空中交通流量管理的环境数据架构与应用

张翰文 徐华 张倩 张潮

【摘要】    从空中交通流量管理系统应用层面，对航空基础环境数据来源进行梳理，分析现有的数据格式与标准。在软件应用层面，剖析了不同环境数据源的数据引接，处理以及发布流程。在一个统一的流量管理框架下，通过使用多种技术手段，实现系统基础数据的实时处理与应用。

【关键词】    空管    基础数据    环境数据    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，我国空中交通流量日趋增加，为了进一步保障空中交通安全，对空中交通流量管理提出了更高的要求。目前华北、东北、华东、中南、西北、西南、新疆这七个地区空管局，均各自建有自己的流量管理机构。全国流量管理系统（NTFM）则是将空管、气象、通导、机场、航空公司等单位融合到一起，实现数据共享，以协同会商为机制，从战略、预战术、战术、事后分析等阶段全方位覆盖流量管理的整个过程[1]。其精细化运行管理可以让空中交通更加便捷、有序和安全，同时提升服务满意度。

为了在全球、地区和国际级别上有一个安全、可靠、高效和可持续的空中交通管理系统，需要一系列基础性的航行情报数据作支撑。航行情报服务（AIS）信息/数据流日益复杂，由互连系统组成。全球空中交通管理系统（ATM）对高数据质量和成本效益的需求也日益增长。为了满足日益增长的自动化环境的要求，AIS正从提供纸质产品和消息转向收集和提供数字数据。为构建全球无缝和完全交互的ATM系统的战略目标，国际民航组织及主要成员国提出全球航空情报从AIS过渡到AIM的发展目标[2]。为了满足AIS的需求，航空信息交换模型（AIXM）应运而生。

一、数据分类

目前，全国流量管理系统中情报数据主要来源为空管局情报中心系统通过光盘形式下发的数据文件及通过动态接口提供的AIXM 5.1格式数据文件。

1.1光盘电子数据

环境数据模块目前处理的静态环境数据包括情报中心下发光盘内的空域类、机场、机型、基础数据等共计45项数据，如图1所示。

其中，环境数据基础数据类别及数据项描述如表1所示。

1.2 AIXM数据

AIXM（Aeronautical Information Exchange Model）的目标是以数字格式提供AIS范围内的航空信息。AIXM支持在整个数据链中收集、验证、传播和转换数字航空数据。AIXM提供一种全球适用的航空信息标准，支持包括航行通告（NOTAM）等动态信息在内的空中导航信息。AIXM确保飞行员和航空公司所需航空信息的一致性和质量，以保障飞行安全;通过数字化发行静态和动态信息来提高容量;实现标准化和互操作性以支持未来空中交通管制（ATC）系统;覆盖了当前及未来的标准和惯例;通过提供数字化数据提高运行效率[3]。

AIXM具有时态概念[5]，其目的是使航空数据与时间相关的建模和编码。在AIXM数据集中使用通用唯一标识符（UUID）作为时间不变功能标识符。

AIXM在国际上已经逐渐被军方和民航作为数据交互标准所采纳，为保证我国空管基础数据分类标准和编码规则与国际标准兼容，进而实现全球范围内的航空数据交换，全国流量管理系统中可解析接入最新的AIXM 5.1格式数据文件，通过数据转换及入库等方式，为相关流量处理模块提供环境基础数据服务。

二、多级数据处理架构

2.1 FODB层级架构

全国流量管理系统采集、整理、存储各类流量运行及环境数据，形成统一的流量管理运行数据库（Air Traffic Flow Operation Database，FODB）。

根据系统性能及处理能力要求，在一级中央处理节点配置了主备共8台/套的Oracle RAC 19C集群，具备高冗余和高并发处理能力[4]。

2.2 二级节点数据缓存架构

考虑一二级系统之间为民航通信网，带宽有限制[6]，针对系统核心数据飞行计划数据增加二级节点数据库缓存的功能。通过统一的数据同步模块，将一级FODB核心运行库内的数据同步至二级节点的数据库，用于二级下挂的客户端席位的数据访问。

计划数据作为全国流量的核心数据，目前最终落地点在一级节点核心数据库，设计上只在一级核心服务集群有DML（增加、删除、修改）操作。针对现在全国层级架构，设计数据同步模块做二级数据库缓存，数据同步组件组成模块如图2所示。

一级节点SYNCSERVER采用增量方式将二级所需的基础数据同步至二级SYNCCLIENT代理，传输过程进行了数据压缩。同步的数据范围为实时航班数据，设T0时间为当前时间，同步的时间跨度范围为T0-1至T0+7天的实时数据。

2.3环境数据模块工作流程

环境数据包括情报区、机场、扇区、管制区、航路、航空公司等各类数据，由情报中心系统输出给全国流量管理系统，通过全国流量系统中央处理节点数据引接交互区，按照情报中心确认的对外接口格式接入。

以光盘数据为例，环境数据模块的基本工作流程如图3所示。首先，将情报中心光盘数据（每28天发布）通过静态航行情报处理系统接口传输完成环境数据的引接;然后将光盘中的格式化数据存储入库进行数据预处理。每期导入至流量系统的数据与往期发布数据进行比对校验，人工完成数据审核确认。最后，在流量系统内提供基于内部格式的文件服务以及基于Http Restful的Web接口完成转换后数据的发布及调阅。

2.4数据处理与发布

流量系统内部配置了统一的环境数据处理模块，可为后端关联业务系统提供环境数据的维护及调阅服务，如图4所示。

根据情报数据报文结构预先创建数据库表结构，通过扩展spring boot及mybatis-generator框架，自動生成JAVA实体类，追加了分页、节点之间映射关系、自定义过滤条件等内容。情报数据通过java反射机制，直接生成对象后完成数据入库。

数据发布：指定生效日期与失效日期，筛选特定数据，转换成对应的xml或JSON格式的数据到指定的版本服务器。

数据调阅：调阅方通过API接口传入时间参数后获取该时间段对应的数据版本号，再传入获得的版本号及特定的数据类别代号（如FIX报告点），后台再将对应日期的数据内容回传给调阅方。目前支持Linux动态库调用和Web API（Http Restful接口）调用两种方式。

系统内设计并部署了基于TCP协议的多线程文件传输服务器，可支持多客户端并发TCP连接到服务端上，客户端可根据提供的版本信息从数据文件服务器上下载所需的数据文件，进而处理并使用。其基本流程如图6所示。

三、数据处理性能

3.1 基于Restful接口

Restful风格的接口主要提供基于Java的Web服务调用，经测试，在全系统启动时，环境数据处理模块的Restful接口峰值访问频次可超过700次/秒，目前系统部署的基于Ngnix负载均衡的方式可有效支持在高并发下数据的并发访问，在已上线的系统中，Restful接口表现稳定，承载了相应的访问请求。

3.2基于TCP服务器

根据实际的情报中心光盘数据文件可知，除班机航线组成航路点信息文件较大，约95 M外，对于航路、机场等其他常用数据文件，文件大小只有几百KB到几MB范围内不等。根据日常并发量评估，进行单个服务器200个客户端并发下载模拟测试，并记录相关数据如表2所示，其中下载准确度依据已下载文件和文件服务器上被下载文件的MD5码比较所得。

由此可见，多线程TCP服务器文件发布性能比较突出，能够很好地满足实际应用场景的使用。

四、结束语：

目前我国空管部门的空管基础数据的更新方式与发布有复杂的流程，对环境数据的统一管理，维护和应用带来了挑战。全国流量管理系统情报数据解析模块支持多种方式的权威数据的接入，兼容国际民航组织提倡的AIXM格式，符合国内与未来的国际标准。在统一的流量管理框架下，通过多种技术手段，可实现系统基础数据的实时处理和大范围应用。

参  考  文  献

[1]李翠霞，靳学梅.基于流量管理决策信息的管制决策工具协同设计[J].信息化研究，2020，46（05）：29-33+44.

[2] 程健， 洪鼎松， 程季锃. 空管基础数据分类标准研究[J]. 中国民航飞行学院学报， 2014， 25（1）：5-10.

[3] 程健， 洪鼎松， 程季锃. 以数据为中心的AIM基础——AIXM5[J]. 中国民航飞行学院学报， 2010（05）：26-28.

[4]程先峰，何亮.流量管理运行数据库可靠性设计[J].航空计算技术，2020，50（04）：76-79.

[5]赖欣，胡敬玉.基于AIXM的民航共享数据集成系统构建[J].计算机技术与发展，2020，30（06）：181-185.

[6]陆刚.基于MPLS VPN广域网下多种业务的设计与实现[J].中国新通信，2019，21（06）：46-48.