空管運(yùn)行數(shù)據(jù)中心大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用

蘇祖輝　胥寶新

摘 要：隨著我國(guó)航班量的增大、空管設(shè)備和運(yùn)行程序的完善，空管運(yùn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng)上線，航班保障管理手段智能化，系統(tǒng)在運(yùn)行中產(chǎn)生了大量的原始數(shù)據(jù)、各類運(yùn)行數(shù)據(jù)、流控?cái)?shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)。在信息化系統(tǒng)快速變遷的今天，傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)已難以適應(yīng)空管大型運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)直接影響到應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的迅速興起，使得從大量原始數(shù)據(jù)中提取有用信息，為空管運(yùn)行決策提供參考成為可能。

關(guān)鍵詞：空管運(yùn)行;大數(shù)據(jù)技術(shù);應(yīng)用

近年來，空管系統(tǒng)通過引進(jìn)新的技術(shù)、改進(jìn)管制程序，不斷地提高空管保障能力，盡可能滿足機(jī)場(chǎng)日益增長(zhǎng)的航班需求，提高航班正常率。但由于空管、機(jī)場(chǎng)公司和航空公司之間的信息交換、處理、共享、反饋不夠充分，缺少有效的信息資源整合和協(xié)同決策機(jī)制，影響了機(jī)場(chǎng)整體運(yùn)行保障能力的提高，尤其在出現(xiàn)航班大面積延誤時(shí)，容易造成機(jī)場(chǎng)運(yùn)行秩序混亂。

為了全面、高效地分析海量航班運(yùn)行數(shù)據(jù)、挖掘空管業(yè)務(wù)精髓、提升航空運(yùn)輸發(fā)展空間，迫切需要體現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立空管運(yùn)行大數(shù)據(jù)平臺(tái)，收集、存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù);對(duì)航班運(yùn)行過程深入分析，建立科學(xué)的數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，為空管服務(wù)保障精細(xì)化發(fā)展提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 ? ?總體架構(gòu)

總體架構(gòu)主要包括：前置信息接入平臺(tái)、信息服務(wù)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算平臺(tái)、運(yùn)維管理和安全防護(hù)等。具體組成部分如圖1所示。

通過“前置信息接入平臺(tái)”連接各空管業(yè)務(wù)系統(tǒng)（包括空管自動(dòng)化系統(tǒng)、場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)、塔臺(tái)電子進(jìn)程單系統(tǒng)、流量管理系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、語音記錄系統(tǒng)、氣象信息系統(tǒng)、航行情報(bào)信息系統(tǒng)等），也通過“專線接入”方式，與機(jī)場(chǎng)及航空公司等外部系統(tǒng)連接。

各業(yè)務(wù)系統(tǒng)輸出的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括空管自動(dòng)化系統(tǒng)、場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)、塔臺(tái)電子進(jìn)程單系統(tǒng)、流量管理系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、語音記錄系統(tǒng)、氣象信息系統(tǒng)、航行情報(bào)信息系統(tǒng)等）、機(jī)場(chǎng)/航空公司系統(tǒng)輸入的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，匯聚并存儲(chǔ)于大數(shù)據(jù)及云計(jì)算平臺(tái)。

大數(shù)據(jù)及云計(jì)算平臺(tái)通過數(shù)據(jù)清洗、篩選、多維度關(guān)聯(lián)分析等處理，完成原始數(shù)據(jù)的初步處理。基于部署在平臺(tái)上的數(shù)據(jù)挖掘及分析應(yīng)用，數(shù)據(jù)被進(jìn)一步挖掘和分析。數(shù)據(jù)的最終分析結(jié)果可以通過“管理駕駛艙”等門戶應(yīng)用直接向終端用戶展示。

基于未來空管系統(tǒng)信息交互及共享的要求，大數(shù)據(jù)中心通過“信息服務(wù)平臺(tái)”，提供統(tǒng)一的Swim信息服務(wù)，包括供計(jì)劃、氣象、航行情報(bào)等。

提供全維度的資源監(jiān)控與管理功能，可以通過3D仿真、2D拓?fù)涞确绞教峁┤轿坏南到y(tǒng)運(yùn)維管理服務(wù)。“安全防護(hù)”是保障系統(tǒng)生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)，為系統(tǒng)訪問、連接、主機(jī)等提供安全保障。

為用戶提供基于大數(shù)據(jù)及云計(jì)算的運(yùn)行平臺(tái)、開發(fā)平臺(tái)和管理平臺(tái)。基于此平臺(tái)，用戶可方便實(shí)現(xiàn)應(yīng)用及業(yè)務(wù)、系統(tǒng)及平臺(tái)、硬件及資源的橫向擴(kuò)展，未來可以依據(jù)需要為用戶提供更多的應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)、信息服務(wù)，提供靈活、可配置的計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源服務(wù)。

終端用戶可通過大數(shù)據(jù)中心門戶，訪問數(shù)據(jù)中心的各類信息（可以通過OA網(wǎng)絡(luò)訪問），包括安全、效率等各種數(shù)據(jù)分析結(jié)果，信息展示應(yīng)用“管理駕駛艙”的理念，具備關(guān)聯(lián)信息展示、下鉆式信息查詢、信息搜索等能力。

2 ? ?技術(shù)難點(diǎn)

大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的目標(biāo)是構(gòu)建云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空管原始數(shù)據(jù)的采集、高效存儲(chǔ)和有效挖掘，并將結(jié)果以服務(wù)的方式呈現(xiàn)給用戶，其中最關(guān)鍵的技術(shù)及技術(shù)難點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)的分類和采集。空管數(shù)據(jù)種類，接口方式眾多，而且具有封閉性強(qiáng)、安全性要求高的特點(diǎn)。在不影響空管運(yùn)行安全的情況下采集各類數(shù)據(jù)是建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)的關(guān)鍵點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)。空管運(yùn)行數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多元、數(shù)據(jù)分布特征多樣的特點(diǎn)。需要使用有效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和去重技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效存儲(chǔ)。而標(biāo)準(zhǔn)的壓縮算法不能保證最大限度地發(fā)掘重復(fù)的空管數(shù)據(jù)，需要研究有針對(duì)性的壓縮算法。

（3）數(shù)據(jù)采集和對(duì)外共享的標(biāo)準(zhǔn)化。空管設(shè)備種類繁多，現(xiàn)有空管設(shè)備數(shù)據(jù)輸入、輸出方式雜亂不統(tǒng)一，對(duì)數(shù)據(jù)采集和使用者來說面臨極大不便。需要研究定義數(shù)據(jù)采集接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)對(duì)外共享接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和對(duì)外共享的標(biāo)準(zhǔn)化。

（4）數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析建模。通過對(duì)多元海量數(shù)據(jù)的收集和存儲(chǔ)，為后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)輸出。因此，可能需要對(duì)后期數(shù)據(jù)應(yīng)用做適當(dāng)?shù)耐诰颍纬蓴?shù)據(jù)服務(wù)層，為后期的數(shù)據(jù)深度應(yīng)用單位提供更加成型的加工數(shù)據(jù)。當(dāng)前，分布式數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)開源軟件發(fā)展較為成熟。但首要問題是要針對(duì)空管系統(tǒng)的需求和空管數(shù)據(jù)的特征構(gòu)建有效模型，并研究相應(yīng)的高效挖掘、訓(xùn)練算法，目前數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)模型、算法的研究尚無針對(duì)空管行業(yè)的成熟模式可以參考。

3 ? ?技術(shù)思路

（1）數(shù)據(jù)即服務(wù)：傳統(tǒng)的云計(jì)算包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）和軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）。在大數(shù)據(jù)應(yīng)用上需要提出和驗(yàn)證數(shù)據(jù)即服務(wù)（DaaS）的概念，與傳統(tǒng)云架構(gòu)不同，DaaS以空管數(shù)據(jù)為中心，其硬件架構(gòu)和軟件組成滿足多元空管數(shù)據(jù)的安全采集、海量數(shù)據(jù)的高效壓縮存儲(chǔ)以及空管系統(tǒng)需求進(jìn)行有效挖掘，并設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的接口，以云服務(wù)的方式向用戶提供空管數(shù)據(jù)和挖掘結(jié)果。考慮到云平臺(tái)規(guī)模龐大的問題，擬研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)的系統(tǒng)硬件、軟件異常/故障預(yù)測(cè)方法和預(yù)警處理方法，保證平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、壓縮方法的創(chuàng)新：為適應(yīng)海量、多樣空管數(shù)據(jù)的可靠和高效存儲(chǔ)，需要在數(shù)據(jù)壓縮和存儲(chǔ)方法上進(jìn)行創(chuàng)新，提出能在不同數(shù)據(jù)分布特征上獲得高壓縮率和高壓縮速度的分段聚類壓縮算法和基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮方法。

（3）數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享接口標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新：定義數(shù)據(jù)采集接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)對(duì)外共享接口標(biāo)準(zhǔn)，提出高安全性、高統(tǒng)一性、低網(wǎng)絡(luò)資源占用率、動(dòng)態(tài)靈活、適應(yīng)未來空管體系發(fā)展的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享接口的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）空管運(yùn)行策略相關(guān)典型應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘方法的創(chuàng)新：通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的方法，對(duì)空管運(yùn)行策略相關(guān)典型應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，建立空管數(shù)據(jù)的分析方法與模型，形成空管運(yùn)行大腦，為空管運(yùn)行策略相關(guān)典型應(yīng)用作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

4 ? ?技術(shù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心由基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)服務(wù)層及應(yīng)用服務(wù)層組成，同時(shí)配套安全防護(hù)和體系運(yùn)維，其中體系運(yùn)維和安全防護(hù)貫穿整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)層，是整個(gè)數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行的保障支撐。數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層，為數(shù)據(jù)中心提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，包括物理資源、資源管理兩部分。其中物理資源是整個(gè)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的基礎(chǔ)，包含計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和安全4種資源。

（2）平臺(tái)服務(wù)層，利用基礎(chǔ)設(shè)施層提供的不同的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，為數(shù)據(jù)中心提供整個(gè)服務(wù)平臺(tái)的服務(wù)，包括核心服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)及信息交換共享等。

（3）應(yīng)用服務(wù)層，在數(shù)據(jù)中心部署運(yùn)行的軟件模塊，主要提供信息門戶、地理信息服務(wù)、信息檢索及模擬駕駛艙等功能。

（4）體系運(yùn)維，為數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行提供機(jī)房運(yùn)行管理、基礎(chǔ)設(shè)施層資源管理（物理資源、虛擬資源）、存儲(chǔ)平臺(tái)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)行平臺(tái)管理、開發(fā)平臺(tái)管理等運(yùn)行支撐管理和應(yīng)用軟件運(yùn)維管理，最終通過統(tǒng)一的運(yùn)維門戶展現(xiàn)。

（5）安全防護(hù)，為整個(gè)數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行和用戶管理提供支持，包含物理防火墻、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、平臺(tái)安全以及權(quán)限控制和訪問控制等。

5 ? ?結(jié)語

隨著我國(guó)空中交通流量的持續(xù)增加，各樞紐區(qū)域的時(shí)刻資源也日趨緊張，航班延誤壓力日益加大，管制員工作壓力也在日益增大。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用可為空管大數(shù)據(jù)采集再應(yīng)用、空管大數(shù)據(jù)共享、空管運(yùn)行決策的有效性提供依據(jù)和驗(yàn)證手段，為管制工作壓力評(píng)估提供輔助分析，鞏固空管安全高效運(yùn)行，促進(jìn)民航可持續(xù)、綠色發(fā)展，利用新技術(shù)在推動(dòng)中國(guó)空管運(yùn)行保障建設(shè)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面產(chǎn)生積極的社會(huì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1]佚名.2011年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[J].空運(yùn)商務(wù)，2012（9）：46-47.

作者簡(jiǎn)介：蘇祖輝（1978— ），男，工程師，技術(shù)專家，學(xué)士;研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用。