胥寶新

摘? ?要：2016年，中國(guó)全面啟動(dòng)ADS-B建設(shè)工程，預(yù)計(jì)在全國(guó)部署308個(gè)ADS-B地面站設(shè)備及多級(jí)的ADS-B數(shù)據(jù)處理中心。2017年，隨著地面站建設(shè)的逐漸展開，二級(jí)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也已正式招標(biāo)完成。ADS-B技術(shù)將衛(wèi)星導(dǎo)航、通信技術(shù)、機(jī)載設(shè)備以及地面設(shè)備等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，提供了更加安全、高效的空中交通監(jiān)視手段，能有效提高管制員和飛行員的運(yùn)行態(tài)勢(shì)與感知能力，擴(kuò)大監(jiān)視覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運(yùn)行效率。文章從ADS-B二級(jí)數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的大批量、高頻率的目標(biāo)跟蹤顯示方面，論述簡(jiǎn)單的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視;二級(jí)數(shù)據(jù)中心;目標(biāo)跟蹤

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）二級(jí)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中的目標(biāo)跟蹤顯示是基于Qt的圖形視圖框架（Graphics View Framework）實(shí)現(xiàn)的，提供了支持大量自定義的二維圖形對(duì)象交互管理器，提供基于圖像對(duì)象的方式實(shí)現(xiàn)model-view的編程模式。本文將不重點(diǎn)介紹圖形視圖框架的具體應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，而對(duì)在該框架下實(shí)現(xiàn)高頻率、大批量目標(biāo)刷新方面的解決方案進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1? ? ADS-B二級(jí)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)

ADS-B二級(jí)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)建設(shè)的指標(biāo)是在每0.5 s周期內(nèi)，同時(shí)更新5 000～8 000批目標(biāo)，且時(shí)延不能大于0.5 s。因ADS-B二級(jí)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的特殊性，前端顯示需同時(shí)支持3～5種數(shù)據(jù)格式的解析，相當(dāng)于在0.5 s內(nèi)，前端顯示需完成消息接收、格式判定、格式解析和目標(biāo)繪制等工作。項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用效果如圖1所示。

2? ? 設(shè)計(jì)思路介紹

系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)多核并發(fā)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，采用多線程并發(fā)計(jì)算和多線程異步刷新技術(shù)進(jìn)行整體的架構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理和圖形渲染在不同線程下進(jìn)行處理，并利用部分GPU計(jì)算能力。

2.1? 多線程并發(fā)計(jì)算

采用多線程并發(fā)計(jì)算主要是為了解決高頻率、大批量的消息解析問題。在程序設(shè)計(jì)中，消息接收和信息分類解析部分采用該模式，多線程并發(fā)計(jì)算流程如圖2所示。

采用多線程同時(shí)從不同端口獲取目標(biāo)信息，在信息接收和信息分揀線程池中，將各類型的ADS-B數(shù)據(jù)分類推送到目標(biāo)信息解析線程池。數(shù)據(jù)接收池和解析池進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，利用共享的緩沖區(qū)以避免網(wǎng)絡(luò)消息擁堵而導(dǎo)致信息丟失的情況。在消息接收線程池的實(shí)現(xiàn)中，采用環(huán)形緩沖區(qū)以減少系統(tǒng)分配堆內(nèi)存加鎖開銷和用戶態(tài)/核心態(tài)切換的開銷，進(jìn)一步提升處理效率。

2.2? 多線程異步刷新

若系統(tǒng)采用同步刷新，即每收到一條目標(biāo)信息，即通知場(chǎng)景去進(jìn)行該目標(biāo)更新（包括位置和其他下行的數(shù)據(jù)信息），當(dāng)目標(biāo)數(shù)量在5 000批時(shí)，即每0.5 s通知場(chǎng)景渲染5 000次，目前一般顯示渲染設(shè)備都無(wú)法滿足如此高頻率的刷新渲染。

為解決同步刷新的刷新渲染難題，本系統(tǒng)采用異步刷新技術(shù)，即在目標(biāo)解析線程中進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，不主動(dòng)發(fā)送渲染請(qǐng)求。由視圖/場(chǎng)景進(jìn)行統(tǒng)一的目標(biāo)刷新需求管理，集中判定是否有重新渲染需求，減少單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)渲染的次數(shù)，大大降低渲染頻率，提升系統(tǒng)性能。

3? ? 異步刷新實(shí)現(xiàn)流程介紹

要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的異步刷新，需進(jìn)行存儲(chǔ)空間準(zhǔn)備、目標(biāo)信息解析（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備）、目標(biāo)圖形對(duì)象創(chuàng)建、定時(shí)刷新渲染等幾大步驟。

3.1? 存儲(chǔ)空間準(zhǔn)備

系統(tǒng)采用環(huán)形緩沖區(qū)（Ring Buffer）來進(jìn)行航跡信息的存儲(chǔ)：（1）為了減少內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配的開銷和消費(fèi)某一數(shù)據(jù)后其余數(shù)據(jù)搬移的開銷。（2）為了線程間數(shù)據(jù)傳遞和共享訪問的安全。環(huán)形緩沖區(qū)示意如圖3所示。

環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)通過哈希方式，在保證了數(shù)據(jù)訪問的快速性和安全性外，同時(shí)，兼顧了數(shù)據(jù)獲取的靈活性。

系統(tǒng)根據(jù)指標(biāo)要求，預(yù)先申請(qǐng)足夠、非連續(xù)的內(nèi)存空間，并通過空閑和占用兩個(gè)地址管理隊(duì)列來進(jìn)行內(nèi)存使用情況的管理。在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，申請(qǐng)的內(nèi)存空間地址全部由空閑地址管理隊(duì)列來進(jìn)行管理。隨著運(yùn)行逐步將地址由空閑遷移到占用，同時(shí)，也會(huì)有占用的重新歸到空閑隊(duì)列。

3.2? 目標(biāo)信息解析

在接收到ADS-B下傳的目標(biāo)信息時(shí)，在線程中對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行解析，提取目標(biāo)的關(guān)鍵要素：監(jiān)視源唯一標(biāo)識(shí)和航跡號(hào)，組成哈希表的key值，在占用隊(duì)列中去檢索該目標(biāo)是否已經(jīng)存在。

若是新目標(biāo)，則從空閑隊(duì)列中挑選一個(gè)內(nèi)存塊進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并將該內(nèi)存結(jié)構(gòu)從空閑隊(duì)列中轉(zhuǎn)移到占用隊(duì)列中進(jìn)行管理。因主進(jìn)程中只會(huì)根據(jù)已創(chuàng)建的圖像目標(biāo)對(duì)象的變化來識(shí)別是否需要重新渲染。在新出現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，由處理線程發(fā)送異步的目標(biāo)創(chuàng)建信號(hào)，通知到場(chǎng)景去新建一個(gè)航跡目標(biāo)的圖形對(duì)象。目標(biāo)創(chuàng)建的異步信號(hào)通知和槽響應(yīng)示意如圖4所示。

當(dāng)目標(biāo)在預(yù)定的時(shí)間未再接收到任何更新消息，則自動(dòng)從占用隊(duì)列中移除，首指針鏈接到空閑隊(duì)列，并清除該目標(biāo)指向的內(nèi)存地址。

3.3? 目標(biāo)圖形對(duì)象創(chuàng)建

在接收到新建目標(biāo)圖形對(duì)象請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)請(qǐng)求中的具體數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建圖形目標(biāo)對(duì)象，并根據(jù)目標(biāo)顯示區(qū)域進(jìn)行局部渲染，如圖5所示。

3.4? 定時(shí)刷新渲染

在場(chǎng)景框架中，根據(jù)當(dāng)前的目標(biāo)圖形對(duì)象（Graphics Object），定時(shí)檢查目標(biāo)是否有關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)的變更，再?zèng)Q定是否重新渲染。若圖形對(duì)象對(duì)應(yīng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)塊已被移到空閑隊(duì)列進(jìn)行管理，則自動(dòng)釋放對(duì)應(yīng)的目標(biāo)圖形對(duì)象，并重新渲染對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

在ADS-B二級(jí)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中，采用該種處理模式，有效解決了在項(xiàng)目初期，在高頻率、大批量信息流情況下，人機(jī)界面中遇到的操作延遲、消息堵塞及刷新不及時(shí)等問題。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了ADS-B二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)大批量目標(biāo)顯示中應(yīng)用到的相關(guān)技術(shù)，分析了多線程并發(fā)處理和異步刷新的實(shí)現(xiàn)流程。

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