基于云計算的空管系統(tǒng)設計方法研究

王宇杰 武憲杰 傅子濤

（1.中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇省南京市 210014）

（2.中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局 北京市 100621）

空管系統(tǒng)是一套事關民航安全運行的復雜信息系統(tǒng)。然而，面對多元化發(fā)展的航空運輸需求，現(xiàn)有空管系統(tǒng)在系統(tǒng)架構、資源管理、數(shù)據利用、軟件改造等方面還存在一定的不足，較難整合規(guī)模龐大、業(yè)務繁多的空管信息系統(tǒng)并構建高效運行的空管體系。

現(xiàn)有空管系統(tǒng)架構靈活拓展性較弱。當前的空管系統(tǒng)根據業(yè)務需求獨立構建，隨著航班、扇區(qū)的增加，系統(tǒng)數(shù)量逐漸增多，規(guī)模也日益龐大。當前空管系統(tǒng)在面對業(yè)務增長時，一般采用垂直建設，系統(tǒng)擴展工作量大，且拓展新型業(yè)務困難，運維成本高。由于系統(tǒng)間需要通過定制化信息接口進行交互，容易造成系統(tǒng)孤島現(xiàn)象。

系統(tǒng)硬件資源利用有限且運維日趨復雜。傳統(tǒng)空管系統(tǒng)的業(yè)務主要部署于物理實體機上，隨著業(yè)務量的變化，資源利用率也隨之變化。業(yè)務量少時服務器CPU、內存、存儲、網絡資源利用率較低，而系統(tǒng)業(yè)務繁忙時，容易出現(xiàn)CPU、內存占用率較高、I/O 負載大、網絡消息擁堵等現(xiàn)象，硬件資源使用存在不均衡性。在現(xiàn)有方式下由于資源相對固定，擴展較為困難，已有投資的資源無法繼續(xù)利用。

航班數(shù)據分散異構不利于統(tǒng)一認知和業(yè)務運行。當前各個系統(tǒng)相對獨立，提供相應的業(yè)務數(shù)據處理功能，數(shù)據分散于各系統(tǒng)內部。面對跨區(qū)運行、統(tǒng)一管制的同一航班對象時，系統(tǒng)間需要進行信息交互，而不同系統(tǒng)對于同一對象數(shù)據的全面性、準確性、動態(tài)變化認知還存在一定差異，給統(tǒng)一認知和業(yè)務運行增加了困難。當前一些異構數(shù)據源，如AFTN 電報等，項目需考慮是否應當隨同做變革，形成一套與未來架構相適應的數(shù)據源標準。

軟件升級改造難以滿足系統(tǒng)不間斷運行要求。當前空管業(yè)務系統(tǒng)基礎平臺、業(yè)務軟件和運行數(shù)據三者耦合性較強。業(yè)務軟件版本需要進行完整編譯、適應性測試、全量部署，軟件升級過程繁瑣，持續(xù)時間長。業(yè)務軟件如需上線時，需要在適合的時間窗內離線升級，系統(tǒng)無法保持正常運行狀態(tài)。

國際民航組織和歐美國家將云計算等技術作為下一代空管系統(tǒng)發(fā)展的重要助力。2018年民航空管局戰(zhàn)略發(fā)展部提出了“中國民航空管現(xiàn)代化戰(zhàn)略（CAAMS）”，利用先進技術為航空活動提供安全、效率、經濟、綠色服務。本文結合空管系統(tǒng)發(fā)展情況，聚焦分析系統(tǒng)孤島、數(shù)據孤島、業(yè)務孤島本質，結合空管典型業(yè)務，研究基于云計算的空管系統(tǒng)設計方法，支撐空管運行效率和協(xié)同運行能力的提升。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 虛擬化技術

2006年，亞馬遜推出了以云主機（EC2）和云存儲（S3）為核心的云計算基礎，標志著云計算作為一個商業(yè)化服務開始正式面向企業(yè)提供計算資源和存儲資源的“租賃”[1]。

虛擬化技術的核心是對計算資源的抽象。亞馬遜服務中最典型的應用是彈性計算服務，即通過虛擬化技術實現(xiàn)計算資源的隨取隨用，彈性伸縮，將計算資源像電力一樣變?yōu)殡S時可得的一種基礎設施[2]?，F(xiàn)今，成熟的虛擬化技術已經可以將多種硬件資源全部進行虛擬化，包括CPU、內存、I/O 等各種設備的虛擬化[3]。

隨著云計算發(fā)展步入第二個10年，容器、微服務、DevOps 等技術在不斷推動著云計算的變革。云計算的應用已經深入到政府、金融、工業(yè)、交通、物流、醫(yī)療健康等傳統(tǒng)行業(yè)[4]。

如今，云計算技術發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢存在以下幾個特點：

（1）云原生技術快速發(fā)展，將重構IT 開發(fā)模式。

（2）IT 運維進入敏捷時代，智能化運維處于起步階段。

（3）邊緣計算與云計算協(xié)同助力物聯(lián)網應用。

（4）云網融合加速網絡結構深刻變革[5][6]。

1.2 數(shù)據中臺技術

針對傳統(tǒng)數(shù)據服務架構面對海量數(shù)據時暴露的運營維護、迭代開發(fā)上的諸多難點，國內互聯(lián)網公司在 2015年率先提出了數(shù)據中臺的概念，并迅速獲得大量互聯(lián)網企業(yè)和信息系統(tǒng)提供商的廣泛應用[7]。

與傳統(tǒng)的后端數(shù)據庫不同，數(shù)據中臺的核心在于通過抽象、組件化能力，構建標準的數(shù)據體系，將數(shù)據抽象封裝成服務，快速驅動和支撐前端應用和業(yè)務，從而降低成本、避免重復建設浪費資源[8]。

自數(shù)據中臺的概念提出以來，各大互聯(lián)網公司紛紛提出相應的中臺戰(zhàn)略并隨之進行組織架構的調整。目前，華為、騰訊等行業(yè)龍頭公司均已基本完成了數(shù)據中臺架構的建設[9]。中國電科聚焦中臺概念，提出加快信息基礎設施建設，打造“物聯(lián)、數(shù)聯(lián)、眾聯(lián)”一體化信息支撐，整合通用數(shù)據，支撐數(shù)字化建設。預計將來，數(shù)據中臺在城市管理、交通規(guī)劃、能源電力等行業(yè)將會發(fā)揮愈加重要的作用[10][11]。

1.3 微服務架構技術

隨著微服務的興起，微服務正逐步替代企業(yè)中的面向服務的架構（SOA）應用，并成為主流互聯(lián)網技術架構[12]?？紤]到后期的數(shù)據增長所催生出的如敏捷交付、分布式部署、動態(tài)擴展等一系列需求，微服務的應用正是應對這類嚴峻考驗的理想解決方案[13]。

目前，微服務發(fā)展的現(xiàn)狀有以下幾個特點：

（1）微服務被用來重構現(xiàn)有和遺留的應用程序，已逐步應用于企業(yè)的IT 轉型；

（2）微服務開發(fā)簡單，每個服務完成獨立的功能；

（3）技術靈活，在實踐中，常采用多技術/多框架的微服務解決問題；

（4）服務獨立，每個服務都可以單獨部署，一個服務出現(xiàn)問題不會導致整個系統(tǒng)癱瘓；

（5）獨立按需擴展，以應對高并發(fā)與大流量；

（6）可用性高，當其中一個微服務出現(xiàn)問題時，能夠及時切換，不影響業(yè)務的正常運行[14]。

在“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”等政策的積極推進下，微服務正從互聯(lián)網行業(yè)加速推廣到工業(yè)、金融、物流等傳統(tǒng)行業(yè)[15]。西門子、施耐德等工業(yè)企業(yè)通過微服務的應用提升數(shù)據資源利用率、解決信息孤島問題，從“制造”邁向“智造”[16]。招商銀行、民生銀行等利用微服務解決服務治理的難題，實現(xiàn)服務復用，從而支撐數(shù)據層和基礎設施層的敏捷開發(fā)[17]。

2 基于云計算的空管系統(tǒng)設計

2.1 基于云計算的空管系統(tǒng)架構

圍繞空管體系的特征與能力，構建空管體系架構，支撐信息資源的匯聚、分析、共享，實現(xiàn)基于微服務的業(yè)務功能及應用。

整個體系架構包含基礎設施層、平臺和應用層三部分，如圖1所示。

圖1：基于云計算的空管系統(tǒng)架構圖

基礎設施層：包括存儲管制、通導、氣象等各類數(shù)據資源的物理設備以及用于虛擬化的硬件平臺。數(shù)據存儲包含了飛行、氣象、監(jiān)視等各類信息，為數(shù)據中臺提供支撐。硬件平臺通過虛擬化技術建立虛擬機或Docker，實現(xiàn)計算、I/O、網絡等資源的統(tǒng)一管理，形成空管系統(tǒng)統(tǒng)一運行平臺。

平臺層：數(shù)據中臺是平臺層的核心功能，負責計算、存儲、數(shù)據資源的統(tǒng)籌管理，是空管網絡信息體系的“神經中樞”。通過建設數(shù)據中臺實現(xiàn)“格式統(tǒng)一，全面共享”?；诮y(tǒng)計分析、機器學習等技術構建主題數(shù)據、數(shù)據倉庫，實現(xiàn)空管業(yè)務數(shù)據的分析、挖掘，為各類業(yè)務提供語義一致的高質量數(shù)據。

應用層：包含微服務及其支撐的各類空管應用。其中，微服務負責以服務的形式提供各類空管系統(tǒng)各類業(yè)務處理功能，包括空管系統(tǒng)高適用型微服務、空管系統(tǒng)基本適用型微服務、運行管理增值服務系統(tǒng)高適用型微服務、運行管理增值服務系統(tǒng)基本適用型微服務等。空管應用主要為空管自動化與運行管理增值服務系統(tǒng)。

安全管理體系主要針對新型云化架構，設計安全區(qū)域邊界、安全通信網絡、安全計算環(huán)境等三重防護機制。

運維管理體系主要針對新型云化架構，設計資源狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)控與資源統(tǒng)一管理，幫助運維人員準確掌握資源和云服務使用情況，滿足日常運維和故障處理工作要求。

2.2 基于虛擬化技術的空管業(yè)務部署

云架構部署有三種模式：公有云，私有云和混合云。

公有云是第三方公司通過互聯(lián)網連接提供給用戶的云，如AWS 亞馬遜云，華為云等。公有云可節(jié)約大量硬件，削減運維成本。但是由于通過互聯(lián)網連接，安全問題得不到保障。對于空管系統(tǒng)來說，安全問題帶來的隱患可能導致嚴重的后果，因此，并不適合采用公有云。

私有云是企業(yè)搭建基礎設施，只供內部使用的云。私有云安全性較高，適用于對安全性要求較高的空管行業(yè)。

第三種混合云架構，將私有云與公有云相結合，允許用戶同時利用公有云和私有云的優(yōu)勢?？展芎诵南到y(tǒng)可以在自己的私有云上運行，而非核心業(yè)務可以放在公有云上運行。但是混合云由于架構復雜度高，部署維護比較復雜，可能會增加系統(tǒng)管理員的運維壓力。

因此，在業(yè)務部署時，應優(yōu)先采用私有云，隨后逐步過渡到混合云。

云計算分為基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）三層。

在IaaS 層，使用成熟商用產品去實現(xiàn)硬件資源等虛擬化，包括計算資源、存儲資源、網絡資源、提供云主機、虛擬機備份恢復、資源統(tǒng)一管理等功能。

在PaaS 層，使用容器編排平臺，構建空管容器云平臺。面向應用容器，由容器編排管理平臺實現(xiàn)應用的部署、水平伸縮、自動恢復、版本在線升級與回滾等功能。

在SaaS 層，需要對現(xiàn)有可以改造的部分空管系統(tǒng)進行容器化改造，將現(xiàn)有雷達數(shù)據處理（RDP）等應用或系統(tǒng)打包成容器鏡像，發(fā)布到鏡像庫中，通過策略管理實現(xiàn)在云平臺上的遷移。

2.3 基于數(shù)據中臺的多元數(shù)據融合分析

數(shù)據中臺的目標是讓各類空管數(shù)據持續(xù)、有效地用起來。通過數(shù)據中臺提供的工具、方法和運行機制，把數(shù)據變?yōu)橐环N服務能力，讓數(shù)據更方便地被業(yè)務所使用。

2.3.1 數(shù)據匯聚

數(shù)據匯聚是數(shù)據中臺接入各類空管數(shù)據的入口。數(shù)據匯聚把各類綜合航跡數(shù)據、飛行計劃數(shù)據、氣象數(shù)據、AFTN 電報數(shù)據采集到數(shù)據中臺進行集中式存儲，為后續(xù)的數(shù)據計算、數(shù)據資產管理等做準備。

2.3.2 數(shù)據計算

數(shù)據計算通過算法建模、數(shù)據加工等方式，快速把數(shù)據處理成對空管業(yè)務有價值的形式，提供給業(yè)務系統(tǒng)使用。數(shù)據計算模塊主要面向開發(fā)人員、分析人員，提供離線、實時、算法開發(fā)工具，以及任務的管理、運維、監(jiān)控、告警等一系列集成工具，提升數(shù)據的使用效率并為后續(xù)的空管業(yè)務分析提供數(shù)據質量保障。

2.3.3 數(shù)據資產管理

數(shù)據資產是空管數(shù)據中臺建設、管理和使用的核心要素，各類空管數(shù)據通過數(shù)據庫同步、文件同步、消息隊列等方式匯聚到數(shù)據中臺，在數(shù)據中臺按照標準化建模的方式進行加工，形成空管數(shù)據資產體系?？展軘?shù)據種類多、數(shù)量大且增長快，空管業(yè)務對數(shù)據的依賴程度也會越來越高，必須考慮數(shù)據的一致性和可復用性?？展軘?shù)據資產按照統(tǒng)一數(shù)倉、主題數(shù)據、應用數(shù)據的標準統(tǒng)一建設。

2.3.4 數(shù)據服務

數(shù)據服務是通過數(shù)據中臺的服務組件能力把主題數(shù)據變?yōu)橐环N服務能力，讓數(shù)據能夠方便地參與到業(yè)務中，激活整個數(shù)據中臺。數(shù)據服務作為數(shù)據中臺實現(xiàn)資產服務化的核心能力，是連接空管前臺業(yè)務和后端數(shù)據的橋梁，通過服務接口的方式對數(shù)據進行封裝和開放，快速、靈活地滿足上層應用的需求，數(shù)據中臺能夠以提供數(shù)據服務的方式直接驅動空管業(yè)務。

2.3.5 數(shù)據存儲管理

數(shù)據存儲管理圍繞空管數(shù)據的高效挖掘、應用需求，提供數(shù)據存儲管理功能，為數(shù)據深度挖掘提供支撐。數(shù)據存儲管理包括結構化數(shù)據管理、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據庫三個部分，針對不同應用場景滿足數(shù)據存儲管理需求。

2.4 面向空管業(yè)務的微服務設計與監(jiān)控

2.4.1 服務拆分與集成

微服務架構將一個原本是獨立的單體模塊拆分成多個小型服務，這些小型服務都運行在各自的虛擬機或容器中，服務之間通過輕量級的通信協(xié)議進行協(xié)作。每一個小型服務都圍繞著系統(tǒng)中的某一項或一些耦合度較高的業(yè)務進行構建，并且每個服務都維護著自身的數(shù)據存儲、業(yè)務開發(fā)、自動化測試案例以及獨立部署機制。圖2 為空管系統(tǒng)微服務化示意圖。

圖2：空管系統(tǒng)微服務化示例

2.4.2 微服務架構實現(xiàn)技術

微服務架構具有分布式架構的基本特征，網絡通信、事件驅動、服務路由、負載均衡、配置管理等技術是實現(xiàn)微服務架構的基礎。基于微服務架構的空管系統(tǒng)是一個運行在多臺虛擬機上的分布式系統(tǒng)，每個服務實例都是一個進程，服務必須使用進程間通信機制進行交互。采用異步交換消息進行通信。使用消息傳遞具有很多優(yōu)點：客戶端與服務分離、消息緩沖、透明的進程間通信等。

3 應用驗證方法

應用驗證分兩個階段，分別是實驗仿真階段和試點驗證階段。實驗仿真階段，在實驗室仿真環(huán)境，搭建云平臺，從資源虛擬化到資源按空管管制自動化等系統(tǒng)需求動態(tài)調度，再到基于策略的資源管理，并實現(xiàn)資源服務化管理。在數(shù)據方面，以模擬數(shù)據源的方式提供空管航跡數(shù)據、飛行計劃報文等數(shù)據，從現(xiàn)有物理機的關系型數(shù)據庫應用到數(shù)據上云并提供數(shù)據中臺服務，驗證數(shù)據及中臺適用范圍和應用對象，以及數(shù)據管理方式共存的方法。在應用業(yè)務方面，對空管自動化系統(tǒng)和運行安全系統(tǒng)進行微服務技術攻關與試驗，首先根據微服務優(yōu)缺點、空管業(yè)務實時處理、批量分析等不同特點以及國內外相關案例，對應用進行分類，確定微服務改造范圍。并優(yōu)先將邏輯較獨立、較明確的非核心關鍵業(yè)務，例如飛行計劃中期沖突探測模塊進行微服務化改造，與系統(tǒng)內其他功能模塊進行業(yè)務和信息交互，待技術成熟后，推廣到諸如飛行數(shù)據處理等核心模塊進行試驗驗證。同時，需統(tǒng)一設計、分析非微服務軟件、微服務軟件及架構之間共存和互聯(lián)方法。

在試點驗證階段，主要側重于實際數(shù)據的接入處理和實際業(yè)務場景下的應用。在試點現(xiàn)場，重點分析空管私有云架構、混合云架構以及與現(xiàn)有系統(tǒng)架構共存方法的驗證，從而支撐已有空管業(yè)務與新型業(yè)務。在數(shù)據方面，先采用模擬數(shù)據與實際數(shù)據結合的方式，在試驗環(huán)境不完備、時間限制等情況下，進行業(yè)務應用驗證。時機成熟時，轉為實際數(shù)據全支撐方式，從實際環(huán)境角度驗證系統(tǒng)架構、技術、業(yè)務的可行性、可用性及系統(tǒng)功能、性能、可靠性等。試點現(xiàn)場按二、三級管制單位區(qū)分，為不影響值班空管系統(tǒng)運行，在區(qū)管（二級）從數(shù)據轉發(fā)平臺接入空管航跡數(shù)據、飛行計劃等數(shù)據源，包括原始數(shù)據，同時從空管測試平臺接入數(shù)據源，以驗證不同數(shù)據環(huán)境下，驗證空管RDP、飛行計劃處理（FDP）等管制服務業(yè)務以及安全分析等業(yè)務的準確性和實施效果。在機場（三級）從空管測試平臺，接入數(shù)據源，驗證相關業(yè)務。設計不同典型場景，先系統(tǒng)內部環(huán)境下的態(tài)勢處理等功能、性能分析驗證，再不同系統(tǒng)間業(yè)務場景，例如管制移交、統(tǒng)一態(tài)勢監(jiān)視等，對基于云架構、數(shù)據中臺、微服務的空管自動化系統(tǒng)、運行管理增值服務進行技術驗證。

4 結論

結合我國空管的實際情況，提出了基于云計算的空管系統(tǒng)設計方法。虛擬化、數(shù)據中臺和微服務等關鍵技術能夠有效地管理空管運行數(shù)據、提高空域容量、推進協(xié)同運行，形成適應未來需求的空管自動化設施建設新理念。新技術的定位和應用將使我國空管的運行和空域資源得到有效、充分、靈活的管理，加速空管系統(tǒng)數(shù)字化提升的進程，推動航空運行體系管理和協(xié)同理念的轉變。