基于廣域信息管理的飛行數據服務設計與實現

羅喜伶，范佳欣＋，齊 鳴

（1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191；2.民航局空中交通管理局，北京100022）

0 引 言

目前，生產運行飛行數據的民航業務系統種類繁多，信息化進程不一，系統之間關聯性弱，存在共享性差的問題。現行的專用數據模型、緊耦合系統接口以及特定傳輸協議造成了飛行數據的 “信息孤島”，難以為航路導航系統、航班運行控制系統和其它民航業務系統建立共同的態勢感知和協同決策基礎［1］。

因此，本文基于廣域信息管理的技術架構，開展標準、靈活、綜合的飛行數據服務研究。在對飛行數據服務整體設計的基礎上，重點研究廣域信息管理架構的物理實現、公共飛行數據模型的建立、飛行數據訪問服務的構建和飛行數據的綜合4方面關鍵技術。

1 廣域信息管理技術

廣域信息管理（SWIM）概念最初由美國和歐洲共同提出，由國際民航組織 （ICAO）正式發布，是美國下一代航空運輸系統（NextGen）和歐洲單一天空實施計劃 （SESAR）的系統互聯和信息共享基礎，以及航空系統組塊升級 （ASBU）性能改進領域全球數據與系統互聯部分的重要支撐［2］。

SWIM 分層概念如圖1 所示，作為便于信息獲取的網絡化基礎設施服務的全新信息管理方式，SWIM 采用面向服務 （SOA）的分層架構思想，從以應用為中心過渡到以數據和服務為中心，通過在中間層構建SWIM 基礎架構，為民航業務系統提供統一透明的信息訪問服務，實現民航業務系統與信息技術基礎設施的分離［3］。

圖1 SWIM 架構分層概念

與現行的民航信息集成方式相比，SWIM 能夠提供松耦合、標準化和開放的接口，靈活、有效的服務，進行民航業務數據的智能化交換，支持大批量、連續性的數據，提高全民航業務系統間的互聯互通能力。SWIM 可作為解決目前飛行數據在標準化、靈活性及綜合性方面存在問題的有效技術。

2 基于SWIM 的飛行數據服務整體架構設計

根據SWIM 分層架構思想及我國飛行數據及業務需求實際，將飛行數據服務整體架構自下而上設計為技術基礎設施層、SWIM 核心服務層、飛行數據服務層及民航業務系統層四層結構［4］，如圖2所示。

圖2 飛行數據服務整體架構

（1）技術基礎設施層：提供物理網絡連接和必要的硬件設備，由整個架構運行所需基礎設施組成；

（2）SWIM 核心服務層：以標準化中間件為基礎，由接口管理、消息服務、安全服務、企業管理服務組成，實現對飛行數據服務安全高效的管理和監控；

（3）飛行數據服務層：作為民航業務系統層與SWIM核心服務層的中介，提供標準化飛行數據服務為民航業務系統層提供訪問接口，屏蔽技術基礎設施和中間件的復雜技術問題；

（4）民航業務系統層：飛行數據服務的消費者，包括了空管部門、機場、航空公司、非民航用戶等利益相關方的民航業務系統。

飛行數據服務層是本文研究實現的核心內容，主要包含公共飛行數據模型建立、飛行數據服務構建和飛行數據綜合3個重要部分。本文通過公共飛行數據模型建模，建立統一的邏輯實體對數據進行描述，實現飛行數據的標準化；通過構建飛行數據訪問服務，簡化飛行數據訪問機制，實現飛行數據傳輸的靈活性；通過飛行數據綜合，利用SWIM 消息中間件集成飛行數據，實現飛行數據的綜合性。提供標準、靈活、綜合的飛行數據服務。

3 基于SWIM 的飛行數據服務關鍵技術研究

3.1 SWIM 技術架構物理實現

SWIM 技術架構［5］的物理實現方法如圖3所示。

在網絡拓撲結構層面，由傳統的點對點模式轉變為以SWIM 中間件為傳輸核心的共享架構，實現民航業務系統與信息基礎設施的分離；在系統管理層面，采用標準化的接口管理，構建飛行數據服務，提高系統互聯與訪問靈活性；在傳輸模式層面，從傳統的數據直連、網關中介和報文傳輸3種接口傳輸方式轉變為發布／訂閱和請求／響應的傳輸方式，實現飛行數據服務的虛擬化和松耦合架構。通過以上3個層面，物理實現飛行數據服務的技術架構基礎。

3.2 公共飛行數據模型建立

公共飛行數據模型是為了在整個飛行生命周期中實現飛行數據交換而建立的數據模型，模型通過提供共同的概念定義和數據結構，以統一標準的數據視圖模式描述飛行信息，實現飛行數據的標準化［6］。

圖3 SWIM 架構物理實現

公共飛行數據模型［7］的建立分為以下3個步驟：

（1）建立概念模型：制定飛行數據字典，使用統一建模語言 （UML）對飛行數據所包含的所有概念信息進行定義，并描述概念間的相互關系，以全局視角定義飛行數據概念。

（2）建立邏輯數據模型：建立UML 模型，在概念模型的基礎上以抽象形式詳細說明各概念的數據類型及數據間邏輯結構，提供飛行數據的整體邏輯視圖。

（3）建立物理數據模型：建立可擴展標識語言模式（XML Schema）模型，提供邏輯數據模型到物理表達模型之間的映射，實現模型的物理可用性和跨平臺互操作性。

此外，公共飛行數據模型還可采用 “核心＋擴展”的模式，以嚴格控制的核心作為基本特征，附加一系列可擴展參考元素，增強對不同業務需求的適應性。

3.3 飛行數據訪問服務構建

飛行數據訪問服務能夠實現不同民航業務系統間異構飛行數據的接入與標準化，進行數據格式和傳輸協議的轉換，為民航業務系統層提供標準、獨立、靈活的接口，實現飛行數據傳輸的靈活性。

基于公共飛行數據模型，飛行數據訪問服務利用適配器雙向映射XML Schema模型與異構數據，將飛行數據轉換成XML標準格式進行封裝，交由數據交換引擎生成服務接口并注冊到SWIM 核心服務層的消息中間件上，最后通過消息傳輸模塊實現與民航業務系統之間的傳輸［8］，如圖4所示。

圖4 飛行數據訪問服務

飛行數據訪問服務的構建有兩種方式：Web服務［9］和Java消息服務 （JMS）［10］。在物理傳輸模式上，Web 服務采用請求／相應機制，JMS采用發布／訂閱機制。二種服務方式均可分布部署，屏蔽系統技術和數據的異構性，實現松耦合；進行標準化封裝和發布，不依賴于其它組件獨立而被調用，實現獨立性；根據業務需求動態綁定組裝，滿足不同需求，實現互操作性。

在構建飛行數據訪問服務的過程中，可依據民航業務系統具體業務流程及需求，選取相應服務方式。

3.4 飛行數據綜合

飛行數據綜合以SWIM 核心服務層的消息中間件為技術實現基礎。飛行數據訪問服務在完成注冊后，XML 標準化的飛行數據進入消息中間件的消息序列，在消息中介中完成數據集成，實現飛行數據的綜合性。

進入消息序列的飛行數據，根據策略配置經由消息路由、消息轉換和消息聚合3步完成飛行數據綜合。民航業務系統可根據具體業務需求配置綜合策略。在策略配置的驅動下，消息路由基于內容將需要集成的飛行數據組合在一起，再經過消息轉換調整數據結構，最后在消息聚合中完成飛行數據的綜合［11］，如圖5所示。

圖5 飛行數據綜合

企業服務總線［12］（ESB）是傳統中間件技術與XML、Web服務等技術結合的產物，可作為實現飛行數據綜合的有效技術方案，搭建提供通信、整合、安全、事務支持和服務質量控制等功能的基礎架構，為民航業務系統的飛行數據服務提供動態整合機制。

4 飛行數據服務實現實例

本文在建立公共飛行數據模型的基礎上，基于企業服務總線的中間件架構，使用Web Service的方式，實現飛行數據服務。

首先，建立公共飛行數據模型，制定共同的飛行數據概念定義和數據結構，生成對應Java對象模型用于服務開發，生出對應XML Schema模型作為數據格式規范，以統一標準的數據視圖模式描述飛行信息，實現飛行數據的標準化。

在飛行數據分析的基礎上，制定飛行數據字典。利用建模軟件Enterprise Architect建立飛行數據的UML數據模型，提供飛行數據的整體邏輯視圖，如圖6所示。

圖6 飛行數據UML模型

根據數據及業務邏輯關系定義轉換策略，將飛行數據UML數據轉換為Java對象模型，如圖7 所示。相應Java對象代碼可用于開發飛行數據訪問服務，作為數據適配器的持久化類映射飛行數據源，形成Web Service會話中的操作對象。

同時，定義飛行數據UML 數據模型與XML Schema模型的基本轉換規則，生成飛行數據XML Schema模型定義實際傳輸的飛行數據格式。

然后，采用Web Service的方式構建飛行數據訪問服務。服務開發應用流程如圖8所示。在開發階段，通過Java平臺上應用程序定義的API（JAXR）訪問企業服務總線的元數據注冊中心，將服務的元數據描述文件注冊到企業服務總線上。在應用階段，民航業務系統根據實際需求，在企業服務總線的服務管理中查找飛行數據服務，獲得飛行數據服務的地址與描述信息；再根據查找到的服務信息檢索服務的描述文件 （WSDL），并綁定飛行數據服務；最后，向Java服務容器 （Servlets）發送調用請求，接收簡單對象訪問協議 （SOAP）消息，實現飛行數據服務的調用。

圖7 飛行數據Java對象模型

圖8 服務開發應用流程

最后，利用企業服務總線的服務代理機制，實現飛行數據服務的數據綜合與調用。數據調用流程如圖9所示。民航業務系統的服務請求端口向企業服務總線的消息處理端口發送飛行數據服務請求；企業服務總線以服務代理的方式向飛行數據服務提供者的響應端口發出代理服務請求，獲得服務的響應及消息數據，對飛行數據進行綜合，同時根據基于內容的消息路由傳遞消息；最后，民航業務系統獲得代理服務響應，獲得飛行數據。

圖9 服務飛行數據流程

封裝后的飛行數據SOAP消息格式如圖10所示。

圖10 飛行數據SOAP消息格式

部署后飛行數據服務如圖11所示，基于企業服務總線的民航廣域信息管理平臺能夠有效的管理飛行數據服務，顯示服務具體信息并對服務進行配置，實現民航業務系統對飛行數據服務的調用需求。

圖11 飛行數據服務

5 結束語

民航業務系統現行的專用數據模型、緊耦合系統接口以及特定傳輸協議導致了飛行數據的 “信息孤島”，造成了全民航業務系統間飛行數據共享與管理的難題。

與之相比，基于廣域信息管理的飛行數據服務能夠提供標準的公共數據模型，靈活的訪問服務和綜合的飛行數據，能夠實現民航業務系統間飛行數據的智能化交換。

目前，歐美SWIM 網絡已經開展了互聯工作，飛行對象數據能夠跨大西洋傳送。SWIM 發展進入了全球化階段。然而，國內針對基于廣域信息管理的飛行數據服務的研究還存在較大空白。應加快研究工作的開展，為未來實現標準、靈活、綜合的飛行數據服務打下基礎。

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