CDM系統技術實現與應用

郭棟

摘 要：隨著民航運輸的快速發展，空中交通流量的上升，加之雷雨霧等極端惡劣天氣的原因，導致機場、空域和航線網絡節點擁擠現象嚴重。針對這種情況，提高相關部門之間的協同決策能力，增強管制水平已成為共識，而協同決策（Collaborative Decision Making，簡稱CDM）正是一種在管制部門與航空公司之間進行協調的有效方法。CDM系統充分利用空域資源并結合天氣、流量、部隊、機場等實際情況計算航班起飛和經過航路點的時間；采用ESB架構設計、通過MQ傳遞消息、利用FTP傳遞數據和ORACLE存儲數據。系統實現了集空管、機場、航空公司等組織信息于一體，通過信息交流和數據共享提高了空中交通管理效率。

關鍵詞：協同決策；CDM；MQ；ESB

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A

Abstract：With the rapid development of civil aviation，aircraft passenger flow rising，all kinds of extreme weather situations，leading to the airport，airspace and route network nodes serious overcrowding.Under this circumstance.Improve the coordination between the relevant departments of the government decision-making capability，enhance control level has become a consensus，and collaborative decision making Collaborative Decision Making（CDM）is a kind of in between the regulatory agencies and the airline for effective coordination method.CDM system makes full use of airspace resources and the actual weather conditions，traffic，military，airports and other computing flight time through the waypoint and time，technology using ESB architecture design， through the MQ message，the use of FTP to transfer data and ORACLE storage data.System to achieve a set of air traffic control，airports，airlines and other organizational information in one，through information exchange and data sharing to improve the efficiency of air traffic management.

Keywords：collaborative decision making；CDM；MQ；ESB

1 引言（Introduction）

隨著經濟的持續發展，全球航空運輸發展突飛猛進，空中交通流量上升進而帶來了各種問題如空中交通堵塞、航班延誤等[1]。如何治理航班延誤，提高航班正常率，化解因航班延誤而導致的旅客與航空公司之間的矛盾，需要民航政府主管部門、航空運輸企業、機場等部門的相互協作[2]。

協同決策（CDM），是一種基于資源共享和信息交互的多主體（空管、機場、公司等）聯合協作運行理念，是對多業界成員之間的行動方針做出決定的過程。首先由管制部門制訂約束條件，然后航空公司在這些約束條件下對自己的運行情況進行優化，最后達成一致的決策。通過協同策略的方式，可以大大縮短航班延遲等待的時間，減少燃油的消耗，增加信息的透明度，同時也可以減少旅客在航班延誤方面的投訴[3]。

本文介紹了CDM的系統構成、ESB技術以及相關的應用，實現了各保障單位之間的數據共享，優化了航班過站流程，提高了地面運行效率和放行效率，從而提高航班準點率，改善了旅客服務質量。CDM系統的應用在民航日常運行中發揮了日益重要的作用。

2 關鍵技術綜述（Key technologies）

2.1 ESB簡介

ESB全稱為Enterprise Service Bus，即企業服務總線。它是傳統中間件技術與XML、Web服務等技術結合的產物。ESB提供了網絡中最基本的連接中樞，是構筑企業神經系統的必要元素。ESB的出現改變了傳統的軟件架構，可以提供比傳統中間件產品更為廉價的解決方案，同時它還可以消除不同應用之間的技術差異，讓不同的應用服務器協調運作，實現了不同服務之間的通信與整合。

2.2 IBM web sphere MQ

IBM MQ（IBM Message Queue）是IBM的一款商業消息中間產品，適用于分布式計算環境或異構系統之中。消息隊列技術是分布式應用間交換信息的一種技術。消息隊列可駐留在內存或磁盤上，隊列存儲消息直到它們被應用程序讀走。通過消息隊列，應用程序可獨立地執行通過寫發送隊列和檢索接收隊列來進行通信，消息傳遞指的是程序之間通過消息中的數據進行通信，排隊指的是應用程序通過隊列來通信。隊列的使用是異步的，不需要接收和發送應用程序同時執行。隊列可以看作是存儲消息的容器，同時存儲是有順序的。隊列可以分為本地隊列、遠程隊列、模型隊列、別名隊列等。

2.3 MVP模式

MVP（Model View Presenter）模型是廣泛應用于開發架構的MVC（Model View Controler）的一種變形引用，是對MVC的Controler的特定應用領域的一種優化方案，并廣泛應用于應用系統架構中。MVP模型中Presenter負責邏輯的處理，Model提供數據，View負責顯示。在MVP里，Presenter完全把Model和View進行了分離，主要的程序邏輯在Presenter里實現。而且Presenter與具體的View是沒有直接關聯的，而是通過定義好的接口進行交互，從而使得在變更View時候可以保持Presenter的不變。

2.4 Spring和MyBatis

Spring是一個輕量級的Java開發框架。它是為了解決企業應用開發的復雜性而創建的。框架的主要優勢之一就是其分層架構，分層架構允許使用者選擇使用哪一個組件，同時為J2EE應用程序開發提供集成的框架。Spring的核心是控制反轉（IoC）和面向切面（AOP）。

MyBatis是一個支持普通SQL查詢，存儲過程和高級映射的優秀持久層框架。MyBatis消除了幾乎所有的JDBC代碼和參數的手工設置以及對結果集的檢索封裝。MyBatis可以使用簡單的XML或注解用于配置和原始映射，將接口和Java的POJO（Plain Old Java Objects，普通的Java對象）映射成數據庫中的記錄。

3 系統設計（System design）

3.1 系統基本原理

CDM系統是通過信息交換、程序改進、工具發展及勢態共享等措施來改善空中交通管理，其基本原理是：

（1）創建一個流量管理部門和用戶共享問題的公共視圖。

（2）為用戶提供通過他們自身行為來減輕問題的機會和機制。

（3）在流量管理部門初始的流量管理策略中，提供給用戶滿足自己優先級的選擇彈性。

（4）允許用戶參與到空中交通流量管理方針和策略的制定中來。

（5）融合相關用戶（空管、機場、航空公司）信息，發布精準的航班時刻。

3.2 系統總體結構

CDM系統包括四個子系統：流量室區管客戶端、航空公司客戶端、中小機場塔臺系統和CDM業務系統，如圖1所示。

（1）流量室區管管理系統主要負責對流控的發布和對臨時航路的管理，包括對限制的發布、重置、查詢、修改和拷貝等操作；設置航班CTOT（計算的起飛時間）和STO（航班經過航路點時間）。

（2）航空公司管理人員可以查詢航班進離港信息、航班所受限制、申請TOBT（目標撤輪檔時間）等。

（3）塔臺電子進程單系統主要實現塔臺管理人員對機位、跑道等數據的維護和管理；申請TOBT時間，發布跑道運行模式。

（4）CDM業務系統主要負責航班業務數據的處理、航班的排序和計算，更新航班狀態，處理管制員的操作請求。

3.3 業務流程

（1）航班時刻表起飛時間前三小時，公司發布領航計劃報激活本場離港航班。

（2）CDM系統通過機尾號信息自動關聯前站進港航班，并從航班進入華東區域后自動更新預計落地時間ELDT（預計滑入時間）。

（3）根據ELDT+EXIT（預計滑入時間）+ETTT（預計過站時間）得出EOBT（預計起飛時間），在EOBT前兩小時或者直接由航空公司輸入目標撤輪檔時間TOBT觸發離港起飛時刻的自動計算。

（4）飛機已經在本站的航班，則根據EOBT前兩小時或者直接由公司TOBT觸發離港起飛時刻的自動計算。

（5）流量管理室CDM席位根據細化到機場的限制條件，提供時刻自動計算、核實和發布，并將起飛時刻與現有華東地區統一放行系統數據同步。

（6）計算出的起飛時間CTOT（計算的起飛時間）以及ATOT（實際起飛時間），經過CDM終端機通過專線或互聯網發布給各公司以及上海兩場CDM協調席位，各公司指定的席位有權根據航班實際準備情況對TOBT更正，流量管理室可以根據排序情況自動或人工修正。

（7）公司可以對相同限制的航班對換次序，也可以將自己的時刻與其它公司的時刻對換，交換需要征得流量管制室同意。

（8）出現天氣等原因需要進行長時間等待時，為避免間隔縮小后起飛時刻提前量過大，流量室根據實際情況在隊列中最多發布三架航班的準確時間，其它航班的時間依次顯示為最后一架給定時間航班的時間+未發布時刻航班序號。機場協同決策系統中區域管制子系統的設計與實現。

（9）塔臺負責維護跑道運行模式，申請航班TOBT時間。

4 系統實現（System implementation）

4.1 客戶端系統

（1）流量室區管客戶端

流量室區管客戶端，是使用C#語言開發的C/S客戶端，該系統使用MVP的設計模式，通過MQ發送消息給數據服務系統，通過FTP讀寫文件的方式傳遞數據。系統將業務處理和用戶操作分開處理。主要功能：管理流控信息、管理受限航班起飛時間和經過航路點的時間、監控航班實時狀態。

（2）機場塔臺電子進程單系統

機場塔臺電子進程單系統，是使用ASP.NET開發的B/S網頁版的系統，該系統的操作通過MQ通知CDM業務系統，當CDM業務系統處理完后，將結果通知塔臺系統，實現人機之間的交互。系統主要功能如圖3所示。

（3）航空公司系統

航空公司系統是使用JAVA開發的B/S網頁版系統，該系統使用了Spring和MyBatis技術，主要功能是查詢進離港航班信息、流控信息和申請TOBT。實現航空公司與流量管制室之間的交互。

4.2 數據服務

4.2.1 數據結構

系統主要功能，數據表之間關系如圖4所示。

4.2.2 業務數據類型

數據處理部分涉及的數據類型：

（1）全航路信息

①有效航路段截取：判斷航路方向，根據航路的入點和出點，截取有效航。

②邊境點的標識。

③非航路和非航路點的過濾。

④多航路的過濾。

⑤航班全航路點的拆分（實際route）。

⑥航班全航路信息的組裝：根據邊境點，確定巡航高度，并提供全高度的全航路信息。

（2）飛行耗時

①飛行耗時經驗值計算：相鄰兩航路點，不同機型、高度的飛行耗時經驗值。

②航班飛行耗時獲取：實際航班相鄰兩航路點的飛行耗時獲取。

4.4 CDM業務系統

業務系統主要分為觸發器和裁決器兩個功能模塊，其核心業務是處理航班占位，給出航班計算的起飛時間。

4.4.1 觸發器

（1）功能描述

觸發器主要接受算法外部來自數據服務的預排航班信息、流控信息、跑道運行模式信息、飛越航班信息，內部來自裁決器的裁決信息、流控影響航班信息、跑道模式影響航班信息。根據算法的規則對航班、流控、跑到模式信息進行統一的計算管理。

（2）流程邏輯

①系統啟動時向數據服務發送航班請求，請求需要計算的航班信息包括：預計起飛時間在40—90分鐘的增量航班信息、發送了延誤報的航班信息、設置過人工TOBT的航班信息以及預計起飛時間在40—90分鐘的航班信息。

②收到數據服務的航班信息后會根據收到的航班的先后順序分別取每個航班的可用高度的某一高度為其該次計算的飛行高度，相應高度的航路及經驗值為其該次計算的飛行航路和經驗值信息，發送給航路點進行航路信息的計算工作。

③收到裁決器返回的裁決信息，會根據裁決結果進行相應處理。如果裁決結果為成功，則取本次計算出的CTOT時間為最終結果時間發送給數據服務和前臺界面顯示，并發送過點時間信息發送給航路點進行時間片占片工作且取下一個航班的信息發送給航路點進行計算工作；如果裁決結果為失敗，則取本次計算出的EOBT時間為EOBT時間，并根據EOBT時間找到相應的跑道信息、滑行時間、離崗程序時間發送給航路點重新計算；如果裁決結果為超時，則停止對本次航班的計算，取下一個航班的信息發送給航路點進行計算工作。

④收到來自數據服務主動推送的流控信息時，會將流控信息按照接收的時間順序保存起來。若在當前的一次流程完成后，根據優先級（流控信息優先級為3，數值越小優先級越高）流控為當前最高優先級信息，則生成流控消息后發送給航路點進行流控設置。

⑤收到來自裁決器的流控影響的航班信息，若存在受流控影響的航班信息，則發送將這些航班從時間片序列中移除的消息到航路點進行時間片清除操作。

⑥收到來自裁決器的時間片清除成功的消息，如果結果為成功，則根據優先級生成優先級最高的消息發送出去。

⑦收到數據服務的推送來的跑道運行模式的消息，會直接返回一個帶有機場信息的消息給服務器用來請求最新生效的跑道運行模式消息。

⑧收到數據服務返回的最新生效的跑道運行模式消息，會將跑道運行模式信息按照接收的時間順序保存起來。若在當前的一次流程完成后，根據優先級（跑道運行模式信息優先級為2）跑道運行模式消息為當前最高優先級消息，則生成跑道運行模式消息后發送給航路點進行跑道運行模式設置。

⑨收到數據服務推送的穿越航班的消息，會將其加入到當前計算的航班信息表中其他穿越航班的后面（航班信息優先級為5），和其他正常航班一樣進行航路的計算。

⑩收到數據服務推送的策略航班的消息，會根據航班的相應策略做相應處理。

當所有消息都被處理完時會向數據服務繼續發起航班信息請求。

?收到再一次航班排序信息時會將已經排序過的航班信息加入到待釋放的航班信息表中，并且按照之前的航班排序流程重新開始工作。

在發送每條業務消息之前都會先發送一條帶有唯一鍵值的消息給裁決器，來保證消息的唯一性和正確性。

收到裁決器的鍵值回復消息后，觸發器會為生成好的消息加入返回的鍵值后發送給航路點進行計算工作。

（3）限制條件

①向航路點發出信息后等待時間限制：三分鐘。超過時間后會重新發送最后一條消息給航路點。

②向數據服務發出請求后等待時間限制：三分鐘。超過時間后會重新發送航班請求給數據服務。

4.4.2 裁決器

（1）功能描述

裁決器主要處理來自航路點的時間偏移量消息、釋放結果消息、跑道運行模式改變及流控改變影響的航班列表的消息。同時為了保證消息處理的準確性，裁決器也會處理來自觸發器的鍵值消息。

（2）流程邏輯

①收到來自觸發器的鍵值消息后，會判斷當前裁決器是否保存有鍵值信息，如果存在則將其覆蓋并且重置裁決器當前的所有信息。執行完操作后會將收到的鍵值返回給觸發器。

②收到來自航路點的時間偏移量信息后，首先將點的信息和偏移量信息保存起來并判斷是否已經收到該次裁決需要的所有航路點的時間偏移量信息。如果沒有收到所需要的所有信息則繼續等待；如果已經收到了所有的信息則裁決找到最大的時間偏移量不為0（非MAX）后生成裁決失敗消息發送給觸發器，若為0則返回成功；如果已經收到所有消息并且消息中包含MAX值則返回裁決成功但是時間偏移量為-1；如果一定時間還沒有收到所有的消息則生成超時消息（時間偏移量為-2的成功消息）

③收到來自航路點的受影響航班信息后，裁決器會將這些航班信息一同返回給觸發器。

④收到來自航路點的釋放結果消息，首先將判斷結果和航路點信息保存起來。如果沒有收到所需要的所有信息則繼續等待；如果已經收到所有的信息則判斷是否存在結果為失敗的航路點；如果存在則將該航路點的消息加入到釋放失敗消息中返回給觸發器；如果所有的航路點返回消息都為成功則返回釋放成功消息給觸發器；如果超過一定時間還沒有收到所有的消息則生成超時消息（釋放失敗消息，其中包含沒有收到的航路點和收到的結果為失敗的航路點信息）返回給觸發器。

⑤在收到來自航路點的每一條消息時都會首先判斷收到信息所包含的鍵值是否和裁決器保存的鍵值一致，如果不一致則直接丟棄掉該消息，只有相同時才進行保存計算工作。

（3）限制條件

①偏移量消息等待最長時間為：超過三分鐘。

②釋放結果消息等待最長時間為：超過三分鐘。

5 系統應用（System application）

5.1 系統運行環境

（1）系統運行網絡環境

運行在空管內部網絡系統。

（2）服務器端運行環境

操作系統：Windows2008 R2 Enterprise Server

數據庫管理系統：Oracle11G

服務器中間件：TOMCAT6、IIS7信息服務器

代碼運行環境：JRE1.6、.NET Framework 4、Microsoft ASP.NET MVC3

其他支撐軟件：IBM WebSphere MQ 7.0

（3）客戶端運行環境

運行環境：Microsoft .NETFramework 3.5 SP1

瀏覽器：Internet Explorer8 以上瀏覽器

操作系統：Windows 7

5.2 應用CDM系統的影響

CDM系統能讓所有的參與者從中受益。對于空管部門而言，通過與航空公司的數據接口，了解航班的計劃信息、旅客人數、延誤信息，值機情況，這樣能夠更加精確地分配離場時刻，還可以根據計劃起飛時間，可以更合理地安排開車和推出時間。空管部門通過與機場當局的數據接口，可以提早得知航班停機位信息或其更改信息、航班有特殊要求的信息和緊急情況的信息以及現場運行過程出現的各種可能影響空管正常運行的信息等，這樣空管部門可以向機場提供更為合理的起降序列和更加準確的起降時間。機場當局可根據空管部門的信息，及時調整停機位分配、合理調整地面服務，更好的提供特情處置預案等。

對于航空公司而言，最直接的收益就是它能夠提高航班的正常性，增強公司對航班運營的可預測性，最大程度地減少延誤時間，從而降低延誤成本；對于機場當局而言，它能通過更好地分配機場資源為客戶提供更好的服務，能通過對跑道和停機位的最優分配，更好地支持越來越大的旅客吞吐量；它可以幫助區域管制員更好地進行航路飛行流量管理，合理分配流量有效減輕管制員負荷。通過精準的信息接收和發布，將空管信息中心發揮出指導現場運行的作用。

6 結論（Conclusion）

本文介紹了民航航空業的現狀，分析了航班延誤的主要原因。同時也對CDM系統的設計和實現方法做了詳細的介紹，給出了一套可行性方案。該方案的設計滿足了系統安全性、可靠性的運行需求。通過該系統的部署和應用提高了流量管理中心分配時間的執行率，減少了滑行道和機場的擁擠，減輕了管制人員的工作壓力，得到相關部門更多理解和信任，同時也能為相關單位提供更高的服務品質和收獲更好的客戶滿意度。

參考文獻（References）

[1] 關鈺，楊紅雨.空中交通流量管理中地面等待策略問題的研究[A].計算機應用，2007，08：3-5.

[2] 董念清.中國航班延誤的現狀原因及治理路徑[J].北京航空航天大學學報（社會科學版），2013，06：25-32.

[3] 馮思軼，胡曉蕓，李沁.基于CDM的航班綜合信息應用平臺研究[A].上海空港（第17輯），2013，06：7-8.