基于网络的雷达管制模拟机培训系统设计与开发

张晓燕，陈亚青，李宇华

(1.上海民航职业技术学院 航空制造系，上海 200232；2.中国民航飞行学院 民航飞行技术与飞行安全科研基地，四川 广汉 618307；3.上海吉祥航空公司 飞行训练中心，上海 201315)

0 引言

近年来随着空中交通流量的急剧增加，各一线管制单位对管制员的管制技能要求越来越高。与此同时，管制学生培养规模的不断扩大，使管制学生模拟机技能训练资源逐渐紧张，严重影响了管制学生管制模拟机的管制实践技能训练水平。空管教学的改革，大幅度地增加了在校管制学生的练习数量，造成了管制教师严重超负荷工作。这对学院和各一线管制单位“1对2”(1位管制教员对2位管制学员)的管制模拟机培养模式提出了挑战。如何在管制模拟机课堂实践教学之外增加学生的模拟机训练时间，加强培养其管制冲突意识、提升管制技能，同时缓解管制教师的超负荷工作现象，成为民航院校和各一线管制单位必须面对的问题。

管制模拟机课程是交通运输专业教学的重要实训环节，在空中交通管制员的培养和培训中具有举足轻重的作用。王超等早在1998年便开发了具备DRS-93雷达模拟机的主要功能、适用于独立微机上操作练习的雷达区域管制模拟训练系统[1]。李楠等研制了桌面式机场塔台管制仿真系统，以机场塔台视景仿真为中心，通过分布交互实时网络，真实模拟机场塔台管制各个环节，为学员提供一个逼近真实的虚拟仿真训练环境[2]。2013年张晓燕、马江涛详细分析了日本游戏制造商开发的管制模拟软件ATC3的特点，研究了其在管制员模拟机培训的可应用性[3]。2014年陈亚青等对雷达管制网络模拟培训总体方案进行了设计，其系统更贴近于管制员的实际工作[4]。杨万龙等对空中交通管制塔台模拟机的设计原理、工作流程及其应用进行了简单的介绍[5]。石怡等使用ASP.NET、AJAX、ADO.NET等技术开发了网络培训系统，以用户需求为中心，为培训用户和培训机构提供了一个功能强大的交互平台[6]。缪志新等对管制模拟机训练存在的问题进行了剖析，提出了相应的对策[7]。张健等通过介绍“大工程观”教育理念实质及特点，提出在空管人才培养中，应积极推进雷达管制实践教学模式改革，以应对行业快速发展对空中交通管制人才综合素质的更高要求[8]。黄贻刚等提出借助现代教育技术手段，设计并制作基于Flash 的《雷达管制运行环境自主学习系统》CBT课件，开发了自主学习系统[9]。牟奇锋在整个空域的建立、飞行过程的计算模型的基础上，开发了雷达管制软件系统[10]。朱晓波等分析了我国管制员在院校学习阶段的雷达管制模拟机培训情况，从训练制度、训练模式、训练练习编排等几个方面提出了建议[11]。郭昕等以雷达管制课程为研究对象，分析了雷达管制课程实践教学的特点和原则，对雷达管制课程主要实践教学方法进行了阐述[12]。然而，国内尚未开发出基于网络的雷达管制模拟机培训系统。

为了有效缓解民航院校和管制单位雷达管制培训中模拟机设备和管制教员不足的压力，改进现阶段民航三大管制员培养院校和各一线管制单位管制学生(员)的训练模式，提高管制模拟培训的灵活性，增加学员管制模拟训练的时间，提高培训效率和质量，本文采用基于Microsoft.Net架构的多层结构和面向对象的模块化设计方式、利用SQL server数据库和C#语言开发了基于网络的雷达管制模拟机培训系统。该系统和平台可实现学生异地自主训练、系统自动评分、教员在线评价等功能，进而替代部分雷达管制模拟机课堂实践的教学环节，提高实践教学的质量。

1 系统总体设计

1.1 系统网络设计

系统的网络设计采用Client+Web Service(客户端 + 网络服务)和B/S(浏览器端/服务端)两种架构体系来实现。系统应用程序服务器采用云计算主机，保证服务器端的处理能力与数据的稳定可靠。服务器端采用性能优异的SQL Server数据库，服务器应用处理系统采用Microsoft.NET平台开发，提供账户管理、学员训练管理与资料存取、教员评阅信息存取以及教员与学员互动等功能。学员训练端与教员评阅端采用Microsoft.NET平台开发，并且结合流行的图形引擎给学员展示形象逼真的仿真效果。系统的网络配置如图1所示。

图1 系统网络配置示意图

1.2 结构设计

基于网络的雷达管制模拟机培训系统采用基于Microsoft.Net架构的多层结构和面向对象的模块化设计方式，可以方便地对系统进行维护和功能扩展。服务端数据库采用SQL Server数据库，可快速有效地进行数据管理和维护。

Microsoft.Net架构的多层结构包括数据层、逻辑处理层和交互展示层等。

(1)在数据层中，利用ADO.NET 访问数据库。

(2)在逻辑处理层中，教员端、学员端和网络查询管理系统端与服务端的数据库之间采用TCP/IP协议进行连接以及配置Web Service数据接口对数据进行控制。

(3)系统的交互展示层主要包括了网络管理端、教员端和学员端三个部分。网络管理端采用ASP.NET AJAX 技术，交互展示层采用Microsoft.Net平台框架开发，通过Visual Studio开发出各种系统界面。

学员端机场空域图采用.NET与XNA游戏引擎联合开发，根据实际机场的数据在程序代码层绘制包括跑道、下滑道和距离环等机场空域数据，以及飞机尾迹、航向、速度、高度等航行诸元。通过实时的图形渲染与运行数据模拟，逼真地仿真管制场景。

2 系统构架

基于网络的雷达管制模拟机培训系统由网络管理平台和雷达管制模拟机培训系统两部分组成，如图2所示。其中网络管理平台用于管理员、教员和用户的管理、成绩查询、通告管理、训练成绩上传以及用户认证等，雷达管制模拟机培训系统用于用户的雷达管制模拟机电脑端本地训练。

图2系统总体构架图

3 系统实现

系统采用基于Microsoft XNA游戏引擎和面向对象的模块化设计方式进行设计，利用SQL server数据库和C#语言进行开发。系统的若干关键技术体现在两方面：

基于Web Service+客户端的构架，让学员摆脱了空间的限制，能够在任何地方进行雷达管制模拟机的练习。

基于XNA的场景渲染与实时运算系统，将空域从实际场景映射到软件界面上，并对内部各个元素进行实时运算仿真和模拟。

3.1 网络管理平台构成及功能

网络管理平台是服务器提供的一个网站服务系统，用户只需打开浏览器输入http://atc.zimasys.com/即可以访问该网站平台，对用户、学员、教员等信息进行管理。该网络管理端主要包括四个模块：学员模块，教员模块，管理员模块及关于系统使用模块。

3.1.1 学员模块

输入用户名和密码，进入学员信息模块，可实现以下功能：

(1)训练记录查询：可查看学员本人的训练时间及训练成绩。

(2)修改密码：可对学员本人的密码进行重置功能。

3.1.2 教员模块

输入用户名和密码，进入教员信息模块，可实现如下功能：

(1)成绩查询：通过下拉框选择学生姓名，对其作答记录进行查询，可查看学员的训练时间及训练成绩。如图3所示。

(2)修改密码：可对教员本人的密码进行重置功能。

图3 教员信息模块图

3.1.3 管理员模块

管理员模块包括以下六个子模块：

(1)成绩管理：通过下拉框选择学员姓名，对其作答记录进行查询，可查看学员的训练时间及成绩。

(2)管理员管理：可对管理员账户进行管理，修改管理员的账户及密码；开启新的管理员账户。

(3)教员账户管理：修改教员的账户及密码；开启新的教员账户。

(4)学员管理：对学员账户进行管理；修改学员账户及密码；开启新的学员账户。在该子模块中，可批量导入学员账户信息。

(5)通告管理：可添加通告标题及内容，并对通告内容进行修改。

(6)修改密码：对某一管理员的密码进行修改。

3.2 雷达管制模拟培训系统

该系统采用C#+Web Service+XNA进行编程，实现管制学员的基本技能及提高技能的培养。系统的组成模块如图4所示。

各模块的功能如下：

空域仿真模块：用于对仿真空域的场景生成与模拟；

飞机冲突检测模块：用于计算空域内飞机之间的间隔，进行实时评估；

跑道仿真模块：用于对仿真机场跑道的场景生成与模拟；

航班仿真模块：用于对仿真航班的生成与模拟；

走廊口仿真模块：用于对仿真走廊口的场景生成与模拟；

航班起降仿真模块：用于对仿真进离港航班的跑道起降计算模拟；

系统实时计算模块：用于对整个仿真系统进行实时运算；

系统操作模块：用于指挥进程的控制以及训练得分数据上传到云端服务器；

系统计分模块：用于对仿真指挥的分数计算。

图4 雷达管制模拟培训系统模块组成

该系统实现了学员的一站式全自助的学习。学员通过网络管理端首页，下载《AirControl管制模拟训练器》至本地电脑，运行《AirControl管制模拟训练器》，登录系统，可进入主菜单。主菜单共包括三个模块：“创建新训练”“系统设置”及“退出系统”。系统设置包含“尾迹”“燃油”和“声音”三大功能，可对此三项功能进行开启、关闭设置。如图5所示。

图5 雷达管制模拟训练器系统界面

在以上界面的“系统设定”中，可实现两大功能的设置：距离环的设置和进离港航班密度的设置。通过进港航班密度和离港航班密度的设置，为不同水平的学员提供不同难度水平的练习。

设置进离港密度分别为0.5，练习启动，界面如图6所示。

图6 模拟练习界面图

3.2.1 雷达管制模拟训练空域设置

雷达管制模拟训练空域包含东、南、西、北四个走廊口，该空域实行进离港分离程序，西、南两个走廊口为进港走廊口，东、北两个走廊口为离港走廊口。离港飞机均沿标准离港程序离港，起飞后直飞离港走廊口。学员通过对进港飞机的高度调整、雷达引导和速度调整等雷达管制基础技能的运用，对进港飞机进行排序，引导落地。

3.2.2 雷达管制模拟训练计分规则

在雷达管制模拟培训系统中，根据我国民航雷达管制的管制规则，建立如下的计分规则：

对进港飞机规则如下：

飞机坠毁：-10000；

飞机正常落地：+100；

指挥时长<=4分钟：+20；

飞机在整个航程中间隔正常(水平间隔>=6km 或者垂直间隔>=1000英尺)，进行间隔保持奖励：+50。

离港飞机的生成：跑道端点距离<14.0km且高度小于 2000英尺范围内没有飞机，则离港飞机将自动生成。

对离港飞机规则如下：

飞机正常离港：+10;

指挥时长<=4分钟：+10；

飞机在整个航程中间隔正常(水平间隔>=6km 或者垂直间隔>=1000英尺)，进行间隔保持奖励：+50。

飞机飞出扇区则移除该航班，飞机飞出扇区：-100。

该系统的自动评分功能可为教员提供不同学生的管制水平的参考，以针对性地对学生进行指导。

3.2.3 飞机间冲突的判断

三维立体距离<6km且垂直距离<1000英尺，则触发航班冲突警告；

三维立体距离<0.2km且垂直距离<100英尺，则触发航班mayday警告，且飞机处于坠毁状态从此不受控，直到飞机坠毁。

3.2.4 雷达管制模拟训练成绩保存及上传

练习结束后，训练成绩需要学员提交才能够进入服务器中。具体操作如下：训练过程中按下Esc按键，点击“保存战绩”即可保存该次练习系统的自动评分。同时，教员也可在网络平台同步查询该次训练成绩。图7所示即为网络平台同步查询的成绩。

图7 网络平台同步查询训练成绩

4 系统测试

系统开发完成后经某民航院校2014级交通运输专业部分本科生试用。试用显示，该系统实现了雷达管制模拟训练的基本功能，可根据学员的水平区别性、针对性地训练学员的调速技能、间隔调配技能及雷达引导技能，且实现了远程训练的各个功能。该系统的设计和开发达到了预期目标，丰富了交通运输专业雷达管制模拟机教学的方式，在雷达管制模拟机教学中具有一定的推广应用价值。

5 结语

基于网络的雷达管制培训系统由网络管理平台和雷达管制模拟机培训系统两部分组成。该系统基于网络开发，不受场地、时间的局限，实现了学员在电脑上进行远程自主训练的目标。学员只需要通过访问网站，下载雷达管制模拟培训系统到本地即可直接运行和练习。同时，系统依据中国民航雷达管制的管制规则，建立了相应的计分规则，实现了自动评分功能。

该系统的自主研发可改进现阶段民航管制员培养院校和各一线管制单位管制学员的训练模式，提高培训效率和质量，更好满足各管制单位对应用型人才的迫切需求。

未来可在以下方面完善系统：

(1)练习设置上增加进、离港程序交叉的部分。

(2)可融合语音识别系统，以同时实现标准无线电陆空通话的训练。