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智慧空管“三神器”有多厉害

图为华北空管局多部门正与北京大学探讨可视化分析系统建设,用以分析航班运行情况。 

图为安装在首都机场西跑道的激光雷达设备。

翱翔于蔚蓝天际的飞机犹如一道风景,常常令人驻足观望。事实上,与车辆在地面行驶一样,飞机在空中同样需要遵守“交通规则”,并要受到专门机构的指挥与调度——这就是空中交通管制(简称“空管”)。空管行业是一个高度依赖技术进步的行业,随着我国民航事业快速发展,年均飞行流量持续以两位数迅猛增长,空管安全保障能力要实现逐年提高,必须借助各种新技术与空管系统设施设备的高度融合和有效应用

日前,中国民用航空华北地区空中交通管理局(简称“华北空管局”)联手美国波音公司,借助高校实验室等技术力量,开展了基于激光雷达的机场风切变观测研究;并运用精密仿真软件提升机场跑道运行效率,打造空中交通管理性能可视化分析系统,亮出了智慧空管的“三神器”。这是其2017年在全国首次完成HUD(平视显示器)能见度150米试飞后,围绕智慧空管建设的又一重要举措。这“三神器”究竟是啥,有多厉害?经济日报记者带您来首都机场和华北空管局看看。

激光雷达——

监测机场风切变

低空风切变对于飞机起飞和着陆的安全威胁最大,需要不断加强针对机场风切变观测的科技创新投入与研究

安全是民航空管的命脉,提升安全保障能力是民航空管行业永恒的主题。根据国际民航组织的统计数据显示,2014年至2016年间,由于湍流等大气波动引起的风切变事故共计51次,占事故总数的19%。

其中,低空风切变对于飞机起飞和着陆的安全威胁最大。它不仅能使飞机偏离航迹,也可能使飞机失去稳定。如果飞行员在这个过程中处置不当,有可能造成严重后果。风切变的成因很多,一方面受某些常见的天气过程如雷暴、大雨、冷锋、低空急流影响形成;另一方面,也可能受地理环境、地形条件及机场周边的建筑物遮挡影响产生,如海陆风等。

据华北空管局气象中心设备室副主任张建军介绍,首都机场西跑道的风速数值与其他两条跑道存在一定差异,特别是在大风天气条件下,风速数值明显偏小,出现风切变的可能也更高。尤其在刮风天数很多的北京春秋时节,安全隐患显著。据华北空管局气象中心数据显示,仅2017年11月、12月间,就收到风切变报告11份。

为此,2018年1月,华北空管局在首都机场西跑道南北端安装了两套国产激光雷达设备,收集西跑道风场相关数据。“这套设备可以有效弥补天气雷达在晴空条件下对风场探测的不足。”张建军说。由于工作原理不同,现有天气雷达在晴空条件下对低空风的监测能力不足,在晴空条件进行风切变预报时,无法为预报员提供有力数据支持。

为进一步增强地空风切变预警,为管制员在航空器着陆阶段提供更好的气象支持,华北空管局与中国海洋大学合作,正在进行基于激光雷达的机场风切变观测研究。

“我们计划历时两年时间,通过大量的数据分析,完成西跑道上空的实时风场探测,找出西跑道风切变的成因、发生高度和触发条件,并形成切实可用的用户产品,帮助管制员提前向机组通报风切变情况,关口前移加强预警,把对飞行的不安全因素降到最低。”张建军对这项新技术充满信心。

据介绍,在北京新机场,华北空管局同样配置了一套激光雷达设备,与香港国际机场所用设备一样,居于世界领先水平,能够同时监测多条跑道的风场状况。目前,这一设备即将进入验收阶段,华北空管局已为其在新机场投入运行做好准备,这将开启该设备在内地民航系统业务化运行的先河。

精密仿真软件——

提升机场跑道运行效率

提升平行跑道运行效率是空管面临的挑战之一,智慧空管对此从未停止探索

党的十九大报告指出,我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。落实到空管安全层面,就是人民群众对于安全、正点的出行需求与空管保障能力的不平衡不充分之间的矛盾。中国民用航空局局长冯正霖表示,要全面加大强安全、强效率、强智慧、强协同的“四强空管”建设力度,实现空管高质量发展。对此,华北空管局不断着力打造良好的安全与发展、安全与效益、安全与正常、安全与服务的关系。

首都机场是世界上最繁忙的三跑道机场,3条跑道为平行跑道。其中,36L和01跑道之间相距3.485千米,在使用平行仪表进近模式时,雷达最小安全间隔标准为4千米(进近是指飞机下降时对准跑道飞行的过程。在进近阶段,要使飞机调整高度,对准跑道,从而避开地面障碍物)。如何在保证安全的前提下进一步挖掘首都机场运行潜力,提升运行效率,满足更多旅客的出行需求,华北空管局对此从未停止探索。

华北空管局总工程师谢玉兰认为,提升平行跑道运行效率是空管面临的挑战之一。在这方面,华北空管局与中国民航大学开展合作,通过精密的仿真软件模拟测试得出结论:在首都机场,如果两条跑道相关进近保持3.485千米的雷达间隔,到达容量可增加16.7%,一小时最多可增加9架飞机。

为验证这一测试结果的安全可行性,项目组在前期做了大量实验:首先建立了基于位置误差概率的碰撞风险模型,然后设计了管制员特情反应时间测试方案,并进行了为期10天的测试。为保证实验的有效性,项目组还收集处理了6个月的实际运行数据,获得了位置误差概率模型的相关参数,并通过仿真计算得出结论,最后把实验结果与国际民航组织和美国联邦航空管理局的相关研究进行了对比。结果显示,首都机场36L和01跑道相关平行仪表进近所需的雷达间隔缩短到3.485千米后,没有显著的运行风险提升,仍符合国际民航组织公布的安全目标水平。

可视化分析系统——

用活大数据

航空器的飞行过程本身就是一个行走的大数据库,发掘数据背后的价值将对运行监测起到很好效果

工作人员告诉记者,在华北空管局的管制屏幕上,一个小亮点便代表一架航空器。而航空器的整个飞行过程本身就是一个行走的大数据库,如果能把这些运行信息提炼出来,挖掘出数据背后的价值,总结出规律,再指导实际工作,将对运行监测起到很好效果。

基于这个目标,华北空管局与北京大学可视化与可视分析实验室联合开展空中交通管理性能可视化分析,通过数据处理加工让数据“活起来”:把航班号、目的地机场、实时位置、实际起降时间等不同属性的航空数据集成,构成了多维的信息空间。其中,每个数据都代表着单个图元元素,计算机通过算法、建模、表达等一系列处理方式,生成数据图像;再把数据及其内在关系反映到图形图像中,用户就能从中轻松直观读懂数据代表的含义。

华北空管局空管部马晓阳表示,如果想了解首都机场内某一特定航班在雷雨或低能见度等天气条件下的离港运行情况,只需选定航班号,选取相应时间段,就能迅速获取该航班在推出开车、地面滑行、跑道外等待等阶段产生的所有相关数据,最终形成可视化信息。

“这个系统最大的用途在于能够准确、可视化地掌握每个航班在任意时刻的飞行动态,为上层决策提供了一个非常直观的辅助手段。”谢玉兰介绍说。

据悉,华北空管局下一步将在开放实验室内搭建一套系统,与北京大学共同对数据采集、轨迹信息分析、延误信息分析、地面滑跑信息分析等模块内容呈现进行研发,并将通过重现航班滑行的详细过程以及交互式筛选,进行机场滑行拥堵分析。

“我们将继续加强科研核心能力建设,在建设‘强智慧’空管方面下功夫,加大对5个开放实验室的支持力度,激发空管科技工作者的活力与创造力;并推进产学研用深度融合,强化科技成果应用示范与推广,为推进中国民航空管高质量的发展提供智慧支撑。”谈及未来,华北空管局局长文学正表示。

来源: 经济日报