美國空管大數據應用研究

張晨　凌帆

[摘 要] 空管作為民航重要數據保障中樞，其海量、多元和異構的數據信息資源蘊含豐富價值，大數據開發一直是美國空管技術研究的重點方向。本文概述美國空管大數據應用的基本情況，可為國內空管大數據安全共享機制的建立，關鍵數據信息壟斷的破除，相關部門加快信息化建設提供思路。

[關鍵詞] 空中航行服務；大數據；應用

[中圖分類號] V355.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1671-0037（2017）6-94-3

Research of the Big Data Applications of the American ATM

Zhang Chen Ling Fan

（Strategic Development Department， Huadong Air Traffic Management Bureau CAAC， Shanghai 200335）

Abstract： Air traffic management system （ATM）， as the significant data guarantee center of civil aviation system， owns massive， diversified， heterogeneous and valuable data assets. Therefore， the R&D in terms of big data used to be the important technique research field of American ATM. The paper summarized the current application situations in terms of big data of American ATM， which would provideview points for setting up the ATM big-data safely sharing mechanism， breaking the monopoly of key data information， and speeding up the informatization of relevant departments in China.

Key words： ANSP； big data； application

為應對航空運輸系統快速增長挑戰，提高空管安全性水平，擺脫航班延誤等困境，美國在ICAO公約附件4、10、14和15的框架下，20世紀90年代開始研發空管大數據處理與分析系統。千禧年后，美國更加重視空管大數據的管理和應用。為使用戶和服務提供者共享一致的空中交通態勢認知，FAA以NextGen計劃為框架啟動了相關系統的研發和建設，在網絡化運行環境下依賴地-地、地-空和空-空通信設施，圍繞不同用戶及其協同決策的需求提供信息支持。FAA通過成熟的數據管理理念，依據不同需求開發了多種大數據處理系統，并對多種數據進行了二次開發，在空管大數據應用領域處于領先地位。

1 全域信息管理系統（SWIM）

作為空管大數據處理和共享應用的主要系統，SWIM通過采用IP網絡技術以及綜合利用空、天、地多種通信手段，將所有傳感器系統、各級各類空管系統連接成有機的整體，構建一個以網絡為中心的信息交換體系，以增強公共態勢感知能力，為美國國家空域系統（NAS）的信息共享提供一個開放、靈活和安全的信息管理體系[1]。

SWIM主要包括功能體系結構、系統體系結構和技術體系結構。其中，功能體系結構描述功能實現模塊的邏輯關系，包括NAS應用系統功能、服務功能和信息技術基礎設施功能（ITI）3個層次。系統體系結構將NAS劃分為NAS核心服務、SWIM、應用系統、NAS空管服務、外部接口和運行應用6個層級，并描述層級間關系和各層的系統間關系。技術體系結構針對SWIM不同實施階段，描述了其傳輸、消息通訊、數據描述、接口管理、可靠性、安全性和企業級服務管理等方面的標準的關系，確?，F階段各類相關應用系統的互操作能力及可擴展能力。

在SWIM框架下，飛行數據、性能數據、地理數據、交通數據、氣象數據和資源數據等信息的共享通過網絡化的信息服務方式分3個層級部署實現。其中，NAS層級主要對跨地區空管應用的公共信息進行管理，由部署在空中交通管制系統指揮中心（ATCSCC）的數據處理系統提供NAS數據標準及其相關的數據信息目錄、數據存檔、信息接口和信息安全等統一服務。地區層級對不同地區的NAS信息進行管理，并確保本層級的數據處理系統與NAS層級的數據處理系統相協調。地區層級數據處理系統部署在航路管制中心（ARTCC）、終端管制中心（TRACON）、塔臺管制單位（ATCT）和飛行服務站（FSS），提供地區級信息目錄、數據存儲、備份與恢復、接口控制和網關安全等地區級信息服務，涉及的空管單位數據處理功能包括數據鏈控制、監視數據通信與處理、氣象數據處理、飛行信息地區級的處理與控制、決策支持系統處理、話音接口、管制員信息接口和交通管理接口等。系統層級主要支持監視數據處理、飛行數據管理、計劃輔助決策、管制輔助決策和流量管理輔助決策等功能。

2 FAA運行與效能數據系統

FAA主要通過該系統的歷史交通量和航班延誤統計功能，以及未來交通量的預測功能，分析美國空管機構的總體效能水平。支撐該系統的主要數據庫包括如下幾個。

2.1 流量管理系統數據庫（TFMSC）

TFMSC包括飛行計劃數據或航班的雷達航跡數據，由FAA的空中交通空域實驗室（ATA）處理后，提供根據機型或按特定時間條件的機場、城市對航班數據查詢功能[2]。其中，機型分類條件包括飛行類型（國內飛行、國際飛行、國內至國際、國際至國內）、空域用戶類型（商業航班、商業貨運、通用航空、軍事航空及其他）、飛機動力類型（活塞式發動機、渦輪式發動機、噴氣戰斗機、直升機及其他）、飛機的質量類型（重型機、波音757、大型機、中型機、輕型機及其他）、商業航線運輸類型及支線飛行類型。TFMSC數據在每個月結束后30天更新。endprint

2.2 航空系統效能指標數據庫（ASPM）

ASPM包括美國77個ASPM機場的飛行數據和美國ASPM航空公司的航班飛行數據[3]。FAA通過分析機場的天氣數據、跑道構型數據、航班到達率和離場率數據，并將這些數據與TFMSC中的飛行計劃數據或雷達航跡數據相結合，得到NAS當日完整的運行信息，推測機場次日的運行效率、延誤情況等效能趨勢。

2.3 運行網絡數據庫（OPSNET）

OPSNET以相對官方的方式發布每日NAS運行和延誤情況信息，也以月報形式提供上月數據[4]。ASPM和OPSNET均可通過訪問FAA的網站獲取。

2.4 航空公司服務質量效能數據庫（ASQP）

航空公司每月將航班延誤、航班取消和服務及時性的有關信息提交給交通部航空公司信息辦公室，ASQP處理后形成航班延誤及消原因報告、NAS正點率報告、交通運輸統計局報告、簽派和航班時刻表可靠性報告等數據產品，并通過網站提供根據機場、城市對或航班取消條件進行查詢的功能[5]。

2.5 終端區預測數據庫（TAF）

TAF涵蓋了FAA直轄塔臺的機場的預測數據、聯邦政府管轄塔臺的機場的預測數據、非聯邦機構投資管理塔臺的機場的預測數據和未設置塔臺的機場的預測數據[6]。FAA使用TAF進行規劃并制訂預算。作為官方預測數據，TAF也被聯邦政府、地方政府、航空業界和公眾廣泛使用。

2.6 航班時刻表數據庫（FSDS）

FSDS包含航空公司和機場的航班時刻表信息，提供根據機場或城市對條件的航班時刻數據查詢功能，每月初和月中更新一次[7]。FAA使用FSDS進行交通量的分析和預測。

3 美國國家飛行數據中心（NFDC）

NFDC隸屬于FAA，作為全美航空情報收集、質量控制和發布的官方機構之一，為國防部、國土安全局、ATCSCC、ARTCC、TRACON、ATCT、FSS、機場、飛行員和航圖制作單位提供NAS設施設備的物理特征、地理位置、操作特性等描述資料，具體包括56天NAS資源訂閱數據、機場數據、地形和障礙物數據、特殊儀表進近程序、空域定位點數據、ARTCC雷達位置數據、全國飛行數據摘要、施工通知、無線電設施修復和保持數據記錄、調查數據等。其中，最重要的56天NAS資源訂閱數據涵蓋了空域分類數據、航路及航路定位點數據、區域管制單位設施及管制區邊界描述數據、機場和著陸設施數據、儀表著落系統數據、塔臺通信設施數據、飛行服務站數據、進離場程序、等待程序以及天氣自動觀測系統數據等[8]。這些數據信息均可以通過NFDC網站獲取，互聯網訪問需要使用一個基于網絡的應用程序—航空設施分發系統。運用這些數據信息開發、制作和更新的航圖、相關出版物及其數字化產品可以根據ICAO規定廣泛用于飛行管理系統、全球定位系統、移動航圖系統和地-空數據鏈系統。

4 增強型交通管理系統（ETMS）

作為美國流量管理的核心業務系統，20世紀80年代中期研發的ETMS布置在國家交通研究中心、ATCSCC、21個ARTCC、37個TRACON、3個聯合終端區和8個機場塔臺，能夠提供24h交通需求預測，顯示當前和預測的系統狀態數據，生成交通管理建議方案，以協助ATCSCC的交通管理專家和流量管理單元的交通管理員實施航跡查看、流量預測、地面/天氣延誤影響分析、改航方案評估和流量管理策略建模等日常作業。

ETMS的主要輸入包括：來自于《官方航空公司指南》的航空公司定期計劃；各類管制部門生成的NAS信息；紐約和奧克蘭中心的洋區顯示和規劃系統，以及在火奴魯魯TRACON的離岸飛行數據處理系統的飛行計劃和航班到達消息；阿拉斯加離岸計算機系統的飛行計劃、起飛和降落消息；來自航空公司運控中心的飛行數據消息；來自于加拿大、英國、墨西哥等國外管制系統的消息；來自于國際氣象服務中心的氣象數據；來自于適應控制環境系統、國家洋區服務和國家飛行數據中心的地理數據（包括邊界線、扇區、區域管制中心邊界、終端雷達進近管制、航路、航路點、導航設施、機場和特殊用途空域或軍方空域等）。

ETMS通過其交通態勢顯示系統與交通管理進行交互，可以輸出地理數據、交通態勢數據、監視告警數據、列表報告數據、氣象數據和交通管理數據。ETMS能夠基于航空公司定期計劃和歷史航路數據分析未來15h的航班需求，并結合交通態勢數據、更新的飛行數據消息、氣象數據和地理數據提供當前至未來15h的交通分布信息和基于預測的監視告警。ETMS的NAS原始數據通過敏感信息過濾后也會提供給航空公司、機場等航空組織進行有助于改善安全水平和運行品質的數據產品開發。

5 結語

美國非常重視空管大數據處理與分析系統的建設，也非常重視相關數據的內部共享與公共利用，總體上已形成面向統計分析、協同運行和規劃決策的空管大數據應用管理模式。相關數據的存儲和分層管理愈益規范，針對數據的二次開發和高效利用已成體系。而我國空管大數據應用系統的建設由于長期沒有得到充分重視，相關的數據管理和共享工作無法滿足航空業快速發展的實際需要。為此，民航局將“整合信息資源，健全信息交換服務平臺”的工作要求納入了“十二五”規劃，民航局空管局2015年末印發了《網絡安全和信息化專項發展規劃》，并于2017年啟動了“空管大數據應用需求研究與典型示范”研究項目。梳理美國空管大數據應用領域的既有工作及其主要成果，將對我國加快空管數據的資源整合、分類管理和系統利用提供參照，也將為空管系統數據中心和空中交通管理信息平臺的設計和建設提供有益思路。

參考文獻：

[1] FAA. SWIM Core Architecture Evolution Concepts[R].MITRE Technical Report MTR90193. McLean，VA：MITRE，2009.

[2] FAA. TFMSC [EB/OL].（2016-06-30）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/TFMSC，2017-05-18.

[3] FAA. Aviation System Performance Metrics（ASPM）[EB/OL].（2016-08-23].http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Aviation_Performance_Metrics_%28APM%29，2017-05-18.

[4] FAA. Operations Network（OPSNET）[EB/OL].（2014-06-20）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Operations_Network_%28OPSNET%29，2017-05-18.

[5] FAA. Airline Service Quality Performance（ASQP）[EB/OL].（2014-07-07）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Airline_Service_Quality_Performance_%28ASQP%29，2017-05-18.

[6] FAA. Terminal Area Forecast（TAF）[EB/OL].（2017-05-18）.https：//taf.faa.gov/，2017-05-18.

[7] FAA. Flight Schedule Data System（FSDS）[EB/OL].（2009-10-07）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Flight_Schedule_Data_System_（FSDS），2017-05-18.

[8] FAA.Aeronautical Information Services - National Flight Data Center（NFDC）[EB/OL].（2017-05-18）.https：//nfdc.faa.gov/xwiki/bin/view/NFDC/WebHome，2017-05-18.endprint