空中交通流量管理的環境數據架構與應用

張翰文 徐華 張倩 張潮

【摘要】? ? 從空中交通流量管理系統應用層面，對航空基礎環境數據來源進行梳理，分析現有的數據格式與標準。在軟件應用層面，剖析了不同環境數據源的數據引接，處理以及發布流程。在一個統一的流量管理框架下，通過使用多種技術手段，實現系統基礎數據的實時處理與應用。

【關鍵詞】? ? 空管? ? 基礎數據? ? 環境數據? ? 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、新疆這七個地區空管局，均各自建有自己的流量管理機構。全國流量管理系統（NTFM）則是將空管、氣象、通導、機場、航空公司等單位融合到一起，實現數據共享，以協同會商為機制，從戰略、預戰術、戰術、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，同時提升服務滿意度。

為了在全球、地區和國際級別上有一個安全、可靠、高效和可持續的空中交通管理系統，需要一系列基礎性的航行情報數據作支撐。航行情報服務（AIS）信息/數據流日益復雜，由互連系統組成。全球空中交通管理系統（ATM）對高數據質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境的要求，AIS正從提供紙質產品和消息轉向收集和提供數字數據。為構建全球無縫和完全交互的ATM系統的戰略目標，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的發展目標[2]。為了滿足AIS的需求，航空信息交換模型（AIXM）應運而生。

一、數據分類

目前，全國流量管理系統中情報數據主要來源為空管局情報中心系統通過光盤形式下發的數據文件及通過動態接口提供的AIXM 5.1格式數據文件。

1.1光盤電子數據

環境數據模塊目前處理的靜態環境數據包括情報中心下發光盤內的空域類、機場、機型、基礎數據等共計45項數據，如圖1所示。

其中，環境數據基礎數據類別及數據項描述如表1所示。

1.2 AIXM數據

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

AIXM具有時態概念[5]，其目的是使航空數據與時間相關的建模和編碼。在AIXM數據集中使用通用唯一標識符（UUID）作為時間不變功能標識符。

AIXM在國際上已經逐漸被軍方和民航作為數據交互標準所采納，為保證我國空管基礎數據分類標準和編碼規則與國際標準兼容，進而實現全球范圍內的航空數據交換，全國流量管理系統中可解析接入最新的AIXM 5.1格式數據文件，通過數據轉換及入庫等方式，為相關流量處理模塊提供環境基礎數據服務。

二、多級數據處理架構

2.1 FODB層級架構

全國流量管理系統采集、整理、存儲各類流量運行及環境數據，形成統一的流量管理運行數據庫（Air Traffic Flow Operation Database，FODB）。

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

2.2 二級節點數據緩存架構

考慮一二級系統之間為民航通信網，帶寬有限制[6]，針對系統核心數據飛行計劃數據增加二級節點數據庫緩存的功能。通過統一的數據同步模塊，將一級FODB核心運行庫內的數據同步至二級節點的數據庫，用于二級下掛的客戶端席位的數據訪問。

計劃數據作為全國流量的核心數據，目前最終落地點在一級節點核心數據庫，設計上只在一級核心服務集群有DML（增加、刪除、修改）操作。針對現在全國層級架構，設計數據同步模塊做二級數據庫緩存，數據同步組件組成模塊如圖2所示。

一級節點SYNCSERVER采用增量方式將二級所需的基礎數據同步至二級SYNCCLIENT代理，傳輸過程進行了數據壓縮。同步的數據范圍為實時航班數據，設T0時間為當前時間，同步的時間跨度范圍為T0-1至T0+7天的實時數據。

2.3環境數據模塊工作流程

環境數據包括情報區、機場、扇區、管制區、航路、航空公司等各類數據，由情報中心系統輸出給全國流量管理系統，通過全國流量系統中央處理節點數據引接交互區，按照情報中心確認的對外接口格式接入。

以光盤數據為例，環境數據模塊的基本工作流程如圖3所示。首先，將情報中心光盤數據（每28天發布）通過靜態航行情報處理系統接口傳輸完成環境數據的引接;然后將光盤中的格式化數據存儲入庫進行數據預處理。每期導入至流量系統的數據與往期發布數據進行比對校驗，人工完成數據審核確認。最后，在流量系統內提供基于內部格式的文件服務以及基于Http Restful的Web接口完成轉換后數據的發布及調閱。

2.4數據處理與發布

流量系統內部配置了統一的環境數據處理模塊，可為后端關聯業務系統提供環境數據的維護及調閱服務，如圖4所示。

根據情報數據報文結構預先創建數據庫表結構，通過擴展spring boot及mybatis-generator框架，自動生成JAVA實體類，追加了分頁、節點之間映射關系、自定義過濾條件等內容。情報數據通過java反射機制，直接生成對象后完成數據入庫。

數據發布：指定生效日期與失效日期，篩選特定數據，轉換成對應的xml或JSON格式的數據到指定的版本服務器。

數據調閱：調閱方通過API接口傳入時間參數后獲取該時間段對應的數據版本號，再傳入獲得的版本號及特定的數據類別代號（如FIX報告點），后臺再將對應日期的數據內容回傳給調閱方。目前支持Linux動態庫調用和Web API（Http Restful接口）調用兩種方式。

系統內設計并部署了基于TCP協議的多線程文件傳輸服務器，可支持多客戶端并發TCP連接到服務端上，客戶端可根據提供的版本信息從數據文件服務器上下載所需的數據文件，進而處理并使用。其基本流程如圖6所示。

三、數據處理性能

3.1 基于Restful接口

Restful風格的接口主要提供基于Java的Web服務調用，經測試，在全系統啟動時，環境數據處理模塊的Restful接口峰值訪問頻次可超過700次/秒，目前系統部署的基于Ngnix負載均衡的方式可有效支持在高并發下數據的并發訪問，在已上線的系統中，Restful接口表現穩定，承載了相應的訪問請求。

3.2基于TCP服務器

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

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

四、結束語：

目前我國空管部門的空管基礎數據的更新方式與發布有復雜的流程，對環境數據的統一管理，維護和應用帶來了挑戰。全國流量管理系統情報數據解析模塊支持多種方式的權威數據的接入，兼容國際民航組織提倡的AIXM格式，符合國內與未來的國際標準。在統一的流量管理框架下，通過多種技術手段，可實現系統基礎數據的實時處理和大范圍應用。

參? 考? 文? 獻

[1]李翠霞，靳學梅.基于流量管理決策信息的管制決策工具協同設計[J].信息化研究，2020，46（05）：29-33+44.

[2] 程健， 洪鼎松， 程季锃. 空管基礎數據分類標準研究[J]. 中國民航飛行學院學報， 2014， 25（1）：5-10.

[3] 程健， 洪鼎松， 程季锃. 以數據為中心的AIM基礎——AIXM5[J]. 中國民航飛行學院學報， 2010（05）：26-28.

[4]程先峰，何亮.流量管理運行數據庫可靠性設計[J].航空計算技術，2020，50（04）：76-79.

[5]賴欣，胡敬玉.基于AIXM的民航共享數據集成系統構建[J].計算機技術與發展，2020，30（06）：181-185.

[6]陸剛.基于MPLS VPN廣域網下多種業務的設計與實現[J].中國新通信，2019，21（06）：46-48.