低空空域綜合管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)研究

堯 豐，韓松臣，朱新平

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇南京 210016)

低空空域是國家空域體系的重要組成部分，按照國際民航組織的空域分類標(biāo)準(zhǔn)［1］，低空空域是指除了A類(絕對管制空域)，B、C類(進(jìn)近管制空域)，D類(機(jī)場管制地帶)等公共運(yùn)輸航空主要使用的空域，以及特殊用途空域(如軍航訓(xùn)練空域、空中禁區(qū)、限制區(qū)和危險區(qū))之外的所有空域，通常又可以按照限制等級和服務(wù)類型細(xì)分為 E、F、G 類空域。

低空空域綜合管理系統(tǒng)是通用航空運(yùn)行管理系統(tǒng)的重要組成部分，建立高效的低空空域綜合管理系統(tǒng)具有重要的實際意義。王偉、劉松［2］等人通過分析低空空域的屬性、分類及特點(diǎn)，借鑒國外低空空域管理的先進(jìn)經(jīng)驗，對我國低空空域的管理進(jìn)行了思考，并提出了低空空域管理的設(shè)想。陳泐［3］基于新航行系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合當(dāng)今一些先進(jìn)的技術(shù)和優(yōu)秀的算法，提出了一種高性價比的通用航空飛行保障系統(tǒng)，即基于GIS、GPS通用航空飛行保障系統(tǒng)，并對相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

隨著Internet/Intranet的普及，基于J2EE的Web技術(shù)迅猛發(fā)展，各種框架技術(shù)的不斷成熟，為建立低空空域綜合管理系統(tǒng)提供了有力的支持。因此，基于J2EE體系結(jié)構(gòu)，筆者提出了集成Struts和Hibernate框架的低空空域綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)模型，并對系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)、功能模塊劃分和具體的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了分析。

1 需求分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目的

低空空域管理涉及到通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象和情報服務(wù)等職能部門。在長期的通用航空運(yùn)行中暴露出一系列的問題［4］，表現(xiàn)為:①空域設(shè)施覆蓋面達(dá)不到要求;②飛行情報系統(tǒng)不健全;③通用航空運(yùn)行過程中整體協(xié)作能力不強(qiáng)，通航飛行活動單位獲取所需信息過程繁雜，工作效率不高，影響飛行安全。

該系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是在現(xiàn)有空管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術(shù)，將飛行服務(wù)站與通用航空機(jī)載GPS導(dǎo)航儀、應(yīng)答機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，建立一種新型低空空域綜合管理系統(tǒng)，加強(qiáng)低空空域管理，全面監(jiān)控和跟蹤通用航空飛行動態(tài)。同時，利用計算機(jī)技術(shù)和地面通信，將飛行服務(wù)站、通用航空服務(wù)管理機(jī)構(gòu)、通用航空飛行活動單位及個人進(jìn)行信息資源整合，實現(xiàn)信息共享，提高低空空域使用效率和監(jiān)管力度，為保證低空空域內(nèi)的一切飛行奠定良好基礎(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)的功能模塊

根據(jù)低空空域綜合管理系統(tǒng)工作的實際需求，低空空域綜合管理系統(tǒng)主要包括:①通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象和情報服務(wù)模塊。通用航空運(yùn)輸除了對通信、氣象和情報服務(wù)具有額外要求外，在導(dǎo)航和監(jiān)視方面基本上是利用國家現(xiàn)有的用于公共運(yùn)輸航空服務(wù)的設(shè)施設(shè)備。②飛行服務(wù)站模塊。其包括飛行前計劃、標(biāo)準(zhǔn)天氣講解、簡短講解、展望講解、飛行計劃、飛行中天氣講解、航站預(yù)報、高空風(fēng)溫預(yù)報、區(qū)域預(yù)報、飛行中咨詢和飛行員報告等子功能，主要向通用航空飛行提供飛行情報等服務(wù)，可以有效地減輕空中交通管制系統(tǒng)的負(fù)荷。③飛行中咨詢模塊。其主要應(yīng)對通航飛行活動單位迷航等特情發(fā)生時及時與地面飛行服務(wù)站的聯(lián)系。此外，還包括一些其他的外圍模塊。低空空域綜合管理系統(tǒng)具體的功能模塊如圖1所示。

圖1 低空空域綜合管理系統(tǒng)功能模塊圖

1.3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

通用航空單位可以通過瀏覽器登錄系統(tǒng)，提交飛行計劃，接收航空氣象信息、氣象通播信息和告警信息等信息，而低空空域管理單位需要對用戶的需求給予滿足，包括飛行計劃審批、修改、沖突探測、航跡配對、邏輯檢查及提供航空氣象信息、氣象通播、告警和實時咨詢等服務(wù)。低空空域綜合管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計思路

圖2 低空空域綜合管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

由于低空空域綜合管理系統(tǒng)對實時性、穩(wěn)定性和可靠性有很高的要求，因此，整個系統(tǒng)應(yīng)該易于維護(hù)和擴(kuò)展，并且系統(tǒng)需要兼顧到外部設(shè)備如GIS、GPS和移動端的接入。以目前的技術(shù)建立B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑼ㄟ^Internet/Intranet模式下數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)界面友好、可操作性強(qiáng)、維護(hù)方便，成本也較低，還能實現(xiàn)不同的低空空域使用用戶從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式(比如 LAN、WAN、Internet/Intranet等)訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫;它能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫也很安全。但傳統(tǒng)的B/S［5］(Brower/Server)模式對高要求的低空空域綜合管理系統(tǒng)消息傳遞的實時性和可靠性是無法滿足的，然而對相對發(fā)展已非常成熟的 C/S［6］(Client/Server)來說，通信雙方通過建立TCP/IP套接字就能很好的實現(xiàn)。但C/S體系結(jié)構(gòu)投資大，維護(hù)成本高且難于升級。因此綜合考慮B/S和C/S兩者的優(yōu)勢，以及J2EE平臺跨平臺、中間件技術(shù)和多層結(jié)構(gòu)等技術(shù)性能優(yōu)點(diǎn)，采用基于J2EE技術(shù)的B/S和C/S模式相結(jié)合的3層系統(tǒng)架構(gòu)，并利用Java消息服務(wù)(JMS)實現(xiàn)低空空域綜合管理系統(tǒng)中各種信息的異步通信是一個比較理想的解決方案。

通過對各種解決方案和框架結(jié)構(gòu)的比較，中間層和持久層選擇Java技術(shù)作為開發(fā)的應(yīng)用技術(shù)。該系統(tǒng)的飛行服務(wù)站、通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象、情報及飛行中咨詢等幾大模塊相對獨(dú)立，但都很復(fù)雜，涉及到大量的數(shù)據(jù)處理與復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程，因此，集成的 Struts［7-8］與 Hibernate［9-10］架構(gòu)剛好適合于開發(fā)這個系統(tǒng)，并能節(jié)約開發(fā)時間和開發(fā)成本。

3 系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)采用客戶瀏覽器/應(yīng)用服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式，前臺表示層使用JSP技術(shù)通過瀏覽器實現(xiàn);中間層(Web層和業(yè)務(wù)層)使用Struts框架和JavaBean等技術(shù)來實現(xiàn)，以滿足業(yè)務(wù)需要;持久層通過Hibernate框架提供對數(shù)據(jù)庫的操作支持;后臺數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)功能模塊分成飛行計劃數(shù)據(jù)庫、航行情報數(shù)據(jù)庫和航空氣象數(shù)據(jù)庫分別設(shè)計。集成Struts和Hibernate框架的低空空域綜合管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 低空空域綜合管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計示意圖

該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)合理劃分各層的功能，降低層與層之間的耦合，從而使整個系統(tǒng)在邏輯結(jié)構(gòu)上更為清晰，可提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

(2)Web層的開發(fā)和維護(hù)更為方便。該系統(tǒng)把應(yīng)用程序分成3個部分，即模型、視圖和控制器，并采用主流的Struts框架技術(shù)來實現(xiàn)各個部分，它們相互協(xié)作，完成不同的任務(wù)。由于所有的頁面跳轉(zhuǎn)都集中在XML配置文件中定義，因此，可提高程序的可讀性和可維護(hù)性。

(3)Hibernate持久層實現(xiàn)技術(shù)提高了系統(tǒng)的移植性。運(yùn)用MVC模式的Struts框架雖然在總體上實現(xiàn)了對邏輯、顯示和控制的分離，但是它沒有提供對復(fù)雜的持久層的支持。因此，該系統(tǒng)采用Hibernate，可以彌補(bǔ)Struts框架在持久層操作中的不足，它對數(shù)據(jù)庫操作的大多數(shù)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了封裝，經(jīng)過Hibernate的O/R映射的配置文件可以將數(shù)據(jù)庫表與持久層對象對應(yīng)起來，完全符合Java中面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想。由于Hibernate對不同的數(shù)據(jù)庫都有良好的支持，只需簡單修改Hibernate中的配置文件hibernate.cfg.xml就可實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)庫的切換，提高系統(tǒng)的移植性。

(4)考慮到外部設(shè)備如地理信息系統(tǒng)GPS/GIS、移動端，系統(tǒng)利用外置天線接入，進(jìn)行實時傳遞外部實時信息，與系統(tǒng)邏輯層進(jìn)行無縫對接，并在表示層進(jìn)行顯示，把接收到的信息通過中間層處理，存儲到空間數(shù)據(jù)庫中，可提高系統(tǒng)的兼容性和生存周期。

4 系統(tǒng)開發(fā)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

低空空域使用用戶在表示層運(yùn)行的瀏覽器中，通過JSP頁面實現(xiàn)交互，傳送飛行計劃、飛行態(tài)勢監(jiān)視、沖突探測及低高度告警和航行情報等方面的信息請求和接受響應(yīng)。Web層中的Struts通過ActionServlet接收請求，并將請求交給Request-Processor來處理。Request-Processor根據(jù)請求的URL從ActionMapping中得到與之相對應(yīng)的Action，并根據(jù)請求的參數(shù)實例化響應(yīng)中的ActionForm，再經(jīng)過Form驗證。業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)向Action提供業(yè)務(wù)模型組件和該組件的協(xié)作對象數(shù)據(jù)處理(DAO)組件來完成相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯，并提供事務(wù)處理、緩沖池等容器組件提升系統(tǒng)性能和保證數(shù)據(jù)完整。在持久層中，依賴Hibernate的對象化映射和數(shù)據(jù)庫交互來處理DAO組件請求的數(shù)據(jù)，并返回處理結(jié)果。在邏輯層中，低空空域綜合管理系統(tǒng)通過移動信號接收組件，傳送和接收GPS/GIS、移動端等硬件端口的信息，以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性和健壯性，可充分發(fā)揮本系統(tǒng)的功能優(yōu)勢。

4.2 系統(tǒng)界面實現(xiàn)

系統(tǒng)界面的實現(xiàn)是系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵，即完成系統(tǒng)中所要求的各功能模塊，由于篇幅的限制，只描述對飛行計劃服務(wù)子系統(tǒng)進(jìn)行的研究。

飛行計劃服務(wù)子系統(tǒng)主要由Login.jsp、CFPServer.jsp、NewPlan.jsp、NewTrack.jsp 等幾個 jsp頁面和 LoginServlet.java、CFPServlet.java、NewP-lanServlet.java、CheckServlet.java、NewTrackServlet.java等Servlet類構(gòu)成。

其中Login.jsp的主要功能是提供用戶登錄和注冊界面，它將業(yè)務(wù)需求提交給對應(yīng)的Servlet類LoginServlet來完成用戶合法性檢驗或注冊新用戶到數(shù)據(jù)庫等功能。

CFPServer.jsp顯示所有的飛行計劃及他們所處的狀態(tài)，并提供申請和刪除新飛行計劃以及對飛行計劃的審查等鏈接。同樣，業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)以及對數(shù)據(jù)庫的操作也通過對應(yīng)的Servlet類CF-PServlet來實現(xiàn)。低空空域飛行計劃申報操作如圖4所示。

圖4 低空空域飛行計劃申報操作界面

NewPlan.jsp和NewPlanServlet.java分別提供添加新飛行計劃的頁面顯示和操作處理功能。

Checkup.jsp和CheckServlet.java分別提供飛行計劃的審查和狀態(tài)管理的頁面顯示和操作功能。

NewTrack.jsp和NewTrackServlet.java分別提供對任一飛行計劃添加新航跡點(diǎn)的頁面顯示和操作功能。

4.3 系統(tǒng)測試

按照系統(tǒng)開發(fā)流程完成子系統(tǒng)開發(fā)后，系統(tǒng)測試工作是必不可少的。將開發(fā)完的系統(tǒng)進(jìn)行打包，在不同的客戶端(通用航空運(yùn)營部門、軍航管制部門、管制員)進(jìn)行測試，以檢驗系統(tǒng)是否正常運(yùn)行并能完成各種功能，若出現(xiàn)異常，則需要改進(jìn)完善，然后再進(jìn)行測試，如此循環(huán)，直至系統(tǒng)在不同的環(huán)境中都能正常運(yùn)行并實現(xiàn)各模塊的功能。圖5為對低空空域中飛行計劃子系統(tǒng)進(jìn)行測試的顯示表格。

圖5 低空空域飛行計劃測試表格

5 結(jié)論

介紹了低空空域綜合管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，對低空空域綜合管理系統(tǒng)進(jìn)行需求分析及設(shè)計，根據(jù)應(yīng)用需求對系統(tǒng)進(jìn)行了具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，以及系統(tǒng)的開發(fā)與測試。結(jié)果表明，采用Struts和Hibernate框架提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，使開發(fā)的系統(tǒng)有質(zhì)的飛躍。

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