空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)壓力測(cè)試下的性能表現(xiàn)分析

曹杉杉

摘要：對(duì)空管自動(dòng)化系統(tǒng)在壓力測(cè)試下的性能表現(xiàn)進(jìn)行了分析。空管自動(dòng)化系統(tǒng)作為民航空管部門實(shí)施對(duì)空指揮的核心系統(tǒng)，在確保民航空管對(duì)空指揮任務(wù)的安全實(shí)施中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)其進(jìn)行壓力測(cè)試評(píng)估軟件在極端情況下的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)軟件中的漏洞和弱點(diǎn)，以確保軟件系統(tǒng)在處理大批量目標(biāo)下的穩(wěn)定性、可靠性。AirNet空管自動(dòng)化系統(tǒng)在壓力條件下表現(xiàn)基本穩(wěn)定，各項(xiàng)功能均可用，總體風(fēng)險(xiǎn)可控。針對(duì)SDD界面程序處理效率和多核心的資源調(diào)度處理，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：空管自動(dòng)化系統(tǒng)；ATC；性能；測(cè)試

一、前言

隨著航班量的日益激增，空管自動(dòng)化系統(tǒng)作為與空管業(yè)務(wù)流程高度相關(guān)的信息系統(tǒng)，對(duì)于保證軟件系統(tǒng)在處理大批量目標(biāo)下的穩(wěn)定性、可靠性提出了更高要求。因此，壓力測(cè)試作為檢驗(yàn)系統(tǒng)安全性、完善性的有效手段，意義重大。

空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)需要處理大量的飛行數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力是評(píng)估其性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1]。在壓力測(cè)試中，通過模擬大量的飛行器和雷達(dá)信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。在數(shù)據(jù)處理過程中，系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和存儲(chǔ)等操作，這些操作的效率和穩(wěn)定性直接影響了系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。同時(shí)，管制自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保障空中交通安全的基礎(chǔ)。在壓力測(cè)試中，通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間和高強(qiáng)度的測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試中，需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組件和接口進(jìn)行測(cè)試，確保系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)崩潰或故障等問題。

因此，壓力測(cè)試是評(píng)估空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)性能的重要手段。通過對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和容錯(cuò)性等方面的測(cè)試，可以全面了解系統(tǒng)的性能表現(xiàn)[2]。針對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問題和瓶頸，采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，可以提高系統(tǒng)的性能和可靠性，保障空中交通的安全和效率。

二、測(cè)試設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件壓力測(cè)試前，需要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備工作。首先，要搭建符合測(cè)試要求的測(cè)試環(huán)境，包括硬件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件配置等。測(cè)試環(huán)境應(yīng)盡可能接近真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，以提高測(cè)試的準(zhǔn)確性和有效性。所配置的AirNet空管自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)主要服務(wù)器和席位終端的配置如表1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其次，需要準(zhǔn)備相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備和工具，如用于發(fā)送模擬雷達(dá)數(shù)據(jù)和模擬電報(bào)數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)源等。此外，還需要根據(jù)測(cè)試需求編寫測(cè)試用例和腳本，明確測(cè)試的目標(biāo)和預(yù)期結(jié)果。本文所進(jìn)行的壓力測(cè)試，以AirNet空管自動(dòng)化系統(tǒng)為例，依據(jù)《AirNet空管自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》《民航空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)第 2 部分：技術(shù)要求》（MH/T4029.2）等文件，突出壓力測(cè)試特點(diǎn)，將被測(cè)軟件按照不同模塊進(jìn)行分解[3]，針對(duì)分解后的每一模塊具體的功能及操作分別設(shè)計(jì)壓力測(cè)試場(chǎng)景和測(cè)試用例。

三、 測(cè)試執(zhí)行及系統(tǒng)表現(xiàn)分析

壓力測(cè)試圍繞系統(tǒng)性能、交互接口、運(yùn)行安全[4]等六個(gè)方面展開，引入日常軟件管理工作中發(fā)現(xiàn)的故障作為測(cè)試用例[5]，重點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和適應(yīng)性，通過壓力負(fù)載測(cè)試、邊界測(cè)試和安全性測(cè)試等不同方法，深度評(píng)測(cè)空管自動(dòng)化系統(tǒng)的極限運(yùn)行性能[3]。

系統(tǒng)航跡數(shù)據(jù)處理壓力測(cè)試是以256個(gè)目標(biāo)航跡為單位，步進(jìn)式增加同時(shí)處理的航跡數(shù)量，同時(shí)，以腳本收集各服務(wù)器重要進(jìn)程的CPU占用率，驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)的符合度。在壓力測(cè)試條件下，AirNet空管自動(dòng)化系統(tǒng)的系統(tǒng)性能及部分測(cè)試問題表現(xiàn)如下：

系統(tǒng)總體性能指標(biāo)如表2。

如圖2所示，系統(tǒng)航跡融合處理進(jìn)程（msdp）在 MSDP1服務(wù)器中的資源占用率在系統(tǒng)航跡逐步增大的過程中逐步提升。CPU占用率在2048個(gè)航跡時(shí)達(dá)到峰值1.90%。在最大航跡目標(biāo)數(shù)持續(xù)一段時(shí)間后，CPU占用率有所回落。該進(jìn)程內(nèi)存占用率在整個(gè)過程中的平均值為4.85%，整體波動(dòng)不大，最大值與最小值差為0.1%。

如圖3、4所示，在系統(tǒng)航跡逐步增加過程中，系統(tǒng)按照256每批目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)。雷達(dá)處理（MSDP1）、飛行計(jì)劃相關(guān)服務(wù)器（FDP1）和態(tài)勢(shì)界面顯示終端（SDD28） 整體 CPU 資源占用率隨著系統(tǒng)航跡相關(guān)數(shù)逐步增加而逐步提升。航跡與飛行計(jì)劃相關(guān)到1401個(gè)后，系統(tǒng)無法進(jìn)行自動(dòng)匹配相關(guān)，同時(shí)受態(tài)勢(shì)界面SDD卡頓嚴(yán)重，不能手動(dòng)進(jìn)行相關(guān)操作。在系統(tǒng)航跡數(shù)為1401時(shí)，主要服務(wù)器CPU資源占用率（多核心）達(dá)到峰值，但均不超過4%，顯示系統(tǒng)的CPU資源調(diào)度存在缺陷，提前到達(dá)軟件的性能瓶頸。內(nèi)存占用率在整個(gè)過程中波動(dòng)不大，最大值與最小值差不超過0.1%。

如圖5所示，在系統(tǒng)相關(guān)航跡數(shù)到達(dá)1401批的過程中，主要進(jìn)程msdp（航跡處理）、sdd（界面）和fcs（相關(guān)）進(jìn)程CPU資源占用率（以單核計(jì)算）呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，其峰值 CPU 資源使用率分別為118.7%、106.5%和51%，此時(shí)對(duì)應(yīng)服務(wù)器最繁忙的單核心CPU使用率分別為13.85%、97.76%和31%。數(shù)據(jù)表明，在主要進(jìn)程的多核心調(diào)度方面，msdp較為優(yōu)異，可以支持系統(tǒng)航跡進(jìn)一步增長(zhǎng)，而sdd不能調(diào)動(dòng)多核心資源，達(dá)到計(jì)算和處理的瓶頸，直接制約了系統(tǒng)相關(guān)航跡的進(jìn)一步提升。此外，在人機(jī)界面打開二窗口或執(zhí)行管制操作時(shí)，還會(huì)進(jìn)一步降低最大相關(guān)航跡的數(shù)量。

如圖6、7所示，大批量系統(tǒng)航跡還涉及數(shù)據(jù)記錄回放功能，因此作者同期記錄了5個(gè)席位4倍速回放下，DRP1服務(wù)器C網(wǎng)絡(luò)流量情況。在5個(gè)席位4倍速回放下，DRP1服務(wù)器C網(wǎng)流量呈現(xiàn)間歇性小幅波動(dòng)態(tài)勢(shì)，在峰值情況下占用資源約2.5億bytes/10s，合約190Mbit/sec，平均網(wǎng)絡(luò)流量44.602Mbit/sec，與系統(tǒng)內(nèi)部千兆帶寬資源1000Mbit/sec相比較，峰值時(shí)的占用率不足20%。

以上數(shù)據(jù)可看出，目前系統(tǒng)的硬件計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)滿容量條件下的資源開銷。不過，在系統(tǒng)航跡數(shù)逐漸增大的過程中，也出現(xiàn)了界面拖影的現(xiàn)象，相關(guān)航跡數(shù)量不能達(dá)到2048批的問題。在調(diào)查“相關(guān)數(shù)量上限”問題時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)，SDD席位整體CPU（16核心）占用率約為3.85%，可用資源大于95%，進(jìn)一步分析各單核CPU的資源使用情況，發(fā)現(xiàn)某一單核心使用資源達(dá)到了97.76%，其他15個(gè)核心資源使用率在10%以內(nèi)。因此，可以判斷，該系統(tǒng)SDD進(jìn)程，未能有效調(diào)度多核心的CPU資源，造成各核心負(fù)載不均衡。SDD席位工作站提前到達(dá)計(jì)算上限，是系統(tǒng)處理性能的瓶頸。

四、結(jié)語

從測(cè)試結(jié)果上看，AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)在壓力條件下表現(xiàn)均基本穩(wěn)定，各項(xiàng)功能均可用。同時(shí)，測(cè)試過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。這些問題并沒有觸及核心系統(tǒng)核心功能和日常運(yùn)行態(tài)勢(shì)，總體風(fēng)險(xiǎn)可控，但也應(yīng)給予重視，尤其是針對(duì)SDD界面程序處理效率和多核心的資源調(diào)度處理，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：王穎振、周航