空管仿真验证技术研究

《空中交通管理》2007年第10期空管仿真验证技术研究民航总局空管局李泉田振才背景随着信息技术、通信技术和卫星技术为代表的新技术在航空领域的广泛应用，民航空中交通管理方式正发生着深刻的变革。国际民航组织提出了新的“全球空管运行概念”，其主要特点是建立网络、交互、共享的分布式系统平台，使航空运输参与各方，在确保安全的前提下，提高系统总体运行效率。在此概念基础上，世界许多国家和地区依据自身情况和未来发展需要开始规划和建立新一代空中交通管理系统，以适应国民经济和航空发展新的要求。美国联邦航空局提出了其下一代空中交通管理系统计划项目——NextGen计划，将以四维航迹（4D航迹）取代目前的飞行计划作为未来运行系统计算的基础。到2025年，NextGen计划将满足空中飞行的各类航空器机型组合的需要，为空域用户和旅客、货主提供更多的选择。欧盟发起的“单一欧洲天空”计划目标年为2025年，其中，空管层面的内容以SESAR计划项目为代表。该项目以星基技术为基础，结合传统陆基的成熟技术，通过建立通用数据交换网络、伽利略导航卫星系统、雷达联网和广播式自动相关监视系统，达到一体化的通信、导航、监视，从而实现对欧洲高空空域的统一协调指挥，以最大限度的提高空域安全、容量和效率。各航空强国下一代空管系统的规划都涉及到许多新的运行概念和技术，从安全和经济的角度考虑，在NextGen和SESAR计划项目的实施中，新概念、新建设、新运行模式的研究与应用都是通过预先建立仿真环境进行仿真、测试、验证和评估，从而调整和确认新概念、新技术、新运行模式的发展路线，明确研究方向、安全风险和潜在挑战。空管仿真验证已经成为空管建设过程中至关重要的一个环节，其应用范围已从单一设备扩大到了系统级的全尺寸仿真。大力推进系统仿真技术在空管系统建设中的应用已经成为各航空强国和地区空管技术发展的一个主要方向。二、空管仿真验证发展系统仿真（也称计算机仿真或计算机模拟）是通过建立仿真模型，在计算机上再现真实系统，并模拟真实系统的运行过程而得到系统解的研究方法。作为分析评价现有系统运行状态或优化设计未来系统性能与功能的一种技术手段，它通过运行具体仿真模型和对计算机输出信息的分析，实现对实际系统运行状态和变化规律的综合评估与预测，进而实现对真实系统设计与结构的改善或优化。其中最关键的是仿真模型的建立技术和仿真系统之间通信互联技术。1、初期应用上世纪70年代末开始，欧美等发达国家最初开始尝试将系统仿真技术，尤其是离散事件仿真建模的方法，引入到空域和机场管理中来，建立整个空域和机场系统或者局部的某个子系统的仿真模型，并利用计算机和设计好的模型，对已有的或设想的空域和机场系统及管理策略进行模拟实验，输出重要的统计与决策信息，以便对所设计的方案和出现的问题进行分析判断。仿真技术一开始主要被用于评估机场容量和航班延误的研究，后来逐渐扩展到对整个机场地面和空域管理的仿真。近来，机场管理的其它方面，如噪声管理、收支分析、人力资源等，也开始广泛采用仿真技术以提高管理水平。已有的相关模型系统包括：机场容量与延误分析模型包括AirfieldCapacityModel（FAA）、AND（MIT/MITRE）、DELAYS（MIT）及RunwayCapacityModel（LMI）；高级的机场运行仿真模型包括HERMES（CAA/NATS）和TheAirportMachine（ASI）；中级的机场和空域仿真模型包括NASPACandspinoffs（FAA，MITRE，CENA）、TMAC（MITRE）、FLOWSIM（FAA，ATAC）即TacticalTFMTestbed（Draper）；高级的机场和空域仿真模型包括SIMMOD（FAA）和TAAM（ThePrestonGroup）。2、发展趋势从空管系统仿真的初期发展来看，空管仿真验证主要针对某一具体空管需求，利用单一仿真验证系统进行研究，主要采用离散仿真建模技术。随着空管系统的发展，仿真验证的需求逐步从单一的技术试验仿真验证扩展到全尺寸门到门的运行仿真验证，所采用的仿真技术也从单机仿真过渡到分布式系统仿真。从系统仿真技术的角度看，空管系统属于复杂系统，是由运行的实体和实体之间的交互关系组成的。这些实体包括航空器、管制员、飞行员、通信、导航、监视、气象、管制设备、空域环境等，实体之间的关系是指为了有效协调系统各实体运行而制定的一些法规、程序和规则。对于复杂系统，需要采用复杂系统仿真技术，即分布式系统仿真技术。三、分布式空管仿真验证系统近年来，随着空管建设发展的需求，不断涌现出一批性能卓越的分布式空管仿真验证系统。现介绍几个主要系统。ComDATSS：2000，明尼苏达州大学研究的一个空中交通系统仿真项目，为先进的空管系统设计和自动化工具的评估提供一个数字测试环境；Air-GroundIntegrationExperiment：2001，FAAWilliam技术中心和NASAAmes研究中心在FreeFlight项目中联合开发一个实时“人在回路”（human-in-the-loop）仿真实验系统；ACES（AirspaceConceptEvaluationSystem）：2002，NASAAmes研究中心在空域计划的下一个子项目，是一个对ATM新概念和技术进行评估的分布式空管仿真系统，认可度较高；AviationSimNet：是一个MitreCAASD于2005年开发完成的一个ATM仿真系统。具有开放式、可进行网络互联多方协作进行综合仿真的特点，代表空管仿真系统的发展方向。通过研究，可以发现所有这些仿真系统都有一个共同特点，即建立分布式ATM仿真验证系统，区别在于技术路线和技术实现上，其中ACES在政府、业界支持和技术路线上都有较大优势。四、VAMS项目在2004年，白宫科学技术政策办公室、国土安全部、国防部、交通部、商务部、FAA和NASA联合成立了联合规划发展办公室（JPDO），JPDO将为NextGen的实施制定国家规划和实施计划。NASA作为美国乃至世界航空技术研发的领导者，在JPDO的组织下，为NextGen提供着高质量的新技术应用研究支持，NASA提出四个主要的计划：空域系统计划（AirspaceSystemProgram）；航空安全计划（AviationSafetyProgram）；基础航空计划（FundamentalAeronauticsProgram）；航空测试计划（AeronauticsTestProgram）。其中，空域系统计划涉及四个工程：AATT（AdvancedAirTransportationTechnologiesProject）：先进的航空运输技术工程；SATS（SmallAircraftTechnologySystemProject）：小型航空器技术系统工程；HMP（HumanMeasuresandPerformanceProject）：人的措施与性能工程；VAMS（VirtualAirspaceModelingandSimulationProject）：虚拟空域建模与仿真工程。2002年，NASA开始建设虚拟空域建模与仿真工程项目，计划2007年完成。该项目力求符合NextGen计划的基础需求，对未来空管系统中采用的系统级运行概念进行评估和确认，为新概念的应用准备技术路线，明确研究方向、风险和潜在的挑战。此项目又分为三个子项目，分别针对整个开发过程的三个方面：（1）SLIC（SystemLevelIntegratedConcepts）：系统级综合概念，负责对概念进行定义；（2）VAST（VirtualAirspaceSimulationTechnologies）：虚拟空域仿真技术，负责开发虚拟空域仿真环境；（3）SEA（SystemEvaluationandAssessment）：系统评估与验证，负责利用VAST的仿真环境对开发提炼出的概念进行评估。其中VAST项目的目标是利用建模和仿真技术开发虚拟空域环境，利用虚拟空域环境可以在国家空域系统的系统层面上和“人在回路”层面上评估目前和未来空中交通系统运行概念和采用的技术。VAST项目针对两个方面进行开发。一方面，对系统进行评估的非实时建模仿真环境进行开发，其产品是空域概念评估系统ACES。ACES由可互操作的模型组成，这些模型的有机结合形成了对门到门运行环境的仿真，同时可以对空域系统内各参与方的交互行为进行高精度仿真。ACES的最初应用是对系统级综合概念项目中提出的运行概念进行评估，这些概念涉及美国国家空域系统中新技术的引入，比如场面交通管制自动化技术；也涉及运行程序的调整，比如机场范围内点到点的运行程序。目前，JPDO使用ACES评估当空中交通系统不能满足未来需求时可能出现的问题大小和类型，同时评估调整美国国家空域系统所需的战略步骤。为了能够达到仿真工具的灵活性和可扩展性，ACES原型开发使用了基于agent的建模结构，模块之间和模块与系统之间的通信采用ACL（AgentCommunicationLanguage）和HLA（HighLevelArchitecture）协议。另一方面，考虑具体的人的行为，进行实时的人实物在回路建模仿真环境开发。实时仿真系统由软件模型和人机接口组成，人机接口连接一些参与仿真的实验室和设备，其中包括NASA的FFC（FutureFlightCentral）、空管塔台仿真设备、NASAAmes研究中心的其它实验室、Boeing747-400飞行模拟机和新概念飞行模拟机。同样也可以扩展到其它异地实验室，比如交通流量管理实验室和位于FAA技术中心的TGF（TargetGenerationFacility）。利用国家网络结构，这种相互连接的能力可以产生一种单一环境，在这个环境里，异地的研究人员和用户可以协同的、交互的参与到整个实验验证中来，非常适合大型的综合实验室仿真验证工作的实施。五、技术路线研究多联邦系统（MAS：Multi-AgentSystem）和高层架构（HLA）体系是目前分布式仿真领域的两个热门技术。通过对国外相关分布式空管仿真验证系统的研究，可以得出一个结论：将MAS和HLA结合起来，在HLA规范框架下实现多联邦系统，是目前实现分布式空管仿真验证系统的成熟技术路线。ACES系统由NASAAmes、雷神、IAI、SAIC和SeagullTechnology（2005年3月被Sensis公司兼并）联合开发而成的分布式空管仿真验证系统。系统的复杂性决定了系统开发必须走业内外联合开发的道路。其中IAI公司是一家专业的智能仿真公司，负责为整个项目提供开发平台IDE，IAI针对ACES项目需求，在CybeleTM的基础上定制了CybeleTM-HLA平台，该平台实现了在HLA规范框架下开发多联邦系统。目前，支持分布式仿真系统开发的工具众多。比较有代表性的商业工具有AgentBuilder、CybeleProTM、CybeleTM-HLA、JACK、AgentSheets等。开源工具有AgentTool、Cougaar、DIET、JADE、JASON、OpenCybele等。通过对这些工具的研究，笔者认为JADE是一款比较适合国内空管进行分布式空管仿真验证技术试验研究的工具。JADE是一个符合FIPA（FoundationforIntelligentPhysicalAgents）规范的基于JAVA（从我们的研究来看，大部分分布式仿真工具都是基于JAVA的，有的同时也支持C++）的MAS开发平台。JADE是开源的，遵循LGPL（GNULesserGeneralPublicLicense）协议，最初由TelecomItalia负责研制。2003年，成立了JADE协会，协会会员包括TelecomItalia、Motorola、WhitesteinTechnologiesAG、ProfactorGmbH和FranceTelecomR&D。通过对JADE的研究，可以发现JADE的发展方向和方式与ECLIPSE平台的发展非常相似