摘要 

　　为适应未来航空运输业的持续发展，美国政府在2004年向业内公布了一份框架式的未来发展蓝图，制定了一份以航空新技术应用为基础，全面升级未来航行系统能力的计划，称为下一代航空运输系统（NextGen）计划。 

　　为了使这份庞大而复杂的计划得以顺利实施，解决现有国家空域系统（NAS）向下一代航空运输系统平稳过渡的问题，美国联邦航空局（FAA）在位于新泽西州大西洋城的威廉休斯技术中心建设了一个用于NextGen新技术仿真验证评估的实验室，称为NextGen集成评估功能平台（NIEC）。 

　　威廉休斯技术中心作为美国联邦航空局下属的科研与技术支持机构受委托使用并管理该平台，开展有关NextGen前瞻性技术研究、新技术集成测试评估、新技术应用需求定义、新概念的研究与可行性验证等工作。 

　　一、NIEC的愿景和使命 

　　目前，美国联邦航空局已为NextGen计划建造了三个各有所长的测试平台，一个位于德克萨斯州美国国家航空航天局（NASA）的科研中心，专门用于基础研发工作，另一个位于佛罗里达州安柏瑞德航空大学（ERAU），主要是供工业界参与研究开发和测试的，第三个就是位于新泽西州大西洋城威廉技术中心的NIEC平台。 

　　威廉休斯技术中心在NIEC平台设计之初，就与美国联邦航空局、麦特机构（MITRE）及工业界一同开展需求调研工作，讨论NIEC定位问题，最终确定了NIEC的愿景和使命。 

　　NIEC的愿景是提供一个技术研究平台，协助NextGen运行改进和相关新技术研发的实施。 

　　NIEC的使命是依托技术研究平台的高精度实时仿真能力，为NextGen研究工作度身打造一套整体的、灵活的、可重构的快速原型环境，并从概念确认和成熟度研究的角度，在研究、评估与集成等方面促进NextGen各功能组件的发展。 

　　二、NIEC的特点 

　　正如NIEC的愿景与使命所述，NIEC始终以推动、发展和改进NextGen计划的各类新技术开发与应用为目标，提供了从概念定义到需求成熟度再到与现有系统集成的全过程确认与验证能力。NIEC提供了一个灵活的、可扩展的以及可重构的环境，实现现有技术与新技术应用的整体评估。其主要特点如下： 

　　1.模拟NAS系统。对于NAS性能的模拟的范围包括航路、塔台和终端区的用户界面和业务关系。很多已知的性能都可以被重新评估。 

　　2.在一个实验室内展现NAS不同领域。既包括NAS本身的功能，也包括由仿真系统实现的功能。 

　　3.不同NAS领域间的整合。航路、终端、塔台、场面、驾驶舱和气象等领域都被整合在一起，保持与实际 NAS 领域的一致性。此外，NIEC支持大多数跨领域的功能共享。 

　　4.支持多重整合。NIEC的灵活性体现在可以被整合集中到需要测试某个单一项目上。例如，在某仿真过程中，目标生成设备（TGF）可以运行在 TGF自身的实验室或者在NIEC平台实验室内。这一特性给 NIEC提供了相应的灵活性，使其可以“介入”其他实验室。从另外一种环境中， NIEC具有整合性是因为用户可以决定对哪些性能，以及不同性能时的特定功能进行仿真。 

　　5.不同功能之间的扩展接口。NIEC可以通过与威廉休斯技术中心内网连接，和其他中心内的实验室或系统进行功能连接。甚至还可以通过互联网与位于各地的实验室或系统进行功能连接，开展联合仿真实验。由于NIEC具备多种功能接口，例如可以通过DESIREE（基于仿真、快速引擎和试验的分布式环境）和 HADDS （ATM 数据主机分布系统）接口完成中间件消息传递和控制，所有遵守这些接口标准协议的系统都可以通过网络进行互联。 

　　6.包含并整合未来功能。 NIEC 具有一个开放的架构，该构架具备支持添加新功能的能力。例如，可以将航空公司运控中心（AOC）整合到NIEC中。 

　　7.符合ATM系统接口标准。系统仿真功能支持与真实系统一样的系统接口。而且这些接口可以演变为上述领域内的真实接口。 

　　8.在NAS环境中整合无人机系统（UAS）。NIEC包括三套UAS仿真系统，通过TGF和仿真网络（AviationSimNet）被整合到NAS仿真环境中。 

　　9.实时数据适配器和其他NAS数据的获取。NIEC中各种功能在获取NAS适配数据时遵从不同 NAS功能所使用的各种协议。 

　　10.记录和回放功能。音频、视频和数据都会被记录并且进行时间同步以便于进行回放。 

　　11.专用的硬件设备。NIEC使用了专用的硬件设备，这些设备中有一部分是NAS正在使用的。 

　　三、NIEC平台布局 

　　NIEC平台主要由两个区域组成，一个是由各NAS系统的人机交互部分组成的，称为NIEC显示区域，简称NDA；另一部分由计算机系统处理单元组成，是NIEC后端处理区域。其整体平面布局图如图1所示。 

　　图1  NIEC平面布局图 

　　NIEC显示区域为NextGen研究人员提供了高仿真度的基础环境。在开展各类新技术仿真工作时，通常由项目管理人员、技术管理人员、管制员、飞行员、系统维护人员以及其他可能参与民航运行活动的专业人员（例如：流量管理专家、气象专家等）共同参与。按照以上各角色承担的工作任务划分，NIEC显示区被分为至少5个功能区，包括模拟塔台、管制自动化席位、驾驶舱模拟器、无人机系统以及多用途工作区，其三维布局示意图如下所示： 

　　图2 NIEC显示区域三维布局示意图 

　　在NIEC显示区域内的环境部署和设施配置，尽量的与在用的各生产系统保持一致。其中，模拟塔台配置了计算机模拟的300度塔台视景系统、塔台综合信息显示系统以及场面监测设备（ASDE-X）等功能组件。管制自动化席位包括航路交通管制中心（ARTCC）席位基本硬件配置，共由8个席位组成，可灵活设置为终端区管制席位、高空航路管制席位、主任管制席位等。驾驶舱模拟器是一套由计算机系统和可触摸显示单元组成的全尺寸实时仿真系统，通过计算机软件模拟航空器飞行控制系统、飞行仪表显示单元和导航模块等，飞行员在仿真过程中通过触碰各功能模块与驾驶舱模拟器实现人机交互，模拟驾驶航空器飞行。无人机系统区配置了无人机地面站的有关硬件设施，并由计算机系统收集有关飞行数据。多用途工作区负责仿真验证过程的控制和管理工作，此外还可附加配置流量监控系统、气象显示系统、航空公司运控系统等功能组件，这些功能组件均可以按照实际仿真需求灵活部署。 

　　在NIEC后端处理区域，此外为确保NIEC显示区域的众多功能正常运行，配置了各类计算机服务器系统、网络路由交换和安全设备，由专业技术维护人员按照一般机房的管理方式负责仿真期间和日常的维护工作。 

　　四、NIEC逻辑构架 

　　为了避免在建设和使用过程中可能出现兼容性和灵活性的问题，使各子功能模块间采用标准形式交换数据，NIEC在设计过程中，定义了一个4层逻辑构架的模型，由上至下分别是功能层、功能接口层、网络层和数据层，如下图所示。 

　　图3  NIEC逻辑构架图 

　　功能层主要由两部分组成，一部分称为NAS功能，主要是仿真现有的民航生产运行系统以及新技术系统。另一部分称为NIEC附属功能，主要包括NIEC平台的操控、管理以及仿真过程的记录回放以及其他仿真后评估分析系统，供技术 

　　管理人员开展新技术分析评估使用。 

　　功能接口层主要由目标生成设备（TGF）、数据主机分布系统（HADDS）、分布式仿真环境快速工程（DESIREE）以及广域信息管理系统（SWIM）原型系统和各类数据库系统组成。功能接口层实际上起到整个NIEC平台数据流驱动和消息中间件的作用，是NIEC的核心部分。 

　　网络层的作用是提供了NIEC平台各模块内部通信、NIEC平台与FAA其他实验室系统间专用通信网以及NIEC平台通过互联网与外部系统互联通信的网络环境。网络层的应用极大地提高了NIEC的可扩展性。 

　　数据层处于4层逻辑构架的最底层，是平台运行的基础，其主要负责各类原始数据的生成、接入、适配和前置处理。数据层可以提供的数据种类主要包括真实动态数据，例如ADS-B和气象数据等；仿真运行数据，例如飞行动态电报，雷达数据等；仿真环境静态数据，例如航图、飞行程序等；以及其他可能临时使用的数据。 

　　五、NIEC新技术评估现状及发展 

　　NIEC平台自2008年提出建设需求，2009年完成需求分析与内部规划，2010年首次投入使用，在完成无人机运行的仿真测试评估后正式投产运行。与此同时，NextGen计划已进行到中期阶段（2010年至2018年），美国联邦航空局因此预计NIEC会面临大量NextGen新技术仿真验证需求。为了最大程度的高效的使用NIEC平台，美国联邦航空局和威廉休斯技术中心共同制定了平台使用计划，并加紧开展各类新技术的仿真与评估工作。 

　　到目前为止，NIEC平台已经开展的重点项目包括了无人机UAS运行验证相关项目、下一代有人执守塔台SNT评估项目、拥堵空域地基增强系统GBAS潜在优势研究项目、4D航迹运行验证评估项目等。技术管理人员、各领域专家与工业界代表会依据NIEC仿真评估结果编制新技术评估报告，其评估结论会指导新技术的功能与性能改进，并直接或间接地影响到新技术应用实施的进度安排。 

　　此外，由于NIEC平台具备模拟和升级整个NAS系统的能力，因此美国联邦航空局已经有意继续扩展NIEC平台，将其用于NextGen新技术验证评估以外的更多的领域，例如利用NIEC直接参与新技术的研发和需求设计论证，或者在工程项目采购及实施阶段开展相关测试验证工作等。 

　　六、总结 

　　NIEC平台在技术上为空管新技术应用工作提供了一种新的思路，在原有以新技术研发、试制、试运行的新技术应用模式中，增加了实验室仿真验证评估的环节。显而易见，NIEC平台对NextGen计划的顺利实施，以及各类新技术的评估验证和推广应用都无疑起到了至关重要的作用。 

　　近年来，民航空管系统在确保安全的前提下开展了各类新技术的应用工作，却仍然难以满足民航快速发展的需要。借鉴参考美国NIEC平台在推动NextGen新技术应用方面的思路和做法，建议中国民航空管系统依托现有资源和技术实力，建立自己的新技术实时仿真验证系统，从安全、容量、效率、可行性、成本效益等多方面对重要的新技术开展评估仿真验证，为决策部门提供新技术应用规划建议，为相关规划标准提供量化的决策支持依据，更好地更快地推动我国民航空管新技术应用的发展。 

　（作者：齐鸣 民航局空管局技术中心）