基于存儲過程的通航飛行數據處理系統

王 鵬，王曉亮，張 喆，吳仁彪

（中國民航大學 天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津300300）

0 引 言

隨著低空空域［1－3］的逐步開放，通航飛行需求急劇增長，通用航空飛行安全技術保障手段目前比較匱乏。通航飛行服務站通過對接收到的航跡數據、飛行計劃數據、航行情報數據以及氣象數據進行處理，為飛行服務及應急搜救提供信息。飛行數據處理為飛行服務站的核心系統和關鍵技術，具有承上啟下的作用。通用航空與運輸航空相比存在若干差異：通用航空器飛行高度較低，與運輸航空相比在爬升和下降過程存在差異；通用航空器體積較小，航空器在飛行速度、爬升 （下降）率、加 （減）速度等性能差異較大；航空器受地面氣流影響較大，飛行航跡變化較劇烈，通用航空器在飛行計劃執行過程中，受人為因素影響較大，造成無法嚴格執行飛行計劃；通用航空部分空域監視設施匱乏，無法提供可靠的監視數據［4－8］。因此基于上述差異，需要針對通用航空的特點，對通航飛行數據處理進行設計與實現，對于保障通用航空器飛行安全發揮重要作用。

1 系統構建與業務流程

通用航空飛行服務站綜合運行支持系統包括：綜合數據顯示系統、監控系統、航行情報服務系統、氣象服務系統、搜救服務系統、數據前端處理系統、多源航跡融合系統、沖突探測系統、飛行數據處理系統以及中間件，飛行服務站系統組成如圖1所示。飛行數據處理系統是飛行服務站的核心系統之一，具有承上啟下的作用。飛行數據處理系統接收轉報系統提供的計劃報文，接收自主研發的航跡融合系統提供的航跡數據，以及接收自主研發的綜合數據顯示系統提供的操作指令，飛行數據處理系統對接收的數據和指令進行處理，將處理結果輸出給綜合數據顯示系統進行顯示。通航飛行數據處理業務流程如圖2所示。

圖1 飛行服務站系統組成

圖2 通航飛行數據處理業務流程

飛行數據處理系統的具體業務流程為：

（1）飛行服務站接收計劃報文后，系統將對計劃報文進行解析，存儲飛行計劃數據，對計劃數據進行管理。

（2）飛行服務站負責維護飛行計劃的生命周期，不同的計劃狀態構成了飛行計劃的生命周期，計劃狀態的變更可以由系統根據一定條件自動產生，也可以人工生成。

（3）飛行服務站人員可根據航空用戶需求對計劃數據進行查詢或編輯操作。

（4）飛行服務站負責將飛行計劃與航跡自動關聯，使飛行服務站人員直觀了解航空器飛行意圖，從而做出正確的指揮決策。

（5）飛行服務站負責根據飛行計劃、航路信息及航空器性能參數對計劃航跡進行估算，得到的計劃航跡與實際航跡進行一致性檢驗，檢測當前航空器是否偏航。

（6）飛行服務站負責根據計劃信息、計劃狀態、航跡估算信息、實際航跡及報告信息維護電子進程單的生成與更新。電子進程單能夠幫助飛行服務站人員掌握所有航空器的飛行動態，為保障航空器安全飛行發揮重要作用。

2 系統總體架構與功能設計

2.1 總體設計

系統總體框架由數據庫系統、基礎支持服務、業務邏輯層以及前端展示系統組成。基于存儲過程的通航飛行數據處理系統框架如圖3所示。

（1）數據庫系統：數據庫系統用于數據的存儲及維護，包括飛行計劃數據庫、航跡估算數據庫、航跡關聯數據庫、偏航告警數據庫、地圖數據庫等。

（2）基礎支持服務：基礎支持服務提供了系統所需的模型及處理方法，包括基于存儲過程的數據庫操作模型、計劃報文解析方法、狀態變更模型、計劃航跡估算模型、計劃航跡更新算法、計劃航跡與實際航跡偏差計算方法。

（3）業務邏輯層：業務邏輯層為飛行服務站飛行數據處理業務制定了基本的功能操作。系統定義了一些基本操作，包括飛行計劃存儲、計劃查詢、計劃編輯、計劃與航跡關聯、計劃狀態變更、偏航告警檢測、電子進程單生成與更新。

（4）前端展示層：通航飛行數據處理系統將輸出飛行計劃數據、電子進程單計劃狀態、電子進程單航路點數據、計劃航跡與實際航跡偏差、偏航告警或告警解除指令，執行結果可在飛行數據處理終端顯示，輸出信息可在網絡內的其他終端發布。

圖3 基于存儲過程的通航飛行數據處理系統框架

2.2 功能設計

針對上述總體設計，基于存儲過程的通航飛行數據處理系統包括了以下幾個基本功能：

（1）報文解析模塊。該模塊負責對系統接收到的計劃報文進行格式校驗與內容解析。

（2）飛行計劃存儲模塊。該模塊負責存儲飛行計劃數據，對數據合理性進行檢驗。

（3）飛行計劃管理模塊。該模塊負責更新數據庫中的數據以及為其他模塊提供數據庫數據。數據種類包括計劃數據、航跡估算數據、航跡關聯數據、偏航告警數據等。

（4）計劃航跡估算模塊。該模塊負責估算及更新預計經過計劃位置點的時間、高度等。

（5）計劃狀態變更模塊。該模塊負責根據計劃狀態變更機制觸發生成狀態變更信息。

（6）電子進程單生成與更新模塊。該模塊負責生成及更新電子進程單信息，其內容包括電子進程單計劃數據、電子進程單狀態變更數據、電子進程單航路點數據。

（7）計劃與航跡關聯模塊。該模塊負責根據關聯準則將飛行計劃與航跡進行關聯。

（8）飛行計劃一致性檢驗模塊。該模塊負責計算計劃航跡與實際航跡的位置偏差，生成偏航告警及告警解除信息。

（9）數據分發模塊。該模塊負責飛行數據處理系統各模塊間的數據通信。

（10）日志記錄模塊。該模塊負責記錄軟件執行結果及運行狀態，為排查軟件運行故障提供依據。

2.3 數據庫設計

數據庫系統中各數據庫均為關系數據庫。飛行計劃數據庫用于維護計劃報文解析后的數據，包括飛機國籍登記號、飛行種類、預計起飛時間、預計航路飛行時間、預計巡航高度、預計真空速、起飛機場、著陸機場、備降機場、預計飛行路徑等信息；航跡估算數據庫用于維護計劃航跡估算及更新數據，包括飛機國籍登記號、計劃航跡點代碼、計劃點經度、計劃點緯度、計劃點高度、計劃點速度、計劃航向、計劃到達時間等信息；航跡關聯數據庫用于維護計劃與航跡的關聯數據，包括飛機國籍登記號、目標地址等信息；偏航告警數據庫用于維護偏航告警及告警解除數據，包括飛機國籍登記號、告警種類等信息；地圖數據庫用于維護系統覆蓋范圍內的位置數據，包括位置代碼、位置經度、位置緯度、位置高度等信息。

2.4 接口設計

系統接口如圖4所示，包括依賴系統、系統輸入、數據處理決策、系統輸出。

（1）依賴系統：通航飛行數據處理系統正常運行需要依賴如下系統：

1）轉報系統，為飛行數據處理系統提供計劃報文；2）自主研發的航跡融合系統，為飛行數據處理系統提供航跡數據；

3）自主研發的綜合數據顯示系統，該系統向飛行數據處理系統發送操作指令，同時顯示飛行數據處理系統輸出的數據。

（2）輸入接口：通航飛行數據處理系統的輸入接口包括：計劃報文、航跡數據、計劃查詢／修改指令、狀態變更指令、報告數據。

（3）數據處理決策：應用功能模塊響應系統接收到的數據以實現系統功能。應用功能模塊包括：處理模塊、通信模塊、日志模塊。其中處理模塊用于處理系統接收到的數據，分為計劃處理模塊與航跡處理模塊；通信模塊用于各模塊間的數據交互；日志模塊用于記錄各模塊的執行信息。

圖4 基于存儲過程的通航飛行數據處理系統接口設計

（4）系統輸出：通航飛行數據處理系統的輸出接口包括：計劃數據、電子進程單計劃狀態、電子進程單航路點數據、計劃航跡與實際航跡偏差、偏航告警與告警解除數據。

3 基于存儲過程的系統實現

3.1 基于存儲過程的數據庫操作模型

存儲過程的定義請參見文獻 ［9］。本文在傳統數據庫操作模型的數據庫服務器中加入了一層存儲過程，存儲過程在數據庫中表現為一組完成特定功能的SQL程序集合，只編譯一次，經編譯后存儲于數據庫服務器端的數據庫中［10］。

3.2 基于存儲過程的系統實現方法

本文采用面向對象可視化Visual Studio C＋＋2010以及SQL Server 2008R2開發環境對基于存儲過程的飛行數據處理系統進行開發，系統的實現方法如圖5所示。飛行數據處理系統的每個子功能模塊被封裝成一個類，由系統控制模塊進行調用。外部應用程序只需要調用系統控制模塊中的函數便可以操控系統各子功能完成數據處理，數據庫中數據的獲取與更新采用存儲過程技術加以實現，使在網絡上傳輸的數據僅僅是有用的數據。

3.3 基于存儲過程的系統運行實例

根據飛行服務站通航飛行數據處理系統的需求分析，在系統架構與功能設計的基礎上對系統進行編碼實現，在大量測試后逐步形成了滿足需求且性能穩定的版本。工程樣機如圖6（a）所示，通航飛行數據處理系統運行在后臺機架服務器上；系統界面如圖6（b）所示，執行結果可在系統界面上顯示；通航飛行數據處理系統輸出的數據顯示在自主研發的綜合數據顯示系統上，如圖6（c）所示。

3.4 基于存儲過程的性能測試

（1）測試環境：測試依賴系統為：轉報系統、航跡融合系統、綜合數據顯示系統。各應用程序運行在終端計算機上，所用操作系統為 Windows 7；數據庫運行在機架式服務器上，所用操作系統為Windows Server 2008R2。測試環境如圖7所示。

（2）測試方法：測試分別采用基于常規方法和基于存儲過程的飛行數據處理系統對相同數據進行處理，測試數據分為多組，每組由不同數量的數據條組成，分別記錄采用兩種方法處理不同組數據的總耗時、單條處理時間以及CUP占用率。兩種方法均只開啟和關閉一次與數據庫的連接，接收到數據處理指令且完成數據庫連接后開始計時，完成一組數據處理之后停止計時并關閉與數據庫的連接，每組數據均重復處理50次后將平均處理時間作為此組數據的最終處理時間。

圖5 基于存儲過程的系統實現方法

圖6 系統界面及工程應用

圖7 測試環境

（3）數據結果：實驗過程中實際對大量數據進行了測試，為了便于論述本文采用如下幾組數據進行說明。

基于兩種方法的飛行數據處理系統處理數據的耗時比較如圖8所示。代表常規方法總耗時，代表存儲過程方法總耗時，由圖可以看出，隨著處理數據量的增加，常規方法的總耗時快速增長，存儲過程方法的總耗時增長趨勢比較緩慢，且總耗時遠遠少于常規方法。當處理的數據量增長到一定程度時，兩種方法總耗時的增長趨勢均趨于平緩，但存儲過程方法的總耗時僅為常規方法總耗時的千分之一左右。代表常規方法單條耗時，代表存儲過程方法單條耗時，由圖可以看出，隨著處理數據量的增加，常規方法的單條處理時間幾乎不變，但存儲過程方法的單條處理時間首先呈指數趨勢減少，當數據量增長到一定程度時，減少趨勢逐漸平緩，且遠小于常規方法。

圖8 兩種方法數據處理耗時比較

基于兩種方法的飛行數據處理系統處理數據時的CPU占用率比較如圖9所示。代表常規方法CPU占用率，代表存儲過程方法CPU占用率，隨著處理數據量的增加，常規方法的CPU占用率會緩慢增長，而存儲過程方法的CPU占用率幾乎不變且遠小于常規方法。

圖9 兩種方法CPU占用率比較

（4）數據分析：常規方法中SQL語句的編譯次數以及應用程序與數據庫的通信次數會隨著處理數據條數的增加而增加；區別于常規方法，存儲過程只編譯一次，經編譯后存儲于數據庫服務器端的數據庫中，是一種可復用組件，且存儲過程中應用程序與數據庫的通信次數有限，使得基于存儲過程的飛行數據處理系統在處理速度及CPU占用率上較常規方法更具優勢，能夠較穩定的快速處理數據以滿足系統的性能需求。

4 結束語

本文針對通用航空特點，根據業務需求對基于存儲過程的通航飛行數據處理系統進行了總體設計、功能設計、數據庫設計以及接口設計，為滿足系統性能需求采用了存儲過程技術并在 Visual Studio C＋＋ 2010以及SQL Server 2008R2開發環境下對系統進行了實現，闡述了系統的實現方法以及工程應用上的運行實例并完成了系統的性能測試。該系統可以為我國低空開放和通用航空發展提供有效的技術支撐。

［1］The Civil Aviation Administration of Chinese.Notice of the related measures of speeding up the development of general aviation［S］.2009 （in Chinese）.［中國民用航空局.關于印發加快通用航空發展有關措施的通知 ［S］.2009.］

［2］The State Council of the People’s Republic of China，The Central Military Commission of the People’s Republic of China.The advice of the deepening reform of China’s low altitude airspace management ［S］.2010 （in Chinese）.［中華人民共和國國務院，中華人民共和國中央軍事委員會.關于深化我國低空空域管理改革的意見 ［S］.2010.］

［3］CAI Jun.Low－altitude airspace open is not aqual to the low－altitude airspace open ［EB／OL］. ［2011－05－30］.http：／／news.xinhuanet.com／mil／2011－05／30／c＿121475110.htm （in Chinese）.［蔡軍.低空 開放不等于低空放 開 ［EB／OL］.［2011－05－30］.http：／／news.xinhuanet.com／mil／2011－05／30／c＿121475110.htm.］

［4］KANG Nan.Introduction of USA flight service station ［J］.Air traffic management，2006 （3）：39－40 （in chinese）.［康楠.美國飛行服務站簡介 ［J］.空中交通管理，2006 （3）：39－40.］

［5］XIE Yulan，CHEN Wenxiu.Introduction of the American ATC automation system ［J］.Air Traffic Management，2007（6）：39－41 （in Chinese）.［謝玉蘭，陳文秀.美國空管自動化系統介紹 ［J］.空中交通管理，2007 （6）：39－41.］

［6］ WANG Wei，LIU Song.Thoughts on low altitude airspace management in China ［J］.Air Traffic Management，2006（5）：4－10 （in Chinese）.［王偉，劉松.關于我國低空空域管理問題的思考 ［J］.空中交通管理，2006 （5）：4－10.］

［7］CAO Kun，LIU Jun.Problems in developing general aviation and the proposals ［J］.China Civil Aviation，2008 （12）：42－44（in Chinese）.［曹坤，劉軍.發展通用航空的若干問題和建議 ［J］.中國民用航空，2008 （12）：42－44.］

［8］CHEN Xin，LI Cheng，XU Dinghai，et al.Research of general aviation service station function and composition ［J］.Avionics Technology，2013，44 （2）：10－13 （in Chinese）.［陳昕，李橙，徐丁海，等.通用航空服務站功能與組成研究 ［J］.航空電子技術，2013，44 （2）：10－13.］

［9］Elmasri，Navathe.Fundamentals of database systems ［M］.USA：Addison Wesley，2006：568－569.

［10］WANG Weifu，HUANG Haiyu，CHEN Juan，et al.Reaearch on high performance database application model based on stored procedure ［J］.Computer Engineering and Design，2008，29 （10）：2573－2575 （in Chinese）.［汪維富，黃海于，陳娟，等.基于存儲過程的高性能數據庫應用模型研究 ［J］.計算機工程與設計，2008，29 （10）：2573－2575.］