CN108831195A - 基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统，该系统包括数据采集模块、空中交通管制模块和可视化用户界面管理器，数据采集模块采集各航空器的飞行数据，该飞行数据至少包括该航空器的三维坐标信息、航迹信息和气压数据，空中交通管制模块根据数据采集模块采集的数据来划分正常飞行区域和非正常运行区域；所述可视化用户界面管理器被配置为将空中交通管制模块输出的正常飞行区域、非正常运行区域和非正常运行航空器显示在用户的显示器的垂直剖面视图上。

Description

基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统与方法

技术领域

本发明涉及航空管理领域，具体是一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统及方法。

背景技术

目前，随着民航运输的持续快速发展，空中交通流量增长势头迅猛，机场、空域和航线网络节点的拥挤现象严重，航路拥堵、航班延误问题突出，因此，如何在复杂空域结构以及各种限制条件下(如：天气、特情、流控、军方活动、高空风、航空公司因素等)，自适应并合理地控制空中交通的流量已成为社会广泛关注的热点问题，也成为了业内人士致力研究的课题。

空中交通管理是为了一定安全性或经济性的目标，对系统所辖空中交通活动进行监视、控制、协同等一系列活动的总称。对于空中交通流的调整，使之有序顺畅是空管工作的根本任务。图1为空中交通管制体系中的飞机飞行示意图。空中交通流量管理是指有助于空中交通安全、有序和快捷地流通，以确保最大限度地利用空中交通管制服务的容量并符合有关空中交通服务当局公布的标准和容量，而设置的服务。空中交通通行能力是指综合考虑空域、天气、设施设备、管制员工作负荷情况，空中交通管制单元在单位时间内能够服务的最大航空器架次，简称“通行能力”。空中交通通行能力是空中交通服务保障能力的直接体现，是航班延误预警和应急处置机制建设的基础，是空中交通流量管理工作的重要依据，是流量管理工具最重要参数之一。空中交通通行能力的计算主要是参考空域静态评估值，由管制人员根据限制情况人为估算的一个修正。这种方法随意性大，不能准确反映空域的真实通行能力。

目前，现有的针对空中交通状况空中交通管制系统采取的是一种水平面叠加的一种显示方式。空管监视界面不考虑空中目标的高度，仅根据目标的水平位置在一个地理平面上叠加显示不同高度的目标状态。这种方式可以很清楚显示目标的地理位置和水平间隔，但对目标的高度不能表示出来，管制人员只能在想象中重建三维视图。这种空中交通间隔管理方法过于依赖一线对空管制员的个人技能，加重了一线人员的工作负荷。

另外，对于一个空中交通管理单元来说，日常业务包含空中交通通行能力管理和空中交通间隔管理两个方面。但这两个方面目前在空中交通管理系统中是分开的，值班管制员人为估算空中交通通行能力，使用空管自动化系统实现空中交通间隔管理，不能实现空中交通通行能力和间隔管理的有机统一。

发明内容

因此，针对上述的问题，本发明提出基于垂直剖面视图的空中交通流管理方法，使管制人员一目了然的知晓目标的地理位置、水平间隔以及垂直高度，并且统一空中交通通行能力估算和空中交通间隔管理。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统，该系统包括数据采集模块、空中交通管制模块和可视化用户界面管理器，数据采集模块采集各航空器的飞行数据，该飞行数据至少包括该航空器的三维坐标信息、航迹信息和气压数据，空中交通管制模块根据数据采集模块采集的数据来划分正常飞行区域和非正常运行区域；空中交通管制模块划分正常飞行区域和非正常运行区域包括以下过程：过程21：空中交通管制模块的数据库中预存各航空器预先设定的航迹数据信息，将数据采集模块实时发送的各航空器的航迹信息进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；过程22：如果两个临近的非正常运行航空器之间的间距小于预设距离，则将如下区域划为非正常运行区域：以该两个非正常运行航空器连接线的中点为圆心、以该两个非正常运行航空器连接线的长度为半径所做出的圆形区域；非正常运行区域以外的区域为正常运行区域；所述可视化用户界面管理器被配置为将空中交通管制模块输出的正常飞行区域、非正常运行区域和非正常运行航空器显示在用户的显示器的垂直剖面视图上。

作为另外一个可行的方案，划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块的数据库中预存各航线的气压数据，将数据采集模块实时发送的各航空器的气压数据进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。

作为另外一个可行的方案，划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块对数据采集模块实时发送的各航空器的三维坐标信息中的高度数据进行提取，并比较预设时间间隔(例如每个t时间提取该航空器的三维坐标信息中的高度数据，记为{h1，h2...，hn}，比较相邻高度数据的差值或比值)的相邻高度数据，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。

基于上述空中交通流管理系统，本发明还提供了一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理方法，包括如下过程：

步骤1：数据采集模块实时采集各航空器的飞行数据，该飞行数据至少包括该航空器飞行的三维坐标信息、航迹信息和气压数据；

步骤2：空中交通管制模块与数据采集模块建立通讯连接，数据采集模块在预设间隔时间内将其采集的数据发送至空中交通管制模块；空中交通管制模块对步骤1采集的数据进行处理，并根据处理结果来划分正常飞行区域和非正常运行区域；其中，划分正常飞行区域和非正常运行区域包括以下过程：过程21：空中交通管制模块的数据库中预存各航空器预先设定的航迹数据信息，将数据采集模块实时发送的各航空器的航迹信息进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；过程22：如果两个临近的非正常运行航空器之间的间距小于预设距离，则将如下区域划为非正常运行区域：以该两个非正常运行航空器连接线的中点为圆心、以该两个非正常运行航空器连接线的长度为半径所做出的圆形区域；非正常运行区域以外的区域为正常运行区域；

步骤3：将正常飞行区域、非正常运行区域以及非正常运行航空器通过显示器上采用垂直剖面视图显示出来，并且动态演示各航空器的运行轨迹。本发明中，采用垂直剖面视图将各航空器清晰的显示出来，并且标识出来非正常运行航空器和非正常运行区域，方便工作人员查看并及时做出反应。

作为另外一个可行的方案，划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块的数据库中预存各航线的气压数据，将数据采集模块实时发送的各航空器的气压数据进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。

作为另外一个可行的方案，划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块对数据采集模块实时发送的各航空器的三维坐标信息中的高度数据进行提取，并比较预设时间间隔(例如每个t时间提取该航空器的三维坐标信息中的高度数据，记为{h1，h2...，hn}，比较相邻高度数据的差值或比值)的相邻高度数据，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。

本发明通过上述方案，提供给工作人员易于查看的周围空中交通的交通图形用户界面，大大方便了工作人员查看，使其能够根据特殊情况及时做出反应。

附图说明

图1为空中交通管制体系中的飞机飞行示意图；

图2为系统结构框图；

图3为基于水平视图的空中交通过程监视示意图；

图4为基于垂直剖面视图的空中交通过程监视示意图；

图5为基于垂直剖面的空中交通限制情况显示；

图6为基于垂直剖面的空中交通通行能力显示和计算；

图7为基于垂直剖面的空中交通间隔管理方法；

图8为基于垂直剖面的空中交通流管理方法实施图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明对现有的水平视图的空中交通流管理系统进行改进，改为垂直剖面视图，同时，在垂直剖面视图上标识出非正常运行区域和飞行器，大大方便了工作人员的监管。具体的，本发明的方案如下：一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统，该系统包括数据采集模块、空中交通管制模块和可视化用户界面管理器。

其中，数据采集模块采集各航空器的飞行数据，该飞行数据至少包括该航空器的三维坐标信息、航迹信息和气压数据(还可以包括岗位信息、特情信息、军航信息、气象信息、飞行计划、环境信息等等)。

空中交通管制模块根据数据采集模块采集的数据来划分正常飞行区域和非正常运行区域；空中交通管制模块划分正常飞行区域和非正常运行区域包括以下过程：

过程21：空中交通管制模块的数据库中预存各航空器预先设定的航迹数据信息，将数据采集模块实时发送的各航空器的航迹信息进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；另外，空中交通管制模块的数据库中预存各航线的气压数据，将数据采集模块实时发送的各航空器的气压数据进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；另外，空中交通管制模块对数据采集模块实时发送的各航空器的三维坐标信息中的高度数据进行提取，并比较预设时间间隔的相邻高度数据，例如每隔t时间提取该航空器的三维坐标信息中的高度数据，将该高度数据记为{h1，h2...，hn-1，hn}，n为自然数，比较相邻高度数据(hn-1和hn)的差值或比值或方差或标准差(或者其他规则)，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；

过程22：如果两个临近的非正常运行航空器之间的间距小于预设距离，则将如下区域划为非正常运行区域：以该两个非正常运行航空器连接线的中点为圆心、以该两个非正常运行航空器连接线的长度为半径所做出的圆形区域；非正常运行区域以外的区域为正常运行区域。

可视化用户界面管理器被配置为将空中交通管制模块输出的正常飞行区域、非正常运行区域和非正常运行航空器显示在用户的显示器的垂直剖面视图上。

基于上述空中交通流管理系统，本发明还提供了一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理方法，包括如下过程：

步骤1：数据采集模块实时采集各航空器的飞行数据，该飞行数据至少包括该航空器飞行的三维坐标信息、航迹信息和气压数据(还可以包括岗位信息、特情信息、军航信息、气象信息、飞行计划、环境信息等等)；

步骤2：空中交通管制模块与数据采集模块建立(有线或者无线)通讯连接，数据采集模块在预设间隔时间内将其采集的数据发送至空中交通管制模块；空中交通管制模块对步骤1采集的数据进行处理，并根据处理结果来划分正常飞行区域和非正常运行区域；其中，划分正常飞行区域和非正常运行区域包括以下过程：

过程21：空中交通管制模块的数据库中预存各航空器预先设定的航迹数据信息，将数据采集模块实时发送的各航空器的航迹信息进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；另外，空中交通管制模块的数据库中预存各航线的气压数据，将数据采集模块实时发送的各航空器的气压数据进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；另外，空中交通管制模块对数据采集模块实时发送的各航空器的三维坐标信息中的高度数据进行提取，并比较预设时间间隔的相邻高度数据，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；

过程22：如果两个临近的非正常运行航空器之间的间距小于预设距离，则将如下区域划为非正常运行区域：以该两个非正常运行航空器连接线的中点为圆心、以该两个非正常运行航空器连接线的长度为半径所做出的圆形区域；非正常运行区域以外的区域为正常运行区域；

步骤3：将正常飞行区域、非正常运行区域以及非正常运行航空器通过显示器上采用垂直剖面视图显示出来，并且动态演示各航空器的运行轨迹。本发明中，采用垂直剖面视图将各航空器清晰的显示出来，并且标识出来非正常运行航空器和非正常运行区域，方便工作人员查看并及时做出反应。

上述方案中，参见图2，数据采集模块可包括岗位信息接口、特情信息接口、军航信息接口、气象信息接口、航迹数据接口、飞行计划接口等接口，来接收各种数据。空中交通管制模块可以包括环境信息处理器、动态数据处理器、空中交通流综合处理服务器、过程监视器、限制分析监视器、能力评估监视器以及间隔管理监视器等等，用以对各种数据进行处理。可视化用户界面管理器可以通过综合显示处理器实现。其中，动态数据处理器通过航迹数据接口空管自动化系统数据航迹数据输出端连接，通过飞行计划接口与空管自动化系统飞行计划数据输出端连接。环境信息处理器通过岗位信息接口与空管运行管理系统岗位数据输出端连接，通过特情信息接口与空管运行管理系统应急处置输出端口连接，通过军航信息接口与空管运行管理系统军航数据输出端口连接，通过气象信息接口与航空气象系统数据输出端口连接。显示数据处理器具有过程监视处理、限制分析、通行能力评估、间隔管理等功能，和过程监视器、限制分析监视器、能力评估监视器、间隔管理监视器通过RJ45实现数据双向连接。动态数据处理器和环境信息处理器输出端口和空中交通流综合处理服务器输入端连接，空中交通流综合处理服务器和综合显示处理器之间通过RJ45实现数据双向连接。

另外，本发明的可视化用户界面管理器采用垂直剖面视图。垂直剖面视图也称空间剖面图，它能够较清楚地反映出空中交通流在剖面沿线上的垂直结构特点。基于垂直剖面视图进行空中交通流管理，此方法可用于目前民航空中交通管理系统中，用于空中交通流分析、评估与管理。此方法可独立使用，也可配合目前空管自动化系统使用，作为目前空管自动化系统的水平面空管视图的补充。基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统是基于目前空管系统实时运行数据及航行情报数据、航空气象数据、军航活动数据的空中交通流管理系统。基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统作为一个独立的系统，通过引接实时数据，对空中交通环境(静态限制、天气、军航)和空中交通目标状态进行评估，得出当前空域单元的空中交通通行能力和空中交通流量，以垂直剖面视图进行显示，提供管制员作为间隔管理和交通流管理的依据。

同时，基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统还支持引入外界影响因子，影响空管系统运行一些模糊因素进行综合量化。

不同于以往的基于水平面的空中交通管制方法(见图3)。目前，针对空中交通状况，空中交通管制系统采取的是一种水平面叠加的一种显示方式，不考虑空中目标的高度，仅根据目标的水平位置在一个地理平面上叠加显示不同高度的目标平状态。这种方式可以很清楚显示目标的地理位置和水平间隔，但对目标的高度不能表示出来，管制人员只能在想象中重建三维状态。现在民航系统多数航空器都是按照固定的航线/航路飞行。本发明所述的基于垂直剖面的空中交通就是沿着航线建立垂直剖面，直观的显示出更多管制工作需要的信息。基于垂直剖面的空中交通流管理方法是对目前空中交通管制方式的创新，也是是对现有基于水平面显示空中交通管制方式的有益补充。

基于垂直剖面视图的空中交通过程监视如图4所示。通过接入实时航迹数据，取得当前区域的空中交通目标的高度和地理位置信息，转换成垂直剖面数据，在垂直剖面视图上显示，以一种全新的垂直视角反映出目标之间的位置关系。

基于垂直剖面的空中交通流管理通过在以航线为主建立的剖面上，以醒目的色彩标出航路/航线的限制情况(包括军航、天气)(如图5)，可以很直观的看出航路(区域)的通行能力和瓶颈位置，也可以通过计算剖面的可用面积直接计算出每一区域(航路)的通行能力(图6)。

现在民航系统多数航空器都是按照固定的航线/航路飞行。本文所述的基于垂直剖面的空中交通通行能力监视就是沿着航线建立垂直剖面，直观的显示出更多管制工作需要的信息。基于垂直剖面的空中交通流管理方法是对目前空中交通管制方式的创新，也是是对现有基于水平面显示空中交通管制方式的有益补充。基于垂直剖面的空中交通通行能力监视及计算、以区域边界进出点为剖面端点，具体有以下步骤：

a)根据区域航线结构，选取区域常用的目标进入点和离开点；

b)按照航空器实际运行情况确定进入点和离开点之间的关联关系；

c)根据航线航路的汇聚和分散情况找出可以合并进入点和离开点；

d)以进入点和离开点为基准，选取相关航路/航线作为垂直剖面的基准线；

e)根据空中交通走向判定垂直剖面的性质，单项剖面还是双向剖面；

f)根据剖面性质，在尽量降低剖面之间的影响的情况下，以通行能力值的变化反映剖面之间的影响，进行剖面的通行能力分析；

g)根据以上分析，确定剖面通行能力值；

h)综合区域内各个剖面的通行能力值，得出区域总通行能力。

按照民航航空空中交通间隔标准建立目标保护区和目标接近区，以垂直方式显示，确保目标保护区之间不会发生碰撞。基于垂直剖面视图的空中交通过程间隔应用情况显示如图7所示。

环境信息处理器通过岗位信息接口接收空管运行管理系统岗位数据，通过特情信息接口接收空管运行管理系统应急处置信息，通过军航信息接口接收空管运行管理系统军航数据，通过气象信息接口接收航空气象系统数据。环境信息处理器初步处理采集到航线数据、区域数据、地形限制数据、常规限制数据(包括限制区数据、禁止区数据等)，输入空中交通流综合处理服务器。空中交通流综合处理服务器处理收到的静态数据，按照绘制静态图的要求输入综合显示处理器。综合显示处理器绘制静态剖面及静态限制图，送至相应显示器输出。空中交通流综合处理服务器处理收到的静态限制数据，按照绘制动态图的要求输入综合显示处理器。综合显示处理器绘制动态剖面及动态限制图，送至相应显示器输出。动态数据处理器通过航迹数据接口采集空管自动化系统数据航迹数据，通过飞行计划接口采集空管自动化系统飞行计划数据。动态数据处理器初步处理采集到空管自动化系统数据航迹数据和飞行计划数据，输入空中交通流综合处理服务器。空中交通流综合处理服务器处理收到的航迹数据和飞行计划数据，按照绘制垂直剖面图的要求输入综合显示处理器。综合显示处理器绘制实时运行图、间隔管理图、通行能力图，送至相应显示器输出。根据静态剖面及静态限制图、动态剖面及动态限制图、实时运行图、间隔管理图、通行能力图，实施空中交通流管理。

参见图8，本发明除了可显示正常飞行区域、非正常运行区域和非正常运行航空器，还具有其他丰富的功能，其具体实现步骤如下：

步骤1：通过数据接口导入航线数据、区域数据、地形限制数据、限制区数据、禁止区数据等静态数据和静态限制数据；

步骤2：通过数据接口导入临时航线数据、炮射数据、临时限制区数据、军航限制数据、天气限制数据等动态限制数据；

步骤3：通过实时航迹数据接口导入实时航迹数据；

步骤4：根据步骤1导入的静态数据和静态限制数据绘制静态剖面及静态限制图；

步骤5：根据步骤4绘制的静态剖面、静态限制图，选择交通流通行通道，计算静态通行能力；

步骤6：通过飞行计划数据接口导入飞行计划数据，集合步骤3的航迹数据计算预测航迹；

步骤7：根据步骤4绘制的静态剖面、静态限制图，步骤5计算的静态通行能力，步骤3导入的航迹数据，步骤6计算的预测航迹数据，绘制动态剖面及动态限制图；

步骤8：依据步骤7绘制的动态剖面图绘制间隔管理图，实施间隔管理；

步骤9：依据步骤8绘制的间隔管理图和相关数据实施间隔管理，得出间隔管理方案；

步骤10：根据步骤6计算的预测航迹数据和步骤7绘制的动态垂直剖面图绘制实时运行图；

步骤11：依据步骤7绘制的动态剖面图计算空中交通动态通行能力；

步骤12：依据步骤11计算的空中交通动态通行能力值绘制通行能力图，得出空中交通通行能力值；

步骤13：步骤10绘制的实时运行图，步骤12得出的空中交通通行能力值和步骤9得出的间隔管理方案，实现空中交通交通流管理。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理系统，该系统包括数据采集模块、空中交通管制模块和可视化用户界面管理器；

数据采集模块采集各航空器的飞行数据，该飞行数据至少包括该航空器的三维坐标信息、航迹信息和气压数据；

空中交通管制模块根据数据采集模块采集的数据来划分正常飞行区域和非正常运行区域；空中交通管制模块划分正常飞行区域和非正常运行区域包括以下过程：过程21：空中交通管制模块的数据库中预存各航空器预先设定的航迹数据信息，将数据采集模块实时发送的各航空器的航迹信息进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；过程22：如果两个临近的非正常运行航空器之间的间距小于预设距离，则将如下区域划为非正常运行区域：以该两个非正常运行航空器连接线的中点为圆心、以该两个非正常运行航空器连接线的长度为半径所做出的圆形区域；非正常运行区域以外的区域为正常运行区域；

所述可视化用户界面管理器被配置为将空中交通管制模块输出的正常飞行区域、非正常运行区域和非正常运行航空器显示在用户的显示器的垂直剖面视图上。

2.根据权利要求1所述的空中交通流管理系统，其特征在于：划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块的数据库中预存各航线的气压数据，将数据采集模块实时发送的各航空器的气压数据进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。

3.根据权利要求1或2所述的空中交通流管理系统，其特征在于：划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块对数据采集模块实时发送的各航空器的三维坐标信息中的高度数据进行提取，并比较预设时间间隔的相邻高度数据，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。

4.一种基于垂直剖面视图的空中交通流管理方法，包括如下过程：

步骤1：数据采集模块实时采集各航空器的飞行数据，该飞行数据至少包括该航空器飞行的三维坐标信息、航迹信息和气压数据；

步骤2：空中交通管制模块与数据采集模块建立通讯连接，数据采集模块在预设间隔时间内将其采集的数据发送至空中交通管制模块；空中交通管制模块对步骤1采集的数据进行处理，并根据处理结果来划分正常飞行区域和非正常运行区域；其中，划分正常飞行区域和非正常运行区域包括以下过程：过程21：空中交通管制模块的数据库中预存各航空器预先设定的航迹数据信息，将数据采集模块实时发送的各航空器的航迹信息进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器；过程22：如果两个临近的非正常运行航空器之间的间距小于预设距离，则将如下区域划为非正常运行区域：以该两个非正常运行航空器连接线的中点为圆心、以该两个非正常运行航空器连接线的长度为半径所做出的圆形区域；非正常运行区域以外的区域为正常运行区域；

步骤3：将正常飞行区域、非正常运行区域以及非正常运行航空器通过显示器上采用垂直剖面视图显示出来，并且动态演示各航空器的运行轨迹。

5.根据权利要求4所述的空中交通流管理方法，其特征在于：划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块的数据库中预存各航线的气压数据，将数据采集模块实时发送的各航空器的气压数据进行比对，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。

6.根据权利要求4或5所述的空中交通流管理方法，其特征在于：划分正常飞行区域和非正常运行区域的过程21还包括以下过程：空中交通管制模块对数据采集模块实时发送的各航空器的三维坐标信息中的高度数据进行提取，并比较预设时间间隔的相邻高度数据，如果大于预设的阈值范围，则标记为非正常运行航空器。