基于FIXM的AFTN電報數據質量約束模型研究

姜高揚　王潔寧　周　沅

1(中國民航大學天津市空管運行規劃與安全技術重點實驗室　天津 300300)2(民航華東空管局　上海 200335)

?

基于FIXM的AFTN電報數據質量約束模型研究

姜高揚1王潔寧1周沅2

1(中國民航大學天津市空管運行規劃與安全技術重點實驗室天津 300300)2(民航華東空管局上海 200335)

針對當前空管自動化系統中AFTN電報數據格式不規范問題，研究建立基于FIXM的電報數據質量約束模型。首先研究歐美提出的航班信息交換模型建模思想。其次結合我國行業標準建立民航AFTN電報數據質量約束模型，其中UML模型從概念上進行語義約束，XMLSchema模型從邏輯上進行數據約束。最后，根據報文處理流程和數據約束規則設計了模型驗證實驗。實驗結果表明，與基于正則表達式的電報處理方法相比，基于FIXM的數據質量約束模型能夠有效識別當前報文中存在的格式錯誤。該模型的研究可為我國空管信息化建設中數據標準的完善提供理論支撐。

民航電報航班信息交換模型數據建模數據質量Petri網

0　引　言

民航電報數據在空管自動化系統中發揮著重要的作用，因此報文數據質量問題也日益受到關注。據中國民用航空局空中交通管理局的官方統計數據顯示，我國各地區的空管部門在領航計劃報的拍發過程中，存在不同程度的錯誤率，主要表現在缺項、代碼錯誤、順序有誤等[1]。如何解決民航電報拍發過程中存在的問題一直是國內學者研究的熱點問題之一。在該方面，文獻[2-4]分別從中間件技術、電報交換體系、電報收發系統等方面進行研究，以解決電報在不同系統間的傳輸問題，但是這些研究并未參考統一的數據標準，也沒有重點考慮數據質量問題。文獻[5-7]采用語法分析、知識庫、正則表達式等技術，解決報文數據的自動識別和容錯問題，但是這些研究多從算法的角度出發，很少參考現有的民航電報格式標準，更未參考國際標準。總而言之，國內在報文的處理方面，不同的人采用不同的技術和方法，無論是從系統角度還是從算法角度都未考慮數據質量問題，缺乏統一的數據規范作為支撐。

國外最初研究航班數據時也沒有統一的標準，EUROCONTROL于2001年至2003年開展了航空器運行、空中交通管理、流量管理等一系列研究，由于所采用的數據標準不盡相同，造成了不必要的工作負荷和資源浪費[8]。后來EUROCONTROL開始考慮采用一種全新的航班數據互操作概念來解決這個問題。航班對象的概念也應運而生。航班對象FO(FlightObject)是一個抽象的概念，指與一個航班生命周期有關的所有數據的集合，它為多源異構系統的數據互操作提供了理論依據。基于該思想，CatherineN.Bolczak研究了FO在空域安全方面的作用[9]，RobinG.Ghariani等人研究了FO在危險品信息管理中的作用[10]。為了進一步促進FO的標準化，2003年EUROCONTROL和FAA合作，成立了航班對象工作小組，并制定了FO數據標準——FIXM(FlightInformaitoneXchangeModel)。目前FIXM已經成為ICAO推薦的國際標準。

為了解決當前空管自動化系統中AFTN電報數據格式不規范問題，本文嘗試基于FIXM數據標準，從數據表示、數據結構、數據內容方面入手，研究建立AFTN電報數據質量約束模型。首先參考FIXM標準，采用UML語言建立民航AFTN電報一致化數據表示模型，從數據名稱和數據類型上進行約束；其次參考國內MH/T4007-2012行業標準，采用XMLSchema技術構建符合我國民航標準的數據結構模型，從數據邏輯和數據內容上進行約束，最終形成一套基于FIXM建模思想的民航電報數據質量約束模型。在此基礎之上采用Petri網設計了模型驗證實驗，通過一組實際的報文數據驗證了模型在數據質量約束方面的可用性和有效性。該模型的研究體現了FIXM標準在規范我國航班數據、提升空管數據質量方面所起的作用，可為我國空管數據標準的完善提供新的參考。

1　FIXM標準概述

FIXM是EUROCONTROL和FAA共同制定的航班全生命周期數據共享交換標準，它與AIXM(航空信息交換模型)、WXXM(氣象信息交換模型)共同構成了信息交換模型家族，能滿足大部分ATM信息交換需求[11,12]。在SESAR和NextGen項目中均采用了FIXM三層數據建模思想，如圖1所示，其中包括概念模型FICM(FlightInformationConceptualModel)、邏輯模型(FIXM)和物理模型FIXS(FlightInformaitoneXchangeSchema)。

圖1　FIXM三層數據建模思想示意圖

FICM概念模型以UML類圖的形式展示了FIXM數據字典中的元素，提供了飛行數據概念及其關聯的高級視圖。FIXM邏輯模型是在概念模型的基礎之上，添加了詳細的數據定義、數據類型和數據關聯，并以UML類圖的形式提供給數據建模人員或者開發人員使用。FIXS物理模型是從邏輯模型映射而來，通過XMLSchema的形式詳細定義了飛行數據在以XML格式進行傳輸時的約束條件，開發人員可根據該模型進行航班信息的生成和解析。

2　電報數據質量約束模型構建

2.1AFTN電報種類及其現狀

我國的AFTN電報主要包括領航計劃報、起飛報、落地報等16種電報，如圖2所示。

圖2　民航AFTN電報種類

目前，我國相關部門的自動化系統對于AFTN電報的處理雖然都遵循《民用航空飛行動態固定電報格式》(MH/T4007-2012)的規定[13]，但是由于各個系統之間沒有參照統一的數據標準，導致同樣的數據在不同的系統中存在不同的名稱和格式，各系統間的數據互操作性差，協同運行能力較低。為保證數據質量，必須首先建立統一的數據質量約束模型，形成一致的語義環境。因此本文嘗試參考歐洲提出的FIXM標準，建立AFTN電報UML模型，用以規范報文各個字段的數據名稱、數據類型，然后建立AFTN電報的XMLSchema模型,定義報文信息的數據結構和內容約束。

2.2AFTN電報UML模型

通過對報文格式的分析和概括，同時參考FIXM數據字典，可以得到AFTN電報數據模型所必須的要素和屬性，這些要素和屬性是構成領航計劃報數據模型的最小數據集合，反映了AFTN電報的基本數據特征。該模型是建立XMLSchema模型的基礎，也是利用計算機進行報文數據質量分析的前提。由于AFTN電報包含16種類型的電報，概念建模工程量較大，本文僅展示領航計劃報的UML模型，如圖3所示。

圖3　領航計劃報UML模型

UML模型明確了各個要素和屬性的名稱、類型和關聯，可以使開發人員和數據使用人員形成一個統一的認識，有利于形成一致的語義環境。

2.3AFTN電報XML Schema模型

AFTN電報UML模型從概念層面進行了數據建模，而具體的報文數據結構需要利用XMLSchema進行定義。通過參考報文數據UML模型和FIXM數據字典，建立如圖4所示的AFTN電報XMLSchema模型，該模型定義了AFTN電報各個編組的名稱、數據結構和數據類型，是在邏輯層面對報文進行的數據建模。

圖4　領航計劃報XML Schema模型

FIXM模型對數據質量的約束不僅僅是通過UML類圖和XMLSchema建立一致的語義環境，更重要的是制定統一的數據類型。上述模型采用的是FIXMv3.0.0中所規定的數據類型，包括簡單數據類型和復雜數據類型，對于簡單數據類型又通過正則表達式進行嚴格約束。FPL報中所涉及的簡單數據類型如表1所示。

表1　FIXM中的數據類型及約束

可以看出，歐美在FIXM標準中對常用的string、enumeration等數據類型重新進行了定義，使之更加符合航班信息的特征。但是有些正則表達式較為簡單，對數據的約束力度不強。這些正則表達式在進行報文信息匹配時尚可使用，但是在進行報文信息糾錯時效果不佳。因此在實際運用時可在FIXM數據約束的基礎上，結合行業的具體規則進行進一步的完善。

AFTN電報的UML概念模型、XMLSchema邏輯模型共同形成了AFTN電報數據質量約束模型，基于該模型可以在報文發送端控制數據質量，也可在接收端校驗并分析數據質量。本文將結合報文處理流程設計驗證實驗，研究基于FIXM的報文數據質量約束模型在整體檢驗數據質量、快速發現數據錯誤方面的可行性。

3　模型實驗分析

3.1問題分析

由于報文數據的質量分析問題可以抽象為工作流問題，而Petri網特別適合于工作流問題的建模分析，描述事件的同步、異步、并發、沖突等邏輯關系和約束條件，因此可以利用Petri網構建報文數據質量分析模型。在Petri網中往往將事件的狀態抽象為庫所，將狀態的跳變抽象為變遷，因此結合報文數據處理流程，參考報文數據約束規則，可用庫所定義數據處理的狀態和約束條件，用變遷定義條件的判斷和事件的執行。基于以上思路，作如下定義：

StateSpace={S,P,C,R}，其中：

S= {success,failure}表示處理狀態；

P= {start,message,read,split,group_i},i=1,2,…,n表示處理過程；

C= {pattern_1,pattern_2, … ,pattern_m}表示約束條件；

R= {match_1,match_2, … ,match_m,correctMsg,errorMsg,fileName}表示處理結果。

集合C與集合R存在映射關系f，

f:group_i→match_j,i=1…n,j=1…m

當滿足以下條件：

此時correctMsg=1，

否則errorMsg=1

3.2實驗設計

在AFTN電報中，由于領航計劃報最具代表性，因此選取若干組領航計劃報作為實驗數據，相應的實驗設計如圖5所示。

圖5　報文數據質量分析Petri網模型

在Petri網模型中，庫所group_i遵守UML和XMLSchema數據模型的定義，庫所pattern_j為數據匹配和校驗規則，該規則基于FIXM模型的數據約束，同時參考我國的行業標準進行了進一步的細化，FPL報的數據匹配和校驗規則如表2所示。

表2　數據匹配和校驗規則

續表2

基于以上校驗規則，編寫實驗偽代碼如下：

FunctionFplProcess(filename)

Begin

Inputfilename;

group=splitFPLmessage;

Fori=0To8

boolresult(i) =matchgroup(i)andpattern(i) ;

ifgroup長度 ==9 &&result(i)為true的數量==9

thencorrectMsg++ ;

elseerrorMsg++;

match(i) =result(i)為false的數量累加

outputmatch(i),

correctMsg,errorMsg,

errorFilename;

End

3.3模型驗證

(1) 輸入

選取一批FPL報作為輸入，其中包括若干格式有誤的報文，以此驗證本文建立的數據質量約束模型能否有效識別不規范的報文數據。由于本文著重關注FPL報文本身的數據質量問題，因此對于選取的FPL報要首先去除報頭(電報開始符號、電路識別代碼、流水號、拍發時間)、報尾(NNNN)等無關信息，僅保留報文正文部分。選取的FPL報文如圖6所示。

圖6　輸入模型的報文數據

(2) 輸出

通過觀察處理結果集合R可以得到表3所示，因此可得到報文數據的整體質量為正確率91%，錯誤率9%，如圖7所示。報文數據的錯誤累積分布可根據match_j的數據得到，如圖8所示。可以看到，在處理的一批報文數據中，match_5所對應的編組10、match_7所對應的編組15和match_9對應的編組18出現了錯誤，仔細分析可以發現，編組10的內容為機載設備，編組15為航路，其中包含大量的設備代碼、航路代碼需要人工輸入，因此出錯的可能性較大，這兩項內容在報文填寫和數據校驗時應該格外加以注意。編組18為其他情報，缺少該項信息將導致飛行情報的不完整，在民航局空管局進行的錯報統計中，缺少編組18也列入統計之中。

表3　報文數據處理結果

圖7　報文數據總體質量

圖8　報文數據錯誤累積分布

通過表3還可以看出，出錯的報文為FPL1、FPL3和FPL10，查找并定位到出錯的編組，可以快速找到出錯的原因，如表4所示。在實際的管制工作中，FPL報文缺少一個字符或者多出一個空格的現象并不少見，通常需要飛行計劃席的管制員人工查找并修改，否則FPL報信息將無法進入管制自動化系統中，進而導致雷達數據和飛行計劃數據無法關聯，表現為雷達管制屏幕上某架飛機的雷達標牌無法顯示。

表4　錯誤原因分析

通過模型驗證可以看出，本文建立的報文數據質量約束模型可以快速識別不規范的報文數據，幫助管制員及時糾正錯誤信息，既可用于發報前的報文校驗，又可用于收報后的輔助糾錯，對于解決當前報文數據不規范問題提供了有效的解決方案。

3.4模型對比

本文建立的AFTN電報數據質量約束模型主要基于FIXM標準，通過構建UML和XML模型，可從數據名稱、數據結構、數據類型和數據內容等方面對報文數據進行嚴格的約束，進而可以規范報文數據的內容，提高整體數據質量。文獻[7]也進行了類似的研究，提出了基于正則表達式的飛行電報處理算法模型。由于研究的側重點不同，兩種模型各具特點。

本文重在數據質量的控制，要求數據的一致性、規范性和互操作性，因此參考了歐美提出的FIXM標準進行建模。而文獻[7]重在進行飛行電報處理算法的研究，并未考慮不同系統之間數據的互操作問題。利用本文的實驗數據對兩種模型進行驗證發現，對于正確的報文，兩種模型都能全部識別，而對于有誤的報文，如表4所示的幾種錯誤，文獻[7]提出的模型并不能完全識別。可見，文獻[7]提出的模型容錯性更好，但是從數據質量約束的角度來看，本文所提出的模型約束力度更強。如表5所示。

表5　模型對比

續表5　模型對比

4　結　語

航班信息交換模型FIXM在FAA的NextGen和EUROCONTROL的SESAR計劃中均發揮了重要作用。面對我國報文數據格式不規范問題，FIXM標準具有很大的參考價值。本文正是基于FIXM的建模思想，結合民航行業標準，建立了AFTN電報的UML模型和XMLSchema模型，其中采用FIXM標準中規定的數據元素和數據類型對報文數據的內容和格式進行嚴格控制。通過數據建模，形成了基于FIXM的AFTN電報數據質量約束模型。最后利用Petri網設計了模型驗證實驗，通過實際的報文數據，驗證了模型的可用性和有效性。與基于正則表達式的模型相比，基于FIXM的模型對數據質量的約束力度更強，進而證明了FIXM標準在規范航班數據、提升數據質量方面所發揮的重要作用。由于數據有限，本文僅僅選取了AFTN中較為典型的FPL報作為實驗數據，其他報文數據的驗證工作將在后續研究中逐步開展。

[1] 中國民航航空局空中交通管理局.報文監控統計[EB/OL].[2015-07-25].http://www.atmb.net.cn/.

[2] 何國斌,馬世龍.航務報文處理系統的分析與設計[J].北京航空航天大學學報,2001,27(6):649-653.

[3] 湯衛民,徐長梅,李小東.應用級民航電報交換系統的體系結構設計[J].計算機工程與科學,2004,26(11):17-21.

[4] 王小林,王義.改進的基于知網的詞語相似度算法[J].計算機工程,2005,31(S1):17-19.

[5] 陳強.飛行數據處理技術的研究與應用[D].四川大學,2003.

[6] 陳玉秋.民航空管自動化系統中飛行電報自動化處理[D].南京:南京理工大學,2007.

[7] 杜冬.基于正則表達式的飛行電報處理算法[J].中國民航飛行學院學報,2013(1):21-23,28.

[8]HillA.Theflyingobject:aflightdatamanagementconcept[J].AerospaceandElectronicSystemsMagazine,IEEE,2004,19(4):11-16.

[9]BolczakCN,FongCCV.Roleoftheflightobjectand4DTinairspacesecurity[C]//DigitalAvionicsSystemsConference,2007.DASC’07.IEEE/AIAA26th.IEEE,2007:4.E. 1-1-4.E. 1-11.

[10]GharianiRG,CormierRH.Hazardouscargoinformationmanagementviatheflightobject[C]//IntegratedCommunications,NavigationandSurveillanceConference(ICNS),2012.IEEE,2012:O1-1-O1-9.

[11]FAA.FIXMv1.1Primer[EB/OL].[2012-12-24].http://www.fixm.aero/content/fixm-v11-primer.

[12]MidoriTanino.FlightInformationExchangeModel[EB/OL].[2013-02-01].http://www.enri.go.jp/eiwac/2013/pdf/Viewgraph/EN-030_Tanino.pdf.

[13] 中國民用航空局.MH/T4007-2012民用航空飛行動態固定電報格式[S].北京:中國標準出版社,2012.

ONAFTNTELEGRAPHDATAQUALITYCONSTRAINTMODELSBASEDONFIXM

JiangGaoyang1WangJiening1ZhouYuan2

1(TianjinKeyLaboratoryforAirTrafficOperationPlanningandSafetyTechnology,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)2(CAACEastChinaRegionalAdministration,Shanghai200335,China)

AimingattheunstandardiseddataformatsofAFTNtelegraphsincurrentautomationsystemofairtrafficcontrol,westudiedandbuilttheFIXM-basedtelegraphdataqualityconstraintmodels.First,westudiedtheflightinformationexchangemodel(FIXM)proposedbyFAAandEUROCONTROL.Then,incombinationwithdomesticindustrystandardwebuiltthecivilaviationAFTNtelegraphdataqualityconstraintmodels,amongthemtheUMLmodelisinchargeofconceptualsemanticconstraint,andtheXMLSchemamodelisinchargeoflogicaldataconstraint.Finally,wedesignedthemodelsvalidationexperimentsaccordingtotelegraphprocessflowanddataconstraintrules.Experimentalresultsshowedthat,thedataqualityconstraintmodelsbasedonFIXMcaneffectivelyidentifytheformaterrorsincurrentAFTNtelegraphcomparedwiththetelegraphprocessingmethodbasedonregularexpressions.Theproposedmodelscanprovidetheoreticalsupportfortheperfectionofdatastandardinairtrafficcontrolinformatisationconstructioninourcountry.

AviationtelegraphFlightinformationexchangemodelDatamodellingDataqualityPetrinet

2015-07-14。國家自然科學基金委員會與中國民用航空局聯合項目(61039001)；空管科研課題(GKG201410003)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(3122013P008)；2014年民航局安全能力建設項目。姜高揚，碩士生，主研領域：空管系統建模與仿真。王潔寧，研究員。周沅，高工。

TP

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.027