应用数字建模技术来推进新一代管制模拟机的建设

李海凉

摘  要：雷达管制模拟机训练日渐成为技能培养、安全管理的重要手段，但模拟机技术一直发展迟缓。文章提出一种新型的雷达管制模拟机构思，它以处理雷达运行数据为基础，结合现代大数据挖掘进行数字建模，能够大大提高训练拟真度和训练效果。

关键词：模拟机;运行数据;容量评估;数字建模;大数据

中图分类号：V355 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）24-0159-03

Abstract： Radar control simulator training has increasingly become an important means of skill training and safety management， but the development of simulator technology has been slow. In this paper， a new type of radar control simulation mechanism is proposed， which is based on the processing of radar operation data and combined with modern big data mining for digital modeling， which can greatly improve the training fidelity and training effect.

Keywords： simulator; running data; capacity assessment; digital modeling; big data

概述

空中交通管制行业具有地域跨度大、科技含量高、社会影响大等特点，虽然空中交通管制服务的产品几乎都与航空器之间的间隔与效率有关，但其背后的原因错综复杂，涉及设备、气象、人为因素、过程管理等多种范畴。管制员的经验积累往往成为影响服务质量的一个决定因素。当经验积累无法通过运行完成时，管理部门只能通过过程约束或模拟机训练来完成风险控制，而模拟机训练是最具积极意义和实效的手段。近年来，模拟机训练在安全管理体系内的地位与日俱增，除传统的资格培训、设备培训、复习培训等内容外，管制员安全教育、自制核查、风险控制等内容也需要通过模拟机完成，这一趋势还在逐年增加。

1 雷达管制模拟机应用现状

1.1 背景

管制模拟机主要分为雷达（监视）管制模拟机、程序模拟机、机场（塔台）模拟机，本文所述模拟机单指雷达（监视）管制模拟机（下文简称模拟机）。2013年，空管行业管理办公室下发的《雷达（监视）管制模拟机需求技术规范》根据模拟机性能的完善性和系统技术要求的差异程度，将雷达（监视）管制模拟机分为I、II两类，II类雷达（监视）管制模拟机能够模拟雷达和广播式自动相关监视（ADS-B）等监视管制所需功能和工作条件，又分A、B、C三级，其中三级能达到和实际运行系统一致的模拟水平，这个规范可行性较好，符合我国国情[1]。

在实际运行中，管制模拟机受限于技术发展，仍然有不尽如人意的地方，主要体现在仿真程度不高，特别是对“软环境”的模拟。

“软模拟”指对空中交通管制扇区交通流运行特征的模拟，主要包括航班计划特征、出现点、离去点的时空特征、轨迹等。与飞行模拟器比较可知，飞行模拟器除了模拟航空器主要的设备操作，还能够模拟飞行的软环境及其反馈，如视觉图像、大气条件、滚转颠簸等。民航现有空管模拟机一般都能较好完成对席位设备的硬模拟，如音频、视频交互、人机操作界面等，其软环境模拟一般采用预编写练习剧情的方式，通过定义一系列的航班初始条件和最后条件来模拟交通流，并可由负责教学的教员安排所需的特情剧情。

1.2 雷达模拟机应用现状

近年来，管制模拟机对运行环境硬件的模拟程度越来越高，有些已经达到了备用设备的要求，但是管制软环境的模拟一直进展缓慢，基本还停留在上世纪九十年代的水平，传统模拟机的软模拟方式，优点和缺点都很突出，主要有：

1.2.1 难度把握

预先编写剧本能够清晰、方便地控制练习难度和侧重点，能够预见到大部分练习过程中发生的情况。但这种方式要求编写者根据经验安排各类冲突出现的时间、地点，和预测受训者的反应，对编写者的要求较高，练习难度不易把握，适合用于重复运行和对比讲解。

1.2.2 剧本泄露

剧本重复运行易造成剧本泄露，由于空中交通管制技能本身很依赖受训者的预见性和即时反应，剧本泄露大大降低了练习的难度和训练效果。为平衡这种缺陷，剧本编写者不得不提高剧本难度，造成训练与真实运行环境偏离大。根据受训次序，首位受训者往往感觉难度偏高，后续受训者感觉偏低，训练整体效果难以把握。

1.2.3 特情训练

近年来，管制“错、忘、漏”安全防护技术提升较快，一定程度上降低了对基本管制技能的训练压力，安全管理的侧重点转向特情处置能力，要求管制员能冷静应对突发事件，模拟机应当能够自动或者半自动仿真常见特情，并具有一定的隐蔽性。

2 利用仿真技术自动生成剧本

提高空管模拟机的软环境模拟水平，可以采用结合预先编写剧本和自动生成剧本两种方式并存的方法，预先编写剧本适合资格培训、设备培训、附加培训等场合，自动生成剧本适合岗位培训、复习培训、补习培训等场合。

2.1 自动生成剧本

自动生成剧本是对软环境模拟的更复杂形式，通过一系列的环境参数设置来完成，可以认为是空域数字仿真系统的一个应用。从数据描述来看，空中交通管制的交通流可以拆分成几组具有相同特征的4D轨迹的组合，这种特征往往可以用机场对、進离港程序为线索归类（即传统模拟机内的“飞行计划模板”），并得到各轨迹的占比。在此基础上考虑（或去除）环境变化因素的影响，如重要天气、通行轨迹限制（部队活动）、风险控制习惯等，就可以得到交通流的数字仿真。当运行练习时，教员只需设定几个基本参数，如空域、同时指挥架次数、特情数量等，系统根据交通流统计数据补充虚拟航班起始时间、高度等（即传统模拟机的编写飞行计划部分），就可实时生成练习，其空域运行特征与实际运行一致。

2.2 自动生成剧本的应用场合

自动生成剧本可能会产生一系列虚拟航班，但没有任何冲突，所以自动生成剧本是不适合小流量、低难度的训练场合，但对于复习培训、强化技能等需要大流量背景的场合很有用。例如，在岗位带教过程中，处于带教后期的学员已经掌握了管制基本技能，但缺乏大流量、复杂天气的经验积累，而类似的场合又不被安排见习，造成所谓的“玻璃天花板”现象。如能在模拟机上进行训练，就可以大大加快训练进度。甚至，如果模拟机能在线记录自动化系统数据，则能够重放指定时段的交通流供练习，训练效果更好。

2.3 利用多次采样确保模拟效果

为保证管制模拟效果的准确性，仅采样一次或数次是不够的，我国空中交通管制环境难以准确预测，干扰因素多，同一航班在不同日期的4D轨迹差异可能较大，要建立扇区的常规环境仿真，需要对大量交通流数据进行处理，筛选出可用的模型，还能够每隔6个月重复这一过程以适应航班时刻表的变化。目前，采用大数据建模技术能够做到这一点，巧合的是，这种技术最常见的应用是预测和训练，与空管管制模拟机的用途正好不谋而合。

3 采用雷达数据进行数据建模的可行性

数据建模一般分为5个步骤，分别是：选择模型、训练模型、评估模型、应用模型和优化模型[2]。

3.1 选择模型

按照剥离不可控因素，空中交通管制可以看作是一类有计划的生产行为，在一段固定的周期（航班时刻表）内是重复的，可用一个简单的回归模型进行描述，即A=kB，其中B是集合序号，k是落点概率，A是落点序号。

3.2 训练模型

将数据分为训练集和验证集，将训练集数据馈入所选模型，数据量越大，则计算的k值越精确，仿真效果越好。例如，截取某扇区交通流（201901011400-201901011500）的部分数据如下，将具有相同3D航迹的航班分类并统计占比如表1。

表1 交通流分类

表2 影响建模的可变因素

可见第一类占比为k=6.82%，馈入数据越大，则k值越精确。如果训练集数据足够大，可不进行机场对分类，将每一个机场对都作为一个分类计算k值。显然，班期时刻表是影响k值的主要因素（但并非唯一因素）。研发能够在线处理海量运行数据的分析系统，并在每次更换班期时刻表的节点进行重置，可以得到高度仿真的交通流模拟。

对计算机场对分类、航班号、进入点三维坐标、离去点三维坐标、轨迹、机型等数据k值进行递进，就可以得到一类交通流子集的k值序列，其结果类似于预编写练习方式内的“飞行计划模板”，区别在于数据量、拟合度要大大高于后者。

3.3 评估模型

在评估模型时，应预先考察验证集的实施条件。影响交通流的因素除了班期时刻表和飞行计划，还有下列因素，如表2所示。

数字建模应当区分这些因素的差异，由于可变因素在总量内的占比并不高，所以可以用差异性来区分。例如，研究同一机场对的3D轨迹，k值占比最高的通常是正常航路飞行;受重要天气影响的，其航迹轨迹k值会明显偏低;受通行轨迹限制的，则进出点高度明显偏离最高值，等等。

采用不同运行条件下的多个验证集评估模型，可以有效避免复杂因素对评估的干扰。例如，选取没有重要天气、通行限制的日期取得的验证数据，其结果应当符合各k值最大值的组合。

3.4 应用模型

取得了交通流的數据描述，就可以在空管模拟机上应用模型。以前述样例（表2第一行重要天气）来看，当选择自动生成剧本时，系统产生一个100以内的随机数来确定机场对，当这个随机数落在0

3.5 优化模型

交通流模型确定以后，可根据不同的应用场景，调整模型参数为人工定义或自动生成。如果调整得当，则可大幅度提高模拟机训练的效果。

3.5.1 岗位培训

管制员岗位教学面临着教员少、可训扇区少和可训时段少等问题。新一代模拟机的高度仿真、剧本隐蔽等特点可为岗位培训提供良好的模拟基础。通过调整练习的飞行量定义难度，可适应不同进度的受训者，经过模拟机较高难度的训练后再进行实际带教，其效率和安全性都得到提升。

3.5.2 效果评估

传统的模拟机教学，其教学质量的监督高度依赖教员，要求带教过程持续仔细监控，教员的素质和一致性也会影响训练效果。新一代模拟机可以自动监视过程，使用优选轨迹库、离去点条件库对训练过程进行评估，减轻教员压力并可以生成综合考评分。

3.5.3 特情处置

更改部分参数可以生成相似航班号、错误挂单、近距告警等各种特情，适应不同的培训要求，借助智能处理的优势，可以大大减轻编排练习的工作量，并取得较好训练效果。

如上所述，基于数据建模的模拟机具备多种优点，但缺点也很显著，局部冲突的不可控、训练时间难以把握等都是它的弊端，有这种需要的场合，就需要直接定义交通流的起始状态，即兼容传统剧本编辑方式，传统为主，新技术为辅，两者结合起来才能达到比较理想的状态。

4 结束语

如果在将来新一代管制模拟机能结合语音识别、数据挖掘等技术，其将能提供独立的反馈和评估，从而脱离“管制员-教员-机长”模式，达到单机运行的水平，可在标准通话训练、受训者特性分析方面发挥更大作用，国外如新西兰等地已经开发出来单机运行的管制模拟机，在这方面提供了更好的思路。

参考文献：

[1]中国民用航空局空管行业管理办公室.AC-70-TM-2013-01.雷达（监视）管制模拟机需求技术规范[S].北京，2013.

[2]王红卫.建模与仿真[M].北京：科学出版社，2005.