譚經緯 潘衛(wèi)軍 李直霖 冉斌 左青海

摘 要：隨著信息時代的到來，中國空管正面臨著一場技術革新。航行信息的多樣化、復雜化構成了龐大的數(shù)據(jù)，例如地形數(shù)據(jù)、管制員通話語音記錄、雷達數(shù)據(jù)、飛機位置、飛機狀態(tài)等。通過對這些數(shù)據(jù)充分地融合運用，深度挖掘信息，可以改進和優(yōu)化我國空管系統(tǒng)。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)；中國空管；空管自動化

中圖分類號：V355.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0037（2018）3-65-5

DOI：10.19345/j.cxkj.1671-0037.2018.03.017

Research on the Construction of Air Traffic Management Big Data Based on Information Fusion

Tan Jingwei1， Pan Weijun1， Li Zhilin1， Ran Bin1， Zuo Qinghai1

（Civil Aviation Flight University of China， Guanghan Sichuan 618300）

Abstract： With the advent of the information age， Chinese air traffic management is facing a technological innovation. The diversification and complexity of navigation information constitute the era of big data today， for example， terrain data， controllers' call voice records， radar data， aircraft position， aircraft status， and other data. Through the full fusion of these data， and in-depth mining of information， China's air traffic management system can be improved and optimized.

Key words： big data； China's air traffic management； air traffic management automation

大數(shù)據(jù)主要是指超過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫處理能力的大規(guī)模數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)小容量數(shù)據(jù)相比，大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理需要具有全面的、細致的洞察力和流程優(yōu)化的處理模式。隨著計算機技術的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)信息時代已經經歷了計算能力先導和存儲能力先導這兩個階段。而隨著網絡應用成熟、網絡接入速度的提高，以網絡運載作為先導的網絡信息時代已經來臨。在這個時代，數(shù)據(jù)處理量、網絡吞吐量都會經歷爆炸式增長，大數(shù)據(jù)時代自此開始。

大數(shù)據(jù)看似離我們很遙遠，其實我們的日常生活中處處都有大數(shù)據(jù)的運用。例如網絡數(shù)據(jù)的推送，通過對用戶各個方面數(shù)據(jù)的分析，包括瀏覽過的網址、購買過的商品，將廣告進行有針對性的推廣；在城市規(guī)劃方面，通過對每天各個道路的車流量、人流量以及天氣、溫度等數(shù)據(jù)的綜合處理，對城市道路進行進一步優(yōu)化；在市場推廣方面，通過對有關行業(yè)市場銷售數(shù)據(jù)的分析，從而對該行業(yè)的市場推廣做出決策。這些措施都形象地說明了大數(shù)據(jù)在當今這個時代的重要性。

而如今，中國空管也面臨著大數(shù)據(jù)時代的挑戰(zhàn)。能否完成數(shù)據(jù)的綜合處理，有效地利用數(shù)據(jù)，關系著我國空管能否取得進一步發(fā)展。

1 大數(shù)據(jù)時代下中國空管面臨的機遇與挑戰(zhàn)

空中交通管理[1]是為了提高所管理的空域內部的安全水平以及運行效率而進行的管理活動的總稱?？罩薪煌ü芾磉^程中涉及的空管活動從時間角度來說具有一定周期性，從操作類型以及操作數(shù)據(jù)來說具有多層次性和動態(tài)性兩大特點?？展軉挝婚L期的準備、實施、效率評估講評等過程均涉及了海量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多以及數(shù)據(jù)處理速度快等典型的大數(shù)據(jù)特征，我們就把這些數(shù)據(jù)稱為空管大數(shù)據(jù)。能否從空中交通管理系統(tǒng)內部存在的錯綜復雜的各種信息中提取出實用的信息，進行深入的研究和利用，將決定著空管與大數(shù)據(jù)融合的成敗。

就目前空域基礎數(shù)據(jù)建設情況來看，內部存在著諸如中心系統(tǒng)組成復雜，數(shù)據(jù)格式、來源及交換格式不統(tǒng)一，軍航數(shù)據(jù)更新渠道簡單且周期性弱的問題。外部則存在國內外數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一，國內空管基礎數(shù)據(jù)建設及交換手段整體落后于國外的現(xiàn)狀。這些問題導致了空管數(shù)據(jù)陳舊、不準確，影響飛行計劃處理、流量統(tǒng)計預測以及空域規(guī)劃方案制定；軍航PBN與空管運行數(shù)據(jù)不一致，缺乏基礎導航數(shù)據(jù)支撐。因此，目前中國空管亟須建立空域數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理機制與平臺，從根本上提升飛行流量戰(zhàn)略管理水平與空管管理運行能力。

空管與大數(shù)據(jù)融合運用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 空管大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何級增長

當前隨著空管行業(yè)的發(fā)展，空管數(shù)據(jù)量級[2]將很快由TB躍升到PB級別。根據(jù)相關調查，民航空管一個典型的空管單位每天產生的數(shù)據(jù)包括：航空器航跡數(shù)據(jù)、陸空通話數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、有線通話、視頻數(shù)據(jù)等。而除了管制工作單位以外，其他如航班計劃、航行情報、AFTN電報、設備運維數(shù)據(jù)、崗位值班數(shù)據(jù)等也會產生不小的數(shù)據(jù)量。粗略地估計，一個空管單位每天日常運行產生的數(shù)據(jù)約為50～100GB，一年內則產生出的數(shù)據(jù)量超過20TB。而以民航空管下轄的50多個空管分局來初步估算，空管這個行業(yè)每年產生的數(shù)據(jù)至少在1PB以上。

空管過程中產生的數(shù)據(jù)體量較大、類型多樣。從數(shù)據(jù)類型分：既有靜態(tài)數(shù)據(jù)，也有動態(tài)數(shù)據(jù)；從結構化細分：有數(shù)據(jù)化的結構，也有非數(shù)據(jù)化的結構。航空器航跡數(shù)據(jù)、陸空通話數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、有線通話數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、航班計劃數(shù)據(jù)、航行情報數(shù)據(jù)、AFTN電報數(shù)據(jù)、崗位值班數(shù)據(jù)等均在空中交通管理過程中產生，同時還有與空管系統(tǒng)相關的一些外界數(shù)據(jù)，如政府社會對空管的指令要求、互聯(lián)網輿論。

1.2 空管大數(shù)據(jù)得到廣泛應用

空管大數(shù)據(jù)影響著民航業(yè)的方方面面。飛行數(shù)據(jù)處理[3]使飛行更加科學節(jié)能，獲取空管設備信息數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫可以更好地避免空管設備出現(xiàn)問題，同時可以用于幫助構建災備系統(tǒng)。飛機進近的坐標數(shù)據(jù)，相對空氣速度、升力等數(shù)據(jù)也可以用來構建大數(shù)據(jù)庫并借助數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)飛機進近優(yōu)化。與此同時，搭建空管陸空通話大數(shù)據(jù)庫可以更好地幫助飛行員和管制員進行溝通。

1.3 空管大數(shù)據(jù)成為高層決策重要參考

空管大數(shù)據(jù)的概念正在逐漸流行起來，空管大數(shù)據(jù)的深層次作用也漸漸凸顯了出來?？展艽髷?shù)據(jù)的影響體現(xiàn)在飛機油量、飛機航線分析、陸空通話數(shù)據(jù)、天氣預測、機場監(jiān)控數(shù)據(jù)、飛機進近管理等方面。航空法規(guī)制定、新一代民航標準制定等均可借助大數(shù)據(jù)的分析結果。空管大數(shù)據(jù)成為高層決策的重要參考，并影響空管整個行業(yè)的現(xiàn)在與未來。

2 空管大數(shù)據(jù)的構成及分析

空管大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)種類繁雜、數(shù)據(jù)量大、需求時效性高等特點。根據(jù)數(shù)據(jù)的性質不同，數(shù)據(jù)可以大致分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)[4]。

2.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)

靜態(tài)數(shù)據(jù)一般存儲在計算機內，為整個空管大數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供顯示數(shù)據(jù)和計算參數(shù)。這部分數(shù)據(jù)是計算機對整個空域或空管設備靜態(tài)特性的描述，例如飛機的運動參數(shù)與地理數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)在短時間內不會發(fā)生大的變化。

民航的靜態(tài)數(shù)據(jù)是指不會由于天氣變化而產生變化的數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括如下數(shù)據(jù)：航空器性能數(shù)據(jù)、航行資料、地形數(shù)據(jù)等。航空器性能數(shù)據(jù)主要是用來表示對應型號航空器的性能參數(shù)。民航相關單位在飛行任務中根據(jù)不同的性能參數(shù)設計不同的調配方案，如離場時間的控制、起飛重量以及爬升梯度等。航空通告是由相關的民航規(guī)章及民航法律法規(guī)等相關文件采集而成。航行情報資料工作是航行情報業(yè)務管理工作的重要組成部分，它的職能是收集整理、設計制作和發(fā)布為保證飛行安全、正常和效率所需的各種航行情報資料，提供航空情報服務（航行資料和航行通告服務），提供航圖服務。地形數(shù)據(jù)可由目前已完成的相關地質考察及數(shù)據(jù)文件匯集組成。

2.2 動態(tài)數(shù)據(jù)

動態(tài)數(shù)據(jù)是隨著系統(tǒng)運行而實時改變的數(shù)據(jù)。它們是運動實體的運動特征的描述，通過一組組離散的數(shù)據(jù)按照時間順序組織收集起來，來得到實體在特定時間段內的運行狀態(tài)。在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)運行時，這些數(shù)據(jù)一般不會保存在硬盤里，而是儲存在數(shù)據(jù)系統(tǒng)的內存等寄存器里并實時對這些數(shù)據(jù)進行更新。通過對這些數(shù)據(jù)的操作更新，就可以對空管系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)管。同時通過在時間順序下保存這些動態(tài)數(shù)據(jù)，也可以對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行回放以便優(yōu)化改善大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

民航的動態(tài)數(shù)據(jù)主要包括固定格式空中交通服務電報、氣象電報、航務電報、終端區(qū)情報信息、航行通告等。民航航班分為定期航班和非定期航班，航班的申請管理由民航局或地區(qū)管理局負責。對于定期航班而言，民航局會在1月和8月召集空管單位、航空公司、機場單位等召開兩次航班協(xié)調會。會議中，各航空公司在該航季的定期航班會確定下來，航班信息通常包括航空公司的機型、航班呼號、起飛機場、降落機場、UTC（協(xié)調世界時）起飛時間、分配降落時隙、原始航班識別標志、時隙保留標志、原始UTC起飛日期/時間、預計跑道起飛時間、預計跑道降落時間、預計登機口離開時間、最早跑道起飛時間、最早跑道降落時間等。固定格式空中交通服務電報主要用于傳播飛行過程中與飛行相關的所有信息，例如跑道工作情況、導航臺工作情況、航路關閉情況。電報通過發(fā)送給飛行相關的管制單位以便隨時掌握該航空器的狀態(tài)和意圖信息，以確保運行安全并提供相應的管制服務?？罩薪煌ǚ针妶髷?shù)據(jù)可以通過發(fā)送電報或收取電報機構采集。航務管理電報主要是用于航空公司內部或公司之間傳遞航務信息，但是由于我國的空管部門普遍安裝有該系統(tǒng)的終端，所以空管單位也使用該系統(tǒng)接收航空公司的不定期航班申請。航站自動情報服務是為即將進離場的航空器提供對應的情報信息，以使終端區(qū)的航空器進離場活動順暢，提高終端區(qū)的運行效率。航務電報可由航空公司及管制相關部門采集。終端區(qū)情報信息由空管局監(jiān)控及雷達部門采集。航行通告是需要機組成員和與飛行有關的人員及時獲取了解的，通告包括航行的設施和服務、程序的建立、情況或者變化以及對航行有危險情況的出現(xiàn)和變化的通知。航行通告的收集、發(fā)布和處理工作，分別由民航局航行情報中心國際航行通告室、地區(qū)航行情報中心航行通告室和機場航行情報室負責實施，涉及管制、氣象、通導、場建、公安、油料、國際運輸、財務、衛(wèi)生等9個部門。航行通告由所在區(qū)域的管制單位采集。

2.3 氣象數(shù)據(jù)

隨著民航業(yè)的不斷發(fā)展，飛機整體性能的提高，通信導航技術也在不斷更新，但是氣象條件對飛行任務的影響依然客觀存在。飛行任務已經由過去能在復雜氣象條件下飛行變?yōu)榱巳绾卧趶碗s氣象條件下精準飛行。航空氣象的提供方應當提供足夠準確的氣象預報并根據(jù)氣象條件評估其對飛行安全造成的影響。民航相關人員，例如機組成員、民航公司運控人員以及一線管制單位人員應當對氣象條件有足夠的了解，評估在復雜氣象條件下飛行任務受到的影響并決定是否放飛。

氣象數(shù)據(jù)屬于動態(tài)數(shù)據(jù)的一部分。由于其對空管及航空事務影響重大，因此需要進一步分析。大氣的速度、溫度、水汽含量以及可能發(fā)生的降雨、雷暴等天氣等都與航空事務息息相關。在這樣的基礎下，空管大數(shù)據(jù)需要盡可能地準確與獲取快捷，保證分析結果的準確性和時效性?？展艽髷?shù)據(jù)的應用需要接入氣象監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)來對大氣速度、溫度等數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，確保航行安全的同時提高效率。

3 構建中國空管大數(shù)據(jù)的目的和作用

中國空管的大數(shù)據(jù)時代才剛剛開始。要想真正地構建空管大數(shù)據(jù)并利用大數(shù)據(jù)，還有5個過程。這5個過程分別是構建空管大數(shù)據(jù)、應用空管大數(shù)據(jù)、挖掘空管大數(shù)據(jù)、活用空管大數(shù)據(jù)和利用空管大數(shù)據(jù)[5]。

3.1 建立大數(shù)據(jù)，輔助國家決策層

建立空管大數(shù)據(jù)，首先需要有大數(shù)據(jù)。而大數(shù)據(jù)的采集其實并不像表面上那么簡單。過去人們關注的焦點是獲取數(shù)據(jù)的客觀性、完備性和準確性等，但這些只適合小數(shù)據(jù)。小數(shù)據(jù)在獲取、存儲、處理和分析運算時很少涉及數(shù)據(jù)和最終結果的時效性。而在一些數(shù)據(jù)量比較大的應用場景下，由于獲取和分析大量數(shù)據(jù)所耗的時間比較長，數(shù)據(jù)和分析結果的時效性難以得到保證，因此這個數(shù)據(jù)分析處理的過程也就不再那么有價值。當牽扯到大數(shù)據(jù)時，工作人員不僅要關注數(shù)據(jù)的質量和獲取速度，更要關注因為數(shù)據(jù)的大量級帶來的存儲、傳輸、處理和運算速度等問題。因此，應當挑選對于結果有價值的數(shù)據(jù)進行處理，保證數(shù)據(jù)和分析結果的時效性和可靠性。

數(shù)據(jù)獲取是大數(shù)據(jù)處理的基礎過程，也是大數(shù)據(jù)處理的源頭。為了提高獲取數(shù)據(jù)的速度和減輕處理運算的壓力，在獲取數(shù)據(jù)前就應當減輕數(shù)據(jù)的規(guī)模。目前來說主要有以下3個方法：①改進和壓縮感知方法技術，提高數(shù)據(jù)無損壓縮比例；②提高按需選取能力，通過人或者設備對數(shù)據(jù)預先判斷是否有價值，然后對數(shù)據(jù)進行篩選，以此降低數(shù)據(jù)獲取耗時，提高數(shù)據(jù)處理速度；③改進數(shù)據(jù)處理技術，獲取數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行初步處理，并通過僅對結果進行傳輸和處理，來降低數(shù)據(jù)存儲、傳輸和計算壓力。

空管大數(shù)據(jù)的搭建工作主要是對飛機狀態(tài)、性能、飛行程序數(shù)據(jù)，飛機進近坐標數(shù)據(jù)和空管陸空通話數(shù)據(jù)等進行初步采集工作。通過構建空管大數(shù)據(jù)，飛行程序的分析、飛機故障的預判、進近程序的優(yōu)化甚至提高空管效率都可以依賴大數(shù)據(jù)進行。而這個過程也成了國家決策層的重要參考。航空法規(guī)的制定、民航制度改革甚至新一代空管系統(tǒng)搭建都變得有法可依。

3.2 應用大數(shù)據(jù)，推進空管協(xié)同決策

空管大數(shù)據(jù)構建之后，重要的工作就是對數(shù)據(jù)如何使用進行研究?？展艽髷?shù)據(jù)對于目前中國空管現(xiàn)狀的改良具有極大的價值。首先，空管大數(shù)據(jù)可以用于空管操作流程優(yōu)化和流程再造?？展芰鞒虄?yōu)化是通過不斷完善與優(yōu)化業(yè)務流程，以使空管活動保持持續(xù)安全、有效、優(yōu)質的策略。在實際的空管工作中，從業(yè)人員已經進行了多次改善和優(yōu)化來使空管效率達到最好。在大數(shù)據(jù)的幫助下，工作流程的優(yōu)化可以涉及很多細節(jié)部分，找出每個細節(jié)值得改善優(yōu)化的部分，并通過大數(shù)據(jù)分析結果進行流程優(yōu)化。

空管大數(shù)據(jù)在安全和風險管理同樣有著重要的作用。目前空管系統(tǒng)主要通過采用事件模型和風險源模型為基礎的安全風險評估及管理方式，并且比較側重于事后分析和風險評估?；诖髷?shù)據(jù)的安全風險管理，通過收集風險前后的數(shù)據(jù)進行科學化管理。在大數(shù)據(jù)的支持下，這種風險評估與預防滲透了空管工作的各個細節(jié)中，實現(xiàn)了全方位動態(tài)化的數(shù)據(jù)監(jiān)測及風險預防機制。憑借大數(shù)據(jù)處理建立起來的風險分析預估系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)無疑更加可靠實用。

3.3 挖掘大數(shù)據(jù)，推進空域精細化管理

由于我國民航發(fā)展時間較晚，我國空域管理體制建設與世界先進民航強國相比仍有很大差距，空管體制改革中涉及了空域環(huán)境優(yōu)化、管制體制、綜合保障能力、法規(guī)建設、技術標準、基礎理論研究、產業(yè)基礎等問題，而這些問題都需要長時間的摸索才能解決。近年來伴隨著我國航空業(yè)的快速發(fā)展，航空業(yè)所呈現(xiàn)出的負面影響諸如噪聲污染、航班延誤等現(xiàn)象愈來愈為明顯，航空運輸由于終端區(qū)容量和航路網絡布局限制等原因導致空域擁擠現(xiàn)象呈頻增趨勢，并因此導致航空器在地面及空中的安全運行面臨著極大的壓力。航空器的安全運行離不開有效的空域管理和配置?？沼蚴侵匾膰屹Y源，應當根據(jù)科學的形勢決策得到合理、充分、有效地利用。長期以來，我國空域資源利用率不高，難以滿足國內民航運輸增長的需要。空域管理涉及國家領空安全、軍民航協(xié)調、法規(guī)規(guī)章的制定等，需要政府統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一指揮與協(xié)調?？沼蚬芾砩婕昂Ａ繑?shù)據(jù)，包括飛機4D軌跡、氣象數(shù)據(jù)、管制單位語音通話數(shù)據(jù)等，通過對數(shù)據(jù)進行收集、整理和開發(fā)，可以更好地對空域進行監(jiān)管，為空域優(yōu)化提供理論與實踐基礎。實際上，對于空域管理體制創(chuàng)新研究剛剛起步，實踐中還存在諸多問題和挑戰(zhàn)。在這樣的時代背景下，通過對空管大數(shù)據(jù)的構建和應用，空域精細化管理變得具有可操作性和實用性。

3.4 活用大數(shù)據(jù)，構建新一代導航數(shù)據(jù)庫

隨著新航行系統(tǒng)的發(fā)展，民航運輸正在由傳統(tǒng)的地面臺站導航轉向基于性能導航過渡，航空運行系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息越發(fā)依賴，對機載數(shù)據(jù)庫的及時性、準確性和完整性要求逐漸提高，因此對機載導航數(shù)據(jù)庫提出了新的要求。導航數(shù)據(jù)庫和性能數(shù)據(jù)庫是目前機載計算機內裝載的兩個常用的數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)代航空器的飛行運行幾乎都需要依賴機載導航數(shù)據(jù)庫進行導航?，F(xiàn)代大中型民航運輸機都加裝有飛行管理系統(tǒng)管理下的航電系統(tǒng)，飛行管理系統(tǒng)的核心部件飛行管理計算機通過讀取導航數(shù)據(jù)庫才能實現(xiàn)自動駕駛或者飛行指引，控制顯示組件顯示飛機相關飛行參數(shù)，是機組與飛行管理系統(tǒng)及導航數(shù)據(jù)庫交互媒介。導航數(shù)據(jù)庫對于民航飛行的重要性不言而喻。它決定著一個國家航空飛行的工作效率和風險管理水平。而只有通過對大數(shù)據(jù)的充分利用，通過海量數(shù)據(jù)的收集分析，新一代空管系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù)庫才能盡可能地科學實用。

3.5 利用大數(shù)據(jù)，應對全球空管一體化

隨著世界一體化時代的來臨，民航各國間的合作也日益緊密，不同國家航線的開啟、工作的相互協(xié)調都考驗著各國的民航系統(tǒng)和民航工作人員。隨著空管一體化的發(fā)展，很多挑戰(zhàn)和機遇將不斷出現(xiàn)。我國空管人員應不斷優(yōu)化業(yè)務流程，以期在空管系統(tǒng)管理中取得突破性的進展。新的技術需要大量可靠真實的數(shù)據(jù)支撐。而通過空管大數(shù)據(jù)的搭建工作，全球空管一體化的模擬驗證實踐工作都將變得更加輕松。全球空管一體化也可以為空管大數(shù)據(jù)的構建提供更多有價值實用的數(shù)據(jù)。

4 構建中國空管大數(shù)據(jù)的基本思路

4.1 把握需求，構建國家級核心數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)信息時代先后經歷了計算能力先導、存儲能力先導兩個階段。隨著網絡應用的日趨成熟，以網絡運載作為先導的網絡信息時代已經開啟?！笆濉币?guī)劃正式提出，實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，推進數(shù)據(jù)資源開放共享。近年來，大數(shù)據(jù)已經被引入交通、醫(yī)療、家居、金融等諸多領域，改變著人類的生活方式。