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摘 要：空中交通管制塔台模拟机对于塔台管制员的训练具有重要作用，在具体设计中，需要明确塔台模拟机的功能需求及重要技术。本文首先基于对空中交通管制塔台模拟机设计原则作出简要阐述，然后结合实例，对一种塔台模拟机具体设计进行分析，探究其系统组成、运作流程以及关键技术，希望对业内可以起到一定参考作用。
关键词：空中交通管制；塔台模拟机；设计原则
中图分类号：V355.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0270-02
前 言
在空中交通管制人员（以下简称管制员）培训方面，欧美发达国家自20世纪80年代起就开始广泛使用航空管制塔台模拟机设备，我国对塔台模拟机的研制、投入使用时间均相对较晚。使用塔台模拟机训练航空管制人员最大的优点是在投入费用相对较低前提下，管制环境得到最逼真的模拟，并且可以避免训练过程中出现意外事故，因此，对塔台模拟机进行设计研发具有重要意义。
1 基于空中交通管制塔台模拟机设计原则
塔台模拟机作为一种信息化工具可以对机场塔台管制指挥程序进行分析和验证，利用计算机与虚拟现实技术，可以让塔台管制员工作环境得到逼真再现，进而完成和塔台管制员的实时交互，对于机场塔台管制人员的培训具有重要作用。在本文中，基于空中交通管制塔台模拟机的设计原则共有四条：①可扩展原则。所设计的空中交通管制塔台模拟机需要具有可扩展性，在系统中，包含多种不同配置，可以方便系统未来的进一步发展，以满足各种特殊情况下的模拟指挥。②成熟软/硬件原则。在本文空中交通管制塔台模拟机的设计中，所采用软件、硬件均具有相对较好的成熟度，成熟的技术可以对系统可靠性提供有效保证，并进行更加拟真地还原。③高起点原则。在本文所说空中交通管制塔台模拟机的设计中，遵循了高起点原则，并非对国外系统进行简单仿制，而是努力进行自主创新，不仅保证设计具有先进性，更是争取能让我国掌握核心竞争力。④紧密结合实践。在空中交通管制塔台模拟机的设计中，紧密结合了我国当前对空指挥的实际情况以及机场结构，同时保证设计符合国际民航组织的ICAO标准，让国际标准符合国内实情。
2 基于空中交通管制塔台模拟机具体设计
2.1 塔台模拟机系统组成
2.1.1 系统组成
塔台模拟机系统中包含一系列硬件及软件，可以对相关设计任务予以共同完成，在系统设计中采用了组件式方法，可以塑造模块化系统，让多种配置要求均能得到良好适应。“子系统”、“席位”是塔台模拟机中的基本组件，在系统中，多个子系统负责完成多种功能。系统构成如图1所示。
结合图1，在该系统中，主要包含了数据库系统、管制员位、实时视景生成器、实时网络服务器、同步数字记录仪、模拟机长位以及通訊子机等。将通讯子机安装在实时网络服务器、管制员位和模拟机长位，可以构建一个拟真的半双工通信语音网络子系统PTT（Push-To-Talk），完成本系统的模拟通讯工作，在实时网络服务器或独立联网微机上设置运行软件系统作为数据库系统，利用RS232，可以让同步数字记录仪和实时网络服务器相连，之后连接模拟通讯系统，利用实时网络服务器可对其进行控制，进而同步记录语音与图像。
2.1.2 具体部件
在该模拟机系统中，主要包含八个主要构成部分：①数据库系统。利用数据库系统，可以对塔台模拟机运行过程中所用的基础数据进行编辑、管理，如训练计划、飞机性能参数、重复性飞行计划、管制空域结构参数以及气象参数模型等。②实时视景生成器。可以对塔台窗外所看三维视景（180°/360°）进行实时描绘，网络服务器可以提供视景中运动目标的相关参数，虚拟现实三维体系本身具有沉溺性、交互性与构思性特点，在三维视景中，主要包含了滑行道、跑道、航空器、特种车辆、候机楼、标志性建筑物、自然环境模型，各种运行所需的灯光，跑道、滑行道及机坪中的指示标记等。③实时网络服务器。在塔台模拟机系统中，实时网络服务器占有核心地位，实时网络服务器会加载在数据库中的训练计划，进而展开训练，在此过程中，模拟机长席位会将目标控制命令传输给实时网络服务器，而实时视景生成器、管制员席位与模拟机长席位会得到实时网络服务器所提供的目标信息与状态信息[1]。④模拟机长席位。依照塔台管制员语音指令，在模拟机长席位，模拟机长可以依照收到的管制指令对模拟台环境当中的飞机运动、车辆运动进行有效控制，实时网络服务器会得到控制命令的传输，目标运动速度、状态与高度、航向会被实时网络服务器计算出来，各个席位会得到运算结果，进而让席位显示内容得到刷新。除此之外，利用模拟机长席位，还可以改变气象条件，设定各种复杂的天气条件。⑤管制员席位。诸如气象信息、飞行计划与模拟UTC时间等状态信息可以显示给塔台管制员，利用管制员席位，还可以对模拟机场灯光开关进行控制。⑥模拟通讯系统。利用该系统，可以让机长与模拟塔台管制员实现“甚高频无线电通话”。⑦环绕立体声系统。依照飞机空间位置、机型等因素，环绕立体声系统可以对飞机降落、起飞与地面滑行声音进行模拟再现，同时还可以将环境声音加入其中。⑧同步数字记录系统。利用实时网络服务器进行控制，可以让同步数字记录系统对训练当中声音、图像进行同步记录，根据用户要求，可以重放训练过程，让训练后的讲评更为方便、直观。
2.2 塔台模拟机工作流程
塔台模拟机系统工作流程如图2所示。
结合图2，在塔台模拟机运行过程中，实时网络服务器会得到启动，然后读取在数据库中的训练数据，主要包含了空域信息、训练计划以及机场信息，之后模拟机长席位、管制员席位与实时视景生成器会连接，在席位接入后，利用网络，网络服务器会把初始数据传输至模拟机长席位与管制员席位，让席位准备工作得以完成，进而进行训练[2]。
系统实际应用效果如图3所示。
结合图3，通过三维视景，受训管制员可以对飞机的起飞、落地以及地面滑行状况进行直接观察，通过模拟雷达视图，可以获取飞机速度、高度、航向等信息，利用模拟通讯系统，可以将管制指令发送给模拟机长，在系统中，模拟机长输入指令后可以对飞机状态进行控制。与此同时，管制模拟机教员可以对训练中的风向、风速、能见度情况进行设置，或是添加特情事件，从而有效训练管制员的应急处置能力，增强特情下的情景意识，让管制水平得到提升。 2.3 关键技术
2.3.1 将复杂动作分解为原语
在塔台管制中，主要包含了空中管制、地面管制这两个部分，在进行管制过程中，所用命令数量相对较多，命令本身较为复杂，而因为国家之间存在差异，命令也会随之发生改变，解决这一问题对系统的维护、推广具有重要意义。因此，在本文所说的塔台模拟机系统中，分解地面车辆动作、航空器动作为原语，利用原语编程方法来让复杂控制操作得以实现，在让用户要求得到满足的同时，也为模块化完整性提供了保证。
2.3.2 实时面向对象建模
作为一种实时计算机系统，塔台模拟机本身具有分布式特点，系统具有较高复杂性，且具有不可預测、动态特点，对其进行设计与开发具有较高难度，普通的面向对象设计对于此类系统并没有良好的适应性，对此，在本系统中，采用了实时面向对象建模技术，来让软件设计开发质量、效率得到提升，让系统准确性、可靠性得到保证[3]。
2.3.3 自研图形软件与通用图形工作站的结合
为保证硬件质量，可以采用高端通用图形工作站（SGIONYX2），在图形工作站软件设计中，可以利用OpenGL与工作站基础图形引擎结合的方法，进而让系统未来可移植性与系统效率得到保证。在本系统中，自研图形软件与通用图形工作站的结合省去了价格相对较高的视景驱动软件包，让软件成本得到有效降低。
3 结 论
综上所述，遵循可扩展原则、成熟软/硬件原则、高起点原则和紧密结合实践原则，利用将复杂动作分解为原语、实时面向对象建模等关键技术，可以完成基于空中交通管制塔台模拟机设计工作，在该塔台模拟机中，主要包含了数据库系统、实时视景生成器、实时网络服务器、模拟机长席位、模拟通讯系统等多个部分，将此系统对于其他塔台模拟机的设计研制具有一定借鉴意义。
参考文献
[1]武喜萍，杨红雨，韩松臣.基于复杂网络的空中交通特征与延误传播分析[J].航空学报，2017，38（S1）：113～119.
[2]潘 健.空中管制中心扩展塔台内话系统研究[J].科技创新与应用，2015（17）：62.
[3]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.
收稿日期：2018-3-25
作者简介：吴 天（1990-），男，助理工程师，本科，主要从事空中交通管制塔台管制工作。
关键词：空中交通管制；塔台模拟机；设计原则
中图分类号：V355.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0270-02
前 言
在空中交通管制人员（以下简称管制员）培训方面，欧美发达国家自20世纪80年代起就开始广泛使用航空管制塔台模拟机设备，我国对塔台模拟机的研制、投入使用时间均相对较晚。使用塔台模拟机训练航空管制人员最大的优点是在投入费用相对较低前提下，管制环境得到最逼真的模拟，并且可以避免训练过程中出现意外事故，因此，对塔台模拟机进行设计研发具有重要意义。
1 基于空中交通管制塔台模拟机设计原则
塔台模拟机作为一种信息化工具可以对机场塔台管制指挥程序进行分析和验证，利用计算机与虚拟现实技术，可以让塔台管制员工作环境得到逼真再现，进而完成和塔台管制员的实时交互，对于机场塔台管制人员的培训具有重要作用。在本文中，基于空中交通管制塔台模拟机的设计原则共有四条：①可扩展原则。所设计的空中交通管制塔台模拟机需要具有可扩展性，在系统中，包含多种不同配置，可以方便系统未来的进一步发展，以满足各种特殊情况下的模拟指挥。②成熟软/硬件原则。在本文空中交通管制塔台模拟机的设计中，所采用软件、硬件均具有相对较好的成熟度，成熟的技术可以对系统可靠性提供有效保证，并进行更加拟真地还原。③高起点原则。在本文所说空中交通管制塔台模拟机的设计中，遵循了高起点原则，并非对国外系统进行简单仿制，而是努力进行自主创新，不仅保证设计具有先进性，更是争取能让我国掌握核心竞争力。④紧密结合实践。在空中交通管制塔台模拟机的设计中，紧密结合了我国当前对空指挥的实际情况以及机场结构，同时保证设计符合国际民航组织的ICAO标准，让国际标准符合国内实情。
2 基于空中交通管制塔台模拟机具体设计
2.1 塔台模拟机系统组成
2.1.1 系统组成
塔台模拟机系统中包含一系列硬件及软件，可以对相关设计任务予以共同完成，在系统设计中采用了组件式方法，可以塑造模块化系统，让多种配置要求均能得到良好适应。“子系统”、“席位”是塔台模拟机中的基本组件，在系统中，多个子系统负责完成多种功能。系统构成如图1所示。
结合图1，在该系统中，主要包含了数据库系统、管制员位、实时视景生成器、实时网络服务器、同步数字记录仪、模拟机长位以及通訊子机等。将通讯子机安装在实时网络服务器、管制员位和模拟机长位，可以构建一个拟真的半双工通信语音网络子系统PTT（Push-To-Talk），完成本系统的模拟通讯工作，在实时网络服务器或独立联网微机上设置运行软件系统作为数据库系统，利用RS232，可以让同步数字记录仪和实时网络服务器相连，之后连接模拟通讯系统，利用实时网络服务器可对其进行控制，进而同步记录语音与图像。
2.1.2 具体部件
在该模拟机系统中，主要包含八个主要构成部分：①数据库系统。利用数据库系统，可以对塔台模拟机运行过程中所用的基础数据进行编辑、管理，如训练计划、飞机性能参数、重复性飞行计划、管制空域结构参数以及气象参数模型等。②实时视景生成器。可以对塔台窗外所看三维视景（180°/360°）进行实时描绘，网络服务器可以提供视景中运动目标的相关参数，虚拟现实三维体系本身具有沉溺性、交互性与构思性特点，在三维视景中，主要包含了滑行道、跑道、航空器、特种车辆、候机楼、标志性建筑物、自然环境模型，各种运行所需的灯光，跑道、滑行道及机坪中的指示标记等。③实时网络服务器。在塔台模拟机系统中，实时网络服务器占有核心地位，实时网络服务器会加载在数据库中的训练计划，进而展开训练，在此过程中，模拟机长席位会将目标控制命令传输给实时网络服务器，而实时视景生成器、管制员席位与模拟机长席位会得到实时网络服务器所提供的目标信息与状态信息[1]。④模拟机长席位。依照塔台管制员语音指令，在模拟机长席位，模拟机长可以依照收到的管制指令对模拟台环境当中的飞机运动、车辆运动进行有效控制，实时网络服务器会得到控制命令的传输，目标运动速度、状态与高度、航向会被实时网络服务器计算出来，各个席位会得到运算结果，进而让席位显示内容得到刷新。除此之外，利用模拟机长席位，还可以改变气象条件，设定各种复杂的天气条件。⑤管制员席位。诸如气象信息、飞行计划与模拟UTC时间等状态信息可以显示给塔台管制员，利用管制员席位，还可以对模拟机场灯光开关进行控制。⑥模拟通讯系统。利用该系统，可以让机长与模拟塔台管制员实现“甚高频无线电通话”。⑦环绕立体声系统。依照飞机空间位置、机型等因素，环绕立体声系统可以对飞机降落、起飞与地面滑行声音进行模拟再现，同时还可以将环境声音加入其中。⑧同步数字记录系统。利用实时网络服务器进行控制，可以让同步数字记录系统对训练当中声音、图像进行同步记录，根据用户要求，可以重放训练过程，让训练后的讲评更为方便、直观。
2.2 塔台模拟机工作流程
塔台模拟机系统工作流程如图2所示。
结合图2，在塔台模拟机运行过程中，实时网络服务器会得到启动，然后读取在数据库中的训练数据，主要包含了空域信息、训练计划以及机场信息，之后模拟机长席位、管制员席位与实时视景生成器会连接，在席位接入后，利用网络，网络服务器会把初始数据传输至模拟机长席位与管制员席位，让席位准备工作得以完成，进而进行训练[2]。
系统实际应用效果如图3所示。
结合图3，通过三维视景，受训管制员可以对飞机的起飞、落地以及地面滑行状况进行直接观察，通过模拟雷达视图，可以获取飞机速度、高度、航向等信息，利用模拟通讯系统，可以将管制指令发送给模拟机长，在系统中，模拟机长输入指令后可以对飞机状态进行控制。与此同时，管制模拟机教员可以对训练中的风向、风速、能见度情况进行设置，或是添加特情事件，从而有效训练管制员的应急处置能力，增强特情下的情景意识，让管制水平得到提升。 2.3 关键技术
2.3.1 将复杂动作分解为原语
在塔台管制中，主要包含了空中管制、地面管制这两个部分，在进行管制过程中，所用命令数量相对较多，命令本身较为复杂，而因为国家之间存在差异，命令也会随之发生改变，解决这一问题对系统的维护、推广具有重要意义。因此，在本文所说的塔台模拟机系统中，分解地面车辆动作、航空器动作为原语，利用原语编程方法来让复杂控制操作得以实现，在让用户要求得到满足的同时，也为模块化完整性提供了保证。
2.3.2 实时面向对象建模
作为一种实时计算机系统，塔台模拟机本身具有分布式特点，系统具有较高复杂性，且具有不可預测、动态特点，对其进行设计与开发具有较高难度，普通的面向对象设计对于此类系统并没有良好的适应性，对此，在本系统中，采用了实时面向对象建模技术，来让软件设计开发质量、效率得到提升，让系统准确性、可靠性得到保证[3]。
2.3.3 自研图形软件与通用图形工作站的结合
为保证硬件质量，可以采用高端通用图形工作站（SGIONYX2），在图形工作站软件设计中，可以利用OpenGL与工作站基础图形引擎结合的方法，进而让系统未来可移植性与系统效率得到保证。在本系统中，自研图形软件与通用图形工作站的结合省去了价格相对较高的视景驱动软件包，让软件成本得到有效降低。
3 结 论
综上所述，遵循可扩展原则、成熟软/硬件原则、高起点原则和紧密结合实践原则，利用将复杂动作分解为原语、实时面向对象建模等关键技术，可以完成基于空中交通管制塔台模拟机设计工作，在该塔台模拟机中，主要包含了数据库系统、实时视景生成器、实时网络服务器、模拟机长席位、模拟通讯系统等多个部分，将此系统对于其他塔台模拟机的设计研制具有一定借鉴意义。
参考文献
[1]武喜萍，杨红雨，韩松臣.基于复杂网络的空中交通特征与延误传播分析[J].航空学报，2017，38（S1）：113～119.
[2]潘 健.空中管制中心扩展塔台内话系统研究[J].科技创新与应用，2015（17）：62.
[3]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.
收稿日期：2018-3-25
作者简介：吴 天（1990-），男，助理工程师，本科，主要从事空中交通管制塔台管制工作。