能就非常有必要。

　　2.1飞行计划4D航迹建模

　　中期冲突告警技术原理是系统根据收到的计划信息和航路信息,对飞行计划进行4D飞行航迹建模,预测飞行过程中各个轨迹点信息,格式为(x,y,h,t),其中x为坐标系横坐标,y为坐标系纵坐标,h为轨迹点高度,t为轨迹点时刻。模型生成后,实时接收雷达探测得到的真实的目标高度、速度、爬升/下降率,对已有的4D模型进行修正,使后续的预测轨迹更为准确。当管制员人工输入CFL数据时,单独根据CFL数据修正4D模型,并根据模型结果进行冲突探测。CFL高度修正4D模型只是临时性的,当再有雷达真实航迹修正4D模型时,以雷达修正为准。

　　2.2中期冲突告警处理模型

　　在4D模型基础上,对所有相关的飞行计划两两进行冲突探测,探测时使用的告警参数根据计划相关的雷达航迹当前位置所处的告警区域参数,当两个航迹属于不同的告警区时,水平告警间隔、垂直告警间隔采用其中大值,时间参数采用其T1小的告警区的T1、T2、T3参数值,告警分预警和告警,结果在管制席位上进行告警提示。中期冲突告警原理示意图如图2所示。

　　3中期冲突告警功能的实现

　　考虑到目前上海区管自动化备份系统已经是运行系统,需要保障系统的稳定运行,因此对中期冲突告警功能设计为独立的处理模块,并配置了单独的处理服务器。

　　3.1中期冲突告警处理流程

　　在进行中期冲突告警处理功能实现中,涉及到以下处理模块：中期冲突告警处理模块(MTCA)、态势显示处理模块(SDD)、主任席服务处理模块(SPS)、数据库处理模块(DBMS)和系统监控处理模块(SMP)。MTCA模块将从DBMS数据库中读取MTCA告警区域数据和告警抑制区域数据,从SPS模块中读取MTCA告警处理开关信息,然后根据基于航班信息实时数据、管制员的意图数据以及飞行计划4D信息进行中期冲突告警计算,根据告警模型计算,如果有告警,将MTCA告警信息及时的发送给显示模块进行显示,并提醒管制员进行告警调配处理,同时还需要实时将MTCA软件状态报送SMP模块进行监控。模块间的信息流程如图3所示。

　　3.2具体功能实现

　　3.2.1 MTCA主备机处理

　　MTCA处理模块将分布在独立的MTCA处理服务器上,实现双机处理方式,在MTCA主备机中部署有双机管理软件,通过两条运行网络和一条心跳网络作为媒介进行相互探测,用于解决双机初始的主机,当判断为主机后,主机上的MTCA处理模块进行处理和信息的发布,而备机只接收时时地计划信息。

　　3.2.2 MTCA告警区域设置

　　为了能有效进行中期冲突告警计算,需要对管制区域划分为多个中期冲突告警区域,在该区域内才能进行中期冲突告警计算。告警区域数据的设置方式如下：

　　(1)区域名称：中期冲突告警抑制区名称,必须填写,不能重复。最多10个字母或数字。

　　(2)激活标识：分为Y(激活)、N(不激活)。

　　(3)水平方向告警间隔：必须填写。最多4个数字(单位是公里)。

　　(4)垂直方向告警间隔：必须填写。最多4个数字(单位是米)。

　　(5)提前告警时间(T2)：必须填写。最多3个数字(单位是分钟)。

　　(6)提前预警时间(T3)：必须填写。最多3个数字(单位是分钟)。时间参数满足小于T2时为告警,大于T2小于T3时为预警。必须满足T2<T3。3.2.3 VSP参数管理功能MTCA设置VSP参数包括：

　　(1)MTCA功能的开关,缺省值为OFF；

　　(2)区域管制席位组的MTCA显示方式,分为“ON”“OFF”“VISUAL”,缺省值为OFF；

　　(3)进近管制席位组的MTCA显示方式,分为“ON”“OFF”“VISUAL”,缺省值为OFF；

　　(4)塔台管制席位组的MTCA显示方式,分为“ON”“OFF”“VISUAL”,缺省值为OFF；

　　(5)MTCA告警抑制区开关：缺省值为OFF。

　　当MTCA处理模块第一次启动时,需要向主任席服务处理模块索取关于MTCA的VSP参数信息,包括：MTCA处理的计算开关设置信息。

　　3.2.4 MTCA告警显示功能

　　当MTCA模块计算出两个航班具有潜在冲突时,将告警信息发送到管制席位进行显示,MTCA的提示方式采用如下形式：

　　(1)未来T2(5min)－T3(10min)的飞行冲突：相关航迹标牌右上角出现黄色的“MTCA”字符,标牌外围添加黄色边框,不再具有声音提示,进入告警列表窗口。

　　(2)未来T1(1min)－T2(5min)的飞行冲突：相关航迹标牌右上角出现黄色的“MTCA”字符,标牌整体黄色闪烁,外围添加黄色边框,同时是否具有声音提示由主任席设置。

　　同时,当系统探测到航空器之间出现了中期冲突告警信息时会向各个管制席位发送告警对信息,管制席位的中期冲突告警列表可人工弹出,并且可人工关闭。在列表内显示每个冲突对的航班号、预计发生冲突的时间及地理坐标,如图4所示。

　　4结语

　　上海区管空管自动化备份系统上设计和实现了中期冲突探测功能,其基于通过把航空器的雷达航迹要素(包括位置、高度、速度、航向等)与航班计划要素结合起来考虑,在精确的4D航迹及管制意图信息基础上,对飞机未来2~8min内的航迹进行预测,同时在实时考虑管制意图数据来判断潜在冲突,提示管制指令是否正确,给予了管制员更多的冲突调配时间和手段。通过现场的不断使用,以及不断地设置合适的冲突预警阈值,可以更好地减少误报率和漏报率[5]。

　　参考文献

　　[1]顾晓纬.中期冲突告警在空管中的应用[J].企业技术开发,2014(33):63-64.

　　[2]吴舜歆,彭炜.飞行计划冲突预探测算法研究[J].计算机工程与设计,2006,27(3):430-432.

　　[3]曾艳,周杰,吴耀国.基于UPF的中程飞行冲突探测[J].四川大学学报(自然科学版),2008,45(6):1299-1303.

　　[4]周禄华,李璋静.基于数据共享的进港排序管理系统的设计与实现[J].信息化研究,2020,46(02):58-63.

　　[5]谈江.基于管制指令的中期冲突告警系统的设计与实现[J].机电工程技术,2020,49(05):168-171.

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