光纖矩陣在民航空中交通管制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

趙浪濤

（民航中南空管設(shè)備工程<廣州>有限公司 廣東 廣州 510000）

0 引言

光纖矩陣在民航空中交通管制系統(tǒng)的應(yīng)用，是民航空中交通管制系統(tǒng)的升級，同時也是管制系統(tǒng)完善的重要手段。近年來，民航空中交通管理發(fā)展進入高速階段，各種信息技術(shù)在空中交通管制系統(tǒng)中的應(yīng)用，進一步完善了空管系統(tǒng)。當(dāng)然空管系統(tǒng)管理內(nèi)容多，管理信息多元化，加上管理規(guī)模比較大，因此在一定程度上增加了民航空中交通管制的難度。若依然采用原有的技術(shù)手段，已經(jīng)不能滿足民航空中交通管制系統(tǒng)安全運行以及設(shè)備安裝等的需求。基于此，在民航空中交通管制系統(tǒng)中應(yīng)用光纖矩陣技術(shù)，完善空管安全運行系統(tǒng)，強化空管系統(tǒng)的管理作用，為未來空管系統(tǒng)發(fā)展提供更多參考。

1 空中交通管制運行介紹

飛機是一種在空中運行的交通方式，逐漸成為人們遠行的一種重要交通工具，飛機跟汽車一樣嚴(yán)格遵循著相關(guān)的交通規(guī)則在空中飛行，飛行在空中所遵守的空中交通規(guī)則也受到專門機構(gòu)的指揮和管控，這就是我們所說的空中交通管制?？罩薪煌ü苤剖侵革w機在空中飛行的時候通過先進的設(shè)備和技術(shù)手段對飛機進行管理和控制，以此方式保證飛機的飛行速度和飛行安全性?？罩薪煌ü苤频娜蝿?wù)主要為了防止飛機在空中飛行的時候出現(xiàn)碰撞，因為撞到障礙物而造成空中交通混亂，通過采取交通管制措施來保證空中交通順暢，飛機順暢飛行。

空中交通管制系統(tǒng)的運行以及光纖矩陣技術(shù)的應(yīng)用，都必須對空中交通管制有詳細的了解，認(rèn)識到空中交通管制組成，為光纖矩陣技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1.1 空中交通管制運行

空中交通管制系統(tǒng)，需根據(jù)民航空中管制要求，明確管制范圍，隨后科學(xué)展開管制運行工作。當(dāng)前空中交通管制運行，主要管制單位包括3種：其一是塔臺管制；其二是區(qū)域管制；其三是進近管制[1]?？罩薪煌ü苤频木唧w場所，主要分布于民航的機場塔臺附近，除此之外，還會在終端管制中心區(qū)域進行設(shè)置。管制單位根據(jù)交通管理運行情況，及時進行管制扇區(qū)劃分，針對性地進行管制人員加以管理，同時完善監(jiān)督控制體系，保證交通管制系統(tǒng)的正常運行[2]。

1.2 空中交通管制設(shè)施

空中交通管制系統(tǒng)中，基礎(chǔ)設(shè)施以無線通信設(shè)備為主，此外還涉及空中交通管制正常運行的自動化處理系統(tǒng)，其核心以雷達監(jiān)視為主。因為空中交通管制系統(tǒng)必須時刻與地面聯(lián)系，加上民航運行線路復(fù)雜，因此還需要場面監(jiān)視雷達融匯處理系統(tǒng)的支持，由氣象自動觀測系統(tǒng)輔助，隨時掌握氣象變化[3]，協(xié)同決策管理系統(tǒng)，協(xié)助空中交通管制系統(tǒng)運行?？罩薪煌ü苤粕婕按罅繑?shù)據(jù)信息，均由空管綜合信息處理系統(tǒng)予以處理。塔臺航班排序電子進程單處理系統(tǒng)以及飛行區(qū)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，同樣是重要組成。還需設(shè)置機場情報自動通播以及數(shù)字放行系統(tǒng)，幫助民航隨時完成信息播報[4]。針對不同的運行系統(tǒng)，配備顯示器以及終端工作站等，保證空管系統(tǒng)的正常運行。

1.3 空中交通管制方法

1.3.1 程序管制

這種管制方法對設(shè)備沒有太高的要求，進行管制的時候不需要采用專門的設(shè)備來完成管制工作，其工作方法主要是通過地空通話設(shè)備來完成管制任務(wù)的。管制人員在進行交通管制的時候，通過飛行員發(fā)送的位置報告來對各個飛機之間的飛行距離和飛行位置進行分析和了解，并掌握相關(guān)的飛行狀況，通過這些信息對空中交通存在的變化做出推斷，并向飛機發(fā)出飛行指令，指揮飛機在空中有序飛行。在飛機起飛之前，機長必須要向報告室提交飛行計劃，在經(jīng)過批準(zhǔn)之后才可以正式起飛。飛行計劃涉及的內(nèi)容有飛機需要攜帶的油量、預(yù)計飛行時間、經(jīng)過各個場點的時間、使用的導(dǎo)航臺、飛行航線、備降機場、降落時間等。當(dāng)飛行計劃確定之后，空中交通管制員要根據(jù)飛行計劃內(nèi)容對飛行進行監(jiān)管?？罩薪煌ü苤茊T會根據(jù)收到的飛行計劃和機長報告的位置，對飛機的實際飛行進程單進行糾正，如果發(fā)現(xiàn)航空器之間的間隔小于規(guī)定的范圍內(nèi)，就要馬上采取相應(yīng)的處理措施，對其進行調(diào)配，保證航空器之間的間隔可以在規(guī)定的范圍內(nèi)。程序管制法具有精準(zhǔn)度差、速度慢的特點，為了使飛機在空中飛行的時候能夠保證其安全性，一般會設(shè)置很多的限制條件，例如，同一航線上的同一型號的飛行在空中的高度必須要相互間隔10 min，因為在固定的空間內(nèi)能夠容納的航空器數(shù)量并不多。在中國民航管制工作中程序管制是當(dāng)前應(yīng)用時間最長的一種管制方法。

1.3.2 雷達管制

相對于程序管制而言，雷達管制的安全性能更好，雷達管制員在對空中交通進行管制的過程中，只要通過雷達顯示就可以了解在相關(guān)的管轄范圍內(nèi)雷達波所探測到的航空器所處的精準(zhǔn)位置，這樣就可以在很大程度上降低航空器之間的間隔，防止出現(xiàn)空中相撞的問題，同時也能使管制工作從之前的被動變得更加主動，而此時管制人員的工作也可以從被動指揮逐漸過渡到主動指揮中，這種方式對于空中交通管制來說，更加高效、有序和安全。當(dāng)前我國民航管制中規(guī)定能夠采用的雷達種類分為兩種類型，一種是一次監(jiān)視雷達，這種雷達發(fā)射的無線點脈沖，有一小部分會被目標(biāo)反射回來，同時反射回來的無線電脈沖會被雷達收回然后經(jīng)過處理之后再次顯示，一般會在顯示器上只出現(xiàn)一個亮點，不會出現(xiàn)其他的數(shù)據(jù)信息。另一種是二次監(jiān)視雷達，這種雷達是一種能夠?qū)⒁詰?yīng)答機形式存在的設(shè)備，與已經(jīng)測到的目標(biāo)有效協(xié)調(diào)起來的一種雷達系統(tǒng)，在這種雷達的作用下，顯示器上會顯示出飛機的運行軌跡、特殊編號，以及航班號、符號和標(biāo)牌等數(shù)據(jù)信息。

1.3.3 程序管制和雷達管制的區(qū)別

這兩種管制方式對于空中交通管制來說都取得了一定的進步和發(fā)展。二者相比存在的最大的區(qū)別就在于程序管制允許航空器之間的最小間距與雷達管制允許航空器之間存在的最小間距存在區(qū)別。在規(guī)定的管制范圍內(nèi)，程序管制因為具有精準(zhǔn)度差、速度慢的特點，為了使飛機在空中飛行的時候能夠保證其安全性會要求在同一個航線內(nèi)，同一機型在同一高度之間存在的水平間距必須要間隔10 min。在雷達監(jiān)控基礎(chǔ)上，程序管制的間隔保持在75 km，而雷達管制規(guī)定的間隔控制在20 km。隨著飛機數(shù)量的不斷增加，空中交通流量不斷提升，在技術(shù)快速發(fā)展的前提下，雷達管制間隔也在隨之縮小，從目前的使用情況來看，已經(jīng)低于20 km。間隔要求越小，就說明空中的利用率越來越大，能夠容納的飛機數(shù)量也越來越多，這樣不僅有助于空中航空指揮的順利實施，同時也有助于提升飛行的飛行效率和飛行安全。

2 空中交通管制系統(tǒng)存在的問題

空中交通管制系統(tǒng)運行，依然出現(xiàn)問題必然會威脅到民航正常運行。傳統(tǒng)空中交通管制系統(tǒng)以塔臺終端工作站為主，管制設(shè)備等均設(shè)置與安裝于民航空管的管制席位桌。受到系統(tǒng)升級與基礎(chǔ)設(shè)施等改善的影響，新建塔臺安裝位置不斷調(diào)整，同時增設(shè)環(huán)形機房，空中交通管制系統(tǒng)中稱其為“檢修環(huán)”，其設(shè)置位置與塔臺指揮間緊密相連。這種設(shè)計模式在多個機場均開始實踐，參考北京東塔與西塔，還有昆明地區(qū)新建的塔臺等。當(dāng)然重慶、武漢等地區(qū)在建中的塔臺也采用這種形式。采取有效手段實現(xiàn)鍵盤顯示器、塔臺顯示器能夠打破距離限制直連。當(dāng)然在實際操作中，受到多方面因素的影響，其中存在一些設(shè)計與實施問題有待改進。

2.1 運行環(huán)境不確定因素多

塔臺的搭建，受到運行條件限制，必須保證其自身結(jié)構(gòu)沒有視線遮擋，同時也要滿足指揮間的設(shè)計要求[5]。不管終端工作站最終選擇安裝于哪個區(qū)域，都必須注意塔臺環(huán)境要求。根據(jù)實踐情況發(fā)現(xiàn)，無論是管制桌還是檢修環(huán)，都不能滿足機房專用空調(diào)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)。近些年塔臺安裝的調(diào)整，從一定程度上改善了傳統(tǒng)塔臺在運行環(huán)境方面的局限，如散熱不到位、空間規(guī)劃不合理等[6]。但是塔臺運行環(huán)境調(diào)整的同時，民航的運行業(yè)務(wù)也在不斷增加，再者大眾對民航運行要求越來越嚴(yán)格，這種情況下塔臺設(shè)備運行壓力加大，運行環(huán)境方面的問題解決迫在眉睫。

2.2 空中交通管制成本高

空管系統(tǒng)的正常運行，需要專業(yè)技術(shù)與設(shè)施的支持，不管是技術(shù)還是設(shè)施，都會消耗大量管制成本。空中交通管制系統(tǒng)的運行，以管制大廳為載體，采取地下管道送風(fēng)形式，及時對空中交通管制環(huán)境進行控制[7]。但是空中交通管制環(huán)境的設(shè)置，均具有空間層高的特點，如此一來，不管是設(shè)備的布局還是消防方案制定等，都要受到空間規(guī)劃的挾制，并且提出運行高標(biāo)準(zhǔn)要求。在這種情況下，不僅空中交通管制成本不會降低，還會出現(xiàn)各種成本增加的情況，這方面為空中交通管制系統(tǒng)運行造成很大困擾。

2.3 空管中的席位終端維護難度大

空中交通管制系統(tǒng)中，所有空中指揮都要求處于安靜環(huán)境。為方便管制員的管制，將席位工作站設(shè)置規(guī)劃到相關(guān)工作人員工作場所[8]。但是因為空中交通管制設(shè)施設(shè)置比較分散，并且均設(shè)置在檢修環(huán)或者管制桌下方，所以增加了席位終端維護的難度。

3 光纖矩陣在民航空中交通管制系統(tǒng)的應(yīng)用方案

為了科學(xué)解決民航空中交通管制系統(tǒng)存在的問題，積極在空中交通管制系統(tǒng)中加入光纖矩陣技術(shù)，幫助民航空中交通管制系統(tǒng)實現(xiàn)“人機分離”，有效改善環(huán)境方面對其的影響。利用光纖矩陣的方式，將工作站順利從顯示器上剝離，及時轉(zhuǎn)移到設(shè)備機房。光纖矩陣的具體應(yīng)用，具體按照如下方案展開。

3.1 增設(shè)KVM光纖延長器

通過對空中交通管制系統(tǒng)的研究，結(jié)合其多功能要求，積極應(yīng)用光纖矩陣技術(shù)。在原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式不改變的情況下，為滿足各設(shè)施之間的連接順利，分別從終端工作過站、顯示器做出調(diào)整，增設(shè)光纖傳輸端口，以此達到收發(fā)器延長的目的。將打印機、顯示器等有效連接，同時在KVM光纖延長器安裝期間，通過點對點的方式對光纜有效連接，保證系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)正常運行的基礎(chǔ)上，順利實現(xiàn)遠端工作站控制操作，方便管制員的管控。除此之外，KVM延長器根據(jù)雙光纖鏈路情況，增加雙路輸入以及輸出端口，為光纖鏈路的運行增加雙重保險，提高空中交通管制系統(tǒng)的安全性。

3.2 光纖矩陣切換設(shè)計

光纖矩陣切換器采用的主要運行方式是通過把各個電腦系統(tǒng)中的RS232串口、音頻、視頻等信號都輸入到光纖矩陣服務(wù)器中，然后形成資源池，最后在輸出端的作用下，使資源點通過這個資源池進行訪問?？罩薪煌ü苤葡到y(tǒng)應(yīng)用光纖矩陣，必須做好光纖矩陣切換設(shè)計。以切換器為載體，從不同端口分別接入視頻VGA以及音頻等，積極打造資源池，利用光纖矩陣切換器的輸出端，明確資源點后完成切換器資源訪問。輸出端則能夠?qū)Y源進行訪問，但是因為輸出端數(shù)量多，所以通過資源點的設(shè)置，將輸出端資源訪問進行分流，由此達到輸出端有序管理的目的。通過對光纖矩陣切換器的安裝，協(xié)調(diào)終端工作站的運行，并且?guī)椭罩薪煌ü苤葡到y(tǒng)對資源信息實時共享，既可以做到系統(tǒng)運行的集中監(jiān)控，又能夠增設(shè)多屏操控以及資源隨時處理附加功能，增設(shè)空中交通管制的功能性，提高空中交通管制系統(tǒng)運行效率。除此之外，如果在進行光釬矩陣切換設(shè)計的時候，采用了單臺光纖矩陣方案，就要利用KVM光纖收發(fā)器的雙路輸出或輸入的另一路端口來增加直連光纖，通過這種點對點的光纖從而構(gòu)成光纖矩陣系統(tǒng)的應(yīng)急備份。

3.3 空中交通管制系統(tǒng)光纖矩陣具體應(yīng)用

結(jié)合空中交通管制系統(tǒng)情況，應(yīng)用光纖矩陣過程中，若選擇單臺類型，則需要將KVM光纖收發(fā)器做出調(diào)整，依然采用雙路輸出與輸入，增加點對點光纖連接處理，在此基礎(chǔ)上還要設(shè)計備用光纖矩陣系統(tǒng)，保證交通管制系統(tǒng)的正常運行。切換光纖矩陣模式，通過冗余配置的方式，以不同端口對光纖收發(fā)器進行連接，這樣就可以保證空中交通管制系統(tǒng)準(zhǔn)備矩陣的運行，還能夠自動切換到傳輸線路系統(tǒng)。在光纖矩陣切換器的作用下，隨時掌握空中交通管制系統(tǒng)情況，尤其是信號狀態(tài)以及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，與此同時，還能夠任意指定光纖矩陣端口的輸出與輸入。終端給出系統(tǒng)信號后，結(jié)合操作權(quán)限要求，將系統(tǒng)信號傳輸至共享顯示器端口，隨后完成跨屏操作。

4 民航空中交通管制系統(tǒng)中光纖矩陣應(yīng)用的價值

結(jié)合當(dāng)下民航空中交通管制系統(tǒng)運行情況與提出的創(chuàng)新升級需求，科學(xué)融入光纖矩陣技術(shù)，打破傳統(tǒng)空中交通管制系統(tǒng)的限制，在此基礎(chǔ)上，從時間上與空間上實現(xiàn)跨屏、遠端操作。尤其是光纖矩陣切換器的加入，不僅完成了席位終端的有效剝離，同時對設(shè)備機房空間規(guī)劃做出調(diào)整，對空中交通管制設(shè)施有效集中，方便設(shè)施維護與系統(tǒng)運行監(jiān)督，緩解管制人員的設(shè)備維護等壓力，保證設(shè)備機房系統(tǒng)穩(wěn)固性，時刻處于正常運行狀態(tài)基礎(chǔ)上，將設(shè)備使用壽命有效延長，及時排除設(shè)備運行風(fēng)險，將設(shè)備運行隱藏的風(fēng)險與故障率降到最低。通過實時信息傳輸與操作畫面的切換，主人管制席、技術(shù)監(jiān)控席等靈活調(diào)整，隨時掌握空中交通管制系統(tǒng)運行情況，很大程度上將運行監(jiān)控效率提高?！叭藱C分離”的實現(xiàn)，異地顯示器的安裝，打破空間限制實現(xiàn)運行視頻的實時共享，特別是席位搬遷過渡期，不會再出現(xiàn)同步運行中斷的現(xiàn)象。有光纖矩陣的支持，鍵盤、鼠標(biāo)實現(xiàn)跨屏操作，同時完成多系統(tǒng)終端控制，對席位桌面布局進行了有效簡化，為人機操作的順利完成創(chuàng)造有利條件。以視頻矩陣的方式，幫助空中交通管制系統(tǒng)及時完成故障席位信號切換處理，節(jié)省更多移動位置環(huán)節(jié)，提高了工作站操作效率。

5 結(jié)語

綜上所述，對于民航空中交通管制系統(tǒng)來講，為打破傳統(tǒng)管制模式，改善空中交通管制系統(tǒng)短板，積極提出應(yīng)用光纖矩陣的策略。雖然光纖矩陣的應(yīng)用很多方面還處于探索與實驗階段，但是通過目前的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，光纖矩陣對空中交通管制系統(tǒng)運行有重要價值，從多方面改善了傳統(tǒng)空中交通管制的問題。特別是光纖矩陣切換器的應(yīng)用，提高了空中交通管制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，為高速發(fā)展的空中交通管制系統(tǒng)錦上添花。