羅喜伶，范佳欣＋，齊 鳴

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191；2.民航局空中交通管理局，北京100022）

0 引 言

目前，生產(chǎn)運(yùn)行飛行數(shù)據(jù)的民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)種類繁多，信息化進(jìn)程不一，系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性弱，存在共享性差的問題?，F(xiàn)行的專用數(shù)據(jù)模型、緊耦合系統(tǒng)接口以及特定傳輸協(xié)議造成了飛行數(shù)據(jù)的 “信息孤島”，難以為航路導(dǎo)航系統(tǒng)、航班運(yùn)行控制系統(tǒng)和其它民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立共同的態(tài)勢感知和協(xié)同決策基礎(chǔ)［1］。

因此，本文基于廣域信息管理的技術(shù)架構(gòu)，開展標(biāo)準(zhǔn)、靈活、綜合的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)研究。在對(duì)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究廣域信息管理架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)、公共飛行數(shù)據(jù)模型的建立、飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的構(gòu)建和飛行數(shù)據(jù)的綜合4方面關(guān)鍵技術(shù)。

1 廣域信息管理技術(shù)

廣域信息管理（SWIM）概念最初由美國和歐洲共同提出，由國際民航組織 （ICAO）正式發(fā)布，是美國下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)（NextGen）和歐洲單一天空實(shí)施計(jì)劃 （SESAR）的系統(tǒng)互聯(lián)和信息共享基礎(chǔ)，以及航空系統(tǒng)組塊升級(jí) （ASBU）性能改進(jìn)領(lǐng)域全球數(shù)據(jù)與系統(tǒng)互聯(lián)部分的重要支撐［2］。

SWIM 分層概念如圖1 所示，作為便于信息獲取的網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的全新信息管理方式，SWIM 采用面向服務(wù) （SOA）的分層架構(gòu)思想，從以應(yīng)用為中心過渡到以數(shù)據(jù)和服務(wù)為中心，通過在中間層構(gòu)建SWIM 基礎(chǔ)架構(gòu)，為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一透明的信息訪問服務(wù)，實(shí)現(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)與信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的分離［3］。

圖1 SWIM 架構(gòu)分層概念

與現(xiàn)行的民航信息集成方式相比，SWIM 能夠提供松耦合、標(biāo)準(zhǔn)化和開放的接口，靈活、有效的服務(wù)，進(jìn)行民航業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的智能化交換，支持大批量、連續(xù)性的數(shù)據(jù)，提高全民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通能力。SWIM 可作為解決目前飛行數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)化、靈活性及綜合性方面存在問題的有效技術(shù)。

2 基于SWIM 的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)SWIM 分層架構(gòu)思想及我國飛行數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)需求實(shí)際，將飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體架構(gòu)自下而上設(shè)計(jì)為技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施層、SWIM 核心服務(wù)層、飛行數(shù)據(jù)服務(wù)層及民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層四層結(jié)構(gòu)［4］，如圖2所示。

圖2 飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體架構(gòu)

（1）技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施層：提供物理網(wǎng)絡(luò)連接和必要的硬件設(shè)備，由整個(gè)架構(gòu)運(yùn)行所需基礎(chǔ)設(shè)施組成；

（2）SWIM 核心服務(wù)層：以標(biāo)準(zhǔn)化中間件為基礎(chǔ)，由接口管理、消息服務(wù)、安全服務(wù)、企業(yè)管理服務(wù)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)安全高效的管理和監(jiān)控；

（3）飛行數(shù)據(jù)服務(wù)層：作為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層與SWIM核心服務(wù)層的中介，提供標(biāo)準(zhǔn)化飛行數(shù)據(jù)服務(wù)為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層提供訪問接口，屏蔽技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和中間件的復(fù)雜技術(shù)問題；

（4）民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層：飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的消費(fèi)者，包括了空管部門、機(jī)場、航空公司、非民航用戶等利益相關(guān)方的民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

飛行數(shù)據(jù)服務(wù)層是本文研究實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容，主要包含公共飛行數(shù)據(jù)模型建立、飛行數(shù)據(jù)服務(wù)構(gòu)建和飛行數(shù)據(jù)綜合3個(gè)重要部分。本文通過公共飛行數(shù)據(jù)模型建模，建立統(tǒng)一的邏輯實(shí)體對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化；通過構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，簡化飛行數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性；通過飛行數(shù)據(jù)綜合，利用SWIM 消息中間件集成飛行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的綜合性。提供標(biāo)準(zhǔn)、靈活、綜合的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 基于SWIM 的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 SWIM 技術(shù)架構(gòu)物理實(shí)現(xiàn)

SWIM 技術(shù)架構(gòu)［5］的物理實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層面，由傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐許WIM 中間件為傳輸核心的共享架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)與信息基礎(chǔ)設(shè)施的分離；在系統(tǒng)管理層面，采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口管理，構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)服務(wù)，提高系統(tǒng)互聯(lián)與訪問靈活性；在傳輸模式層面，從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)直連、網(wǎng)關(guān)中介和報(bào)文傳輸3種接口傳輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)布／訂閱和請(qǐng)求／響應(yīng)的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的虛擬化和松耦合架構(gòu)。通過以上3個(gè)層面，物理實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)基礎(chǔ)。

3.2 公共飛行數(shù)據(jù)模型建立

公共飛行數(shù)據(jù)模型是為了在整個(gè)飛行生命周期中實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)交換而建立的數(shù)據(jù)模型，模型通過提供共同的概念定義和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)視圖模式描述飛行信息，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化［6］。

圖3 SWIM 架構(gòu)物理實(shí)現(xiàn)

公共飛行數(shù)據(jù)模型［7］的建立分為以下3個(gè)步驟：

（1）建立概念模型：制定飛行數(shù)據(jù)字典，使用統(tǒng)一建模語言 （UML）對(duì)飛行數(shù)據(jù)所包含的所有概念信息進(jìn)行定義，并描述概念間的相互關(guān)系，以全局視角定義飛行數(shù)據(jù)概念。

（2）建立邏輯數(shù)據(jù)模型：建立UML 模型，在概念模型的基礎(chǔ)上以抽象形式詳細(xì)說明各概念的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)間邏輯結(jié)構(gòu)，提供飛行數(shù)據(jù)的整體邏輯視圖。

（3）建立物理數(shù)據(jù)模型：建立可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)語言模式（XML Schema）模型，提供邏輯數(shù)據(jù)模型到物理表達(dá)模型之間的映射，實(shí)現(xiàn)模型的物理可用性和跨平臺(tái)互操作性。

此外，公共飛行數(shù)據(jù)模型還可采用 “核心＋擴(kuò)展”的模式，以嚴(yán)格控制的核心作為基本特征，附加一系列可擴(kuò)展參考元素，增強(qiáng)對(duì)不同業(yè)務(wù)需求的適應(yīng)性。

3.3 飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)構(gòu)建

飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間異構(gòu)飛行數(shù)據(jù)的接入與標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換，為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層提供標(biāo)準(zhǔn)、獨(dú)立、靈活的接口，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。

基于公共飛行數(shù)據(jù)模型，飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)利用適配器雙向映射XML Schema模型與異構(gòu)數(shù)據(jù)，將飛行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成XML標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行封裝，交由數(shù)據(jù)交換引擎生成服務(wù)接口并注冊(cè)到SWIM 核心服務(wù)層的消息中間件上，最后通過消息傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的傳輸［8］，如圖4所示。

圖4 飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)

飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的構(gòu)建有兩種方式：Web服務(wù)［9］和Java消息服務(wù) （JMS）［10］。在物理傳輸模式上，Web 服務(wù)采用請(qǐng)求／相應(yīng)機(jī)制，JMS采用發(fā)布／訂閱機(jī)制。二種服務(wù)方式均可分布部署，屏蔽系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)松耦合；進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝和發(fā)布，不依賴于其它組件獨(dú)立而被調(diào)用，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立性；根據(jù)業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)綁定組裝，滿足不同需求，實(shí)現(xiàn)互操作性。

在構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的過程中，可依據(jù)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)流程及需求，選取相應(yīng)服務(wù)方式。

3.4 飛行數(shù)據(jù)綜合

飛行數(shù)據(jù)綜合以SWIM 核心服務(wù)層的消息中間件為技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)在完成注冊(cè)后，XML 標(biāo)準(zhǔn)化的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)入消息中間件的消息序列，在消息中介中完成數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的綜合性。

進(jìn)入消息序列的飛行數(shù)據(jù)，根據(jù)策略配置經(jīng)由消息路由、消息轉(zhuǎn)換和消息聚合3步完成飛行數(shù)據(jù)綜合。民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求配置綜合策略。在策略配置的驅(qū)動(dòng)下，消息路由基于內(nèi)容將需要集成的飛行數(shù)據(jù)組合在一起，再經(jīng)過消息轉(zhuǎn)換調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后在消息聚合中完成飛行數(shù)據(jù)的綜合［11］，如圖5所示。

圖5 飛行數(shù)據(jù)綜合

企業(yè)服務(wù)總線［12］（ESB）是傳統(tǒng)中間件技術(shù)與XML、Web服務(wù)等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，可作為實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)綜合的有效技術(shù)方案，搭建提供通信、整合、安全、事務(wù)支持和服務(wù)質(zhì)量控制等功能的基礎(chǔ)架構(gòu)，為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)提供動(dòng)態(tài)整合機(jī)制。

4 飛行數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)例

本文在建立公共飛行數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，基于企業(yè)服務(wù)總線的中間件架構(gòu)，使用Web Service的方式，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)。

首先，建立公共飛行數(shù)據(jù)模型，制定共同的飛行數(shù)據(jù)概念定義和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，生成對(duì)應(yīng)Java對(duì)象模型用于服務(wù)開發(fā)，生出對(duì)應(yīng)XML Schema模型作為數(shù)據(jù)格式規(guī)范，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)視圖模式描述飛行信息，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

在飛行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，制定飛行數(shù)據(jù)字典。利用建模軟件Enterprise Architect建立飛行數(shù)據(jù)的UML數(shù)據(jù)模型，提供飛行數(shù)據(jù)的整體邏輯視圖，如圖6所示。

圖6 飛行數(shù)據(jù)UML模型

根據(jù)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系定義轉(zhuǎn)換策略，將飛行數(shù)據(jù)UML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Java對(duì)象模型，如圖7 所示。相應(yīng)Java對(duì)象代碼可用于開發(fā)飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，作為數(shù)據(jù)適配器的持久化類映射飛行數(shù)據(jù)源，形成Web Service會(huì)話中的操作對(duì)象。

同時(shí)，定義飛行數(shù)據(jù)UML 數(shù)據(jù)模型與XML Schema模型的基本轉(zhuǎn)換規(guī)則，生成飛行數(shù)據(jù)XML Schema模型定義實(shí)際傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)格式。

然后，采用Web Service的方式構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。服務(wù)開發(fā)應(yīng)用流程如圖8所示。在開發(fā)階段，通過Java平臺(tái)上應(yīng)用程序定義的API（JAXR）訪問企業(yè)服務(wù)總線的元數(shù)據(jù)注冊(cè)中心，將服務(wù)的元數(shù)據(jù)描述文件注冊(cè)到企業(yè)服務(wù)總線上。在應(yīng)用階段，民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求，在企業(yè)服務(wù)總線的服務(wù)管理中查找飛行數(shù)據(jù)服務(wù)，獲得飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的地址與描述信息；再根據(jù)查找到的服務(wù)信息檢索服務(wù)的描述文件 （WSDL），并綁定飛行數(shù)據(jù)服務(wù)；最后，向Java服務(wù)容器 （Servlets）發(fā)送調(diào)用請(qǐng)求，接收簡單對(duì)象訪問協(xié)議 （SOAP）消息，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的調(diào)用。

圖7 飛行數(shù)據(jù)Java對(duì)象模型

圖8 服務(wù)開發(fā)應(yīng)用流程

最后，利用企業(yè)服務(wù)總線的服務(wù)代理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)綜合與調(diào)用。數(shù)據(jù)調(diào)用流程如圖9所示。民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)請(qǐng)求端口向企業(yè)服務(wù)總線的消息處理端口發(fā)送飛行數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求；企業(yè)服務(wù)總線以服務(wù)代理的方式向飛行數(shù)據(jù)服務(wù)提供者的響應(yīng)端口發(fā)出代理服務(wù)請(qǐng)求，獲得服務(wù)的響應(yīng)及消息數(shù)據(jù)，對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，同時(shí)根據(jù)基于內(nèi)容的消息路由傳遞消息；最后，民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲得代理服務(wù)響應(yīng)，獲得飛行數(shù)據(jù)。

圖9 服務(wù)飛行數(shù)據(jù)流程

封裝后的飛行數(shù)據(jù)SOAP消息格式如圖10所示。

圖10 飛行數(shù)據(jù)SOAP消息格式

部署后飛行數(shù)據(jù)服務(wù)如圖11所示，基于企業(yè)服務(wù)總線的民航廣域信息管理平臺(tái)能夠有效的管理飛行數(shù)據(jù)服務(wù)，顯示服務(wù)具體信息并對(duì)服務(wù)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的調(diào)用需求。

圖11 飛行數(shù)據(jù)服務(wù)

5 結(jié)束語

民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)行的專用數(shù)據(jù)模型、緊耦合系統(tǒng)接口以及特定傳輸協(xié)議導(dǎo)致了飛行數(shù)據(jù)的 “信息孤島”，造成了全民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間飛行數(shù)據(jù)共享與管理的難題。

與之相比，基于廣域信息管理的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的公共數(shù)據(jù)模型，靈活的訪問服務(wù)和綜合的飛行數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間飛行數(shù)據(jù)的智能化交換。

目前，歐美SWIM 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開展了互聯(lián)工作，飛行對(duì)象數(shù)據(jù)能夠跨大西洋傳送。SWIM 發(fā)展進(jìn)入了全球化階段。然而，國內(nèi)針對(duì)基于廣域信息管理的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的研究還存在較大空白。應(yīng)加快研究工作的開展，為未來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、靈活、綜合的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)打下基礎(chǔ)。

［1］Charles Chen，Midori Tanino，Bruce Taylor.Flight information exchange via net－centric services ［C］／／Integrated Communications Navigation and Surveillance Conference，2013：C1－1－C1－8.

［2］Prabhu V，Simons M.NextGen and SWIM evolution in the mid－term ［C］／／Integrated Communications，Navigation and Surveillance Conference，2009：1－11.

［3］Meserole JS，Moore JW.What is system wide information management（SWIM）？［J］.Aerospace and Electronic Systems Magazine，2007，V22 （5）：13－19.

［4］Dario Di Crescenzo，Antonio Strano，Georg Trausmuth.System wide information management：The SWIM－SUIT prototype［C］／／Integrated Communications Navigation and Surveillance Conference，2010：C2－1－C2－13.

［5］FAA.System wide information management（SWIM）technical overview［EB／OL］.［2014－05－17］.http：／／www.faa.gov.

［6］Ng T.Providing a flight object manager in the national airspace system ［C］／／Integrated Communications，Navigation and Surveillance Conference，2013：1－5.

［7］TAN Min，LIU Lianchen，NI Wancheng.Design and implementation of a data dietionary in information model based on UML ［J］.Computer Engineering and Design，2008，29 （4）：849－851 （in Chinese）. ［譚敏，劉連臣，倪晚成.基于UML的信息模型中數(shù)據(jù)字典的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29 （4）：849－851.］

［8］Ayhan S，Comitz P.Swim interoperability with flight object mediation service［C］／／Digital Avionics Systems Conference，2009.

［9］XIONG Guangcai，MU Dejun，ZHANG Xinjia，et al.Design and implementation of web service security framework based on Axis2 ［J］.Computer Engineering and Design，2012，33 （5）：1729－1733 （in Chinese）.［熊光彩，慕德俊，張新家，等.基于Axis2的web服務(wù)安全框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33 （5）：1729－1733.］

［10］WU Yongying，LV Jiyun，BAN Pengxin.Research of data integration based on JMS and XML ［J］.Application Research of Computers，2004，23 （7）：43－45 （in Chinese）. ［吳 永英，呂繼云，班鵬新.基于JMS 和XML 的數(shù)據(jù)集成研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004，23 （7）：43－45.］

［11］Meng Qingtao，Luo Xiling，Qi Ming，et al.A multiform SWIM service delivery platform for air traffic management environment［J］.International Journal of Digital，2010，6（18）：393－400.

［12］XIA Chunzhong，SONG Shunlin.Study and design of realtime enterprise service bus ［J］.Computer Engineering and Design，2012，33 （3）：951－956 （in Chinese）.［夏純中，宋順林.實(shí)時(shí)企業(yè)服務(wù)總線的研究與設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33 （3）：951－956.］