CN113792434A - 一种空域仿真模型的校准方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种空域仿真模型的校准方法及装置，在分析各种校准方法的优缺点基础上根据实际需求和获取资源确定校准方法，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为空域仿真评估提供基础和保障。方法包括：(1)确定校准方法；(2)选择校准指标；(3)对比校准指标；(4)修改基线模型。
Description
技术领域
本发明涉及民航空域数据处理的技术领域，尤其涉及一种空域仿真模型的校准方法，还涉及一种空域仿真模型的校准装置。
背景技术
建立空域仿真模型对空域的运行状况进行模拟仿真，是分析空域问题、评估空域效率的重要手段。在空域仿真评估过程中，使用空域仿真软件建立空域仿真基线模型，并对仿真基线模型的评价和修正是非常重要的步骤。基线模型的建立及其准确性，是进行空域规划、调整、容量评估、运行新技术验证、战术流量等评估模型的前提。因此，仿真模型的校准成为仿真建模的一个重要环节。模型校准不是为了使模型与实际系统完全一致，也不可能做到百分百的复现。模型校准是一个过程，在这个过程中要检查和确定仿真模型是否准确地代表实际系统，仿真基线模型经过校准是准确的才能用于后续的评估分析。
中国民用航空局空中交通管理局在2009年12月1日发布了《空域建模与评估实施方法指导材料》。该指导材料在空域建模与评估步骤中包含了验证模型，包括经验指标验证和运行指标验证。中国民用航空局空中交通管理局在2019年11月27日发布了《民航空管系统空域评估实施管理办法(试行)》。该指导材料在计算机快速仿真建模评估法的工作流程中包含了审核基准模型是否合理准确，提出“组织专业人员,包括经验丰富的相关研究人员和一线管制员，通过检查主要指标和关键数据来确认基准模型是否合理，是否与现行实际空域运行场景大体相符”。这些文件提出专家评估和指标验证的方法来检查仿真模型的准确性，但是存在以下问题：
1.用于检查仿真模型的仿真输出结果、主要指标和关键数据等都只是举例和描述，没有建立专门的验证仿真模型的指标体系。
2.验证方法提出指标是否合理、与实际情况是否相符，都属于定性判断，没有建立验证指标与实际结果的误差在什么范围内的定量评估。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种空域仿真模型的校准方法，其在分析各种校准方法的优缺点基础上根据实际需求和获取资源确定校准方法，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为空域仿真评估提供基础和保障。
本发明的技术方案是：这种空域仿真模型的校准方法，其包括以下步骤：
(1)确定校准方法：如果具备进行雷达模拟机评估的条件，则比较雷达模拟机评估结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；否则搜集多种空管监视数据，比较监视数据统计结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；
(2)选择校准指标：分析仿真基线模型的仿真评估指标和各种校准方法的评估指标，选取双方都有而且计算方法和参数设置相同的指标进行对比分析；
(3)对比校准指标：空域仿真模型、雷达模拟机评估和空管监视数据的静态指标是一致的；对校准指标中的动态指标分类分析；静态指标是指空域结构相关的指标，动态指标是指随着空域模型改变而改变的指标；
(4)修改基线模型:通过对比分析空域仿真基线模型和校准方法的校准指标之间的差异，检查是否满足各类校准指标的差异标准，如果不满足，则根据校准方法进行分析；如果校准过程中存在系统问题、数据更改、准确度差的问题，则针对校准指标的差异具体分析；如果校准指标的差异不是上述问题产生的，则检查空域仿真基线模型是否存在错误，针对错误进行修改测试，直至满足校准指标的要求。
本发明提出基线模型仿真评估结果与空域历史运行数据和雷达模拟机评估模型的对比的校准方法，在分析各种校准方法的优缺点基础上根据实际需求和获取资源确定校准方法；同时提出包含静态指标和动态指标的校准指标体系，以及对比分析校准指标的方法和误差范围，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为空域仿真评估提供基础和保障。
还提供了一种空域仿真模型的校准装置，其包括：
确定模块，其配置来确定校准方法：如果具备进行雷达模拟机评估的条件，则比较雷达模拟机评估结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；否则搜集多种空管监视数据，比较监视数据统计结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；
选择模块，其配置来选择校准指标：分析仿真基线模型的仿真评估指标和各种校准方法的评估指标，选取双方都有而且计算方法和参数设置相同的指标进行对比分析；
对比模块，其配置来对比校准指标：空域仿真模型、雷达模拟机评估和空管监视数据的静态指标是一致的；对校准指标中的动态指标分类分析；静态指标是指空域结构相关的指标，动态指标是指随着空域模型改变而改变的指标；
修改模块，其配置来修改基线模型:通过对比分析空域仿真基线模型和校准方法的校准指标之间的差异，检查是否满足各类校准指标的差异标准，如果不满足，则根据校准方法进行分析；如果校准过程中存在系统问题、数据更改、准确度差的问题，则针对校准指标的差异具体分析；如果校准指标的差异不是上述问题产生的，则检查空域仿真基线模型是否存在错误，针对错误进行修改测试，直至满足校准指标的要求。
附图说明
图1是根据本发明的空域仿真模型的校准方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
首先给出以下名词解释：
空域建模：对空域运行中各单元建立模型，并利用计算机软件进行模拟评估，分析现行空域运行状况，还可以用来评估空域调配后的运行变化、验证空域方案与运行程序
模型校准：在建模目的意义下模型是否准确地描述实际系统，是否充分接近实际系统的行为，有两个方面的含义，首先要检查模型是否正确的描述了实际系统；二是进一步考察模型输出是否充分接近实际系统的行为。
雷达模拟机：模拟雷达实际使用情况，用以训练和考核管制员进行空中交通管制的教育和训练设备。
雷达数据：本文提到的雷达数据特指民航空管雷达数据，是指通过雷达系统获取的一定空域内所有航空器的实时空间位置信息。
广播式自动相关监视(英语：Automatic dependent surveillance–broadcast，缩写ADS–B)数据：ADS-B数据的主要信息是飞机的4维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其它可能附加信息(冲突告警信息，飞行员输入信息，航迹角，航线拐点等信息)以及飞机的识别信息和类别信息。此外，还可能包括一些别的附加信息，如航向、空速、风速、风向和飞机外界温度等。
如图1所示，这种空域仿真模型的校准方法，其包括以下步骤：
(1)确定校准方法：如果具备进行雷达模拟机评估的条件，则比较雷达模拟机评估结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；否则搜集多种空管监视数据，比较监视数据统计结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；
(2)选择校准指标：分析仿真基线模型的仿真评估指标和各种校准方法的评估指标，选取双方都有而且计算方法和参数设置相同的指标进行对比分析；
(3)对比校准指标：空域仿真模型、雷达模拟机评估和空管监视数据的静态指标是一致的；对校准指标中的动态指标分类分析；静态指标是指空域结构相关的指标，动态指标是指随着空域模型改变而改变的指标；
(4)修改基线模型:通过对比分析空域仿真基线模型和校准方法的校准指标之间的差异，检查是否满足各类校准指标的差异标准，如果不满足，则根据校准方法进行分析；如果校准过程中存在系统问题、数据更改、准确度差的问题，则针对校准指标的差异具体分析；如果校准指标的差异不是上述问题产生的，则检查空域仿真基线模型是否存在错误，针对错误进行修改测试，直至满足校准指标的要求。
本发明提出基线模型仿真评估结果与空域历史运行数据和雷达模拟机评估模型的对比的校准方法，在分析各种校准方法的优缺点基础上根据实际需求和获取资源确定校准方法；同时提出包含静态指标和动态指标的校准指标体系，以及对比分析校准指标的方法和误差范围，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为空域仿真评估提供基础和保障。
优选地，所述步骤(1)中数量较少的管制扇区仿真建模，使用雷达模拟机评估校准。
优选地，所述步骤(1)中，如果各类监视数据中同一航班的过点信息一致，则采用任何一种监视数据与仿真评估结果对比分析来校准仿真模型；如果各类监视数据中同一航班的过点信息不一致，分析存在差异的原因，确定相对准确的数据项，生成融合数据，对比融合数据和仿真评估结果的指标来校准仿真模型。
优选地，所述步骤(2)中，仿真基线模型能计算所有的指标，而雷达模拟机评估和空域监视数据只能计算部分指标。
优选地，所述步骤(3)中，流量指标是飞行计划的统计值，由于飞行计划中的航班出现是随机事件，假设出现时间的误差符合标准正态分布，则流量指标的上下限为1.05和0.95，流量误差小于等于5％；而更多的动态指标的误差比单个空域数据统计值的动态指标误差大，这类动态指标的误差小于等于10％。
优选地，所述步骤(3)中，空域仿真模型和雷达模拟机都能计算的空域指标，但是计算方法和采用参数不同，所以不能进行比较。
优选地，所述步骤(3)中，静态指标包括：航路点数量、航路交叉点数量、航路交叉点的交叉角度、航路交叉点关联度、航路交叉点密度、航路点飞行高度层数量、空中立交桥数量、航路航线数量、航路航线里程、交叉航路数量、改变航向航路数量、单向航路比例、班机航线数量、班机航线里程、交叉班机航线数量、改变航向班机航线数量、改变高度层班机航线数量、扇区面积、扇区高度层、扇区移交点数量、扇区进点数量、扇区出点数量、扇区进出点比例；动态指标包括：航路点流量、航路段流量、航路段飞行成本、班机航线流量、班机航线飞行成本、扇区流量和飞行成本。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种空域仿真模型的校准装置，该装置通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示。该装置包括：
确定模块，其配置来确定校准方法：如果具备进行雷达模拟机评估的条件，则比较雷达模拟机评估结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；否则搜集多种空管监视数据，比较监视数据统计结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；
选择模块，其配置来选择校准指标：分析仿真基线模型的仿真评估指标和各种校准方法的评估指标，选取双方都有而且计算方法和参数设置相同的指标进行对比分析；
对比模块，其配置来对比校准指标：空域仿真模型、雷达模拟机评估和空管监视数据的静态指标是一致的；对校准指标中的动态指标分类分析；静态指标是指空域结构相关的指标，动态指标是指随着空域模型改变而改变的指标；
修改模块，其配置来修改基线模型:通过对比分析空域仿真基线模型和校准方法的校准指标之间的差异，检查是否满足各类校准指标的差异标准，如果不满足，则根据校准方法进行分析；如果校准过程中存在系统问题、数据更改、准确度差的问题，则针对校准指标的差异具体分析；如果校准指标的差异不是上述问题产生的，则检查空域仿真基线模型是否存在错误，针对错误进行修改测试，直至满足校准指标的要求。
以下更详细地说明本发明。
1、确定校准方法
首选：如果具备进行雷达模拟机评估的条件：雷达模拟机系统和各种等级的管制员，则比较雷达模拟机评估结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型。雷达模拟机评估校准具有样本量大、偶然性小的优点，但是存在必须具有雷达模拟机系统、人力成本高、评估时间长等局限性。因此，雷达模拟机评估校准适用于数量较少的管制扇区仿真建模，不适用大通道空域方案调整和区域空域方案优化等涉及大量管制扇区的情况。
其次：搜集多种空管监视数据，比较监视数据统计结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型。在技术条件允许的情况下，尽可能搜集所有的空管监视数据，比如DOD雷达原始数据、自动化系统雷达数据和ADS-B数据等。比较各类监视数据之间是否存在差异，如果各类监视数据中同一航班的过点信息一致，则采用任何一种监视数据与仿真评估结果对比分析来校准仿真模型。如果各类监视数据中同一航班的过点信息不一致，分析存在差异的原因，确定相对准确的数据项，生成融合数据，对比融合数据和仿真评估结果的指标来校准仿真模型。使用融合数据校准具有方便快捷而且准确性高的优点，但是也存在数据需求多和技术要求高的局限性。如果受限于技术条件，无法提供多种监视数据，只能采用单一监视数据进行校准。单一监视数据校准具有方便快捷的优点，但是存在样本单一和准确性比较差的局限性。因此，在不能使用雷达模拟机评估进行建模校准的情况下，利用空管监视数据校准空域仿真模型是一种可行和有效的方法。
2、选择校准指标
分析仿真基线模型的仿真评估指标和各种校准方法的评估指标，选取双方都有而且计算方法和参数设置相同的指标进行对比分析。这些指标可分为两类：静态指标和动态指标。静态指标是指空域结构相关的指标，比如空域单元的数量、空域结构特征等。动态指标是指随着空域模型改变而改变的指标，其中有些动态指标是空域数据的统计值，比如流量指标，而有些动态指标是航班在扇区中调配飞行的结果，是多个空域数据的函数，比如延误、成本、工作负荷指标等。上述分析的空域指标中，仿真基线模型能计算所有的指标，而雷达模拟机评估和空域监视数据只能计算部分指标，具体如表1、2所示：
表1
表2
综上所述，空域仿真模型能够计算表中所有的静态指标和动态指标，而雷达模拟机和空管监视数据只能计算表中的部分指标，包括所有的静态指标和部分动态指标。因此挑选校准指标的标准应根据校准方法选择空域建模和校准方法共有的而且计算方法一致的评估指标。
3、对比校准指标
对校准指标中的静态指标进一步分析发现，由于空域仿真模型和雷达模拟机评估采用相同的空域结构，而静态指标完全取决于空域结构，所以空域仿真模型、雷达模拟机评估和空管监视数据的静态指标应该是完全相同的。对校准指标中的动态指标进一步分析发现，有些动态指标是空域数据的统计值，比如流量指标是飞行计划的统计值。由于飞行计划中的航班出现是随机事件，假设出现时间的误差符合标准正态分布，则流量指标的上下限为1.05和0.95，即流量误差小于等于5％。而更多的动态指标是航班在扇区中调配飞行的结果，是多个空域数据的函数，所以这些动态指标的误差比单个空域数据统计值的动态指标误差大，建议这类动态指标的误差小于等于10％。最后还有些空域指标虽然空域仿真模型和雷达模拟机都能计算，但是计算方法和采用参数不同，所以不能进行比较，比如扇区工作负荷。雷达模拟机和空管监视数据与仿真基线模型的静态指标和动态指标关系见表3。
表3
表中为斜体字(包括正常和加粗)的指标是雷达模拟机、空管监视数据和空域仿真软件都能提取或计算出的指标。这些共同指标中，静态指标不能有差异，动态指标数据导入项误差不能超过5％，调配结果误差不能超过10％。扇区工作负荷指标是雷达模拟机和空域仿真软件都能提供的指标，但是计算方法和参数标准完全不同，所以不能进行比较，也就不能成为校准指标。
4、修改基线模型
通过对比分析空域仿真基线模型和校准方法的校准指标之间的差异，检查是否满足各类校准指标的差异标准。如果不满足，则根据校准方法进行分析。如果校准过程中存在系统问题、数据更改、准确度差等问题，则针对校准指标的差异具体分析；如果校准指标的差异不是上述问题产生的，则检查空域仿真基线模型是否存在错误，针对错误进行修改测试，直至满足校准指标的要求。
以某区域管制扇区为例进行基线模型雷达模拟机评估校准
1、校准方法
三名管制员参加雷达模拟机校准，在雷达模拟机系统上两位管制员进行了雷达模拟机评估。基于雷达模拟机系统的原始结果记录统计计算雷达模拟机的评估结果，并与仿真基线模型结果进行对比分析。
2、校准指标
(1)静态指标
表4
(2)动态指标
①航路点流量
②航路段流量
③航路段飞行成本
④班机航线流量
⑤班机航线飞行成本
⑥扇区流量和飞行成本
表5
3、校准结果
通过某区域管制扇区的空域仿真基线模型和雷达模拟机评估的校准指标的对比，发现两者静态指标完全一致，动态指标中流量指标的误差和飞行成本指标的误差都符合之前的假定，这说明某区域管制扇区的空域仿真基线模型是准确的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种空域仿真模型的校准方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)确定校准方法：如果具备进行雷达模拟机评估的条件，则比较雷达模拟机评估结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；否则搜集多种空管监视数据，比较监视数据统计结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；
(2)选择校准指标：分析仿真基线模型的仿真评估指标和各种校准方法的评估指标，选取双方都有而且计算方法和参数设置相同的指标进行对比分析；
(3)对比校准指标：空域仿真模型、雷达模拟机评估和空管监视数据的静态指标是一致的；对校准指标中的动态指标分类分析；静态指标是指空域结构相关的指标，动态指标是指随着空域模型改变而改变的指标；
(4)修改基线模型:通过对比分析空域仿真基线模型和校准方法的校准指标之间的差异，检查是否满足各类校准指标的差异标准，如果不满足，则根据校准方法进行分析；如果校准过程中存在系统问题、数据更改、准确度差的问题，则针对校准指标的差异具体分析；如果校准指标的差异不是上述问题产生的，则检查空域仿真基线模型是否存在错误，针对错误进行修改测试，直至满足校准指标的要求。
2.根据权利要求1所述的空域仿真模型的校准方法，其特征在于：所述步骤(1)中数量较少的管制扇区仿真建模，使用雷达模拟机评估校准。
3.根据权利要求2所述的空域仿真模型的校准方法，其特征在于：所述步骤(1)中，如果各类监视数据中同一航班的过点信息一致，则采用任何一种监视数据与仿真评估结果对比分析来校准仿真模型；如果各类监视数据中同一航班的过点信息不一致，分析存在差异的原因，确定相对准确的数据项，生成融合数据，对比融合数据和仿真评估结果的指标来校准仿真模型。
4.根据权利要求3所述的空域仿真模型的校准方法，其特征在于：所述步骤(2)中，仿真基线模型能计算所有的指标，而雷达模拟机评估和空域监视数据只能计算部分指标。
5.根据权利要求4所述的空域仿真模型的校准方法，其特征在于：所述步骤(3)中，流量指标是飞行计划的统计值，由于飞行计划中的航班出现是随机事件，假设出现时间的误差符合标准正态分布，则流量指标的上下限为1.05和0.95，流量误差小于等于5％；而更多的动态指标的误差比单个空域数据统计值的动态指标误差大，这类动态指标的误差小于等于10％。
6.根据权利要求5所述的空域仿真模型的校准方法，其特征在于：所述步骤(3)中，空域仿真模型和雷达模拟机都能计算的空域指标，但是计算方法和采用参数不同，所以不能进行比较。
7.根据权利要求6所述的空域仿真模型的校准方法，其特征在于：所述步骤(3)中，静态指标包括：航路点数量、航路交叉点数量、航路交叉点的交叉角度、航路交叉点关联度、航路交叉点密度、航路点飞行高度层数量、空中立交桥数量、航路航线数量、航路航线里程、交叉航路数量、改变航向航路数量、单向航路比例、班机航线数量、班机航线里程、交叉班机航线数量、改变航向班机航线数量、改变高度层班机航线数量、扇区面积、扇区高度层、扇区移交点数量、扇区进点数量、扇区出点数量、扇区进出点比例；动态指标包括：航路点流量、航路段流量、航路段飞行成本、班机航线流量、班机航线飞行成本、扇区流量和飞行成本。
8.一种空域仿真模型的校准装置，其特征在于：其包括：
确定模块，其配置来确定校准方法：如果具备进行雷达模拟机评估的条件，则比较雷达模拟机评估结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；否则搜集多种空管监视数据，比较监视数据统计结果和仿真评估结果的指标来校准仿真模型；
选择模块，其配置来选择校准指标：分析仿真基线模型的仿真评估指标和各种校准方法的评估指标，选取双方都有而且计算方法和参数设置相同的指标进行对比分析；
对比模块，其配置来对比校准指标：空域仿真模型、雷达模拟机评估和空管监视数据的静态指标是一致的；对校准指标中的动态指标分类分析；静态指标是指空域结构相关的指标，动态指标是指随着空域模型改变而改变的指标；
修改模块，其配置来修改基线模型:通过对比分析空域仿真基线模型和校准方法的校准指标之间的差异，检查是否满足各类校准指标的差异标准，如果不满足，则根据校准方法进行分析；如果校准过程中存在系统问题、数据更改、准确度差的问题，则针对校准指标的差异具体分析；如果校准指标的差异不是上述问题产生的，则检查空域仿真基线模型是否存在错误，针对错误进行修改测试，直至满足校准指标的要求。
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|---|---|
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2021
- 2021-09-16 CN CN202111087156.4A patent/CN113792434A/zh active Pending
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