分析模擬自由飛行系統(tǒng)性能和適應(yīng)性的技術(shù)

劉芳

民航東北地區(qū)空中交通管理局，遼寧 沈陽(yáng) 110043

淺談新縣銀河灣國(guó)際花園小區(qū)邊坡治理工程設(shè)計(jì)

分析模擬自由飛行系統(tǒng)性能和適應(yīng)性的技術(shù)

劉芳

民航東北地區(qū)空中交通管理局，遼寧 沈陽(yáng) 110043

新自動(dòng)技術(shù)被并入空中交通管理系統(tǒng)之前，需要經(jīng)過(guò)大量的分析和驗(yàn)證。不但功能示范而且確定所有系統(tǒng)性能和可靠性都需要這種分析和驗(yàn)證。運(yùn)行驗(yàn)證的危險(xiǎn)和成本阻礙了它的正常使用。尤其是驗(yàn)證系統(tǒng)的適應(yīng)性--強(qiáng)制蓄意發(fā)生嚴(yán)重的失誤來(lái)確保它們能夠合理的掌控。幸運(yùn)的是，本篇論文描述了用于評(píng)估在終端區(qū)飛行時(shí)所使用的各種自動(dòng)技術(shù)的性能和適應(yīng)性而設(shè)計(jì)的模擬系統(tǒng)。它同樣也提出了一些關(guān)于系統(tǒng)使用的初步結(jié)論。

飛機(jī)自動(dòng)裝置與性能模擬機(jī)；線程；拓?fù)?/p>

Abstract

before new automated technologies can be incorporated into the air—traffic-management system, they need to be analyzed and tested extensively. This analysis and testing is required not only to demonstrate functionality, but also to deterrmine overall system performance and dependability. The risks and costs of operational testing preclude its routine use, especially to test system survivablity where intentional serious failures will be forced to occur to ensure that they are handled properly. Fortunately, simulation provides a practical alternative. This paper describes a simulation system designed to assess the performance and survivability of various automated technologies in terminal area flight. It also presnts some preliminary results of the system’s use.

Keywords

Flight Automation & Performance Simulator(FLAPS);thread; topology;

1 FLAPS系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)

FLAPS是通過(guò)使用被稱(chēng)作RAPTOR的網(wǎng)絡(luò)模擬裝置系統(tǒng)所建立。RAPTOR提供的主要機(jī)能是對(duì)象的實(shí)施和他們之間的相互作用。對(duì)象是通過(guò)用戶所提供的代碼片段建立的程序, 然后這些程序再按照RAPTOR設(shè)計(jì)的線程被執(zhí)行，每個(gè)對(duì)象建立一個(gè)線程。每個(gè)對(duì)象的線程可以確保每個(gè)對(duì)象都以真正并行的方式進(jìn)行操作。因此在模型當(dāng)中演示出在任意真實(shí)系統(tǒng)中固有的非確定性。

線程實(shí)施的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)就是為所使用的模擬裝置的實(shí)際硬件提供了充分的利用。由于線程是由操作系統(tǒng)進(jìn)行分配，大部分模擬裝置都擁有大量的線程（對(duì)象），所有現(xiàn)存的處理系統(tǒng)設(shè)備都盡可能地保持繁忙狀態(tài)。

對(duì)象之間的相互作用通過(guò)內(nèi)存信息傳遞來(lái)實(shí)施。任意對(duì)象都能夠與其它的對(duì)象通過(guò)在目標(biāo)對(duì)象的輸入信息緩沖區(qū)進(jìn)行交流。它便于快速計(jì)算。

在許多情況下，模擬機(jī)所需求的飛機(jī)組合的具體結(jié)構(gòu)將統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了簡(jiǎn)化一些模擬裝置的構(gòu)建，F(xiàn)LAPS還具有一些額外的功能——它能產(chǎn)生必要的拓?fù)浜团c所需飛機(jī)數(shù)量剛好的相同文件建立鏈接。

1.2 空域

空域有三個(gè)主要的組成部分：機(jī)場(chǎng)、航路和飛機(jī)類(lèi)型。這三項(xiàng)組合在一起使FLAPS軟件用戶模擬他們想要研究的任何空域的飛行。

1）機(jī)場(chǎng)：機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)文件中輸入機(jī)場(chǎng)組件詳細(xì)規(guī)定了已標(biāo)識(shí)進(jìn)入空域的交接點(diǎn)，表明跑道空域邊界的四個(gè)角。另外，跑道號(hào)和位置的格式以及作為表示機(jī)場(chǎng)跑道經(jīng)驗(yàn)的飛機(jī)負(fù)載。結(jié)合這些參數(shù)為機(jī)場(chǎng)提供完整描述。

2）航路：機(jī)場(chǎng)文件設(shè)立交接點(diǎn)和跑道入口，而空中航路文件提供方法來(lái)規(guī)劃從交接點(diǎn)到跑道的具體航路。如果用戶沒(méi)有模擬終端區(qū)，空中航路只定義了飛機(jī)需要遵循當(dāng)飛機(jī)飛越空域時(shí)的路線。

3）飛機(jī)類(lèi)型：定義了不同的飛機(jī)類(lèi)型和他們的特征，像速度限制、尾流間隔要求等等。這些數(shù)據(jù)的使用是靠模擬管制按照具體的交通流量趨勢(shì)來(lái)產(chǎn)生不同的飛機(jī)類(lèi)型，把飛機(jī)不同的性能考慮在內(nèi)用飛機(jī)的性能來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)飛行。

1.3 模型控制

模型控制提供了一種機(jī)制，用戶憑此通過(guò)FLAPS中的空域來(lái)管理飛機(jī)流量。模型控制把模擬參數(shù)文件輸入進(jìn)去——它定義了飛機(jī)的分布、交通荷載要求和全部模擬時(shí)間。模擬參數(shù)提供基礎(chǔ)的框架——飛機(jī)類(lèi)型、交接點(diǎn)的選擇，每架飛機(jī)使用的跑道是由以參數(shù)文件中提供的概率為基礎(chǔ)的組件隨意產(chǎn)生的。

1.4 虛擬空域

當(dāng)空域組件允許用戶指定空域結(jié)構(gòu)，空域結(jié)構(gòu)的內(nèi)部演示儲(chǔ)存在虛擬空域組件里。坐標(biāo)網(wǎng)格是為了標(biāo)注指定空域里的交接點(diǎn)、匯聚點(diǎn)、跑道和航路。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入或離開(kāi)某空域時(shí)，虛擬空域通過(guò)在坐標(biāo)網(wǎng)格上標(biāo)明他們的方位來(lái)追蹤他們的航跡。飛機(jī)能夠檢索前后飛機(jī)的信息以及通過(guò)查詢這個(gè)組件來(lái)確定是否違反間隔距離。因?yàn)閿?shù)據(jù)需要各種各樣的自動(dòng)算法，空域中的所有飛機(jī)位置的部分歷史航跡都儲(chǔ)存在虛擬空域中。

虛擬空間組件提供了隱藏飛機(jī)活動(dòng)細(xì)節(jié)的方法，因?yàn)楫?dāng)每架飛機(jī)顯示出它的速度和飛行時(shí)間時(shí)就能提供了它的新位置。這使得未來(lái)的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)更容易細(xì)化。虛擬空域提供了飛機(jī)的中心位置，它作為模擬裝置的一部分可以申請(qǐng)交通信息并指出周?chē)h(huán)境的狀態(tài)，同時(shí)提供了抽象飛機(jī)活動(dòng)機(jī)制。

1.5 進(jìn)程

進(jìn)程是指由RAPTOR基于拓?fù)湮募?chuàng)建的單個(gè)線程。目前在FLAPS中有兩種主要線程類(lèi)型：飛機(jī)性能和地面管制性能。飛機(jī)性能模擬了飛機(jī)的工作狀態(tài)，而地面管制性能模擬了管制員的工作狀態(tài)。

飛機(jī)性能：在拓?fù)湮募卸x的每架飛機(jī)都與飛機(jī)性能有關(guān)。飛機(jī)性能的主要特性包括：（1）進(jìn)入某個(gè)空域前等待從地面激活信息；（2）與周?chē)娘w機(jī)和地面建立必要的通訊聯(lián)系；（3）真正實(shí)施不同的自動(dòng)算法，如自我間隔。因此，這種性能有責(zé)任把產(chǎn)生的速度咨詢傳輸?shù)教摂M空域來(lái)移動(dòng)飛機(jī)。最后，這種性能也可以處理任何外部輸出所需的數(shù)據(jù)。

1.6 地面管制性能

這種性能提供管制塔臺(tái)或ATC中心管制特定空域所具備的所有性能。例如：為了實(shí)現(xiàn)自我間隔，地面管制有責(zé)任為飛機(jī)進(jìn)入空域時(shí)提供序列號(hào)。

1.7 薄弱環(huán)節(jié)及其癥候

FLAPS提供的主要特征之一是有能力驗(yàn)證單個(gè)算法以及整個(gè)系統(tǒng)的適應(yīng)性。為允許驗(yàn)證它的適應(yīng)性，F(xiàn)LAPS包含兩個(gè)重要設(shè)備。第一個(gè)是有能力把具體的薄弱環(huán)節(jié)與系統(tǒng)中的具體對(duì)象聯(lián)系起來(lái)。薄弱環(huán)節(jié)是指組件中有可能發(fā)生的潛在“問(wèn)題”。第二個(gè)重要設(shè)備使得應(yīng)用試驗(yàn)在模擬過(guò)程中具備產(chǎn)生癥候的能力。值得注意的是使用的短語(yǔ)是“癥候”，而不是“故障”。這種理念使得用戶推出了源于故障的重要癥候。因此，用戶提供的易受影響的組件軟件決定了它們所受的影響。

2 FLAPS 和自我間隔

由于FLAPS被研發(fā)成作為分析自由飛行運(yùn)算的一個(gè)平臺(tái)，系統(tǒng)通過(guò)研發(fā)特殊自我間隔的樣板來(lái)評(píng)估。自我間隔是每一架飛機(jī)在沒(méi)有地面管制的幫助下保持他們自身和其他航空器之間的間隔。

自我間隔算法：目前對(duì)自我間隔運(yùn)算的研究操控板載單個(gè)飛機(jī)并提供有限的速度咨詢。今天所考慮的包括在分布式空中地面交通管理概念中的基礎(chǔ)算法是由Abbott研發(fā)的。Abbott的自我間隔的算法是基于timeto-go間隔的概念。time-to-go間隔背后的理念是對(duì)于每一架飛機(jī)按照預(yù)先定義的時(shí)間間隔的量來(lái)跟進(jìn)前機(jī)。例如：如果預(yù)先定義的時(shí)間間隔為△，現(xiàn)在的時(shí)間為t，然后任何一架飛機(jī)在t時(shí)間時(shí)所在的位置應(yīng)當(dāng)和這架飛機(jī)在t-△時(shí)間時(shí)是相同的。

任何特定的飛機(jī)在t時(shí)間時(shí)和在預(yù)期的位置的差異被認(rèn)為是距離誤差。然而，當(dāng)出現(xiàn)距離誤差時(shí)飛機(jī)需要偏離名義速度更正此錯(cuò)誤。自我間隔算法在偏離所允許的名義速度的量上設(shè)置了限制；正常的話，限制在10%的名義速度以內(nèi)來(lái)保證飛機(jī)適當(dāng)?shù)仄x空域所規(guī)定的速度，這些限制有可能引起飛機(jī)難以達(dá)到間隔的要求。

自我間隔的方法可以用代數(shù)的方法來(lái)表示：

（2.1）速度=基礎(chǔ)速度+速度誤差；

（2.2）速度誤差=0.01×Gain1×誤差范圍—Gain2×Delta加速度；

（2.3）范圍誤差=航空器位置—基礎(chǔ)位置；

（2.4）Delta加速度=本機(jī)的加速度—其他航空器的加速度；

飛機(jī)來(lái)完成時(shí)間間隔的實(shí)際速度△通過(guò)2.1等式來(lái)計(jì)算。用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算速度的必備數(shù)據(jù)通過(guò)2.2，2.3和2.4等式的計(jì)算來(lái)提供。在等式2.1中基礎(chǔ)速度是所給定航路的名義速度或是指當(dāng)本機(jī)與其它航空器的時(shí)間間隔趨于△時(shí)的航空器速度。基礎(chǔ)位置是在t-△時(shí)的交通位置或是基于最小間隔距離的目標(biāo)位置。Gain1和Gain2，由Abbott確定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)各自是2.5/英尺和2.5秒。

為了讓飛機(jī)保持在名義速度周?chē)募s束額定速度之內(nèi)，需要實(shí)施對(duì)算法的檢查。編碼方程2.5應(yīng)用于：

（2.5）如果（速度＞名義速度+偏離速度），速度=名義速度＋偏離速度；

如果（速度＜名義速度﹣偏離速度），速度=名義速度﹣偏離速度；

在飛行期間限制超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的最大的總偏差，該算法還對(duì)最大的速度變化限制在任何給定的速度命令內(nèi)。這是保持平穩(wěn)飛行，以提供合理的加速/減速。FLAPS模擬器通過(guò)使用公式2.6實(shí)現(xiàn)目的：

(2.6) 如果速度（速度誤差>的車(chē)速限制）錯(cuò)誤=車(chē)速限制

如果速度（速度誤差<車(chē)速限制）錯(cuò)誤=車(chē)速限制

這些方程相結(jié)合，提供了一個(gè)自我間距算法的實(shí)施。伴隨著這種算法分析功能，它的實(shí)施也被用于評(píng)估FLAPS模擬器。

對(duì)自我間距算法的重要觀察發(fā)現(xiàn)之一是，根據(jù)每個(gè)模擬裝置隨機(jī)產(chǎn)生的交通分布的不同，沖突的數(shù)量差別很大。另一個(gè)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)是指在監(jiān)視顯示器時(shí)，由于速度的限制，飛機(jī)無(wú)法以足夠快的速度來(lái)避免沖突的發(fā)生，一旦飛機(jī)加速就會(huì)超過(guò)范圍錯(cuò)誤。在算法中做一些修改，提前使速度減小來(lái)應(yīng)付這種情況的發(fā)生。此外，速度修改以外的技術(shù)可以用來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)正確的間距。例如，使用橫向機(jī)動(dòng)，會(huì)增加或減少路徑的長(zhǎng)度，必要時(shí)將有助于控制間距。自動(dòng)飛行管理仍能有長(zhǎng)足的發(fā)展，可以開(kāi)發(fā)出更好的解決方法。

這種分析有助于對(duì)間距的算法的初步了解，又能對(duì)FLAPS的能力進(jìn)行探索研究。FLAPS很容易實(shí)現(xiàn)該算法并能簡(jiǎn)單定義具體航班和交通概況。FLAPS是一個(gè)有用的平臺(tái)，用于測(cè)試各種自由飛行算法。

3 結(jié)語(yǔ)

飛行自動(dòng)化性能模擬器為不同的飛行管理自動(dòng)化計(jì)算程序的仿真建模提供了一個(gè)平臺(tái)。然后將這些模型用來(lái)測(cè)試單個(gè)計(jì)算程序的功能性，可行性，性能和適應(yīng)性。它還提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法在逼真的環(huán)境中來(lái)實(shí)施和評(píng)估多個(gè)自動(dòng)化的互動(dòng)，例如：自我間距和匯聚。FLAPS的主要優(yōu)勢(shì)包括：準(zhǔn)確地反映不同空域的能力，模擬任意數(shù)量的飛機(jī)，根據(jù)時(shí)間控制空域內(nèi)飛機(jī)密度，顯示不同飛機(jī)類(lèi)型以及其局限性，和各種各樣的模擬系統(tǒng)故障。

FLAPS生存性分析的能力，是一個(gè)中央設(shè)施。一旦自動(dòng)化系統(tǒng)被普遍使用，就要求該系統(tǒng)在所有情況下適用。軟件的性質(zhì)就是這樣，很容易錯(cuò)過(guò)在測(cè)試過(guò)程中的重大案件，特別是涉及與其他外部系統(tǒng)的相互作用的情況下。假設(shè)有外部和內(nèi)部元件失誤，它提供了一個(gè)獨(dú)特的能力——對(duì)此進(jìn)行研究所產(chǎn)生算法的行為能力。

為了提供這個(gè)系統(tǒng)的初步評(píng)價(jià)，研發(fā)了自我間距算法的模型。自我間距算法定義為在終端區(qū)域內(nèi)從一個(gè)切入點(diǎn)到跑道之間的某個(gè)固定航徑上飛行飛機(jī)的間距。目前，它并不適用于匯聚或多個(gè)跑道。算法分析的初步結(jié)果表明，由于在單一航線上飛機(jī)之間的沖突率很高，所以需要進(jìn)一步提高模擬算法。

[1] September 2001, APO Data System, Federal Aviation Administration, http://www.apo.data.faa.gov/faatafall.htm

[2] September 2001, Free Flight , Federal Aviation Administration, http://ffp1.ffa.gov.

[3] Abbott, Terence, 2001, Advanced Speed Control Law for Airborne, In-Trail Separation, Hampton, VA,Distributed Air/Ground Traffic Management Research Intiative, NASA’s Langley Research Center.

[4] Knight, John, Kevin Sullivan, 2000, On the Definition of Survivability, University of Virginia,Department of Computer Science, Technical Report CS-TR-33-00， http://www.cs.virginia.edu/~jck/publications/tech.report.2000.33.pdf

[5] Jun 2001, Raptor Simulator, Survivability Research Group, University of Virginia, http://www.cs.virginia.edu/~survive/raptor.

[6] Rowe, Brian, 2002, design and Implementation of a Display Device for Models of Free Flight Algorithms, Senior Thesis, School of Engineering and Applied Science, University of Virginia.

[7] NASA Langley Reaearch Center, 2000, Distributed Air/Ground Traffic Management Concept Element 11 Research Plan, Hampton, VA, Distributed Air/Ground Traffic Management Reaearch Initiative.

Simulation Technology for free flight System Performance and Survivability Analysis

Liu Fang
Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation in Northeast,Liaoning,Shenyang,110043

淺談新縣銀河灣國(guó)際花園小區(qū)邊坡治理工程設(shè)計(jì)

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.017

劉芳 作者單位：民航東北空中交通管理局

單位地址：沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)東北空中交通管理局航管樓管制中心雷達(dá)模擬機(jī)室 出生年月：1974年2月5日 性別：女 學(xué)歷：大學(xué)本科 職稱(chēng)：中級(jí)工程師。