基于UML和XSD的航班信息交換模型研究與實現(xiàn)

王忠波，羅喜伶,齊 鳴，張寶江

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.地球空間信息技術協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079；3.中國民用航空局 空中交通管理局技術中心，北京 100015)

基于UML和XSD的航班信息交換模型研究與實現(xiàn)

王忠波1,2，羅喜伶1,2,齊 鳴3，張寶江3

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.地球空間信息技術協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079；3.中國民用航空局 空中交通管理局技術中心，北京 100015)

目前，民航運輸業(yè)快速發(fā)展、航班數(shù)量迅猛增加帶來了海量的航班信息和數(shù)據(jù)。為保障關鍵數(shù)據(jù)進行高效、安全、規(guī)范地傳輸和共享，需對航班信息的內(nèi)容和格式進行標準化和規(guī)范化，以便未來在廣域信息管理系統(tǒng)(System Wide Information Management,SWIM)中相互協(xié)作的民航業(yè)務系統(tǒng)間能夠?qū)φ麄€生命周期中的航班狀態(tài)有共同的態(tài)勢感知。在介紹SWIM和航班信息交換模型(Flight Information Exchange Model,FIXM)的相關背景、數(shù)據(jù)字典以及邏輯模型和物理模型之間關系的基礎上，系統(tǒng)研究了統(tǒng)一建模語言(UML)和XML模式定義(XSD)等關鍵技術。在此基礎上，研究FIXM核心模型的整體架構，以及ATS報文與FIXM的映射關系。在實現(xiàn)方面，以領航計劃報(FPL)為例對報文轉換進行演示驗證，使其具有靈活、擴展性強和易于傳輸?shù)葍?yōu)勢,有助于對航班信息格式標準化和未來SWIM系統(tǒng)部署。

民航廣域信息管理；航班信息交換模型；統(tǒng)一建模語言；XML模式定義

0 引 言

目前空中交通管理(Air Traffic Management,ATM)系統(tǒng)接口是根據(jù)具體需求和功能進行定制化設計、開發(fā)、管理和維護，如機載系統(tǒng)和管制系統(tǒng)的功能接口，具有不同的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)結構，造成接口維護成本高、安全管理難和信息交換不暢等缺陷。FAA和Eurocontrol將基于SOA的SWIM作為關鍵技術[1-2]，通過接口和數(shù)據(jù)標準化，以服務的方式實現(xiàn)ATM信息共享。針對當前空中交通管理和民航其他各業(yè)務系統(tǒng)內(nèi)關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)(如航班動態(tài)信息等)存在不完整、不系統(tǒng)、標準以及格式均不統(tǒng)一等問題，F(xiàn)AA和Eurocontrol對航班信息進行標準化建模，即航班信息交換模型(FIXM)[3]，其為目前SWIM三大標準模型之一。FIXM模型的開發(fā)和應用將促進實現(xiàn)實時、高效和安全的信息交換、共同的態(tài)勢感知和協(xié)同決策等[4]，從而進一步提高航班運行效率。

近幾年，國內(nèi)民航運輸業(yè)快速發(fā)展、航班數(shù)量迅猛增加，為了高效、安全、規(guī)范地傳輸和共享海量航班信息和數(shù)據(jù)，需要構建符合國內(nèi)實際的SWIM系統(tǒng)。其中，也需要對航班信息的數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式進行標準化和規(guī)范化研究。以便未來在基于SWIM架構下相互協(xié)作的各民航航班業(yè)務信息系統(tǒng)間能夠?qū)桨嘈畔⒑蛿?shù)據(jù)的特性和狀態(tài)有相同的理解，對數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式有歸一化的標準，從而實現(xiàn)對整個生命周期中的航班狀態(tài)有共同的態(tài)勢感知[5]。

基于統(tǒng)一建模語言(UML)和XML結構定義(XSD)等技術，針對當前民航各業(yè)務信息系統(tǒng)中存在的航班數(shù)據(jù)信息格式和標準各異、定義方式和數(shù)據(jù)格式紛繁復雜、各自成規(guī)的瓶頸和障礙問題，開展符合未來基于廣域信息管理系統(tǒng)的FIXM的研究、建模與實例實現(xiàn)。將現(xiàn)有的ATS報文表示的航班數(shù)據(jù)進行標準化、規(guī)范化改造和轉換，消除數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、接口不規(guī)范、內(nèi)容不一致、信息擴展難等問題，滿足未來民航運行對航班信息交互的獨立性、協(xié)作性和互操作性等需求。

1 航班信息交換模型相關背景

1.1 民航廣域信息管理背景

民航廣域信息管理是一個國際通用概念，最初是從美國和歐洲發(fā)展起來的。20世紀90年代，歐美民航高速發(fā)展，F(xiàn)AA和歐控(Eurocontrol)意識到現(xiàn)存的民航信息系統(tǒng)將不能支持新的需求，有必要建立一個可促進信息共享和管理的現(xiàn)代民航信息系統(tǒng)，以提供高效、安全的信息服務。隨后，該信息系統(tǒng)(即SWIM)被美國和歐洲分別列入“下一代航空運輸系統(tǒng)(NextGen)”和“單一歐洲天空實施計劃(SESAR)”中，作為系統(tǒng)互聯(lián)和信息共享基礎。同時，國際民航組織(ICAO)也將SWIM列入航空系統(tǒng)組塊升級(ASBU)規(guī)劃，作為改進全球民航系統(tǒng)互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享的重要支撐[6]。

目前，國際民航組織對SWIM的互操作框架定義如圖1所示[7]，自下而上分別是：SWIM支持的應用層、信息交換服務層、信息交換模型層、SWIM基礎設施層和網(wǎng)絡連接層，各層分別代表對應互操作機制和標準。

圖1 SWIM互操作框架

目前，信息交換模型層主要包括航空信息交換模型(AIXM)、航班信息交換模型(FIXM)和氣象信息交換模型(WXXM)三種數(shù)據(jù)模型[6]，它們已在歐美等國家的某些系統(tǒng)中進行了應用和實驗。為了國內(nèi)SWIM項目的推進，F(xiàn)IXM的研究必不可少。

1.2 FIXM概述

FIXM是一個對整個航班生命周期中的信息進行共享的數(shù)據(jù)交換標準[3]。通過在ATM系統(tǒng)、空域用戶、交通運輸部門、安全和防御部門、后勤和運輸提供者等之間進行交互代理，F(xiàn)IXM模型促進了所有空中交通利益相關者之間的互操作。圖2展示了FIXM模型在不同的信息域提供數(shù)據(jù)層面的互操作。

圖2 FIXM促進不同域之間的數(shù)據(jù)交換

其實際應用主要集中在互操作架構的應用層面，用于聯(lián)通協(xié)調(diào)作為數(shù)據(jù)發(fā)布者和作為數(shù)據(jù)訂閱者的ATM系統(tǒng)。其中作為數(shù)據(jù)發(fā)布者的ATM系統(tǒng)包括ATC系統(tǒng)、交通流量管理系統(tǒng)和氣象處理系統(tǒng)等，作為數(shù)據(jù)訂閱者的ATM系統(tǒng)包括空域用戶航班運行中心、機場和交通部門、軍隊命令和控制中心等。

航班信息交換模型主要目的是建立全球統(tǒng)一的航班信息交換的標準格式，在不同的信息域間起橋梁作用，促進民航各系統(tǒng)間對航班信息的共享。FIXM模型能夠進行長期拓展與豐富，取決于其適應新的技術和業(yè)務變革的能力。FIXM模型強調(diào)對數(shù)據(jù)元素以一種對所有利益相關者有意義并且易懂的方式進行文件編制、命名和表示，這種形式將促進利益相關者對數(shù)據(jù)的快速發(fā)現(xiàn)和使用。

FIXM模型能夠作為SWIM信息交換標準之一，其存在諸多優(yōu)勢，如簡單的互操作、可伸縮的技術、通俗易懂、靈活和適配、促使利益相關者的采納、增加信息的數(shù)量和質(zhì)量、增加航班操作的動態(tài)和分布等。

FIXM模型主要組成包括以下3部分[8-9]：

(1)FIXM概念模型(數(shù)據(jù)字典)。

在FIXM概念早期，存在概念模型，其主要用來描述FIXM運行環(huán)境中航班和流量信息交換方面的場景，以及各個實體以及它們之間的關系。隨著FIXM版本的演進，逐漸增大數(shù)據(jù)字典的作用，數(shù)據(jù)字典中詳細描述了每一個數(shù)據(jù)元素的概念定義、數(shù)據(jù)類型、范圍約束等，其為構建FIXM邏輯模型的基礎。

(2)FIXM邏輯模型。

FIXM邏輯模型采用統(tǒng)一建模語言實現(xiàn)對航班信息間關系更具體的描述，邏輯模型主要用來從技術層面描述航班信息在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交換，包括空地之間的交換。該邏輯模型詳細描述每個數(shù)據(jù)實體、數(shù)據(jù)實體的屬性以及相互間關系，同時能夠準確定位外界運行環(huán)境對各個數(shù)據(jù)實體的各種限制條件。在此基礎上，F(xiàn)IXM邏輯模型能夠通過一種拓展機制將數(shù)據(jù)實體、數(shù)據(jù)實體屬性及其相互關系提供給核心模型以外的環(huán)境。FIXM邏輯模型由概念模型發(fā)展而來，在層級劃分上高于物理模型。

(3)FIXM物理模型。

FIXM物理模型是FIXM的物理表述或物理模型實現(xiàn)，其形式采用XSD定義，是通過XML語言將FIXM邏輯模型中的結構體進行具體描述。物理模型最初主要用于解決地/地間航班信息的交換問題，成熟后也可應用于地/空間航班信息的交換，從而促進空天一體化進程。

FIXM邏輯模型是FIXM概念模型(或者數(shù)據(jù)字典)和物理實現(xiàn)的中間模型，物理實現(xiàn)包括XSD文件和相關的文檔等。邏輯模型描述信息的結構和實現(xiàn)，并以可視的UML類視圖表示。UML類視圖是模式中立的格式，邏輯模型可以生成對應的XSD文件。

為了與FIXM數(shù)據(jù)字典保持一致，F(xiàn)IXM邏輯模型中的元素分為三類：來源于FIXM DD的元素，邏輯模型中的類與一個或多個數(shù)據(jù)字典中的條目直接對應；合成對象，合成對象中的類由其他類共同組成，并不與數(shù)據(jù)字典直接對應；基本對象，表示基本數(shù)據(jù)類型，用于表述FIXM數(shù)據(jù)字典中的數(shù)據(jù)元素，并不與數(shù)據(jù)字典直接對應。

2 航班信息交換模型關鍵技術

2.1 統(tǒng)一建模語言

對于一個大型數(shù)據(jù)交換共享平臺或軟件系統(tǒng)的開發(fā)、部署和實際運行來說，業(yè)務數(shù)據(jù)的格式、標準、結構以及相應數(shù)據(jù)庫的設計是否合理和成功是整體平臺和信息系統(tǒng)成敗的關鍵。

UML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍實用的建模語言[10]。標準建模語言UML由用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖和實現(xiàn)圖共五類圖組成。

其中，靜態(tài)圖包括類圖、對象圖和包圖。類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結構，不僅定義系統(tǒng)中的類，表示類之間的聯(lián)系，也包括類的內(nèi)部結構，在系統(tǒng)的整個生命周期都是有效的。對象圖是類圖的實例，幾乎使用與類圖相同的標識。它們的不同點在于對象圖顯示類的多個對象實例。一個對象圖是類圖的一個實例，對象存在生命周期導致對象圖只能在系統(tǒng)某一時間段存在。包圖由包或類組成，表示包與包間的關系，用于描述系統(tǒng)的分層結構。

在FIXM模型建立與拓展中，主要采用此種靜態(tài)圖來描述數(shù)據(jù)元素之間的關系，根據(jù)航班信息主題的不同進行劃分和包定義，并對數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)類型和取值進行了定義與限制。

2.2 XML模式定義

XML模式定義[11]是由W3C推薦的通過在XML文檔中對數(shù)據(jù)元素進行格式化描述，其中主要組成包括元素聲明、屬性聲明，以及簡單和復雜類型的定義等。

XSD可以用來描述文檔的內(nèi)容、驗證數(shù)據(jù)的正確性、定義數(shù)據(jù)約束、定義數(shù)據(jù)模型(或者數(shù)據(jù)格式)，并使不同數(shù)據(jù)類型之間的轉換變得容易。其具有靈活、可擴展、易交互和平臺無關性等優(yōu)點，比較適合描述FIXM物理模型，能夠促進不同的空管系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換，從而促進民航信息化。

3 FIXM模型框架研究與開發(fā)

3.1 總體框架

FIXM模型的整體架構如圖3所示。該模型由Foundation、Base和FlightObject三部分組成。

其中Foundation主要包含定義FIXM核心模型中數(shù)據(jù)元素的基礎類型，并與AIXM進行共享，其中有些元素是直接依賴于AIXM和GML中的數(shù)據(jù)元素。Foundation主要包括Address、Aerodrome、Aeronautical、Altitude、Location、Measures、Organization和Time等主題。

Base中的元素為FIXM模型低層次元素，除了AIXM和GML外，可被邏輯模型中其他包共享。其主

圖3 FIXM模型的整體架構

要包括Aerodrome、Airspace、Extension、Feature、Location、Time和Type等主題。一般情況下，核心包(即FlightObject包)中元素優(yōu)先引用和擴展Base中的類或元素，其次為Foundation。Base為核心包提供隔離層，以屏蔽Foundation中的變化。

FlightObject主要用來描述與航班相關的重要信息，如航班狀態(tài)、航空器狀態(tài)和航班類型等，其由Aircraft、Cargo和Flight組成。其中，Aircraft包含航空器描述、通信功能、導航功能、監(jiān)視功能和危險應急功能等；Cargo主要包含航運危險品描述信息；Flight為FIXM模型的核心，用來描述航班生命周期中的核心信息，包括航班起飛信息、航路信息、航班狀態(tài)信息、航跡信息和航班降落信息等。模型中的元素與數(shù)據(jù)字典中定義的元素相對應，并可以在其基礎上添加一些必需的結構元素。

3.2 ATS報文與FIXM模型的對應關系

航班計劃高效、實時和安全的傳輸是協(xié)同環(huán)境下的航班與流量(FF-ICE)的目標之一，F(xiàn)IXM交換格式將替換目前與ATS報文相關的航班計劃，其被認為是SWIM的關鍵數(shù)據(jù)模型。在此過渡期間，有些利益相關者采用FIXM發(fā)送和接收航班計劃信息，其他利益相關者依然使用ATS報文的格式。在此混合的環(huán)境中，需要實現(xiàn)FIXM格式和ATS報文格式之間的轉換，但需要采用相關技術和機制避免丟失關鍵信息[12]。

ATS報文是一個為實現(xiàn)航班信息通信的消息傳輸格式，定義了一些語法來表示特殊的含義，比如DLA表示航班起飛的延時。FIXM是航班信息表示和交換的模型和格式，其僅僅對航班信息進行建模，并沒有定義消息傳輸格式，其定義了報文可能出現(xiàn)的信息，而不是信息本身，即FIXM表示了航班信息的內(nèi)容格式，而不像ATS表示信息本身。ATS與FIXM的映射主要對ATS各編組進行。

以一個民用航空飛行動態(tài)固定電報格式(MH/T 4007-2012)[13]中代表“緊急情況說明”的編組5來對ATS報文與FIXM模型的對應關系以及FIXM模型的相關應用進行實例說明。

在ATS報文中，編組5的格式如圖4所示。

圖4 ATS報文對應的編組5

數(shù)據(jù)項A：危險等級，如表1所示。

表1 危險等級

數(shù)據(jù)項B：電報簽發(fā)者。用八個字母表示，前四個字母是國際民航組織分配的地名代碼，后四個字母的前三個字母是發(fā)報的空中交通服務單位代碼，最后一位為“X”或空中交通服務單位中的部門代碼。

數(shù)據(jù)項C：緊急情況的性質(zhì)。根據(jù)需要加上明語短文，以便說明緊急情況的性質(zhì)，各詞之間用空格隔開。

該編組5報文與FIXM模型的對應關系如表2所示。

表2 編組5報文與FIXM模型的對應關系

從表2可知，編組5的數(shù)據(jù)項A對應FIXM模型中FlightObject.Flight.Emergency包下的EmergencyPhase類，該Emergency包的UML邏輯模型如圖5所示。其他數(shù)據(jù)項的對應關系與此類似。

圖5 編組5數(shù)據(jù)項A與FIXM邏輯模型對應關系

4 FIXM模型的實現(xiàn)實例

以領航計劃報(FPL)為例，描述ATS報文向FIXM模型的轉換。以下為CSZ9739航班的FPL報文，儀表飛行，正班。一架A320中型機，機上載有標準的通信/導航/監(jiān)視設備且工作正常。起飛機場為西安咸陽國際機場，預計撤輪檔時間為23:40，第一段航路的巡航速度為0.78MACH，請求的第一個飛行高度層為8 900 m，經(jīng)過UGSUT加入航路H11，沿預定航路到達目的地。目的機場為景德鎮(zhèn)羅家機場，預計飛行總時間為92 min，備降機場為福州長樂國際機場。預計到達武漢飛行情報區(qū)需用19 min，上海飛行情報區(qū)需用53 min，航空器注冊號為B6567，選擇呼號代碼為RSBD，機上載有TCAS空中防撞系統(tǒng)。

(FPL-CSZ9739-IS

-A320/M-SDE2E3FGHIRWX/LB1

-ZLXY2340

-M078S0890 DCT UGSUT H11 SHX H14 LRU H103 KAMDA W128 FYG B208 HFE H2 JDZ

-ZSJD0132 ZSFZ

-PBN/A1B1C1D1L1O1 NAV/ABAS REG/B6567 EET/ZHWH0019 ZSHA0053 SEL/RSBD

CODE/78056C PER/C RMK/TCAS)

通過編寫程序?qū)⒃揊PL報文轉換為FIXM格式的數(shù)據(jù)，并為該報文信息添加全球唯一航班標識符(GUFI)，圖6只包含部分關鍵信息，包括GUFI、航班號、航空器數(shù)量、尾流信息、航空器類型、航空器性能、機載設備(通信、導航和監(jiān)視)、注冊號、起飛機場和預計撤輪檔時間、降落機場、備降機場，以及航路等信息。

urn:uuid:6d1e2395-a262-4629-a2df-6bdf11330f02

CSZ9739

1

M

A320

C

……

……

……

B6567

ZLXY

2016-03-03T23:40:000Z

ZSJD

ZSFZ

……

……

IFR

DCT UGSUT H11 SHX H14 LRU H103 KAMDA W128 FYG B208 HFE H2 JDZ

……….

H2

TCAS

SCHEDULED

圖6 報文程序

5 結束語

在當前民航大力推進SWIM系統(tǒng)研究和建設以實現(xiàn)空中交通高效安全運營的背景下，對FIXM模型進行研究，并介紹了該模型的組織架構。根據(jù)民航未來航班數(shù)據(jù)交換從ATS報文轉為FIXM數(shù)據(jù)格式的設想，對兩者之間的映射關系進行了詳細研究。最終實現(xiàn)了ATS報文向FIXM數(shù)據(jù)格式的轉換，并以FPL報文的轉換實現(xiàn)為例，對數(shù)據(jù)格式轉換和實際使用等研究工作進行演示和實踐。該研究工作將推動空管航班信息格式標準化，促進空管系統(tǒng)間航班信息的高效交換，并為實現(xiàn)空管系統(tǒng)高效運行和SWIM系統(tǒng)的部署實施奠定基礎。

[1] Stephens B. System-wide information management (swim) demonstration security architecture[C]//25th digital avionics systems conference.[s.l.]:IEEE,2006:1-12.

[2] International Civil Aviation Organization.Manual on Flight and Flow-Information for a Collaborative Environment (FF-ICE)[M].[s.l.]:International Civil Aviation Organization,2012.

[3] Liang D,Ngo T,Madera E C,et al.Information management-FIXM and mini global[C]//34th digital avionics systems conference.[s.l.]:IEEE,2015.

[4] Zhao Milong，Luo Xiling，Qi Ming，et al.The research synopsis about SWIM in China[C]//Proceedings of IEEE ISADS.[s.l.]:IEEE,2015:171-174.

[5] Wang Z,Luo X,Zhao M,et al.The research of system wide information management based on SOA[C]//6th IEEE international conference on software engineering and service science.[s.l.]:IEEE,2015:837-840.

[6] Wikipedia. System wide information management[EB/OL].2016.https://en.wikipedia.org/wiki/System_Wide_Information_Management.

[7] International Civil Aviation Organization (ICAO) Air Traffic Requirements and Performance Panel (ATMRPP).System Wide Information Management (SWIM) concept document[M].[s.l.]:[s.n.],2009.

[8] FIXM Development Team.Flight information exchange model[EB/OL].2016.https://www.fixm.aero/.

[9] FIXM modeling best practices[M].[s.l.]:FIXM CCB Membership,2014.

[10] Object Management Group (OMG). Unified modeling language[EB/OL].2016.http://www.uml.org/.

[11] Wikipedia.XML Schema (W3C) [EB/OL].2016.https://en.wikipedia.org/wiki/XML_Schema_(W3C).

[12] ATS message content to FIXM logical model map[M].[s.l.]:FIXM CCB Membership,2014.

[13] 民用航空飛行動態(tài)固定格式電報管理規(guī)定[S].出版地不詳：出版者不詳，2012.

Research and Implementation of Flight Information Exchange Model Based on UML and XSD

WANG Zhong-bo1,2,LUO Xi-ling1,2,QI Ming3,ZHANG Bao-jiang3

(1.School of Electronics and Information Engineering,Beihang University，Beijing 100191,China;2.Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology,Wuhan 430079,China;3.Technical Centre of Air Traffic Management Bureau of CAAC，Beijing 100015，China)

At present,massive flight information and data are led by the rapid development of civil aviation transport industry and the increase of the flight number.In order to ensure the efficient,safe and standardized transmission and sharing of the key data,the content and format of the flight information need to be standardized.With the state of flight within its whole lifecycle under the System Wide Information Management (SWIM) in the future,the common situational awareness is shared by civil aviation business systems.Firstly,the background of SWIM and Flight Information Exchange Model (FIXM) and the relationship among the data dictionary,the logical model and the physical model are introduced.Then the Unified Modeling Language (UML) and the XML Schema Definition (XSD) are described.And the framework of FIXM core model and the mapping relationship between ATS message and FIXM are searched.In the aspect of implementation,according to the mapping relationship,the message of flight plan as an example is converted to the FIXM format.Based on all that works,the representation of flight plan is more flexible,scalable and easy to transfer.And the foundation of the standardization of flight information and the implementation of SWIM deployment is laid.

SWIM;FIXM;UML;XSD

2016-05-10

2016-09-08

時間：2017-03-07

中國民用航空局科技項目(201511001600067x)；北京市科技計劃項目(D161100005816001)

王忠波(1990-)，男，研究生，CCF會員(會員號：59743D)，研究方向為民航廣域信息管理；羅喜伶，博士，副教授，研究方向為現(xiàn)代空中交通管理、空管信息化、航空衛(wèi)星通信導航和新航行系統(tǒng)理論與技術等。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0921.042.html

TP31

A

1673-629X(2017)04-0139-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.031