基于云計算技術的新一代空管信息系統架構研究

李成功 辛曉娜 裘小晨 王景偉

1(華北計算技術研究所 北京 100083)2(69089部隊 新疆 庫爾勒 841000)

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基于云計算技術的新一代空管信息系統架構研究

李成功1辛曉娜1裘小晨1王景偉2

1(華北計算技術研究所 北京 100083)2(69089部隊 新疆 庫爾勒 841000)

鑒于傳統架構的空管信息系統不能適應我國空管事業的快速發展，分析我國現有空管信息系統建設模式和技術架構面臨的問題和挑戰，介紹云計算技術的優勢和特點，總結云計算技術在國內外空管信息系統建設中應用經驗。針對新一代空管信息系統分級部署、協同運行、信息分級處理的特點，提出基于云計算技術的新一代空管信息系統架構設計構想。研究表明，新架構可有效提升空管信息系統的數據處理能力、信息共享水平和運維保障能力。

云計算技術 新一代空管信息系統 系統架構

0 引 言

空管信息系統是我國空管保障體系的重要組成部分，對提高國土防空安全水平、提升空管安全保障能力、維護空中交通秩序、確保空中交通暢通、提高飛行效率起著至關重要的作用。隨著全球空管一體化、軍隊訓練任務多樣化、空管應急響應智能化、通航飛行與無人機飛行規模化等新趨勢的發展，我國現有空管信息系統的建設模式和技術架構面臨不少問題和挑戰。

隨著云計算技術的研究和發展，其對計算機科學和應用產生了極大的影響，相應地促進了IT基礎架構的變革，國內外各航空企業和空管部門也開始逐步采用云計算作為其基礎架構以期提高系統的性能和部門的效率。在新形勢下，如何借鑒國內外空管信息系統建設的新理念，采用云計算、大數據技術等新技術體制，構建新一代空管信息系統架構，以提升我國空管信息系統的數據處理能力、信息共享水平和運維保障能力，成為當前研究的熱點。

1 我國空管信息系統建設中存在的問題及面臨的挑戰

我國空管信息系統經過五十多年的發展，已初具規模，自動化水平顯著提高，管制指揮手段得到改善，極大地提高了我國空管安全保障能力和全方位服務水平。但是我國現有空管信息系統架構大都按照傳統的設計模式進行設計，主要存在以下問題和挑戰：

(1) 空管信息系統設備“七國八制”，缺少智能化統一運維手段

我國空管信息系統經歷了一個從引進到國產化的過程。在前期引進了美國雷神、馬丁的自動化系統，后期則主要由川大智勝、萊斯、民航二所等國內廠商承建。由于設備種類多，型號不一致，加上缺少統一的智能化和遠程運維監控手段，運維成本高，運維保障效率低。

(2) 空管業務應用軟件與基礎平臺緊密耦合，系統集成和升級難度較大

由于系統建設中各生產廠商使用的硬件設備、操作系統、數據庫、GIS平臺等基礎軟硬件平臺五花八門，加上不同廠商的業務軟件技術體制不同，與基礎軟硬件平臺緊密耦合，存在系統集成難度大、升級改造成本高等一系列問題。

(3) 各級空管信息系統獨立建設,各類信息分別處理，計算資源未能有效利用

目前我國軍民航空管信息系統自成體系，各級空管系統分片建設。由于上下級之間、同級空管信息系統之間未建立按需共享業務處理服務的機制，大都采用本地信息處理模式，大量業務模塊重復安裝部署，業務數據重復處理現象嚴重，系統計算資源浪費嚴重。

(4) 現有空管信息系統的數據采用本地存儲模式，大量歷史數據得不到有效利用

空管系統運行過程中積累了大量的歷史數據，但是現有空管系統大都采用本地存儲模式，由于本地存儲資源有限，大量寶貴的歷史數據被定期清理，造成極大的數據資源的浪費。同時缺少開展大數據挖掘分析的基礎條件，數據價值得不到有效利用。

2 云計算技術及其發展應用情況

2.1 云計算技術簡介

云計算是一種新的計算模式，由分布式計算、并行計算和網格計算的發展而來[1]。云計算技術是分布式計算、并行計算、網格計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物。

基于云計算技術的系統可通過使計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務器中，使得企業能夠根據應用需求訪問計算資源、存儲資源、網絡資源等各類資源。采用云計算技術架構能使企業以較低的成本獲取安全、可靠的存儲和計算能力，減少對非核心業務的投入，強化自己在核心領域的競爭優勢。

與傳統架構相比較，云計算架構有一些優勢：能賦予用戶前所未有的計算能力，對于大規模數據處理、科學計算等需要高性能計算的業務領域，云計算有很好的應用前景；通過提供服務器虛擬化、存儲虛擬化、應用虛擬化、平臺虛擬化、桌面虛擬化等虛擬化技術的運用，支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應用服務；系統規模可以動態伸縮，滿足應用和用戶規模增長的需要；由于使用了數據多副本容錯、計算節點同構可互換等措施來保障服務的高可靠性，云端數據的可靠性增強。

2.2 云計算技術在空管信息化系統中的應用研究

FAA和歐控在所開展的廣域信息管理(SWIM)研究工作中，均已將云計算的理念、虛擬化技術和云存儲技術等納入其技術路線的考慮范圍，以解決其在推進美國下一代航空運輸系統(NextGen)與歐洲單一天空空中交通管理研究計劃(SESAR)過程中面臨的海量信息的采集、分類和標準化，數據統一存儲以及各個系統間的數據共享的問題。

2011年，美國聯邦管理與預算辦公室(OMB)發布了聯邦云計算戰略，提供了決策框架和相關案例以支持各個部門向云計算遷移。重點論述了實現云計算所需的資源，并且明確了聯邦政府在推進采用云計算技術中的行動、作用及職責。在此政策精神指導下，FAA于2012年底正式提出了空管云計算發展戰略，計劃通過政策和流程的支持，形成一種新的IT環境，將基礎設施、平臺、軟件等資源進行整合，構建公眾云、私人云、社區云或者混合云等應用模式，使得部門內部可以獲取、設計并使用云服務。目前正在兩個主要領域實施云計算舉措：NAS系統和非NAS系統。此外，通用電氣(GE)公司和美國國家航空航天局(NASA)合作開展研究計劃，準備將下一代空中交通管理系統帶入“云”時代。

歐洲也開展了將云計算技術應用于空管信息系統建設的研究，英國的四大機場之一Gatwick通過與合作的航空公司共享數據信息，利用云計算資源為乘客提供更便捷、更實時的航空旅行信息。英國航空管制巨頭NATS公司宣布為保證未來業務增長戰略的需要，將公司基于桌面的IT服務全部轉向可以提供靈活、快速應對變化的云計算架構。Frequentis公司的研究人員提出了航空云服務ACS(Aeronautical Cloud Services)的概念，將衛星通信地面站、VHF/LDACS數據鏈、空管服務信息處理系統AMHS(Air Traffic Services Message Handling System)、扇區地面控制系統SFC(Sector Floor Control)整合作為云資源，通過虛擬化為用戶提供統一完整的航空云服務。

我國在空管云計算應用方面也做了不少嘗試，民航東北地區空中交通管理局結合信息化辦公環境，提出了民航東北空管局桌面虛擬化建設方案[2]。通過將協同辦公系統、電子政務平臺、即時通信系統、電子值班日記系統等各種信息化應用軟件統一發布到虛擬化桌面中，辦公用戶無需安裝各種軟件，即可使用各種信息化應用。民航華東地區空中交通管理局的葉云斐，針對華東地區巨大的航班吞吐量，提出了一套基于云計算平臺的CDM系統設計方案[1]。通過測試驗證，該系統架構具備良好的計算能力和業務處理能力，使用靈活，滿足系統安全可靠、成本低、易拓展的需求。中國電子科技集團公司第二十八研究所的肖雪飛，提出了基于云計算技術設計了自動化飛行服務站云計算中心體系架構[3]，描述了需要實現該體系架構的關鍵技術。中國電子科技集團公司第十五研究所在國家飛行流量監控中心系統建設中引入計算虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化技術，在提高資源使用率的同時，實現計算資源、存儲資源和網絡資源的統一調度、管理。該系統自上線運行開始后，系統運行穩定，虛擬化技術的發揮的優勢日漸顯現。

3 基于云計算技術的新一代空管信息系統架構設計

3.1 基于云計算技術的新一代空管信息系統體系架構

為解決已建系統存在的問題，我們建議采用云計算的理念進行新一代空管信息系統整體架構設計，形成我國新一代空管一體化運行的混合云架構。其中軍航空管云采用私有云方式，通航與無人機空管云采用公有云方式，民航空管云與國家空管云采用私有云與公有云混合云方式，架構如圖1所示。

(1) 信息感知層

通過獲取監視數據、氣象數據、情報數據以及基礎數據等空管要素信息，實現對空管運行環境的全面感知，并通過各種接入網絡將感知信息向上層匯聚。

(2) 云數據傳輸層

基于數據傳輸總線完成各種數據來源和各級云節點間的信息互聯，實現空管監視數據、氣象數據、情報數據、計劃數據、節點間產品數據和節點內部業務信息數據的高效流轉。

(3) 云基礎設施層

通過路由器和交換機等網絡設備將分布在各級管制中心的硬件資源連接成一個資源池，利用虛擬化技術實現硬件資源按需分配、調度和管理。

(4) 云平臺層

根據各級空管信息系統對基礎軟硬件環境和數據處理能力的需求，整合數據庫、中間件、GIS平臺和插件框架等基礎軟件，其屏蔽了底層復雜的操作，提供了可滿足特定需求的云計算平臺，基于分布式緩存、并行計算、異步渲染、環境集成計算等技術向上層提供服務支撐。

(5) 云數據業務層

為新一代空管信息系統運行所需的數據進行統一的存儲、管理和共享服務，并對外提供數據統一訪問引擎、數據生命周期管理、共享管理等功能。并根據數據業務不同，構建基于私有云的軍航空管數據中心、基于公有云的通航與無人機空管數據中心、基于私有云與公有云混合云的國家空管數據中心和民航空管數據中心，對上層業務提供云數據服務。

(6) 云業務應用層

采用SOA架構，將業務邏輯封裝成服務組件，并根據業務流程進行組合和復用。以服務形式面向給軍航用戶、民航用戶、通航用戶和無人機用戶，提供空管信息處理、空管業務應用、專項數據統計、空管業務保障、會議協商等空管基礎應用服務，支撐上層流量管理系統、空域管理系統、管制自動化系統、通航服務系統、無人機系統等業務應用。

(7) 云安全管理

負責新一代空管信息系統的安全管理，面向不同層級提供不同的云安全管理服務。

(8) 云平臺管理

對云架構所需的TaaS、IaaS、DaaS、PaaS和SaaS等各層應用進行統一管理，提供用戶管理、訪問權限管、部署調度管理、網絡監控管理等功能應用。

3.2 新一代空管信息系統云平臺部署架構

針對新一代空管信息系統分級部署、協同運行、信息分級采集匯總的特點，以及其復雜的、立體的、交叉的傳輸需求。通過定義良好的結構來降低層級間和層內不同模塊間的耦合度，最終實現數據的統一傳輸、統一管理和統一服務能力，新一代空管信息系統部署如圖2所示。

圖2 基于云計算平臺的新一代空管信息系統部署圖

總體設計層面將考慮建立“基于多鏈路的統一數據采集傳輸”，通過構建高效、穩定、安全的敏捷數據交換體系，屏蔽底層傳輸鏈路的異構性和傳輸手段的多樣性，實現空管海量數據的快速獲取和敏捷交換。針對面向全國軍航、民航、通航和無人機用戶提供空管信息保障能力，提供立體化的共享服務體系的需求。考慮建立“面向全網絡的統一數據服務”，構建全局的數據統一視圖和元數據同步機制，向總部級、地區級、分區級和機場級等不同業務應用提供數據服務。針對不同級別空管信息系統對數據處理、存儲需求的差異，考慮建立“基于分布式節點的統一數據存儲、處理與管理”，在總部云級節點存儲空管數據的全集，并面向軍航陸海空總部、民航空管局和國家空域管理中心等總部用戶，為開展空管戰略規劃層面的數據分析和挖掘工作，提供全服務能力。區域云節點和分區云節點作為空管數據服務的主力節點，面向體系業務運行和戰術層面的數據分析需求，提供體系內數據和責任數據的全服務。機場云節點是數據服務的加速節點，面向實時空管業務運行需求，為本級節點提供數據緩存和訪問加速的能力，強調以最短路徑、最快速度、最小代價為終端提供數據供給服務。

3.3 優勢分析

(1) 按需定義所需計算和存儲能力，提升資源使用效率

用戶可對已經池化的各種計算、網絡、存儲等虛擬資源進行整合和統一管理，根據不同級別、不同規模的空管信息系統對資源的需求，定制虛擬機資源模板，實現資源的動態申請、管理、分配和回收，提升資源整體使用效率。

(2) 提供面向數據全生命周期的管理，充分發揮空管數據價值

面向全國軍航、民航、通航和無人機用戶建立立體化的信息共享服務體系，使用全局的數據統一視圖和元數據同步機制，提供數據統一訪問引擎、數據生命周期管理、共享管理等數據管理工具，為后續開展空管數據處理、數據挖掘、大數據分析等提供支撐。

(3) 采用分布式存儲處理機制，提升數據處理效率

通過構建總部云級節點、區域云節點、分區云節點和機場云節點四類數據分布式存儲和管理節點，實現結構化、非結構化和半結構化數據的體系化分級管理和分布式數據處理。使用并行計算、分布式緩存等云計算技術，可在不額外增加硬件成本的基礎上，提升數據處理效率。

(4) 提供高效、自動化的云平臺管理功能，降低系統維護成本

通過云管理平臺的多維度、高效的監控管理功能，可以實現對服務器、存儲設備、網絡設施等云基礎設施運行狀態的實時監控與遠程自動化、智能化管理。在滿足用戶業務軟件對資源的服務需求的同時，能夠減少系統運維成本。

4 結 語

目前，我國航空事業的發展，特別是近些年來軍事飛行、民航運輸飛行、通航飛行以及無人機飛行任務和頻次的增加，對我國空管運行保障業務提出了新的要求，需要重新規劃和設計新一代空管信息系統體系架構。本文在總結現有空管信息系統建設中存在問題及面臨的挑戰基礎上，借鑒國內外空管信息系統建設的新理念。針對新一代空管信息系統分級部署、協同運行、信息分級采集匯總的特點，以及其復雜的、立體的、交叉的傳輸需求，提出了基于云計算技術的新一代空管信息系統架構設計構想。并對新架構的優勢進行了詳細分析，為研究新時期空管信息系統建設提供了有益的參考價值。

云計算技術作為一項新興的技術，在我國新一代空管信息系統的具體實踐應用還處于探索階段，新技術的應用在改變空管服務提供方式的同時也面臨一些挑戰。例如面向不同空管用戶的各類空管應用如何更好安裝部署問題，不同保密級別的數據如何存儲管理問題以及空管云應用安全性問題，還需要我們進一步深入研究和論證。

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RESEARCH ON THE NEW GENERATION ATM INFORMATION SYSTEM ARCHITECTURE BASED ON CLOUD COMPUTING TECHNOLOGY

Li Chenggong1Xin Xiaona1Qiu Xiaochen1Wang Jingwei2

1(NorthChinaInstituteofComputingTechnology,Beijing100083,China)2(69089Army,Kuerle841000,Xinjiang,China)

In consideration of the traditional structure of ATM information system can not adapt to the rapid development of China’s air traffic management, and this paper analyzes the problems and challenges of the existing ATM information system construction model and technical architecture in China, introduces the advantages and characteristics of cloud computing technology, and summarizes the experience of cloud computing technology in the construction of ATM information system at home and abroad. Aiming at the characteristics of hierarchical deployment, collaborative operation and information classification of the new generation ATM information system, a new generation ATM information system architecture design concept based on cloud computing technology is proposed. The research shows that the new architecture can effectively improve the data processing capability, information sharing level and operation and maintenance ability of ATM information system.

Cloud computing technology New generation ATM information system System architecture

2017-02-16。空管委課題：“十二五”國家空管科研專項第一批課題專題十二(GKG201412005)。李成功，工程師，主研領域：空中交通管理，空管系統集成，云計算。辛曉娜，工程師。裘小晨，工程師。王景偉，工程師。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.07.013