大數(shù)據(jù)技術(shù)在民航空管監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

沈爾斌

摘要：新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)來了社會的進(jìn)步和行業(yè)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)作為新興技術(shù)的代表，自出現(xiàn)以來不斷發(fā)展并衍生應(yīng)用到不同領(lǐng)域。為進(jìn)一步提高民航發(fā)展水平，大數(shù)據(jù)技術(shù)也被引入到民航發(fā)展領(lǐng)域當(dāng)中，本文主要針對民航空管監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行研究分析，詳細(xì)分析大數(shù)據(jù)技術(shù)在民航空管監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。首先就大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行解讀，然后就大數(shù)據(jù)技術(shù)在民航空管系統(tǒng)的中應(yīng)用思路和流程進(jìn)行研究和分析。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù);民航;空管監(jiān)控系統(tǒng)

引言

大數(shù)據(jù)技術(shù)自發(fā)展以來，因其優(yōu)越性和創(chuàng)新性受到人們的廣泛，在受到關(guān)注的同時也被應(yīng)用到不同領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅僅能夠應(yīng)用于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析、風(fēng)險規(guī)律，而且能夠?qū)ΜF(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行深度解讀實(shí)現(xiàn)對未來的預(yù)測，因此其具備廣泛的用用前景。目前，大數(shù)據(jù)不僅僅代表一種技術(shù)，更代表著先進(jìn)的生產(chǎn)力，逐漸變?yōu)橐环N生產(chǎn)要素和資源被應(yīng)用到不同的領(lǐng)域和行業(yè)。英美等發(fā)達(dá)國家最開始發(fā)展并布局大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)，“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展技術(shù)”的布局和開展投資數(shù)億元，經(jīng)過多年發(fā)展之后已經(jīng)創(chuàng)造來了巨大的價值。另外歐美國家以及日韓等發(fā)達(dá)國家也同時發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)，出臺了相應(yīng)戰(zhàn)略性舉措，在這一背景下我國也不斷發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)，希望在發(fā)展技術(shù)的基礎(chǔ)上開拓大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)我國大數(shù)據(jù)技術(shù)的潛在市場規(guī)模超過十億美元。大數(shù)據(jù)技術(shù)作為未來的“礦產(chǎn)和石油”，其發(fā)展水平直接決定了我國綜合國力，在民航空管監(jiān)控系統(tǒng)中引入該技術(shù)也勢在必行。

1.大數(shù)據(jù)技術(shù)

1.1 特點(diǎn)

1.1.1 規(guī)模性（Volume）

大數(shù)據(jù)技術(shù)涉及巨大的規(guī)模和數(shù)據(jù)量，而且規(guī)模具有完整性。大數(shù)據(jù)技術(shù)涉及的數(shù)據(jù)量能達(dá)到ZB。大數(shù)據(jù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)據(jù)存儲技術(shù)息息相關(guān)，大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展水平的提高，必然推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的進(jìn)步。我國近年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，使得數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)存儲量激增。比如

1.1.2 高速性（Velocity）

高速性是大數(shù)據(jù)技術(shù)最典型的特征，主要是大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流的移動性，其高速性是基于現(xiàn)實(shí)生活中對數(shù)據(jù)實(shí)時性需求基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展讓人們越來越注重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時性，包括人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷奈锪餍畔ⅰ⒔煌ㄐ畔ⅰ⑻鞖庑畔⒌取?shí)時性催生了數(shù)據(jù)信息的高速性，要求互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)能在第一時間獲取關(guān)鍵事件信息，同時將獲取的信息進(jìn)行傳遞和傳播，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩浴?/p>

1.1.3 多樣性（Variety）

大數(shù)據(jù)技術(shù)呈現(xiàn)出典型的多樣性，包括非關(guān)系型數(shù)據(jù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)等。大數(shù)據(jù)的多樣性對大數(shù)據(jù)提出了明確要求，需要能夠?qū)ΨN類繁多、海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過深度分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系。尤其是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)類型繁多，不僅僅包括傳統(tǒng)的簡單文本數(shù)據(jù)，還包括音頻、視頻、傳感器、日志等各種信息。大數(shù)據(jù)技術(shù)充分利用多樣性，對于海量數(shù)據(jù)中的有用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和篩選，從而能夠得到有用信息，并剔除不需要的信息，最終滿足用戶的數(shù)據(jù)需求。

1.1.4 價值性（Value）

價值性是大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的真實(shí)意義，大數(shù)據(jù)技術(shù)的價值性體現(xiàn)在其不確定性、稀缺性和多樣性。目前海量的數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)是雜亂的“稻草堆”，引入大數(shù)據(jù)之后能夠?qū)@些數(shù)據(jù)和“稻草堆”進(jìn)行梳理，在其中找到有價值、有意義的信息。價值信息往往較少，并且呈現(xiàn)出稀疏性，這也是大數(shù)據(jù)技術(shù)的典型特征。

1.2 方法

1.2.1 可視化分析

大數(shù)據(jù)分析使用者不僅僅包括大數(shù)據(jù)分析專家，還包括具備大數(shù)據(jù)需求的普通用戶，對于二者而言均具備可視化實(shí)際需求。希望通過可視化能夠?qū)⑺械臄?shù)據(jù)進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，將數(shù)據(jù)特征直觀形象的呈現(xiàn)給用戶和大數(shù)據(jù)分析專家。

1.2.2 數(shù)據(jù)挖掘算法

大數(shù)據(jù)技術(shù)得以發(fā)展和推廣的核心是數(shù)據(jù)挖掘算法，通過數(shù)據(jù)挖掘算法能夠?qū)﹄s亂、多樣性的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、分析，得到有價值的信息并直觀呈現(xiàn)。作為最難、最先進(jìn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，目前大數(shù)據(jù)技術(shù)被人們廣泛認(rèn)可，其在價值信息的挖掘中也呈現(xiàn)出不可忽視的作用。通過數(shù)據(jù)挖掘算法能夠迅速、及時的進(jìn)行大數(shù)據(jù)的處理，傳統(tǒng)的算法在海量數(shù)據(jù)的處理中往往需要耗費(fèi)長達(dá)幾年的實(shí)踐進(jìn)行處理，才能得到有價值的信息，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用很好解決了這一問題，大數(shù)據(jù)價值直接呈現(xiàn)。

1.2.3 預(yù)測性分析能力

大數(shù)據(jù)技術(shù)的另一典型特征是預(yù)測性分析能力，大數(shù)據(jù)技術(shù)能對當(dāng)前海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和深度分析，挖掘出特點(diǎn)的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)學(xué)技術(shù)構(gòu)建科學(xué)的模型，然后利用該模型和新數(shù)據(jù)進(jìn)行未來數(shù)據(jù)的預(yù)測。

1.2.4 語義引擎

目前大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)挖掘和分析中廣泛應(yīng)用，可以借助標(biāo)簽關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞和其他輸入語義進(jìn)行信息搜索，在檢索和分析的基礎(chǔ)上判斷用戶的實(shí)際需求，然后根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)一步挖掘和分析，為提供用戶更有價值的信息。

1.2.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理

大數(shù)據(jù)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用需要高質(zhì)量數(shù)據(jù)的支持，數(shù)據(jù)管理技術(shù)對大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用和推廣和具有重要意義。只有有效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)和高質(zhì)量數(shù)據(jù)的支持，才能夠保證大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用和分析結(jié)果的價值性、有效性以及真實(shí)性。

1.3 工具

云計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)兩者相輔相成，密不可分。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用和推廣必然需要結(jié)合分布式架構(gòu)，同時也需要大量計(jì)算機(jī)的支持，依托云計(jì)算的分布式數(shù)據(jù)庫、分布式處理、虛擬化技術(shù)以及云存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)。就目前大型大數(shù)據(jù)的應(yīng)用中主要采用Hadoop 平臺，該平臺是基于Apache基金會額分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建的。作為一種可靠、成熟、可伸縮、高效的處理方式，Hadoop結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2. 大數(shù)據(jù)技術(shù)在民航空管中應(yīng)用思路及流程

2.1 思路

前面分析提出大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)是相輔相成、密不可分的，在大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用中必須要依靠多臺計(jì)算機(jī)設(shè)備、采用分布式架構(gòu)，基于此才能夠?qū)嫶髷?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和整合。在大數(shù)據(jù)技術(shù)中引入云計(jì)算技術(shù)之后，能夠?qū)崿F(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的有效梳理、存儲和虛擬管理。比如前面指出目前常用的大數(shù)據(jù)技術(shù)是基于Hadoop平臺進(jìn)行構(gòu)建的，結(jié)合分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)問題的高效、科學(xué)處理。

2.2 流程

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

基于傳感器形式，結(jié)合不同數(shù)據(jù)庫對Web以及App等中的數(shù)據(jù)采集和接受，該技術(shù)還需要保障用戶具備處理和查詢權(quán)力。目前大數(shù)據(jù)應(yīng)用中會涉及到大量用戶同時操作或訪問服務(wù)的情況，這給大數(shù)據(jù)技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)。以機(jī)票銷售網(wǎng)站作為案例進(jìn)行分析，尤其是機(jī)票銷售網(wǎng)站的節(jié)假日期間，往往會有大量的用戶同時訪問網(wǎng)站，并且這些用戶具有查詢、購買機(jī)票的服務(wù)需求，給大數(shù)據(jù)技術(shù)采集、帶來挑戰(zhàn)，機(jī)票銷售網(wǎng)站的荷載力較大。

2.2.2 導(dǎo)入與處理

大數(shù)據(jù)技術(shù)在完成數(shù)據(jù)采集之后需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、統(tǒng)計(jì)和分析，在此過程中需要將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分布式存儲集群和分布式數(shù)據(jù)庫之中。數(shù)據(jù)導(dǎo)入和處理的關(guān)鍵點(diǎn)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，另外數(shù)據(jù)量極大，每秒鐘有超過千兆、百兆的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3 統(tǒng)計(jì)分析

大數(shù)據(jù)技術(shù)借助分布式數(shù)據(jù)庫、分布式計(jì)算集群技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，首先對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理、歸納和分析，根據(jù)用戶需求進(jìn)行匹配性處理。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)之一是海量的數(shù)據(jù)，其會占據(jù)巨大的存儲空間。

2.2.4 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)不同，不預(yù)先設(shè)定主體，根據(jù)算法和現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在分析和解讀的基礎(chǔ)上預(yù)測未來的發(fā)展趨勢，從而滿足更高級別數(shù)據(jù)分析的實(shí)際需求。大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)算數(shù)量較大、運(yùn)算方式復(fù)雜。

3. 民航空管大數(shù)據(jù)處理平臺架構(gòu)

3.1 總體架構(gòu)

如圖2所示的空管大數(shù)據(jù)處理平臺的底層是硬件層，硬件層中涉及到的大量硬件能夠?yàn)榇髷?shù)據(jù)處理平臺提供硬件支撐，其由文件服務(wù)器、防火墻、網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及存儲陣列等硬件構(gòu)成，這些硬件能夠?yàn)槠脚_提供計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和通信支持。硬件層又由硬件基礎(chǔ)服務(wù)平臺和虛擬化基礎(chǔ)平臺構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)資源、虛擬資源和用戶資源的集中存儲、計(jì)算，另外在硬件層中還配備統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)對虛擬資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，極大降低空管數(shù)據(jù)處理成本，另外也提高了系統(tǒng)的可靠性級安全性，對節(jié)能、綠色、安全大數(shù)據(jù)處理中心的構(gòu)建具有建設(shè)性、基礎(chǔ)性意義。

3.2 基礎(chǔ)平臺組成

本文提出的空管大數(shù)據(jù)處理平臺同樣是基于Hadoop 平臺架構(gòu)，作為主流的平臺架構(gòu)，其同樣是采用HDFS分布式文件系統(tǒng)，分布式 NoSQL 列數(shù)據(jù)庫采用HBase，處理數(shù)據(jù)倉庫采用Hive，并行計(jì)算采用MapReduce。基于此構(gòu)建的平臺具備專家系統(tǒng)、實(shí)時監(jiān)控、趨勢分析和數(shù)據(jù)挖掘功能，能夠?qū)展茉O(shè)備采集和監(jiān)測到的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和采集，在數(shù)據(jù)整理的基礎(chǔ)上將信息以表格、圖形、Web Gis的形式展現(xiàn)出來。另外該系統(tǒng)還具備歷史查詢、實(shí)時警告功能。結(jié)合分析引擎、模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，以此分析空管設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行趨勢，結(jié)合分析結(jié)果對接維修單位，提供專家系統(tǒng)服務(wù)。

3.3 平臺計(jì)算引擎

3.3.1 批處理計(jì)算引擎

在空管監(jiān)控系統(tǒng)中的沖突預(yù)測、流量預(yù)測、尾流間隔縮減、跑道侵入預(yù)測等業(yè)務(wù)模塊均由批處理計(jì)算引擎支持。流量預(yù)測首先需要對機(jī)場中的航班計(jì)劃、航班運(yùn)行信息結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，在航線、高度、航班、時間、空域以及天氣監(jiān)控的基礎(chǔ)上對未來一段時間內(nèi)的機(jī)場、空域運(yùn)行情況進(jìn)行信息預(yù)測。基于預(yù)測信息合理管制人員值班計(jì)劃、安排繞滑行道使用、安排航班進(jìn)離場順序等，進(jìn)而提升民航空管的效率和安全水平。在對空管航班飛行高度、飛行時間統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，首先對航路潛在沖突的預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果采取應(yīng)對措施有效規(guī)避沖突。批處理計(jì)算引擎主要面向航司、空管部門提供的航班時刻表、飛行計(jì)劃報、空域信息等歷史積累數(shù)據(jù)。

3.3.2 流處理計(jì)算引擎

民航空管監(jiān)控系統(tǒng)在引入大數(shù)據(jù)技術(shù)的時候具備極高的快速性、實(shí)時性和準(zhǔn)確性要求，對于航班飛行過程、天氣信息、飛行計(jì)劃、飛行器運(yùn)行狀態(tài)等信息必須要實(shí)時獲取，實(shí)現(xiàn)對航班和飛行器的實(shí)時監(jiān)控管制。平臺的實(shí)時監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)來源包括場面運(yùn)行、ADS-B、ACARS等，涉及到航班運(yùn)行狀態(tài)、飛機(jī)運(yùn)行高度、速度、位置以及航向等重要信息，而空管指揮要求實(shí)時、精確、快速的獲取這些信息，此類信息的價值會因時間的推移而逐漸降低。大數(shù)據(jù)處理平臺具備實(shí)時性、快速性，實(shí)現(xiàn)對飛行器運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)控，管控人員根據(jù)監(jiān)控信息對飛行器飛行態(tài)勢進(jìn)行判斷。如果發(fā)現(xiàn)危險或者潛在危險的時候，空管人員會根據(jù)監(jiān)控情況進(jìn)行分析，得到問題和潛在問題的原因，調(diào)度地面工具和工作人員、技術(shù)人員采取針對性措施進(jìn)行處理和預(yù)防，進(jìn)一步提升故障解決效率。

目前，應(yīng)對實(shí)時流計(jì)算引擎主要包括：Apache Flink，Yahoo 的S4，Twitter 的 Storm 和 Facebook 的 Puma。

結(jié)論

我國民航產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，空管監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展要求不斷提高，信息化建設(shè)迫在眉睫，智慧空管不僅是當(dāng)前空管系統(tǒng)建設(shè)的要點(diǎn)，也是未來空管行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。在未來空管行業(yè)發(fā)展中，希望能夠?qū)崿F(xiàn)智慧空管在空管系統(tǒng)中的全覆蓋。面對海量的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧空管發(fā)展中具備不可替代的重要作用。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和存儲，為分析、預(yù)測、判別、故障處理提供數(shù)據(jù)支持，有效規(guī)避信息孤島情況的出現(xiàn)，滿足行業(yè)數(shù)據(jù)需求，對我國空管行業(yè)邁向智慧空管有著重要的意義。

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