空中交通流量管理的環(huán)境數(shù)據(jù)架構(gòu)與應(yīng)用

張翰文 徐華 張倩 張潮

【摘要】? ? 從空中交通流量管理系統(tǒng)應(yīng)用層面，對航空基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)來源進行梳理，分析現(xiàn)有的數(shù)據(jù)格式與標(biāo)準。在軟件應(yīng)用層面，剖析了不同環(huán)境數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)引接，處理以及發(fā)布流程。在一個統(tǒng)一的流量管理框架下，通過使用多種技術(shù)手段，實現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實時處理與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】? ? 空管? ? 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)? ? 環(huán)境數(shù)據(jù)? ? 流量管理

Abstract： In the implementation of the air traffic flow management system， the sources of aviation basic environmental data are classified and the existing data formats and standards are analyzed. At the software application level， the data transfer， processing and publishing process of different environment data sources are analyzed. Under a unified air traffic flow management framework， the real-time processing and application of the systems basic data is designed by using a variety of technical methodologies.

引言：

近年來，我國空中交通流量日趨增加，為了進一步保障空中交通安全，對空中交通流量管理提出了更高的要求。目前華北、東北、華東、中南、西北、西南、新疆這七個地區(qū)空管局，均各自建有自己的流量管理機構(gòu)。全國流量管理系統(tǒng)（NTFM）則是將空管、氣象、通導(dǎo)、機場、航空公司等單位融合到一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以協(xié)同會商為機制，從戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)術(shù)、事后分析等階段全方位覆蓋流量管理的整個過程[1]。其精細化運行管理可以讓空中交通更加便捷、有序和安全，同時提升服務(wù)滿意度。

為了在全球、地區(qū)和國際級別上有一個安全、可靠、高效和可持續(xù)的空中交通管理系統(tǒng)，需要一系列基礎(chǔ)性的航行情報數(shù)據(jù)作支撐。航行情報服務(wù)（AIS）信息/數(shù)據(jù)流日益復(fù)雜，由互連系統(tǒng)組成。全球空中交通管理系統(tǒng)（ATM）對高數(shù)據(jù)質(zhì)量和成本效益的需求也日益增長。為了滿足日益增長的自動化環(huán)境的要求，AIS正從提供紙質(zhì)產(chǎn)品和消息轉(zhuǎn)向收集和提供數(shù)字數(shù)據(jù)。為構(gòu)建全球無縫和完全交互的ATM系統(tǒng)的戰(zhàn)略目標(biāo)，國際民航組織及主要成員國提出全球航空情報從AIS過渡到AIM的發(fā)展目標(biāo)[2]。為了滿足AIS的需求，航空信息交換模型（AIXM）應(yīng)運而生。

一、數(shù)據(jù)分類

目前，全國流量管理系統(tǒng)中情報數(shù)據(jù)主要來源為空管局情報中心系統(tǒng)通過光盤形式下發(fā)的數(shù)據(jù)文件及通過動態(tài)接口提供的AIXM 5.1格式數(shù)據(jù)文件。

1.1光盤電子數(shù)據(jù)

環(huán)境數(shù)據(jù)模塊目前處理的靜態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)包括情報中心下發(fā)光盤內(nèi)的空域類、機場、機型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等共計45項數(shù)據(jù)，如圖1所示。

其中，環(huán)境數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類別及數(shù)據(jù)項描述如表1所示。

1.2 AIXM數(shù)據(jù)

AIXM（Aeronautical Information Exchange Model）的目標(biāo)是以數(shù)字格式提供AIS范圍內(nèi)的航空信息。AIXM支持在整個數(shù)據(jù)鏈中收集、驗證、傳播和轉(zhuǎn)換數(shù)字航空數(shù)據(jù)。AIXM提供一種全球適用的航空信息標(biāo)準，支持包括航行通告（NOTAM）等動態(tài)信息在內(nèi)的空中導(dǎo)航信息。AIXM確保飛行員和航空公司所需航空信息的一致性和質(zhì)量，以保障飛行安全;通過數(shù)字化發(fā)行靜態(tài)和動態(tài)信息來提高容量;實現(xiàn)標(biāo)準化和互操作性以支持未來空中交通管制（ATC）系統(tǒng);覆蓋了當(dāng)前及未來的標(biāo)準和慣例;通過提供數(shù)字化數(shù)據(jù)提高運行效率[3]。

AIXM具有時態(tài)概念[5]，其目的是使航空數(shù)據(jù)與時間相關(guān)的建模和編碼。在AIXM數(shù)據(jù)集中使用通用唯一標(biāo)識符（UUID）作為時間不變功能標(biāo)識符。

AIXM在國際上已經(jīng)逐漸被軍方和民航作為數(shù)據(jù)交互標(biāo)準所采納，為保證我國空管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分類標(biāo)準和編碼規(guī)則與國際標(biāo)準兼容，進而實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的航空數(shù)據(jù)交換，全國流量管理系統(tǒng)中可解析接入最新的AIXM 5.1格式數(shù)據(jù)文件，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及入庫等方式，為相關(guān)流量處理模塊提供環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

二、多級數(shù)據(jù)處理架構(gòu)

2.1 FODB層級架構(gòu)

全國流量管理系統(tǒng)采集、整理、存儲各類流量運行及環(huán)境數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的流量管理運行數(shù)據(jù)庫（Air Traffic Flow Operation Database，F(xiàn)ODB）。

根據(jù)系統(tǒng)性能及處理能力要求，在一級中央處理節(jié)點配置了主備共8臺/套的Oracle RAC 19C集群，具備高冗余和高并發(fā)處理能力[4]。

2.2 二級節(jié)點數(shù)據(jù)緩存架構(gòu)

考慮一二級系統(tǒng)之間為民航通信網(wǎng)，帶寬有限制[6]，針對系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)飛行計劃數(shù)據(jù)增加二級節(jié)點數(shù)據(jù)庫緩存的功能。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)同步模塊，將一級FODB核心運行庫內(nèi)的數(shù)據(jù)同步至二級節(jié)點的數(shù)據(jù)庫，用于二級下掛的客戶端席位的數(shù)據(jù)訪問。

計劃數(shù)據(jù)作為全國流量的核心數(shù)據(jù)，目前最終落地點在一級節(jié)點核心數(shù)據(jù)庫，設(shè)計上只在一級核心服務(wù)集群有DML（增加、刪除、修改）操作。針對現(xiàn)在全國層級架構(gòu)，設(shè)計數(shù)據(jù)同步模塊做二級數(shù)據(jù)庫緩存，數(shù)據(jù)同步組件組成模塊如圖2所示。

一級節(jié)點SYNCSERVER采用增量方式將二級所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)同步至二級SYNCCLIENT代理，傳輸過程進行了數(shù)據(jù)壓縮。同步的數(shù)據(jù)范圍為實時航班數(shù)據(jù)，設(shè)T0時間為當(dāng)前時間，同步的時間跨度范圍為T0-1至T0+7天的實時數(shù)據(jù)。

2.3環(huán)境數(shù)據(jù)模塊工作流程

環(huán)境數(shù)據(jù)包括情報區(qū)、機場、扇區(qū)、管制區(qū)、航路、航空公司等各類數(shù)據(jù)，由情報中心系統(tǒng)輸出給全國流量管理系統(tǒng)，通過全國流量系統(tǒng)中央處理節(jié)點數(shù)據(jù)引接交互區(qū)，按照情報中心確認的對外接口格式接入。

以光盤數(shù)據(jù)為例，環(huán)境數(shù)據(jù)模塊的基本工作流程如圖3所示。首先，將情報中心光盤數(shù)據(jù)（每28天發(fā)布）通過靜態(tài)航行情報處理系統(tǒng)接口傳輸完成環(huán)境數(shù)據(jù)的引接;然后將光盤中的格式化數(shù)據(jù)存儲入庫進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。每期導(dǎo)入至流量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與往期發(fā)布數(shù)據(jù)進行比對校驗，人工完成數(shù)據(jù)審核確認。最后，在流量系統(tǒng)內(nèi)提供基于內(nèi)部格式的文件服務(wù)以及基于Http Restful的Web接口完成轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的發(fā)布及調(diào)閱。

2.4數(shù)據(jù)處理與發(fā)布

流量系統(tǒng)內(nèi)部配置了統(tǒng)一的環(huán)境數(shù)據(jù)處理模塊，可為后端關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供環(huán)境數(shù)據(jù)的維護及調(diào)閱服務(wù)，如圖4所示。

根據(jù)情報數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)預(yù)先創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，通過擴展spring boot及mybatis-generator框架，自動生成JAVA實體類，追加了分頁、節(jié)點之間映射關(guān)系、自定義過濾條件等內(nèi)容。情報數(shù)據(jù)通過java反射機制，直接生成對象后完成數(shù)據(jù)入庫。

數(shù)據(jù)發(fā)布：指定生效日期與失效日期，篩選特定數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的xml或JSON格式的數(shù)據(jù)到指定的版本服務(wù)器。

數(shù)據(jù)調(diào)閱：調(diào)閱方通過API接口傳入時間參數(shù)后獲取該時間段對應(yīng)的數(shù)據(jù)版本號，再傳入獲得的版本號及特定的數(shù)據(jù)類別代號（如FIX報告點），后臺再將對應(yīng)日期的數(shù)據(jù)內(nèi)容回傳給調(diào)閱方。目前支持Linux動態(tài)庫調(diào)用和Web API（Http Restful接口）調(diào)用兩種方式。

系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計并部署了基于TCP協(xié)議的多線程文件傳輸服務(wù)器，可支持多客戶端并發(fā)TCP連接到服務(wù)端上，客戶端可根據(jù)提供的版本信息從數(shù)據(jù)文件服務(wù)器上下載所需的數(shù)據(jù)文件，進而處理并使用。其基本流程如圖6所示。

三、數(shù)據(jù)處理性能

3.1 基于Restful接口

Restful風(fēng)格的接口主要提供基于Java的Web服務(wù)調(diào)用，經(jīng)測試，在全系統(tǒng)啟動時，環(huán)境數(shù)據(jù)處理模塊的Restful接口峰值訪問頻次可超過700次/秒，目前系統(tǒng)部署的基于Ngnix負載均衡的方式可有效支持在高并發(fā)下數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問，在已上線的系統(tǒng)中，Restful接口表現(xiàn)穩(wěn)定，承載了相應(yīng)的訪問請求。

3.2基于TCP服務(wù)器

根據(jù)實際的情報中心光盤數(shù)據(jù)文件可知，除班機航線組成航路點信息文件較大，約95 M外，對于航路、機場等其他常用數(shù)據(jù)文件，文件大小只有幾百KB到幾MB范圍內(nèi)不等。根據(jù)日常并發(fā)量評估，進行單個服務(wù)器200個客戶端并發(fā)下載模擬測試，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，其中下載準確度依據(jù)已下載文件和文件服務(wù)器上被下載文件的MD5碼比較所得。

由此可見，多線程TCP服務(wù)器文件發(fā)布性能比較突出，能夠很好地滿足實際應(yīng)用場景的使用。

四、結(jié)束語：

目前我國空管部門的空管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的更新方式與發(fā)布有復(fù)雜的流程，對環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，維護和應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。全國流量管理系統(tǒng)情報數(shù)據(jù)解析模塊支持多種方式的權(quán)威數(shù)據(jù)的接入，兼容國際民航組織提倡的AIXM格式，符合國內(nèi)與未來的國際標(biāo)準。在統(tǒng)一的流量管理框架下，通過多種技術(shù)手段，可實現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實時處理和大范圍應(yīng)用。

參? 考? 文? 獻

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