空中交通管制系統(tǒng)景象記錄的方案設(shè)計(jì)

張珺，朱秀峰

1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部，北京100036

2.中華女子學(xué)院山東分院，濟(jì)南276400

1 引言

空中交通管制系統(tǒng)是對(duì)多架飛機(jī)起降和航線進(jìn)行管理，以保障飛行秩序和安全的系統(tǒng)。在進(jìn)行管制活動(dòng)時(shí)，一方面管制員要實(shí)時(shí)觀察雷達(dá)顯示屏，獲知航空器當(dāng)前在地表的二維位置、高度、速度等信息，另一方面又要處理飛行情報(bào)數(shù)據(jù)，即起飛、延誤、降落等信息。這兩類信息都會(huì)實(shí)時(shí)反映在空管系統(tǒng)的顯示屏上，也會(huì)分門別類地存儲(chǔ)在服務(wù)器上。一般原始雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄在雷達(dá)記錄儀上，而飛行情報(bào)數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，管制員的操作，例如收發(fā)飛行情報(bào)等，都以日志的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在傳統(tǒng)的記錄方式中，雷達(dá)數(shù)據(jù)、飛行情報(bào)數(shù)據(jù)和管制員的操作都各自獨(dú)立的存儲(chǔ)，很難通過技術(shù)手段連續(xù)、完整地復(fù)現(xiàn)某一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)；而系統(tǒng)的屏幕景象則比較連續(xù)完整地反映了雷達(dá)數(shù)據(jù)、飛行情報(bào)數(shù)據(jù)的顯示狀態(tài)和管制員的操作過程。因此，在空管系統(tǒng)中對(duì)屏幕景象進(jìn)行連續(xù)記錄并在必要時(shí)進(jìn)行回放，就成了對(duì)空中交通事故進(jìn)行分析、定位以及審計(jì)管制質(zhì)量的重要手段。

2 空管系統(tǒng)屏幕景象特點(diǎn)及景象記錄系統(tǒng)的技術(shù)要求

記錄與回放系統(tǒng)本身不是空管系統(tǒng)的核心組成部分，但其作為輔助系統(tǒng)又是必不可少的，因此其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)既能夠滿足功能性能要求，又同時(shí)占有較少的系統(tǒng)資源。

首先，在時(shí)間上，能夠連續(xù)和真實(shí)地記錄屏幕景象?；胤女嬅媲宄?、流暢，地標(biāo)、標(biāo)牌等元素顯示清晰，不存在線面、字體、顏色等元素的失真和損失。在壓縮算法的選擇上，應(yīng)當(dāng)考慮到回放效果的要求，即飛行數(shù)據(jù)的顯示無(wú)損失、無(wú)失真，應(yīng)該采用無(wú)損壓縮算法。

其次，在空間上，由于記錄系統(tǒng)24小時(shí)不間斷錄制和存儲(chǔ)屏幕景象，會(huì)給數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲(chǔ)造成很大的壓力。因此，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s，盡量減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。

再次，由于景象記錄與回放系統(tǒng)不是空管系統(tǒng)的核心部分，因此應(yīng)當(dāng)以盡量小的系統(tǒng)資源代價(jià)實(shí)現(xiàn)該功能。高效壓縮算法的使用能提高壓縮效率，盡量減少對(duì)系統(tǒng)資源的占用。一般應(yīng)當(dāng)保證對(duì)CPU占用率保持在20%以下，避免影響其他正常業(yè)務(wù)操作和顯示。

根據(jù)上述技術(shù)要求，可以得到景象記錄的基本工作流程如下：景象數(shù)據(jù)獲取——景象數(shù)據(jù)壓縮——景象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——景象數(shù)據(jù)回放。景象記錄方案的設(shè)計(jì)，就是基于這個(gè)流程，并結(jié)合這些技術(shù)要求來(lái)完成的。

3 景象記錄的總體設(shè)計(jì)方案

在總體設(shè)計(jì)上，采用常見的客戶端/服務(wù)器（Client/Server）構(gòu)架模式：服務(wù)器一般分為RDP（Radar Data Processing，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理）和FDP（Flight Data Processing，飛行數(shù)據(jù)處理）兩個(gè)部分，并采用兩個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器單元承擔(dān)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)；客戶端主要為雷達(dá)數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)操作界面。通信協(xié)議則用TCP/IP作為傳輸協(xié)議，并以磁帶庫(kù)作為記錄設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，數(shù)據(jù)獲取模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行原始景象數(shù)據(jù)的獲?。粩?shù)據(jù)壓縮模塊將原始景象數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮；數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)建立存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁帶庫(kù)中；數(shù)據(jù)檢索模塊負(fù)責(zé)根據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行景象數(shù)據(jù)的快速檢索。

4 景象數(shù)據(jù)的獲取與壓縮的設(shè)計(jì)

屏幕景象的獲取一般都是采用拷屏的方式，本方案也不例外。而對(duì)于圖像壓縮算法，目前公認(rèn)最好的是MPEG-4算法。但是該算法主要針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行壓縮，雖壓縮率高，但其分辨率最多只能做到704像素×576像素，不符合空管系統(tǒng)圖像“定格”的分辨率要求。為了達(dá)到這種要求，在進(jìn)行幀內(nèi)壓縮前都要確立標(biāo)桿幀。標(biāo)桿幀的確立目前主要有完整幀和定時(shí)標(biāo)桿幀兩種：完整幀方式是20世紀(jì)90年度初西方國(guó)家空管系統(tǒng)中普遍采用的方式，由于壓縮率低現(xiàn)在已很少使用；參考文獻(xiàn)[1]中所介紹的方法實(shí)際就是定時(shí)標(biāo)桿幀的一種實(shí)現(xiàn)，該方法在無(wú)損的前提下大大提高了壓縮率。

本文的方案考慮在無(wú)損的前提下，比上述方法進(jìn)一步大幅提高壓縮率。

4.1 景象數(shù)據(jù)的獲取

進(jìn)行景象記錄與回放的第一步就是獲取景象數(shù)據(jù)，即屏幕原始圖像。由于其對(duì)可靠性和穩(wěn)定性方面的苛刻要求，空管系統(tǒng)一般都在UNIX系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。而在該平臺(tái)上，缺少類似于事件驅(qū)動(dòng)等高效地獲取屏幕景象的技術(shù)手段，因此，本方案采用以固定頻率“拷屏”的方式，通過共享內(nèi)存獲取原始的屏幕景象數(shù)據(jù)。為不丟失顯示細(xì)節(jié)，“拷屏”頻率應(yīng)當(dāng)高于20 Hz。

4.2 景象數(shù)據(jù)的壓縮的基本設(shè)計(jì)

在獲取景象數(shù)據(jù)后，就要對(duì)其壓縮，以減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并節(jié)省存儲(chǔ)空間。由于空管系統(tǒng)對(duì)景象記錄與回放系統(tǒng)中記錄的圖像質(zhì)量有較高的要求，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮時(shí)要保證無(wú)損，還需要兼顧壓縮比和壓縮效率。

空管系統(tǒng)一般采用色彩變化較小的配色方案進(jìn)行顯示，而且屏幕的景象不像運(yùn)動(dòng)圖像那樣短時(shí)內(nèi)發(fā)生大量的差異數(shù)據(jù)，因此圖像具有較大的冗余度，壓縮的空間較大。具體采用的壓縮方法如下：

（1）對(duì)屏幕進(jìn)行均勻分割，分割成M×N個(gè)小方塊；

（2）定時(shí)確立標(biāo)桿幀，生成差異幀；

（3）把數(shù)據(jù)進(jìn)行幀內(nèi)壓縮；

（4）把壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器。

第（1）步和第（4）步比較簡(jiǎn)單，第（2）步將在第4.3節(jié)中詳細(xì)介紹，第（3）步則將在第4.4節(jié)中詳細(xì)介紹。

4.3 標(biāo)桿幀的設(shè)計(jì)

進(jìn)行景象壓縮一般有完整幀方式和定時(shí)標(biāo)桿幀兩種方式。完整幀方式，即直接記錄完整的幀數(shù)據(jù)[1]，然后進(jìn)行幀內(nèi)壓縮。這樣，每一幀數(shù)據(jù)都是完整和獨(dú)立的，幀丟失不影響其他幀的回放效果；在回放時(shí)檢索速度快。其缺點(diǎn)是未考慮幀間共有數(shù)據(jù)的屬性和差異屬性并進(jìn)行壓縮，傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大。因此，這里采用定時(shí)標(biāo)桿幀方式。

普通的定時(shí)標(biāo)桿幀方式，即每隔固定時(shí)間確定標(biāo)桿幀，在獲取當(dāng)前景象的時(shí)候僅僅與標(biāo)桿幀進(jìn)行比較，記錄與標(biāo)桿幀的差異。這種方式中，由于僅處理和傳輸與標(biāo)桿幀的差異部分，其傳輸和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量顯著減少。但如果標(biāo)桿幀確立的時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)造成差異積累過大，增加了傳輸和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。在回放時(shí)，需要索引標(biāo)桿幀并將標(biāo)桿幀與當(dāng)前幀之間所有的差異幀進(jìn)行疊加。

為改進(jìn)這種定時(shí)標(biāo)桿幀方式，如圖2所示，用差異部分覆蓋標(biāo)桿幀的相應(yīng)部分并形成新的標(biāo)桿幀，這里稱之為動(dòng)態(tài)標(biāo)桿幀。與原來(lái)的定時(shí)標(biāo)桿幀方式相比，改進(jìn)后的新方式在確立標(biāo)桿幀時(shí)增加了一些數(shù)據(jù)運(yùn)算量，但極大地節(jié)約了差異幀的比較運(yùn)算量，且標(biāo)桿幀確立的時(shí)間長(zhǎng)短不會(huì)造成差異過大，提高了數(shù)據(jù)處理效率，同時(shí)也保證了原來(lái)的降低處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量這一優(yōu)點(diǎn)。

圖2 動(dòng)態(tài)標(biāo)桿幀方式

回到4.2節(jié)的第（2）步，當(dāng)確立標(biāo)桿幀后，為了獲取的每個(gè)其他它幀，對(duì)每個(gè)方塊進(jìn)行隔行掃描（一般認(rèn)為圖像變化應(yīng)該在一個(gè)像素以上，因此為了提高掃描速度，放棄逐行掃描的方法），當(dāng)該方塊內(nèi)有與標(biāo)桿幀不同的數(shù)據(jù)時(shí)，將該方塊特征標(biāo)記為‘1’，終止對(duì)該方塊的掃描并繼續(xù)掃描下一方塊，直到掃描結(jié)束。然后，將特征為‘1’的方塊內(nèi)的數(shù)據(jù)覆蓋標(biāo)桿幀中相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，形成新的標(biāo)桿幀。這樣就可以進(jìn)行4.2節(jié)中的第（3）步和第（4）步，即將差異數(shù)據(jù)進(jìn)行幀內(nèi)壓縮并傳送給服務(wù)器。

4.4 幀內(nèi)無(wú)損壓縮的算法設(shè)計(jì)

對(duì)于標(biāo)桿幀和差異幀的幀內(nèi)壓縮，可以利用整數(shù)小波變換對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮。由于小波基數(shù)是浮點(diǎn)數(shù)，而整形的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)變換后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)變換就可能產(chǎn)生差值，不符合無(wú)損壓縮的要求。為此，需要采用整數(shù)小波變換的一種提升算法實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。在算法設(shè)計(jì)時(shí)主要參考了文獻(xiàn)[2-5]的相關(guān)內(nèi)容。

所設(shè)計(jì)的提升算法過程分為三個(gè)步驟：

（1）分裂，將數(shù)據(jù)集用惰性小波分解成兩個(gè)集合a1、c1。

（2）預(yù)測(cè)，用a1預(yù)測(cè)c1，預(yù)測(cè)誤差形成新的c1，c1=c1-P(a1)。

（3）更新，更新過程要求Q(a1)=Q(a0)，Q為標(biāo)量運(yùn)算器。定義算子U，在U(c1)對(duì)a1更新后保持Q(a1)=Q(a0)成立，更新過程為a1=a1+U(c1)。

每一級(jí)提升的正變換過程為：

其反變換為：

采用的整數(shù)小波變換需要對(duì)增加一個(gè)取整偏移量，修改后其正變換過程為：

反變換為：

其中Int()為取整操作，0.5f為取整偏移量，高通濾波消失矩為4，重構(gòu)高通濾波消失矩為2。

4.5 景象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放的設(shè)計(jì)

由于景象數(shù)據(jù)壓縮時(shí)采用了標(biāo)桿幀方式，景象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放也要做相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以便能夠正確保存和回放按標(biāo)桿幀方式壓縮后的景象數(shù)據(jù)。

服務(wù)器接收到的每個(gè)數(shù)據(jù)包中包含了如下數(shù)據(jù)：圖像數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、圖像數(shù)據(jù)、標(biāo)桿幀標(biāo)志、區(qū)域標(biāo)志和時(shí)標(biāo)信息。當(dāng)某一幀數(shù)據(jù)中包含多個(gè)差異區(qū)域時(shí)，差異窗口數(shù)據(jù)分別傳輸和處理，但這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一段連續(xù)的區(qū)域中。

由于景象記錄數(shù)據(jù)具有時(shí)間上的順序性，且標(biāo)桿幀為定時(shí)采樣，因此不需要采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。這里采用二級(jí)索引樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，如圖3所示。

圖3 景象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷幀數(shù)據(jù)類型，如果是標(biāo)桿幀，則在索引表中建立新的索引并存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)；如果是差異幀，則索引到最后標(biāo)桿幀的地址，訪問差異幀索引、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并更新索引。

在數(shù)據(jù)回放時(shí)，必須索引到標(biāo)桿幀，解壓縮形成標(biāo)桿圖像數(shù)據(jù)，并依次疊加標(biāo)桿幀至回放時(shí)戳中間所有的差異幀，以形成固定時(shí)刻的景象數(shù)據(jù)。在回放時(shí)，根據(jù)回放的倍速要求，刷新景象圖片的疊加速度。

存儲(chǔ)和回放數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備選用磁記錄技術(shù)。磁記錄技術(shù)是目前廣泛使用的一種備份設(shè)備，相對(duì)于可擦寫光盤和外接硬盤來(lái)說，成本低，容量大，可靠性高[6]。

5 方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證性能，特別是驗(yàn)證景象數(shù)據(jù)壓縮的設(shè)計(jì)效果，這里分別實(shí)現(xiàn)了三套方案，以便實(shí)驗(yàn)對(duì)比。這三套方案在景象數(shù)據(jù)的獲取上基本一致，而在景象數(shù)據(jù)壓縮的處理具有如下不同之處：

方案一一種原有的采用完整幀方式壓縮處理的景象記錄方案。20世紀(jì)90年代初期西方國(guó)家空管系統(tǒng)中記錄與回放系統(tǒng)普遍采用該方法，現(xiàn)在很少使用。

方案二在設(shè)計(jì)時(shí)曾考慮過的采用原來(lái)的定時(shí)幀方式壓縮處理的景象記錄方案。目前航管系統(tǒng)普遍采用的方法。國(guó)內(nèi)主流的川大智勝管制中心系統(tǒng)即采用了這種方法，其實(shí)現(xiàn)見參考文獻(xiàn)[1]。

方案三本文最后采用改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)幀方式，并采用小波變換算法進(jìn)行壓縮處理的景象記錄方案。

在景象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)上，由于只涉及對(duì)服務(wù)器接收到的壓縮后的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以認(rèn)為不影響這里的方案性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中，客戶端計(jì)算機(jī)配置為CPU 1.70GHz，512MB內(nèi)存，屏幕分辨率為1 280×1 024，顏色質(zhì)量為16位，每秒記錄24幀。在以上條件下，最后得到的存儲(chǔ)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 三套方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

從表1可以看出，方案一到方案三，雖然CPU平均占用率和內(nèi)存平均占用量有所增加，但是增加的幅度很小，對(duì)系統(tǒng)的影響可以說是微不足道的。評(píng)判景象記錄方案的最核心指標(biāo)是磁帶庫(kù)平均記錄容量，因?yàn)樗硎締挝粫r(shí)間內(nèi)磁帶庫(kù)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，該指標(biāo)越小，說明磁帶庫(kù)需要記錄的景象數(shù)據(jù)越少，結(jié)合第2章的技術(shù)要求，就說明這個(gè)方案的性能更好。表1反映出方案二的磁帶庫(kù)平均記錄容量幾乎只占方案一的1/10，而方案三則只占方案二的大概1/3，甚至小于方案一的1/30?？紤]到方案三只比前兩個(gè)方案多耗費(fèi)那一點(diǎn)系統(tǒng)資源，完全可以合理的證明：在節(jié)約存儲(chǔ)容量方面，方案三，也就是最終采用的方案，在節(jié)約存儲(chǔ)容量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在景象記錄回放時(shí)，由于三種方案在景象數(shù)據(jù)壓縮時(shí)都是無(wú)損的，在景象數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)和回放的設(shè)計(jì)上基本一致，因此無(wú)明顯差別。這也可以看出，方案三在保證對(duì)數(shù)據(jù)的高度壓縮的同時(shí)，沒有造成景象數(shù)據(jù)的損失和失真，進(jìn)一步體現(xiàn)了其良好的性能。

總結(jié)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以清楚地得到結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的景象記錄方案可滿足空管系統(tǒng)記錄與回放要求，并且相當(dāng)節(jié)約存儲(chǔ)容量。

6 結(jié)束語(yǔ)

空管系統(tǒng)的屏幕景象配色比較單一，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)相對(duì)較緩慢，屏幕景象發(fā)生劇烈變化的概率較低，數(shù)據(jù)存在較大冗余度，為高效、高速壓縮提供了條件。本文綜合考慮景象記錄系統(tǒng)的時(shí)間空間特性及壓縮效率等方面的要求；基于小波變換在圖像處理方面的優(yōu)異特性，采用小波提升算法進(jìn)行圖像的快速無(wú)損壓縮；在以上分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合空管系統(tǒng)景象數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了一套景象記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和優(yōu)越性。

[1]張五二.記錄回放在空管系統(tǒng)中的一種實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，16（3）：47-49.

[2]陳良琴.基于提升小波變換域運(yùn)動(dòng)估計(jì)的序列圖像壓縮方法[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，22（6）：52-56.

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[6]周祿華.空管系統(tǒng)中網(wǎng)上數(shù)據(jù)記錄技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].空中交通管理，2009（10）：13-15.