中期冲突告警在空管中的应用.docx

第 33 卷第 15 期 vol.33 no.15企 业 技 术 开 发technological development of enterprise2014 年 5 月 may.2014中期冲突告警在空管中的应用顾晓纬（民航华东空管局，上海 200335）摘 要：短期冲突告警（stca）已逐渐无法满足当前大流量高负荷的航空管制工作，通过对中期冲突告警（mtca）的研究 和应用，有利于提前对航空器飞行冲突的进行预警，给予管制员充足的时间调配航班，减少stca和紧急避让等危险情况的 发生。文章介绍了mtca在空管自动化系统中应用的必要性，实现基础和算法研究，探索了一种告警设置及人机交互的方 式，并对mtca与其他空管新技术的结合进行了展望。关键词：中期冲突；mtca；空管自动化中图分类号：tp391.4文献标识码：a文章编号：1006-8937（2014）15-0063-02随着我国经济的飞速发展，航班流量急剧增加，当前 已启用的rvsm（缩小垂直间隔）机制和流量放行系统提高 了航线和空域的利用率，大型区管的建设也有利于对航班 流量的集中控制，但也随之带来了大密度流量引起管制员 工作强度上升，指挥调配难度增大，容易由人为失误引起 安全隐患等问题。因此，空管自动化系统是否能提供可靠 的冲突告警（confilict alert）功能成为管制员能否及早发 现可能存在危险的关键一环。国内大型区管在用的主流空管自动化系统如欧洲猫 自动化系统和国产牧马人2 000自动化系统都只具备短期 冲突告 警（stca,shot term conflict alert）功 能 ，而 根据 stca的定义，在任意航向上探测到2 min之内，两航班距 离约10 km时将触发告警，管制员在stca告警触发时能够 利用的解决冲突的时间非常短，对管制员造成巨大的心里 压力， 同时有可能 触发 航 空 器的 空 中 防 撞系 统 tcas（traffic collision avoidance system）报警，迫 使机组需进 行紧急避让机动，给飞行带来危险。1中期冲突告警概述中期冲突告警（mtca）是目前国内外学 术界非常重视的一个技术，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，就能够把航空器 冲突探测的时间提前。研究人员对冲突的探测 和解决进行了大量的研究，提出了多重模型和 解决算法，避免绝大多数虚警，从而使管制员 能够提前2030 min发现冲突，可利用的冲突 解除时间延长，极大地降低冲突航班小于规定 间隔标准的几率，可以大幅提高空管系统的安 全性。2中期冲突告警的处理2.1 建立精确的4d航迹空管自动化系统根据收到的航空报文信息，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，hight，time），其中x为坐标系横坐标，y为坐 标系纵坐标，hight为轨迹点高度，time为轨迹点时刻。作者简介：顾晓纬，民航华东空管局。首先系统对飞行剖面进行初始化，以航空器性能参数 库中的爬升率、巡航速度、下降率等数据计算4d航迹中各 点的高度、速度和过点时间。再根据飞行计划报（fpl）中航 路点规定的高度和速度进行修正。在飞行全程中需对生成后的模型实时进行雷达修正 和计划修正。雷达修正：4d航迹计算模块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模型进行比 对，当误差超过一个阈值，则以当前雷达数据对4d航迹进 行修正，当前高度不仅修正当前位置报告点信息，同时对 未来模型产生影响。在偏航的情况下，雷达修正直接以雷 达当前报告位置和下个报告点位置开始的航路建立剖面 模型。计划修正：4d航迹模块接受管制员人工输入的预先指 令高度（pcfl），变更航路、过点速度或收到报文等数 据 时，之后的4d轨迹都应该重新计算，使后续的预测轨迹更 匹配管制员的意图信息。如图1所示。图1 4d航迹的建立与修正2.2 冲突探测算法在4d模型基础上，对所有相关的飞行计划两两进行冲 突探测，国内外对冲突探测算法的研究主要集中在概率型 方法和非概率型方法两个方向。概率型中期冲突探测算法 以prandini的随机化算法和paielli的近似解析算法最为典 型；非概率型算法最典型的代表是几何型中期冲突探测算 法。prandini的随机化算法适用航路变化的情况下的概率 计算，同时考虑了预测误差，但计算量较大，实时利用该算 法进行冲突探测对系统造成很大负荷。paielli的近似解析64企 业 技 术 开 发2014 年 5 月算法较适用于直线航路。几何算法相对简单容易实现，但 无法灵活处理轨迹预测的不确定性和误差。冲突解脱算法分为离散和连续两类：离散型通过调整 计划航路点序列，生成最大可能按预期执行顺序飞行的无 冲突航路；连续型主要是调整飞机轨迹使其偏离冲突机的 误差区域。如图2所示。因此在发生mtca告警时需要在人机界面上对管制员进行 提示。以下给出一种告警提示方式。探测到冲突将发生的前2010 min，在对航班有管 制权限的管制员的屏幕上弹出提示窗口，相关雷达标牌加 醒目颜色显示。图2 冲突探测算法分类当前对算法的研究在原有算法基础上不断进行改进， 如对改进随机化算法的效率瓶颈部分和提升精确度部分， 改进近似解析算法使之适应转向较多的航路等，取得了较 好的实验效果，但目前国外的冲突探测和解脱算法的研究 均建立在自由改变飞行航迹的基础上，但我国的民航有严 格的航线规则，空域资源也由空军统一协调，符合我国民 航国情的中期冲突探测算法，各大高等院校和研究所已经 做了大量的研究，不久将会形成成熟的方案。2.3 mtca的实现mtca模块和其他软件模块相对独立，特别是与stca 模块互不影响，各自独立计算。由于mtca计算量较大，可 以考虑双机冗余配置mtca服务器，用于运行mtca进程， mtca服务器需与自动化系统工作网相连接，从自动化系 统工作网上实时获取mtca计算相关的监视航迹信息，飞 行计划数据，人机操作包括航路的修改、cfl的修改等要 素进行冲突探测。再将探测到的冲突发送到有关mmi。在告警显示的优先级上，stca应高于mtca，由于满 足stca条件的冲突必然满足mtca，因此，在发生stca 时，航迹标牌上应显示stca告警。mtca使用的告警参数在自动化系统中统一配置，不 同的区域、不同的高度可以配置不同的告警参数。当两个 航迹属于不同的告警区域时，水平告警间隔和垂直告警间 隔应当使用其中较大的参数值，告警时间参数采用其中的 较小值。同时在管制员的主任席位（能对数个管制员席位 的配置和监控）上，应能对mtca告警的开关、音量大小、告 警显示方式进行实时调节。3人机界面上的交互目前空中交通管理由空中交通管制员负责航空器的 统一调度。当管制员发现自动化系统提示潜在的冲突时， 直接发出指令来改变飞行高度、航向或速度来避免冲突。探测到冲突将发生的前102 min，在 对航班有管制权限的管制员的屏幕上再次 弹出提示窗口，相关雷达标牌加醒目颜色 闪烁显示。探测到冲突将发生的前2 min以内， 在对航班有管制权限的管制员的屏幕上再 次弹出提示窗口，相关雷达标牌加醒目颜 色闪烁显示，冲突航班用测距线连接，并发 出告警音。mtca功能应监控管制员的意图信息， 在管制员修改航班的cfl时，对雷达探测的 该航班高度进行重新计算，并对管制员错误 的调配意图给予提示：在管制员输入的cfl 将引起2 min内的飞行冲突，应在相关来打标牌上加醒目颜色提示，并发出告警音。同时，管制员在收到 告警信息时，对于各种告警提示能够人工确认消除，以应对 一些特殊情况。4结语在未来，mtca功能将集成到空管自动化系统中，这将 有效的减少stca的产生，降低空中安全隐患。同时，告警 时间提前2030 min，将给予管制员充足的调配时间以解 决冲突，降低管制员的工作压力。在可信任的mtca功能支 持下，管制员可同时管制的航空器数增加，提升扇区航空 器容量，从而提高空域流量。对于航空公司来说，依赖 mtca、管制员飞行员数据链（cpdlc）等新技术为基础的 协同决策（cdm），可以获得一定的自主权以能更加安全高 效的改变航路，调整空中等待等。eurocontrol通过研究计算 出该模式将为空域使用者每年节省近64 300万欧元。在减 少地面和空中的燃油损耗的同时，也将大量减少碳排放 量，使航空业对环境更友好。国外在用空管自动化系统已开始加入mtca功能。在 我国，随着研究工作的成熟以及空管自动化软件更新周期 的到来，mtca功能作为管制方式变革的方向，将得到有力 的推进。相信在不久的将来，包括mtca在内的各种新工具 的运用，将使飞行变得更加安全、舒适、绿色、快捷。参考文献：1 prandini,m.,hu,j.,lygeros,j.,et al.a probabilistic approach to aircraft conflict detection.ieee transd.on intelligent tra- nsportation system,2000.2 张明伟,陈刚.中期冲突探测研究与应用j.现代电子工程,2009,(6).3 李俊菊,宋万忠,梁海军,等.中期冲突探测算法的研究与设计（下转第80页）80企 业 技 术 开 发2014 年 5 月的数据传输至中心站。气象信息实时监测技术的应用提供 了风电场区域气象实时数据。实时监测系统由遥测站、中 心站数据采集装置和通信通道组成。3.2 通信通道组织组成实时监控系统的遥测站安装于风电场指定测风 塔的相应高层，中心站数据采集装置安装于风电场中控楼 内，风电场与中心站之间的常用通道组织如下：光通道的组织：风电场与中心站配置光传输设备及 数据接入设备，通过光纤通道专线方式将数据网上传至中 心站，通道采用两个不同的路由方式。无线dtu的组织：无线dtu是采用2g/3g网络进行 数据传输，两套dtu事先配置好通讯规则，形成一个可靠 稳定的传输通道。微波传输通道的组织：此方式与dtu类型，也属于 无线传输，只是传输媒介采用高频波。4风功转化模型由于风机厂家提供的风功转换曲线是在实验室中测 试完成，而实际运行时，风机之间存在尾流效应的影响，和 出厂曲线会不一致，为了预测的准确性，在建立风功转换 模型时，最好采用风机实际运行的历史数据。对于新建的 风电场，由于没有历史数据，在建模时只能采用出厂风功 曲线，随着风电场投入运行，再在随后的工作中根据运行 的历史数据来修正风功模型。如果获取到了一年的历史数据，将这些历史数据输入 matlab，通过图像方式展示这些所有风功关系，这些关系都 是离散的点，如图1所示，根据这些离散点可以大致找出风 功关系，可以采用以下两种方法建立风功关系：图1 matlab拟合风功曲线根据风速求取该风速上所有功率的平均值，通过这 些平均值拟合出一条关系曲线。按照风速区间建立风功 对应关系，建立分段函数，在每个风速区间上风功都是线 性关系，实际使用时通过查表的方式查找风速对应的功 率。直接拟合曲线，可能误差较大，因为风功对应关系可 能比较复杂，用一个方程可能不能准确描述风功关系。建 立分段函数，如果分段的区间尽可能小，反而准确性更高， 同时也便于统计风功之间在不同风速上的关系。参考文献：1 于安兴.风电场短期风电功率预测研