基于云计算技术的新一代空管信息系统架构研究

李成功 辛晓娜 裘小晨 王景伟

1(华北计算技术研究所 北京 100083)2(69089部队 新疆 库尔勒 841000)



基于云计算技术的新一代空管信息系统架构研究

李成功1辛晓娜1裘小晨1王景伟2

1(华北计算技术研究所 北京 100083)2(69089部队 新疆 库尔勒 841000)

鉴于传统架构的空管信息系统不能适应我国空管事业的快速发展，分析我国现有空管信息系统建设模式和技术架构面临的问题和挑战，介绍云计算技术的优势和特点，总结云计算技术在国内外空管信息系统建设中应用经验。针对新一代空管信息系统分级部署、协同运行、信息分级处理的特点，提出基于云计算技术的新一代空管信息系统架构设计构想。研究表明，新架构可有效提升空管信息系统的数据处理能力、信息共享水平和运维保障能力。

云计算技术 新一代空管信息系统 系统架构

0 引 言

空管信息系统是我国空管保障体系的重要组成部分，对提高国土防空安全水平、提升空管安全保障能力、维护空中交通秩序、确保空中交通畅通、提高飞行效率起着至关重要的作用。随着全球空管一体化、军队训练任务多样化、空管应急响应智能化、通航飞行与无人机飞行规模化等新趋势的发展，我国现有空管信息系统的建设模式和技术架构面临不少问题和挑战。

随着云计算技术的研究和发展，其对计算机科学和应用产生了极大的影响，相应地促进了IT基础架构的变革，国内外各航空企业和空管部门也开始逐步采用云计算作为其基础架构以期提高系统的性能和部门的效率。在新形势下，如何借鉴国内外空管信息系统建设的新理念，采用云计算、大数据技术等新技术体制，构建新一代空管信息系统架构，以提升我国空管信息系统的数据处理能力、信息共享水平和运维保障能力，成为当前研究的热点。

1 我国空管信息系统建设中存在的问题及面临的挑战

我国空管信息系统经过五十多年的发展，已初具规模，自动化水平显著提高，管制指挥手段得到改善，极大地提高了我国空管安全保障能力和全方位服务水平。但是我国现有空管信息系统架构大都按照传统的设计模式进行设计，主要存在以下问题和挑战：

(1) 空管信息系统设备“七国八制”，缺少智能化统一运维手段

我国空管信息系统经历了一个从引进到国产化的过程。在前期引进了美国雷神、马丁的自动化系统，后期则主要由川大智胜、莱斯、民航二所等国内厂商承建。由于设备种类多，型号不一致，加上缺少统一的智能化和远程运维监控手段，运维成本高，运维保障效率低。

(2) 空管业务应用软件与基础平台紧密耦合，系统集成和升级难度较大

由于系统建设中各生产厂商使用的硬件设备、操作系统、数据库、GIS平台等基础软硬件平台五花八门，加上不同厂商的业务软件技术体制不同，与基础软硬件平台紧密耦合，存在系统集成难度大、升级改造成本高等一系列问题。

(3) 各级空管信息系统独立建设,各类信息分别处理，计算资源未能有效利用

目前我国军民航空管信息系统自成体系，各级空管系统分片建设。由于上下级之间、同级空管信息系统之间未建立按需共享业务处理服务的机制，大都采用本地信息处理模式，大量业务模块重复安装部署，业务数据重复处理现象严重，系统计算资源浪费严重。

(4) 现有空管信息系统的数据采用本地存储模式，大量历史数据得不到有效利用

空管系统运行过程中积累了大量的历史数据，但是现有空管系统大都采用本地存储模式，由于本地存储资源有限，大量宝贵的历史数据被定期清理，造成极大的数据资源的浪费。同时缺少开展大数据挖掘分析的基础条件，数据价值得不到有效利用。

2 云计算技术及其发展应用情况

2.1 云计算技术简介

云计算是一种新的计算模式，由分布式计算、并行计算和网格计算的发展而来[1]。云计算技术是分布式计算、并行计算、网格计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物。

基于云计算技术的系统可通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，使得企业能够根据应用需求访问计算资源、存储资源、网络资源等各类资源。采用云计算技术架构能使企业以较低的成本获取安全、可靠的存储和计算能力，减少对非核心业务的投入，强化自己在核心领域的竞争优势。

与传统架构相比较，云计算架构有一些优势：能赋予用户前所未有的计算能力，对于大规模数据处理、科学计算等需要高性能计算的业务领域，云计算有很好的应用前景；通过提供服务器虚拟化、存储虚拟化、应用虚拟化、平台虚拟化、桌面虚拟化等虚拟化技术的运用，支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务；系统规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要；由于使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，云端数据的可靠性增强。

2.2 云计算技术在空管信息化系统中的应用研究

FAA和欧控在所开展的广域信息管理(SWIM)研究工作中，均已将云计算的理念、虚拟化技术和云存储技术等纳入其技术路线的考虑范围，以解决其在推进美国下一代航空运输系统(NextGen)与欧洲单一天空空中交通管理研究计划(SESAR)过程中面临的海量信息的采集、分类和标准化，数据统一存储以及各个系统间的数据共享的问题。

2011年，美国联邦管理与预算办公室(OMB)发布了联邦云计算战略，提供了决策框架和相关案例以支持各个部门向云计算迁移。重点论述了实现云计算所需的资源，并且明确了联邦政府在推进采用云计算技术中的行动、作用及职责。在此政策精神指导下，FAA于2012年底正式提出了空管云计算发展战略，计划通过政策和流程的支持，形成一种新的IT环境，将基础设施、平台、软件等资源进行整合，构建公众云、私人云、社区云或者混合云等应用模式，使得部门内部可以获取、设计并使用云服务。目前正在两个主要领域实施云计算举措：NAS系统和非NAS系统。此外，通用电气(GE)公司和美国国家航空航天局(NASA)合作开展研究计划，准备将下一代空中交通管理系统带入“云”时代。

欧洲也开展了将云计算技术应用于空管信息系统建设的研究，英国的四大机场之一Gatwick通过与合作的航空公司共享数据信息，利用云计算资源为乘客提供更便捷、更实时的航空旅行信息。英国航空管制巨头NATS公司宣布为保证未来业务增长战略的需要，将公司基于桌面的IT服务全部转向可以提供灵活、快速应对变化的云计算架构。Frequentis公司的研究人员提出了航空云服务ACS(Aeronautical Cloud Services)的概念，将卫星通信地面站、VHF/LDACS数据链、空管服务信息处理系统AMHS(Air Traffic Services Message Handling System)、扇区地面控制系统SFC(Sector Floor Control)整合作为云资源，通过虚拟化为用户提供统一完整的航空云服务。

我国在空管云计算应用方面也做了不少尝试，民航东北地区空中交通管理局结合信息化办公环境，提出了民航东北空管局桌面虚拟化建设方案[2]。通过将协同办公系统、电子政务平台、即时通信系统、电子值班日记系统等各种信息化应用软件统一发布到虚拟化桌面中，办公用户无需安装各种软件，即可使用各种信息化应用。民航华东地区空中交通管理局的叶云斐，针对华东地区巨大的航班吞吐量，提出了一套基于云计算平台的CDM系统设计方案[1]。通过测试验证，该系统架构具备良好的计算能力和业务处理能力，使用灵活，满足系统安全可靠、成本低、易拓展的需求。中国电子科技集团公司第二十八研究所的肖雪飞，提出了基于云计算技术设计了自动化飞行服务站云计算中心体系架构[3]，描述了需要实现该体系架构的关键技术。中国电子科技集团公司第十五研究所在国家飞行流量监控中心系统建设中引入计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化技术，在提高资源使用率的同时，实现计算资源、存储资源和网络资源的统一调度、管理。该系统自上线运行开始后，系统运行稳定，虚拟化技术的发挥的优势日渐显现。

3 基于云计算技术的新一代空管信息系统架构设计

3.1 基于云计算技术的新一代空管信息系统体系架构

为解决已建系统存在的问题，我们建议采用云计算的理念进行新一代空管信息系统整体架构设计，形成我国新一代空管一体化运行的混合云架构。其中军航空管云采用私有云方式，通航与无人机空管云采用公有云方式，民航空管云与国家空管云采用私有云与公有云混合云方式，架构如图1所示。

(1) 信息感知层

通过获取监视数据、气象数据、情报数据以及基础数据等空管要素信息，实现对空管运行环境的全面感知，并通过各种接入网络将感知信息向上层汇聚。

(2) 云数据传输层

基于数据传输总线完成各种数据来源和各级云节点间的信息互联，实现空管监视数据、气象数据、情报数据、计划数据、节点间产品数据和节点内部业务信息数据的高效流转。

(3) 云基础设施层

通过路由器和交换机等网络设备将分布在各级管制中心的硬件资源连接成一个资源池，利用虚拟化技术实现硬件资源按需分配、调度和管理。

(4) 云平台层

根据各级空管信息系统对基础软硬件环境和数据处理能力的需求，整合数据库、中间件、GIS平台和插件框架等基础软件，其屏蔽了底层复杂的操作，提供了可满足特定需求的云计算平台，基于分布式缓存、并行计算、异步渲染、环境集成计算等技术向上层提供服务支撑。

(5) 云数据业务层

为新一代空管信息系统运行所需的数据进行统一的存储、管理和共享服务，并对外提供数据统一访问引擎、数据生命周期管理、共享管理等功能。并根据数据业务不同，构建基于私有云的军航空管数据中心、基于公有云的通航与无人机空管数据中心、基于私有云与公有云混合云的国家空管数据中心和民航空管数据中心，对上层业务提供云数据服务。

(6) 云业务应用层

采用SOA架构，将业务逻辑封装成服务组件，并根据业务流程进行组合和复用。以服务形式面向给军航用户、民航用户、通航用户和无人机用户，提供空管信息处理、空管业务应用、专项数据统计、空管业务保障、会议协商等空管基础应用服务，支撑上层流量管理系统、空域管理系统、管制自动化系统、通航服务系统、无人机系统等业务应用。

(7) 云安全管理

负责新一代空管信息系统的安全管理，面向不同层级提供不同的云安全管理服务。

(8) 云平台管理

对云架构所需的TaaS、IaaS、DaaS、PaaS和SaaS等各层应用进行统一管理，提供用户管理、访问权限管、部署调度管理、网络监控管理等功能应用。

3.2 新一代空管信息系统云平台部署架构

针对新一代空管信息系统分级部署、协同运行、信息分级采集汇总的特点，以及其复杂的、立体的、交叉的传输需求。通过定义良好的结构来降低层级间和层内不同模块间的耦合度，最终实现数据的统一传输、统一管理和统一服务能力，新一代空管信息系统部署如图2所示。

图2 基于云计算平台的新一代空管信息系统部署图

总体设计层面将考虑建立“基于多链路的统一数据采集传输”，通过构建高效、稳定、安全的敏捷数据交换体系，屏蔽底层传输链路的异构性和传输手段的多样性，实现空管海量数据的快速获取和敏捷交换。针对面向全国军航、民航、通航和无人机用户提供空管信息保障能力，提供立体化的共享服务体系的需求。考虑建立“面向全网络的统一数据服务”，构建全局的数据统一视图和元数据同步机制，向总部级、地区级、分区级和机场级等不同业务应用提供数据服务。针对不同级别空管信息系统对数据处理、存储需求的差异，考虑建立“基于分布式节点的统一数据存储、处理与管理”，在总部云级节点存储空管数据的全集，并面向军航陆海空总部、民航空管局和国家空域管理中心等总部用户，为开展空管战略规划层面的数据分析和挖掘工作，提供全服务能力。区域云节点和分区云节点作为空管数据服务的主力节点，面向体系业务运行和战术层面的数据分析需求，提供体系内数据和责任数据的全服务。机场云节点是数据服务的加速节点，面向实时空管业务运行需求，为本级节点提供数据缓存和访问加速的能力，强调以最短路径、最快速度、最小代价为终端提供数据供给服务。

3.3 优势分析

(1) 按需定义所需计算和存储能力，提升资源使用效率

用户可对已经池化的各种计算、网络、存储等虚拟资源进行整合和统一管理，根据不同级别、不同规模的空管信息系统对资源的需求，定制虚拟机资源模板，实现资源的动态申请、管理、分配和回收，提升资源整体使用效率。

(2) 提供面向数据全生命周期的管理，充分发挥空管数据价值

面向全国军航、民航、通航和无人机用户建立立体化的信息共享服务体系，使用全局的数据统一视图和元数据同步机制，提供数据统一访问引擎、数据生命周期管理、共享管理等数据管理工具，为后续开展空管数据处理、数据挖掘、大数据分析等提供支撑。

(3) 采用分布式存储处理机制，提升数据处理效率

通过构建总部云级节点、区域云节点、分区云节点和机场云节点四类数据分布式存储和管理节点，实现结构化、非结构化和半结构化数据的体系化分级管理和分布式数据处理。使用并行计算、分布式缓存等云计算技术，可在不额外增加硬件成本的基础上，提升数据处理效率。

(4) 提供高效、自动化的云平台管理功能，降低系统维护成本

通过云管理平台的多维度、高效的监控管理功能，可以实现对服务器、存储设备、网络设施等云基础设施运行状态的实时监控与远程自动化、智能化管理。在满足用户业务软件对资源的服务需求的同时，能够减少系统运维成本。

4 结 语

目前，我国航空事业的发展，特别是近些年来军事飞行、民航运输飞行、通航飞行以及无人机飞行任务和频次的增加，对我国空管运行保障业务提出了新的要求，需要重新规划和设计新一代空管信息系统体系架构。本文在总结现有空管信息系统建设中存在问题及面临的挑战基础上，借鉴国内外空管信息系统建设的新理念。针对新一代空管信息系统分级部署、协同运行、信息分级采集汇总的特点，以及其复杂的、立体的、交叉的传输需求，提出了基于云计算技术的新一代空管信息系统架构设计构想。并对新架构的优势进行了详细分析，为研究新时期空管信息系统建设提供了有益的参考价值。

云计算技术作为一项新兴的技术，在我国新一代空管信息系统的具体实践应用还处于探索阶段，新技术的应用在改变空管服务提供方式的同时也面临一些挑战。例如面向不同空管用户的各类空管应用如何更好安装部署问题，不同保密级别的数据如何存储管理问题以及空管云应用安全性问题，还需要我们进一步深入研究和论证。

[1] 叶云斐，陈晓建，陈伟青,等．基于云计算的民航协同决策系统基础架构研究[J]．软件产业与工程，2015(4)：36-41．

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RESEARCH ON THE NEW GENERATION ATM INFORMATION SYSTEM ARCHITECTURE BASED ON CLOUD COMPUTING TECHNOLOGY

Li Chenggong1Xin Xiaona1Qiu Xiaochen1Wang Jingwei2

1(NorthChinaInstituteofComputingTechnology,Beijing100083,China)2(69089Army,Kuerle841000,Xinjiang,China)

In consideration of the traditional structure of ATM information system can not adapt to the rapid development of China’s air traffic management, and this paper analyzes the problems and challenges of the existing ATM information system construction model and technical architecture in China, introduces the advantages and characteristics of cloud computing technology, and summarizes the experience of cloud computing technology in the construction of ATM information system at home and abroad. Aiming at the characteristics of hierarchical deployment, collaborative operation and information classification of the new generation ATM information system, a new generation ATM information system architecture design concept based on cloud computing technology is proposed. The research shows that the new architecture can effectively improve the data processing capability, information sharing level and operation and maintenance ability of ATM information system.

Cloud computing technology New generation ATM information system System architecture

2017-02-16。空管委课题：“十二五”国家空管科研专项第一批课题专题十二(GKG201412005)。李成功，工程师，主研领域：空中交通管理，空管系统集成，云计算。辛晓娜，工程师。裘小晨，工程师。王景伟，工程师。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.07.013