面向未来空管卓越人才培养的专业平台建设

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  [摘 要] 南京航空航天大学空中交通管理专业是为了适应我国空中交通发展的迫切需求,以培养专业知识过硬、工作能力突出、综合素质超群的空中交通管制人才为目的创办的。阐述南京航空航天大学空中交通管理专业在开设前瞻性、创新性和研究型的实验实训课程方面,通过平台建设与平台应用,建立了较为完善的空管卓越人才培养体系,为培养具有实践能力、创新精神和国际视野的具备强大发展后劲的空管卓越人才奠定了基础。
  [关键词] 空中交通管制;专业平台建设;实践教学;基于航迹运行
  [基金项目] 2020年度国家自然科学基金资助项目“基于四维航迹管理的终端空域进离场协同调度研究”(U1933117)
  [作者简介] 张军峰(1979—),男,江苏盐城人,博士,南京航空航天大学民航学院副教授,主要从事空管自动化与智能化研究。
  [中图分类号] G645    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324(2021)41-0068-04    [收稿日期] 2021-04-01
   一、引言
   我国民航运输业历经百年发展,航空运输业不断参与到全球社会政治经济文化的互动中,成为新时代国民经济的发展引擎,在建设现代化强国的战略地位不言而喻。民航空管作为民航体系的核心,在民航运输业快速发展的进程中责任重大、作用突出、地位重要。然而,空域可用资源限制已经成为制约民航发展的首要因素。为此,加快推进“四强空管”尤为必要[1]。
   南京航空航天大学的空中交通管制专业致力于培养具备过硬的专业知识、突出的工作能力、出众的综合素质的空中交通管制人才,该专业根据教育部卓越工程师培养计划的工程教育理念,发挥南京航空航天大学“航空、航天、民航”三航的学科专业特色,坚持“立足民航、依靠民航、服务民航”的行业服务精神,增强学生服务国家的社会责任感与勇于探索的创新精神。在我国处于迈向“民航强国”的关键时期,推进“四强空管”建设的重要关隘,如何通过专业平台建设,不断完善空中交通管制专业学生的知识体系结构,使学生的工程意识、工程素质和工程实践能力得到提升,是亟须解决的课题。鉴于此,面向未来空管卓越人才培养的专业平台建设应运而生,通过建设专业平台,开设前瞻性、创新性和研究型的实验实训课程,以期满足民航科技进步和现代化管理的需要,培养具备强大发展潜质的空管卓越人才。
   二、基于航迹运行的管制理念
   (一)基于航迹运行概念
   基于航迹运行概念(TBO)出自国际民航组织《空中交通管理运行概念》:“空管系统将考虑所有飞行阶段内有人或无人驾驶航空器的飞行轨迹,并对该轨迹与其他轨迹或危险因素(气象、地形和障碍物等)之间的相互影响实施控制,并尽可能使其与空域用户申请的飞行轨迹保持最小偏离,同时实现全局最佳运行结果”。TBO的本质是以航迹信息为媒介,实现覆盖整个空管系统的精细化的协同决策。
   (二)基于航迹运行现状
   国际民航组织于2012年推出了“航空系统组块升级”(ASBU)。ASBU中对于TBO的发展路线主要体现在“高效的飞行航迹”,通过采用先进概念和技术来提高全球空管的决策支持能力。
   美国发布的《NextGen计划运行概念》通过在空管、航空公司、航空器之间共享航迹动态信息,实现协同决策。为了验证TBO的能力,美国联邦航空局在图塔科马国际机场进行了大批次的飞行试验。欧洲TBO的实现分为三阶段:第一阶段,通过基于时间运行使欧洲的空管系统同步;第二阶段,形成基于航迹运行的空管系统;第三阶段,基于性能运行,以网络为中心建成空/地协同的空管系统。欧洲分别于2012年与2019年开展TBO的先期实验——i4D的验证工作。中国民航局空管局于2017年成立了TBO工作组,对TBO运行进行论证。2019年3月,中国民航局在天津—广州往返航路上开展了i4D飞行试验[2],结果表明:i4D飞行显著提高了空中交通管理的时间分辨率,有利于提前排解空域拥堵并降低延誤。
  
   三、基于航迹运行的平台建设
   (一)平台组成
   基于航迹运行的平台建设内容包括:航行资料、导航数据库、地理空域基础信息数据库;甚高频、卫星等的地空通信数据链模块;ADS-B以及多种数据融合的监视模块;空中交通管制模拟模块;飞行管理系统模块;以及电子飞行包模块。其组成如图1所示。
   (二)平台功能
   根据基于航迹运行流程及运行需求,基于航迹运行专业平台主要包含三个模块[3]:飞行管理系统模块、空中交通管制模块和地空通信数据链模块。
   飞行管理系统模块:即综合飞行训练器,如图2所示。综合飞行训练器负责为飞行员提供人机界面,支持飞行员初始化建立与管制工作站的通信传输,支持上行和下行报文的显示功能,帮助飞行员完成对管制指令的请求、应答回复、报警提醒等功能。综合飞行训练器的飞行管理系统还应确保具备所需到达时间(RTA)的参考轨迹的生成功能。
   地面空管模块:鉴于传统语音管制由于存在误听、误记、服务覆盖范围小等问题,因此数字化管制工作站成为支持基于航迹运行的地面管制自动化系统核心。一方面,在基于航迹运行管制过程中,管制员与飞行员在较短的时间间隔内需要交换较多关键信息,如由空到地的预计到达时间(ETA)、由地到空的优化到达时间(STA)信息等。另一方面,优化到达时间(STA)的获取需要地面空管模块具备进场排序与调度的功能。
   地空通信数据链模块:负责(1)与地空数据链网络进行通信,维护链路,发送和接收上下行管制报文;(2)接收RTA数据(即地面空管模块提供的STA信息),并对RTA信息进行分析和校验。
   (三)关键技术    1.空管模块的进场排序与调度。进场排序与调度[4]旨在满足安全的前提下,对进离场航空器的起降顺序和时间进行合理规划。进场排序与调度往往需要空管部门、航空公司、机场的通力协作,方可实现资源与信息共享提高空域与跑道资源的利用率。然而,这种分布式的协作过程衍生出各种优化目标:(1)与空管运行需求相关的优化目标有:最小化航班总延误、最大化跑道容量、最小化平均起降时间。(2)与航空公司运行相关的优化目标有:最小化运行成本、最小化延误、最大化航空器利用率。(3)与机场运行相关的优化目标有:最大化停机位利用率、最大化航班正点率。
   进场排序与调度的约束如下:(1)尾流间隔要求,即尾流间隔标准。(2)时间窗约束,即航空器完成起飞或者降落的最早开始时间与最晚结束时间。(3)最大约束位置转换,即相对于先到先服务序列航班的位置偏移范围。(4)优先级约束,即同一航路连续进场航空器间不允许超越。此外,进场排序与调度还需考虑空域结构因素、气象因素、排序与调度的动态性与实时性需求等。
   2.飞管模块的所需到达时间。四维航迹的管理体现在航迹的生成、预测和优化上。当前研究更多集中在航迹的初始生成、预测方面以及如何提升它们的精度。准确的航迹初始生成和预测能为管制员提供良好的态势感知,但对于诸如进场管理系统提出的调度方案却无法提供有效地解决方法。航迹优化即是一种带有目标的航迹生成,以航迹初始生成和预测为基础,并将进场管理系统的调度方案作为优化目标,在满足运行规则的前提下为航空器制定四维航迹。
   目前,有部分航迹优化研究是基于到达时间的,然而,其侧重点主要是机载航迹,这样带来的问题:其一是机载设备缺少全空域的气象、航班等信息,优化结果顾此失彼;其二是机载优化使得空域管理者空中交通管制员丧失了信息与管制的主动性。本平台旨在提出一种对航空器的水平轨迹、垂直剖面分别进行优化的四维航迹优化方法。首先,分析机场终端区进场航路特征,创建链表结构的航路数据,设置灵活三边的范围限制,所有航路点视作链表结点,每一结点代表一个航路点,结点属性中记录航路点的代码、经纬度、高度/速度限制、特殊飞行限制。其次,构建计算四维航迹的四个基本模型:气象模型、质点模型、性能模型、意图模型,上述基本模型可以基于欧洲航行安全组织提供的模型和性能参数构建。再次,依据航迹生成流程,运用四个基本模型对航空器的到达时间、调度范围进行预测:一方面,采用标准进场航路,使用航迹预测模型,计算当前航空器的标准进场时间;另一方面,采用步骤最短和最长进场航路,计算得到最小和最大进场时间,即当前航空器的时间调度范围。接着,基于飞管系统与进场排序与调度系统实现数据交互,利用进场排序与调度系统得到航空器的所需到达时间。然后,根据所需到达时间对航空器的水平轨迹、垂直剖面分别进行优化。最后,形成参考轨迹,由飞管系统的自动驾驶仪与自动油门实现航迹的自动跟踪。
   四、基于航迹运行的平台应用
   (一)连续爬升与连续下降运行验证
   连续爬升(CCO)是航空器在给定推力、速度下,连续爬升到初始巡航高度的过程。连续下降(CDO)是航空器在最小推力下,通过对构型的管理,连续下降并着陆的过程。随着CDO、CCO理论研究与实践应用的不断拓展[5],两者在节省燃油消耗、减少废气排放、降低噪声污染等方面的优势,已被学界、业界的广大专业人士所认可。利用基于航迹运行的平台可以验证如下方面的内容:与常规运行相比的节能减排降噪的效果、在高交通密度下,连续爬升与连续下降运行的成功率。
   (二)点融合系统验证
   点融合系统(PMS)[6,7]是一种融合到达流的新方法,作为提高终端空域运行效率的创新技术,与传统的雷达引导相比,其最大优势是减少管制工作负荷,将进场、进近运行标准化。除了从意外情况中恢复之外,不再使用开环雷达引导。点融合系统一方面可以确保飞行管理系统充分使用水平导航模式,发挥基于性能导航的优势;另一方面,能够帮助飞行管理系统优化垂直剖面,实现连续下降进近。利用基于航迹运行的平台可以验证如下方面的内容:点融合系统的可接受性、安全水平、进场容量、运行效率等指标。
   (三)进场管制的基于航迹运行验证
   基于航迹运行的核心理念在于从当前以航班计划及航空器位置为基准的粗放管控方式,转变为以实时更新的四维飞行航迹预测及航空器精确控制过点时间为基准的精细化管理模式,并在该过程中围绕四维航迹,实现各方之间的协同。利用基于航迹运行的平台可以验证几方面的内容:常规管制方案与TBO理念下管制运行的安全、容量、效率、环保的对比研究,探索TBO理念在终端区进场空中交通管理方面的应用,为今后繁忙终端空域的实际运行提供了理论基础和方法支持。
   五、结语
   南京航空航天大学空中交通管制专业致力于空管卓越人才培养的探索与实践,随着“四强空管”如火如荼的建设,密切关注行业需求,借助“部局共建”的历史契机,开展基于航迹运行的专业平台建设。基于该专业平台,设计特色实验实训课程,培养出卓越空管工程师,将南京航空航天大学建设成为我国空管卓越人才的重要培養基地而持续不断努力。
  参考文献
  [1]车进军.推进“四强空管”建设 助力民航高质量发展[N].中国民航报,2018-12-13(7).
  [2]张阳,程先峰,刘岩.空中交通基于四维轨迹运行概念及其应用[J].指挥信息系统与技术,2020,11(5):5-10.
  [3]李鹏.基于航迹运行仿真验证技术研究[J].空运商务,2020(9):47-51.
  [4]张军峰,游录宝,杨春苇,等.基于多目标帝国竞争算法的进场排序与调度[J].航空学报,2021,42(2):475-487.
  [5]朱海波,张军峰,刘杰.基于蒙特卡洛模拟的连续下降运行间隔分析[J].交通信息与安全,2018,36(6):74-80.   [6]游錄宝,张军峰,马林南.点汇聚技术的发展与应用研究[J].航空计算技术,2019,49(6):114-119.
  [7]刘博文,胡荣,张军峰,等.点汇聚系统的设计概要与应用展望[J].华东交通大学学报,2020,37(3):92-101.
  Major Platform Construction for the Cultivation of Future-Oriented Talents
  in Air Traffic Management
  ZHANG Jun-feng
  (College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, Jiangsu 210016, China)
   Abstract: Air traffic management major of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA) is founded to meet the urgent needs of the development of air traffic in China. Its purpose is to cultivate air traffic management professionals with excellent professional knowledge, outstanding working ability, and excellent comprehensive quality. This paper discusses the experimental training courses set up by the air traffic management major of NUAA, which have the characteristics of forward-looking, innovative, and research-oriented. Through the construction and application of the major platform, NUAA established a more sophisticated talent training system for cultivating talents in air traffic management, which lays a foundation for training outstanding air traffic control talents with practical ability, innovative spirit and international vision and with strong development momentum.
   Key words: air traffic control; major platform construction; practice teaching; trajectory-based operation
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