空管虚拟仿真实验教学平台设计
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摘要：民航院校空中交通管理人才的培养，实践训练是必不可少的关键环节。依据机场管制课程教学特点，采用虚拟现实技术，构建以机场塔台视景仿真为中心，通过虚拟现实、分布式实时计算、复杂系统仿真、空中交通管制模拟和信息处理等技术手段，真实再现塔台管制的工作环境，为课程教学提供一个真实的虚拟仿真实验教学平台，解决无法在实际环境开展课程实验教学的局限性。
关键词：空中交通管理;机场管制;虚拟仿真;实验教学平台
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0103-03
0 引言
空中交通管理（简称空管）是民用航空交通运输体系的核心组成部分，空管人员担负着维持飞行秩序、提高空域资源利用效率、行使我国主权、配合航空运营者减少营运燃油成本、降低污染排放、提高航班正点率等重要责任[1-2]。空管专业人才培养质量的高低直接关系到飞行安全和空中交通的正常运行。为实现空管专业人才高质量培养，除需要加强空中交通运行理论、规范知识外，还应将上述知识综合应用，内化为应对复杂空中交通环境下针对多目标运行控制快速反应和决策能力，为此，實践训练极其重要[3-4]。机场管制课程是学生职业能力训练的专业核心课程之一。按照中国民航局颁布的《中国民用航空空中交通管制培训管理规则》（CCAR70）中的行业教育培训标准，本课程教学包含大量的实验课时。然而，零差错、高风险的行业特点决定了真实岗位实验教学的不可实现性。而购置岗位机场管制设备，因其高投入、高成本、高消耗等问题，作为院校也同样无法实现。构建机场管制虚拟仿真实验教学平台是解决此课程实验教学的唯一途径[5]。
1 平台功能
机场管制保障的范围是机场场面和终端区的运行，这是航空安全重点区域，也是造成整个航班运行延误和直接航空运输成本增加的重要区域。随着航空运输的高速发展，大型繁忙机场由于存在复杂的拓扑结构、地面交通协同调度、高吞吐量的飞行流量以及相邻管制单位之间高负荷的管制协调，需要不断改进管制方式和飞行程序、优化场面交通引导与控制等手段实现，同时，还需要保障在恶劣天气影响下的机场管制运行和应急响应处置机制。为此，这就要求机场管制实验教学平台能够逼真模拟各种情境，学生通过有针对性的进行反复、详尽的分析验证和演练，提高管制协同调配以及对新程序、新技术的适应能力。
1.1 硬件配置
实验平台设备外观结构及布局与现实岗位设备完全对接，使学生熟悉实际岗位工作席位环境，并正确使用机场管制设备。
1.2 管制员与模拟机长之间的语音通信与话音记录功能
训练学生应对各种管制区域情景时准确使用术语和无线电通话技术，向航空器适时发布正确指令，如：为起飞航空器发布空中交通管制（ATC）放行许可，为起飞、着陆航空器正确实施管制等。能正确调配机场机动区的航空器和车辆，发布飞行情报、交通活动情报和相关机场情报，与进近或区域管制部门及时协调，正确进行通信移交、管制移交，正确安排交通活动的优先顺序，有效防范、处置跑道侵入事件，高效使用机场空域和跑道等。
1.3 实现机场管制虚拟场景的真实再现
包括机场场面航空器滑行、跑道、滑行道、机坪、灯、机场周围标志性建筑物及周边环境和障碍物等。场景模拟的主要元素有能见度、云层、天空、机场灯光、航空器/车辆位置和姿态、航空器灯光等。平台提供具有大型机场塔台管制虚拟操作环境，可以模拟白天黑夜，春夏秋冬，各种气象状况（雾、云、雨、雪等），特情处置（一发失效、起落架故障、跑道入侵）等，以适用各种不同的实验目的。
1.4 实现航空器的操纵与运动控制功能
具有方便的指令输入系统，通过对指令的识别判断，实现对航空器的精确操纵和运行轨迹的控制。
1.5 实验练习编辑功能
满足课程实验教学大纲实验项目输入编辑需要。用于教师对实验训练项目的编制，新实验项目的开发等。
2 平台架构
机场管制虚拟仿真实验教学平台按实验操作角色分类：包括受训管制员席位、模拟机长席位、教员与系统运行控制席位、数据准备席位以及模拟内话子系统五部分，见图1。其对应的技术实现包括机场塔台管制席位终端系统、航空器操纵系统、教员管理系统、模拟内话系统、视景生成与管理系统和视景支撑系统六个模块。
2.1 机场塔台管制席位终端系统
由雷达显示终端、飞行计划显示终端、实时气象显示终端以及场面监视显示终端组成，实现飞行计划显示与处理、雷达显示与处理、气象自动观测和场面监视功能，由管制学员完成操作。
2.2 航空器操纵系统
提供终端区及机场场面飞机和车辆运行态势综合显示，设计有丰富、灵活和高效的管制指令输入系统，系统对输入的指令进行合法性检查通过后，发送到飞机运动仿真计算子系统，操纵多架飞机仿真运行，实现对塔台管制范围内飞机活动提供灵活、简便的交互操作，支持模拟机长学员席位。
2.3 教员管理系统
对应数据准备与分析席位和运行控制席位，主要实现系统运行控制、训练计划编辑、飞行运行仿真计算和空管特征数据分析统计分析等功能，支持教员席位。
2.4 模拟内话系统
实现对陆空通话和空管直通电话的综合调度以及话音记录功能，由语音通信接口、模拟内话系统服务软件和模拟内话系统客户端软件组成。
2.5 视景生成与管理系统
实现三维场景实时渲染功能、场景渲染控制功能、复杂自然现象的模拟功能、特情场景的模拟与渲染功能和多通道同步实时绘制功能等，构造和实时显示机场真实场景，保证场景的真实感与机场实际情况相吻合。
2.6 视景支撑系统
包括视景模型库和特效模块软件，模型库为视景生成提供需要的视景模型，特效模块软件用于视景特效、特殊场景现象、特殊自然现象以及飞行特情仿真的需要。 3 技术实现
现代信息技术与虚拟技术的应用为平台功能实现提供了保证。机场管制虚拟仿真平台是借助计算机技术、系统仿真技术、电子和机械技术等现代高新技术逼真地再现空中交通管制的实际工作环境，利用模拟的方法进行空管训练，以较低的成本换取良好训练效果的一种计算机模拟仿真系统。系统采用虚拟现实技术构建以机场塔台视景仿真为中心，通过虚拟现实、分布式实时计算、复杂系统仿真、ATC管制模拟和信息处理等技术手段，真实再现塔台管制的工作环境，构成一套人在回路的复杂实时仿真系统[6]，为学生实验提供一个真实的虚拟仿真训练环境。
实现平台模块功能，攻克的关键技术包括：（1）多通道视景生成和驱動。多通道视景生成和驱动系统需完成地景数据库和目标模型的建立以及实时场景的生成管理，根据中心服务器主机发送来的飞机位置、姿态及运行轨迹、气象参数等，实时产生相匹配的图像，为塔台管制模拟练习提供所需的场景。系统需正确描述视景中各种实体的几何形态、相互位置和运动关系，同时必须基于实体的材质、纹理、环境气象和光照以及实体间的行为交互等进行大量的计算，通过图形生成器生成RGB信号传给显示系统，在屏幕中显示出来。（2）系统实时通信网络支持环境。机场管制虚拟教学仿真平台对实时性有极高的要求，为此必须选用实时网络产品来实现图形发生器和终端设备之间的通讯。实时通信软件采用以太网，接收来自终端的控制信息，并将数据发送到视景系统。（3）基于管制指令的飞机性能仿真计算。模拟机长席位根据管制席位发出的指令执行控制地面和空中航空器目标运动。本系统需要对管制指令进行指令解析，然后依照飞机性能数据库实时仿真计算航空器位置姿态等参数，在每个系统周期内，将计算结果发送会中心服务器。（4）课程模拟训练计划编辑。教师按照课程实验教学大纲，可以编制各类训练计划。编辑功能包括航班飞行计划、车辆调度计划、特情及气象条件等，具有完整的机型和车辆数据库，支持高仿真逼真度的仿真运行计算，计划编辑支持批量计划的生成，支持EXCEL格式飞行计划数据导入模式，为教学提供方便。
4 教学效果评估
目前机场管制虚拟仿真实验教学平台在教学中发挥着重要作用。现有机场塔台视景可精确重现北京、天津、西安、重庆、青岛、厦门等地区机场空管工作场景，具有使学生切实体验到身临其境的沉浸感，提高了学生的学习热情与积极性，教学效果良好，增强了行业对毕业生的认可度。
5 结语
机场管制虚拟仿真实验教学平台彻底解决了高等院校空管专业学生培养中实验环节教学问题，具有成本低，实用性强的特点。为空管人才培养提供了重要保证，为更好满足现代民航空管人才与岗位能力近距离接轨夯实基础。
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（4）：41-43.
[2] 崔喧茗.塔台管制模拟系统关键技术研究及系统实现[D].南京：南京航空航天大学，2017.
[3] 陆艺.空中交通管制塔台模拟机的设计及开发探讨[J].科学与财富，2017（27）：85.
[4] 卓贤林，张建伟，刘燕生.空中交通管制塔台模拟机的设计与实现[C]//2003年全国系统仿真学术年会论文集，2003.
[5] 杨万龙.空中交通管制塔台模拟机的设计及开发[J].科技创新与应用，2015（17）：63.
[6] 崔喧茗，顾宏斌，徐正家.塔台管制模拟系统研制[J].数字技术与应用，2016（11）：44-45.
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