基于岗位需求的机场运行控制实训系统研制

王岩韬，赵嶷飞，刘长有

（中国民航大学天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300）

基于岗位需求的机场运行控制实训系统研制

王岩韬，赵嶷飞，刘长有

（中国民航大学天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300）

教学手段与技术的限制是机场现场指挥人才培养面临的重要瓶颈。基于岗位需求，以仿真技术为手段，创制一套适用于机场现场运行控制的实训系统，彻底解决长期依赖书本的单一理论学习方式，使得机场现场理论知识直接得到训练应用，在加深理论理解的同时，锻炼了工作岗位所需的实践能力。

机场运行控制；实训系统；模拟仿真

随着民航业的飞速发展，机场所承担的运营任务越发繁重。机场指挥员的职业能力直接决定了机场运行管理水平。在机场，现场指挥员大多由岗位传带培养，而在民航院校，对机场方向学生的培养，长久以来完全依靠书本，内容繁杂且各科目难以组合，降低了培养效果，培养体系中的各部分结合处的盲点更给运行安全带来了潜在隐患。因此，亟待开发创新的教学平台，使用更为进步的教学手段来整合教学内容，培养学生的实践能力，满足岗位需求。

融合了交互式3D计算机图形学与实时模拟，可以高度逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、触觉等行为，其两个主要特征是“沉浸感”和“交互性”。基于仿真技术的飞行模拟器与飞行训练装置已经在航空飞行训练领域得到广泛应用，但无论国内还是国外，仿真技术应用于机场运行方面少有报道［1－5］。

本文基于岗位需求，以仿真技术为手段，研制了一套适用于机场现场运行的实训系统，使理论知识可直接应用于实践，加深学生对机场现场运行协调、指挥、机位分配、现场监管和应急救援等基本知识的理解，掌握实际工作的岗位实践能力。

1 实训系统的构建思路

实训系统开发路线如图1所示。实训系统开发分为4个阶段，即岗位能力分析阶段、模拟训练系统开发阶段、实践项目设计阶段和评价反馈阶段。岗位能力分析阶段是确定整个实训系统开发的基础，岗位能力分析必须明确现场指挥员必须具备的基础理论知识和实践操作能力，明确实践教学必须完成的训练目的、必须达到的训练效果，此步骤不仅直接决定了实践课程的效果和意义，同时也是实训系统开发前的重要的系统分析工作。在开发过程中，完成实践教学项目的设计，是不断完善实训系统并反复确认实践目标的过程。评价反馈阶段不仅仅是对实训系统的评价，也是对整个实践教学效果的反馈阶段、完善阶段［6－7］。

图1 实训系统开发路线图

2 实训系统的设计与实现

2.1 系统结构设计与实现

根据岗位能力分析与实践教学目的，本系统设计分为教师控制端（服务器端）和学生端两部分组成，形式为一带多，即一个服务器对应多个学生端。5个学生端构成一个模拟小组，每个模拟小组分为现场指挥席、机位分配席、模拟车辆驾驶席、模拟机长席、地面管制席，并依据需要配备机场3D场景。其中：指挥席可完成现场指挥与运行监控的训练；机位分配席可完成机位、行李盘等资源的分配与优化训练；车辆席可完成过站保障、多部门协同救援的训练；管制席可完成飞机起降、滑行、推出等训练；机长席可完成计划申请、起降与滑行、过站等训练；机场3D提供机坪运行场景［8－10］。

系统结构（见图2）分为3层，最上层为教师控制端即服务器，第2层为指挥席，其他席位为第3层。第1层与第2层之间要通过局域网通信机制进行数据交换，第2层与第3层在功能上属于同一级，但为了组内各席位之间交互方便，指挥席充当小组中的内部服务器，其他席位的数据交换均由指挥席中转。涉及到图形计算、数据处理均由指挥席完成，且根据运行效率系统虚拟了一个针对图形计算、数据处理的模块（3D场景）。

图2 系统结构

服务器及各席位均采用Visual Studio2008（/.Net3.5 C＃语言）开发，从指挥席中分离出的3D场景数据处理模块采用Visual C＋＋6.0开发。地面管制席采用3DS Max、Unity3D3.4开发，其中3DS Max主要用于创建3D模型，Unity3D用于搭建三维场景以及与外部进程（指挥席）进行通信。

2.2 系统软件设计与实现

2.2.1 系统总体技术方案

系统总体技术方案采用基于Java EE的分层架构，整个系统从逻辑上分为Java EE服务层、框架层、应用层、系统管理层、本地操作系统服务层5层，如图3所示。

图3 结构设计图

（1）Java EE服务层。为框架层提供中间层服务，包括EJB管理、JNDI、JDBC、JMS和Java Mail等，在实际环境中，这一层的服务是由Java EE的应用服务器提供的。

（2）框架层。提供公用的、与业务逻辑无关的服务，它由许多可重用的构件构成。框架层设计为可和业务构件层的各种业务构件双向调用能力，实现软件的集成能力。

（3）应用层。实现具体的业务处理，它又包括以下5个子层：表示层提供基于WEB环境的用户界面，包括HTML页面、JSP页面以及客户端Applet接口能力；交互层提供表示层和业务构件层的连接和使用控制，包括授权和请求分派；业务构件层提供各类具体的直接面向用户操作的业务构件；外围系统接入提供居于XML格式的Web Service标准接口，供外围系统使用；数据库层保存各类业务数据及支撑数据。

（4）系统管理层。包括系统运行时监控和用户管理，故障维护能力。

（5）本地操作系统服务层。是Server端的操作系统层，根据我校具备的现有条件，操作系统采用Windows Server系列产品。

数据库系统是构建系统平台的核心部分，选择SQL Server 2005数据，以满足本系统在应用扩展中的数据类型复杂、数据量庞大，数据一致性、实时性、可靠性要求高的特点。考虑到系统平台对中间件的需求，使用Web sphere应用服务器作为高端的系统配置，TOMCAT应用服务器作为低端的系统配置方案。

2.2.2 系统应用技术架构

系统应用技术架构分为6层［11］，如图4所示。

图4 系统应用技术架构图

（1）客户层。系统用户设备和界面，包括基于浏览器的瘦客户端和基于用户界面的胖客户端应用。

（2）交互层。用户和系统之间的交互管理，提供用户层的展现逻辑和对应用层的访问接口，也包括单点登录、会话管理、用户输入的逻辑校验等功能。

（3）应用层。业务逻辑的接口，实现业务流程的控制，是业务领域层的服务接口。

（4）业务领域层。根据业务需求进行抽象的业务对象模型，包括业务规则和逻辑处理的实现。

（5）资源访问层。对系统的各种资源和外部系统统一的访问逻辑的实现。

（6）资源层。各种信息系统资源，例如：RDBMS、文件系统、原有系统、消息服务、邮件服务、交易服务中间件等。

各层之间的交互与通信方式如图5所示。

2.3 机位分配的算法设计

在模拟运行过程中，机位分配是一个重要的环节。机位分配在系统使用中分为两种模式：一种是纯手动分配与调整，用于航班量较小时，重点训练机位分配理论与技能；另外一种用于航班量较大时，系统首先预分配，此后再针对由于流量控制、天气、过站保障等原因导致的机位冲突进行手动调整和优化，此种模式与实际工作方式完全一致。

图5 层间交互通信方式

随着机场停机位分配问题的持续研究，民航业内目前使用的分配方式有基于旅客满意度与基于机场运营角度的两大类优化方式。本系统一定程度上综合了前期的科研成果，建立了机位分配问题优化模型，并运用选择性能优越、收敛性能良好的遗传算法进行求解，最终得到较为合理的停机位分配结果［12－15］。

2.3.1 机位空闲时间最均衡

机位优化算法要具有一定的能力来处理突发情况，为突发状况提供处理的缓冲时间。因此可以将机位空余时间方差最小化为其中一个优化目标。目标函数F1设计并简化为

式中：n是航班的总数量；p为停机位的个数；sik为航班i到达k机位时此停机位的空闲时间；s¯为各个停机位的平均空闲时间；SSk表示完成所有服务后的机位空闲时间，也就是每个机位上分配到的最后一架航班的离港时间与航班时刻表中的最后一架航班的离港时间之间的差值。

2.3.2 旅客行走距离最小值

较短的行走距离可以提高旅客的满意程度，因此将旅客行走距离的最小值作为一个优化目标。目标函数F2为

式中：qj1j2表示从j1停机位到j2停机位时的需要转移的旅客数量；fk表示旅客到达k停机位过程中所需行走的距离；若航班i被分配到停机位k时yik为1，否则为0。

2.3.3 大型停机位最合理的使用

大机位的充分利用能够保证大型航空器及早分配机位，避免旅客滞留，所以大机位的最大充分利用作为优化目标。目标函数F3为

式中：wik是指机型大小与机位大小的匹配情况。当航空器i停放在机位k，并且航空器i与机位k的大小相互匹配时，wik才为0，否则为1。

2.3.4 分配到远机位的航班数量最少化

飞机停靠远机位需要依靠摆渡车，一般情况下摆渡车的使用会增加过站时间，降低旅客的满意程度，所以将远机位停放飞机的最小数量作为另外一个优化目标。目标函F4数为式中：Gi是指航班是否停靠在停机坪上，只有当航班i被分配到停机坪时，Gi值才能为1，否则为0。

2.3.5 分配到机位的重要航班架数最多

对于较重要的国际飞行、专机飞行以及国内干线飞行，优先分配机位。故将航班的优先分配作为优化目标。目标函数F5为

式中：j是指定的停机位，是个确定的值；i为航班号，并且仅当i为重要航班且停放到指定机位j时，Hij只为1，否则为0。

对于多个目标优化的机位分配问题，依据每个目标的重要性确定权重，得出最后的目标函数F为

式中：α、φ、ε、η、h是权重系数，根据前期科研成果确定具体值分别为4、1 000、1、1、5 000［16－17］。

最后，根据实训系统的运行环境和机位开放情况等，确定约束条件，对计算过程加以限制，使用遗传算法计算停机位分配模型，可以得出机位预分配的结果。显示样例如图6所示。

图6 机位分配结果

2.4 场景的建立及优化

系统拥有二维和三维场景，且可任意转换。三维场景的建设工作包括场景的搭建、飞机与车辆等3D模型的建立、与外部系统的数据通信。为使系统运行顺畅，模型中应尽量减少画面的复杂度，寻求显示实时性和画面真实感的平衡。系统三维场景采用Unity3D进行开发，该软件支持系统开发使用的C＃、JavaS－cript、Boo三种脚本语言。

在三维场景中，机场环境模型均以某机场为原型，以其真实尺寸进行建筑物的构建和整体的布局，并且在制作模型的过程中尽量减少实体面数，采用纹理贴图的方式进行替代，进一步提高实景逼真度。在飞行和车辆运动过程中，离视点的位置时刻变化，根据距离视点位置的不同，模型的复杂程度也随之改变。

此外，飞机模型还做有包围盒（bounding box）和碰撞检测程序，在飞机与车辆的运动中，如果包围盒与车辆等发生碰撞干涉时，会发出警告信息，记录并传至服务器［18］。

3 结束语

通过实时发布的航班运行信息，机场现场运行实训系统可动态模拟完成飞机起降与滑行、机场监控与指挥、机位分配与优化、航班过站与保障、现场应急与救援等多工种的并行演练。经过2年多的使用与完善，机场现场运行实训系统已取得了优异的教学效果，并获得2013年度中国民航大学教学成果一等奖。

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Development of airport ramp operations control training system based on occupational requirements

Wang Yantao，Zhao Yifei，Liu Changyou
（National Air traffic Safety Technology Laboratory，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

Method of teaching and technology limitation are the important bottlenecks of the airport ramp command personnel training.Based on occupational requirements，by means of simulation technology，the suitable practice training system for airport ramp operations management is established.The situation of longterm only depending on theory study with book is thoroughly changed，the airport ramp handling theory knowledge could be deeply understood and directly applied to practice，the practice ability required the by job is exercised at the same time.

airport ramp operations control；training system；simulation

V355.2

A

1002－4956（2014）1－0060－05

2013－05－21 修改日期：2013－07－05

国家科技支撑计划项目（2011BAH24B10）；中国民航大学教育教学改革研究重大课题（xjz2012003）

王岩韬（1982—），男，天津，硕士，讲师，系副主任，研究方向为飞行运行控制与优化调度系统模拟仿真.

E－mail：yt－wang＠cauc.edu.cn