基于5G通信技术的现代机场航班信息管理系统设计

彭文路

(华设设计集团北京民航设计研究院有限公司,北京 100000)

0 引言

机场管理需要对跑道、航站楼、塔台、停机坪等设施的信息进行集中调控,以实现机场管制、空中交通管制等服务[1]。由于游客量逐年增加,对机场管理的实时性、便捷性提出了更高的要求。在设计管理系统方面,有许多学者研究出了相应成果。郑清华[2]提出基于数据包络分析的管理系统。系统硬件主要分为主控驱动模块、资料监测模块和服务器。该系统利用多功能层和子程序管理资料信息,以相对较少的时间为目标,结合数据包络分析法,实现资料数据的存储和调度等管理功能。陈晨[3]等提出应用大数据分析方法,选取影响管理效果的关键数据指标,构建制造执行系统以采集运行数据,对生产数据进行有效的分析处理,从而提升运行管理效率。但上述方法的理论在应用于机场管理时,存在响应速度慢等问题,影响了机场内部工作效率和机场对外服务质量。

本文引入5G通信技术,借助其高速率人机物互联的优势,将其应用到现代机场航班信息管理系统的优化设计中。利用5G通信技术替换机场管理系统的原有4G通信网络,可大幅度增加带宽、滤除干扰信息、增强通信质量。采用IEEE 802.15.4构建的5G通信协议,可以在保障数据在各通信节点之间传输实时性的同时,均衡分配数据传输量,以免通信拥堵。通过所构建的5G通信网络节点采集并传输数据,可以增加切换网关模块,从而适应飞机飞行时的动态和远距离特性,保障通信可靠。在应用PXA310型号数据处理器的基础上接入数字信号处理(digital signal processing,DSP)协同处理器,可以加强通信质量、增强大量旅客服务数据荷载时系统的协同性,以便中央调控管理。试验结果表明,该系统的吞吐量和抗干扰性能良好,数据处理结果的准确度较高,具有一定的实际应用价值。

1 现代机场航班信息管理系统设计

1.1 构建现代机场5G通信网络

机场发布端、飞机端以及塔台等设备之间的距离较远,因此原有的4G通信网络的通信效率和通信质量已远不能满足当前需求。现有解决方案往往选择5G通信网络代替传统的通信网络。

5G通信网络拓扑结构如图1所示。

图1 5G通信网络拓扑结构图

机场管理系统的各终端工作站,如身份信息验证台、航班信息显示台、管理工作站等,都与邻近的接入交换机连接。系统与离港系统、地面信息系统等其他信息系统之间的数据交流采用防火墙的存取规则进行有限通信。为保障上述功能的有效性,系统所采用的5G通信网路为2层结构,即由2个核心交换机组成的装置层级分别承担冗余备份和效能扩充的功能。每个存取层交换机经双光纤连接存取核心交换机,从而在链路上建立冗余备份。系统的数据库和其他接口服务器均设在中央机房,与核心交换机进行连接。为了支持5G通信技术的运行,需要优化传统通信网络中的路由器设备,将传统的4G通信路由器替换为5G通信路由器,并使用无线扩展功能将路由器的带宽提升至1 000 MB[2]。在路由器配置过程中,必须设置入站路由和出站路由。其中:入站路由用于执行过滤、聚合、重新排序等功能;出站路由用于指明消息处理结果的目标地址。路由器根据通信信息的内容和规则,采用筛选器来分配。在信息到达组件前,输入过滤器会滤除无效信息,而出口过滤器会滤除无需输出的信息[3]。服务器、通信终端、网关以及优化的路由器设备按照既定的拓扑结构进行连接,即完成系统5G通信网络的优化,从而使机场各端的通信不受干扰、连接迅速。

1.2 设置5G通信协议

在5G通信网路部署过程中,为实现网路资料的收集与传送,同时不增加协定栏位的标记及额外的通信代价,其在硬件设备的基础上采用IEEE 802.15.4作为数据通信协议[4],并使用信标启用通信方式。信标启用通信方式将实时通信转变为超帧结构,以保证数据不被遗漏。每帧超帧结构通信数据包括信标帧段、信标帧间隔、超帧持续时间等。根据IEEE 802.15.4的要求,在超帧结构中,通信数据必须满足以下条件。

(1)

式中:t为时隙值;xt为超帧持续时间基数;nsuperframe为超帧序数;nbeacon为信标序数。

现代机场的数据通信既要保证数据传输的可靠性,又要保证数据传输的实时性。所以由发送数据的节点主动提出同步时隙(guaranteed time slot,GTS)的请求,在优先权优先原则的支持下根据当前通信节点的传输数据量分配GTS和时隙资源,以降低通信通道的占用量。

1.3 采集并传输现代机场实时数据

机场管理中飞机常处于动态飞行状态,会影响通信效果。为了给现代机场航班信息管理功能的实现提供数据支持,系统在5G通信网络与协议的支持下采集飞行状态、旅客安检信息等数据,并传输到系统服务器终端[5]。以飞行状态数据的采集为例,在不考虑大气层折射影响的条件下,飞机i与通信网络中心之间的距离可以表示为:

di=vcΔτtra=[(xco-xi)2+(yco-yi)2+

(2)

式中:vc为光速;Δτtra为采集信号的传输时间;(xco,yco,zco)为通信中心节点;(xi,yi,zi)为飞机当前飞行位置坐标[6]。

同理可以得出目标飞行飞机与任意1个通信网络节点之间的距离。在已知距离数据和通信网络位置数据的情况下,可以求出飞机飞行位置数据的唯一解。另外,飞机飞行速度数据的采集结果可以表示为:

vaircraft,t=(di,t-di,t-1)×Δτt

(3)

式中:di,t为t时刻飞机i的距离求解结果;di,t-1为(t-1)时刻飞机i的距离求解结果;Δτt为前后2次检测的时间间隔。

按照上述方式,利用相应的硬件设备可以构建飞机通信端通信节点,在5G通信网络中得出机场中各节点的实时数据采集结果。采集数据加入通信队列后,在5G通信协议的约束下,可完成实时数据的传输[7]。由于地面与空中通信网络之间的网关不同,在地面对空通信过程中需要切换网关。通过通信信道选择、网关切换、服务端接收数据等步骤,即可完成现代机场实时数据的采集与传输工作。

1.4 实现现代机场航班信息管理功能

现代机场航班信息管理的内容包括飞机飞行状态、航班信息、旅客自助服务以及旅客安检等。从现代机场航班信息管理系统的应用角度出发,本文选择PXA310型号的处理器作为管理系统的数据处理器。该处理器属于精简指令集架构的64位微处理器,能够同时处理多组不同格式的数据,从而满足现代机场航班信息管理数据的处理需求[8]。选择的数据处理器的主频能够达到848 MHz,满足5G通信网络传输数据的快速处理要求。为了适应现代机场航班信息管理数据的处理要求,系统在PXA310处理器的基础上接入了1个DSP协同处理器。在正常运行状态下,不启用DSP协同处理器;若出现数据荷载情况时,启用DSP协同处理器,将处理器转换为并行运行模式[9]。在上述处理器设备的支持下,本文结合5G通信技术,提高了现代机场航班信息数据的采集与传输速度与质量,也间接提升了系统的机场航班信息管理效果。

航班数据具体包括航班号、起飞时间、落地时间、航站、机型等。航班的初始数据信息由客户机前台录入,并检查航班号格式的合法性、日期和时间的有效性以及航站代码的存在性。航空调度人员根据机场机型限制和机场关闭限制条件检查数据项是否满足要求。如果校验过程中发现错误,系统提示错误信息并结束操作;若未出现录入错误,则系统将录入的航班信息作为初始值[10]。航班分别设置为待飞、起飞、飞行、落地4个状态。根据通信网络数据的采集结果,航班状态数据按照状态执行顺序完成自动更新。航班延误指航班由于某种原因没有按照公布的时刻出发或到达。航班出发延误时间的预期过程可以表示为:

Tdelay,take=Tfog+Twind+Tcontrol+…+Tfault

(4)

式中:Tfog为大雾的持续时间;Twind为大风的持续时间;Tcontrol为空管执行时间;Tfault为机械设备故障的维修时间。

另外,航班到达延误时间的计算结果可以表示为:

(5)

式中:Lexpect和Lactual为飞机在相应时刻预期到达的位置和实际到达的位置;vavg为飞机的平均飞行速度[11-12]。

延误时间通过现代机场管理系统的显示器进行显示。系统通过标记延误时间以及预期出发或到达时间,启动现代机场的广播设备,完成航班延误播报。

2 系统性能测试与分析

2.1 测试环境

系统测试选择某大型机场作为试验背景。该机场包含国内航站楼和国际航站楼2个部分。为了降低系统测试难度,此次系统测试只选择国内航站楼及其包含的国内航线作为试验对象。选择现代机场研究对象的航站楼占地面积约为620 000 m2,内设174个机位。其中:近机位和远机位的数量分别为56个和118个;供飞机起飞与降落的跑道共6条;每条跑道长度均为3 600 m,而宽度规格可分为45 m和60 m这2种,能够满足机场内飞机起降量的使用需求。据不完全统计,该机场的平均旅客吞吐量约为3 400万人次,国内航行频率约为12 次/天。按照硬件系统的设计结果,测试将相关的硬件设备安装到现代机场测试环境内,并将所有的硬件设备接入5G通信网络环境中。通过通信实例信号的发送与接收,可验证硬件设备是否能够在试验环境中正常运行。除硬件系统内部设备外,系统测试环境中还安装了1个数据库服务器以及通信信号干扰装置。该服务器采用双机热备份处理方式,用于存储系统运行过程中产生的数据。通信信号干扰装置用于模拟现代机场环境中的手机信号干扰和飞机设备启动干扰,并由此形成2种系统测试场景。场景1为无干扰场景。场景2为有干扰场景,干扰强度为5 dB。测试结合天气情况生成现代机场的飞行计划,以此作为现代机场航班数据样本。现代机场航班数据样本如表1所示。

表1 现代机场航班数据样本

在系统测试过程中,可以通过调整飞行路线、控制飞行速度等方式,实现航班延误并记录航班的延误时间。

2.2 系统测试过程及指标

系统测试试验以黑箱形式进行。用户在系统中进行各种功能的试用测试。根据系统测试内容,试验分为系统功能测试和系统性能测试2个部分。其中,功能测试就是检测各模块功能是否正常并通过对系统功能的运行情况进行分析,从而得到系统工作状况。在5G通信无干扰环境下,功能测试将现代机场航班信息管理系统的软件运行程序导入主测设备中,观察飞机与机场测试端之间的通信链路状态,并根据实时通信的飞机运行数据完成系统航班数据自动更新、航班延误等管理功能。系统测试环境中的干扰器设备启动后,将干扰强度设置为5 dB,按照上述操作得出有干扰环境下系统的运行结果。对于系统运行性能的测试,可以在功能运行过程中调取后台运行数据,以直接得出反映系统运行性能的相关数据。

更新航班数据错误率和航班延误预测偏差这2个指标为系统功能的量化测试指标。其中,更新航班数据错误率的数值结果如下。

(6)

式中:Nupdate为更新的航班数据总量;Nerr为航班数内部的错误数据量,具体取值可以通过显示数据与实际数据的比对统计得出。

另外,航班延误预测偏差的数值结果为:

γ=|Tdelay-Tactual|

(7)

式中:Tdelay为系统得出的航班延误时长;Tactual为现代机场对应航班的实际延误时长。

从系统的运行性能方面来看,本文设置的测试指标为吞吐量。其测试结果可以表示为:

(8)

式中:β为系统并发数;trespones为系统平均响应时间。

为了保证优化设计系统的可行性,要求δ不得高于1%、γ不得高于5 min、系统运行吞吐量不得低于1 200 个/s。

2.3 系统测试结果分析

通过相关数据的统计,得出不同环境下系统管理功能测试结果如表2所示。

表2 系统管理功能测试结果

表2中的数据分别代入式(6)和式(7),可以得出:有、无干扰环境下系统的平均更新航班数据错误率分别为0.78%和0.31%;航班延误预测偏差的平均值分别为3.38 min和1.63 min。由此可知,在有干扰通信环境下系统的管理功能有所下降,但依旧满足预设要求。综合2种试验场景,本文以系统每秒能处理的用户数量为指标,为便于记录,每隔10 s统计1次结果。现代机场航班信息管理系统吞吐量测试结果如图2所示。

图2 现代机场航班信息管理系统吞吐量测试结果

由图2可知,优化设计的系统运行吞吐量的最小值为1 210 个/s,高于预设值。

3 结论

本文在5G通信技术的支持下,替换原有的4G通信网络,设计了具有大带宽、抗干扰、高通信质量的现代机场航班信息管理系统。试验结果表明,该现代机场航班信息管理系统在有、无干扰环境下的航班数据更新错误率分别为0.78%和0.31%,航班延误预测偏差分别为3.38 min和1.63 min,系统运行吞吐量均能够控制在1 210 个/s以上。该系统为现代机场向智能化、自动化方向的转变提供参考。