管制員操作記錄與交互式回放系統(tǒng)

賈云飛，樊 樂，徐 暉，吳仁彪

（中國民航大學(xué) 智能信號(hào)與圖像處理天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

0 引 言

數(shù)據(jù)記錄回放分為非交互式回放和交互式回放這2種［1］。非交互式回放模式下，用戶只能被動(dòng)地觀看回放視頻，無法對(duì)回放畫面進(jìn)行任何操作。而在交互式回放模式下，用戶可以干預(yù)回放畫面，進(jìn)行交互操作?；胤胚^程的交互操作包括航跡過濾、實(shí)時(shí)測(cè)距和屏幕縮放［2］等。若只能被動(dòng)地觀看回放視頻，用戶想要看到的某些航跡信息、電子進(jìn)程單信息或其它重要信息，可能會(huì)被隱藏或遮擋，不利于航空事故的分析。其次，交互式回放能讓管制學(xué)員親自參與回放時(shí)的管制過程，具有更好的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)效果。再者，交互式回放能為模擬演練系統(tǒng)提供更好的服務(wù)［3］。因此，交互式回放不可或缺。

國外空管自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展較早，技術(shù)先進(jìn)，如美國Raytheon公司的 “Auto Trac”和 “Guardian”自動(dòng)化系統(tǒng)和法國Thales公司的THALES自動(dòng)化系統(tǒng)等。國內(nèi)各區(qū)管中心廣泛使用的EUROCAT－X系統(tǒng)提供了友好的交互式回放功能［4］。但是，進(jìn)口系統(tǒng)價(jià)格昂貴，在后續(xù)維護(hù)上存在先天劣勢(shì)，因此迫切需要研制具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的空管自動(dòng)化系統(tǒng)。目前，國產(chǎn)空管自動(dòng)化系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)管制員操作記錄回放的系統(tǒng)非常少［5］。文獻(xiàn) ［6］提到了Unix平臺(tái)上ATC系統(tǒng)的操作記錄與回放，記錄的是完整的X 協(xié)議請(qǐng)求序列，數(shù)據(jù)量非常大，對(duì)記錄數(shù)據(jù)的壓縮和解壓需要復(fù)雜的算法，且不支持交互式回放。本文致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)管制員操作的交互式回放。

1 記錄回放的實(shí)現(xiàn)方法

EUROCAT－X是一套較完善的空管自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了專門的回放處理器ASPB （air situation play－back），即空域情況重放。但在實(shí)際工作中，EUROCAT－X 提供的回放功能存在一定缺陷，比如，重放過程等待時(shí)間較長；CPU 占用率過大；重放只能在TRU64 平臺(tái)上使用等。因此，國產(chǎn)空管自動(dòng)化系統(tǒng)需要采用自主研發(fā)的回放技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)空管自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行過程和用戶操作的記錄與回放，可以采用如表1所示的幾種方法。

表1 幾種記錄回放方法的實(shí)現(xiàn)原理

經(jīng)測(cè)試，在相同的硬件環(huán)境下，上述5 種方法的特點(diǎn)和性能對(duì)比見表2。

表2 幾種記錄回放方法的性能對(duì)比

由表1和表2可知，由于錄屏軟件的開啟和連續(xù)高頻率地畫面截屏搶占系統(tǒng)資源，錄制屏幕和記錄屏幕畫面這2種方式在記錄過程中CPU 使用率都高達(dá)80%以上，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)量非常大，需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)壓縮和較高的硬件支持［7］。為保證回放的精度，記錄屏幕畫面時(shí)必須進(jìn)行連續(xù)高頻率的截屏，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生太多的圖片，存儲(chǔ)開銷過大?；胤艜r(shí)，由于需要頻繁讀硬盤，往往會(huì)導(dǎo)致回放畫面卡頓。運(yùn)用Windows鉤子機(jī)制的記錄與回放方法雖然系統(tǒng)開銷較小，但鉤子截獲的是鼠標(biāo)和鍵盤操作的位置信息，而不是被操作的窗體信息［8，9］，其回放會(huì)因活動(dòng)窗體的不同而發(fā)生錯(cuò)亂，例如，回放過程中目標(biāo)窗體位置發(fā)生變化時(shí)，對(duì)窗體的相關(guān)回放操作將失效。采用記錄Xwindow協(xié)議數(shù)據(jù)來回放屏幕顯示內(nèi)容，該方法只能從記錄之初開始回放，不能自由選擇回放開始時(shí)間，且回放時(shí)無法進(jìn)行交互操作。Xwindow是一套在Unix機(jī)器上運(yùn)行優(yōu)良的視窗系統(tǒng)，它包括X客戶端、X服務(wù)器和X 協(xié)議3部分。Xwindow系統(tǒng)客戶端通過X協(xié)議實(shí)現(xiàn)與Xserver的交互，Xserver對(duì)客戶端的需求做出回答［6］。該方法只適用基于Unix開發(fā)的軟件，而國產(chǎn)空管自動(dòng)化系統(tǒng)大多基于Windows平臺(tái)設(shè)計(jì)。

針對(duì)以上幾種記錄回放實(shí)現(xiàn)方法的不足，并結(jié)合空管自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，本文采用記錄原始操作數(shù)據(jù)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)管制員操作的交互式回放。該方法是針對(duì)程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、I／O 交互特性編寫的程序代碼，這種記錄回放方式有其專門性，其實(shí)現(xiàn)過程與被記錄軟件的耦合性強(qiáng)，但它能實(shí)現(xiàn)交互式回放和定點(diǎn)回放，磁盤利用率高，占用系統(tǒng)資源少，且該方法適用于所有系統(tǒng)平臺(tái)。

2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 操作記錄

本文采用記錄原始操作數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)交互式回放，操作記錄以操作復(fù)用為目的，需要收集鍵盤事件、鼠標(biāo)事件及其作用的UI（user interface）對(duì)象［10，11］，本文中的具體記錄信息為：操作時(shí)間、操作類型、操作所作用的界面元素和操作內(nèi)容。

（1）操作時(shí)間。操作時(shí)間是指產(chǎn)生該操作的系統(tǒng)時(shí)間。操作時(shí)間影響操作的時(shí)序，只有準(zhǔn)確無誤地記錄好每一個(gè)操作的時(shí)間，才能保證回放時(shí)操作的正確性和連續(xù)性。

（2）操作類型。操作類型是指鼠標(biāo)和鍵盤對(duì)所有界面元素的所有操作類型，比如窗口控件操作、航跡操作和電子進(jìn)程單操作等。

（3）操作所作用的界面元素。操作所作用的界面元素是指操作所實(shí)施的對(duì)象，比如被操作控件及其父窗口ID號(hào)、航跡索引號(hào)等。

（4）操作內(nèi)容。操作內(nèi)容并非每個(gè)控件都有，本文只記錄了文本編輯框被操作后的內(nèi)容，并且只記錄有效的操作內(nèi)容。本文的方案只記錄操作結(jié)果，不記錄操作過程，在不影響回放效果的前提下，大大減少了記錄數(shù)據(jù)量。

將上述記錄信息封裝在用戶自定義的結(jié)構(gòu)體內(nèi)，根據(jù)不同的操作類型，定義不同類型的結(jié)構(gòu)體。本文的記錄對(duì)象是基于自主研發(fā)的通航空管自動(dòng)化系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)顯示終端 （SDD）的席位操作，所記錄的管制員操作類型見表3。

記錄時(shí)先在每條記錄數(shù)據(jù)前添加一個(gè)時(shí)間戳，然后將數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)到文件。由于需要記錄大量的系統(tǒng)狀態(tài)和用戶操作數(shù)據(jù)，為了提高文件讀寫的效率，本文采用格式相對(duì)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制文件進(jìn)行記錄［12］。記錄文件過大會(huì)增加文件加載和恢復(fù)的時(shí)間開銷，影響回放效率。本文采用分段記錄的方法，通過定時(shí)器限定每個(gè)文件只能存儲(chǔ)15min的記錄數(shù)據(jù)，分段記錄的方式還有利于回放時(shí)軟件全局狀態(tài)的恢復(fù)。對(duì)于軟件全局狀態(tài)，本文采取增量式更新記錄，在每個(gè)記錄文件之初記錄下整個(gè)軟件所有變量的狀態(tài)，在后續(xù)記錄過程中，只對(duì)有狀態(tài)更新的變量進(jìn)行記錄，記錄速度快、記錄數(shù)據(jù)量小。數(shù)據(jù)記錄流程如圖1所示。

表3 管制員操作類型及其記錄內(nèi)容

圖1 數(shù)據(jù)記錄流程

2.2 快進(jìn)回放和定點(diǎn)回放

為了實(shí)現(xiàn)回放時(shí)各消息之間的時(shí)間間隔和記錄時(shí)一致，必須有控制回放速度的時(shí)間機(jī)制。本文通過定時(shí)器控制回放函數(shù)的執(zhí)行，每回放完一條消息，就將定時(shí)器的時(shí)間間隔調(diào)整為相鄰兩條數(shù)據(jù)信息的時(shí)間戳之差。這就保證了回放時(shí)各個(gè)操作之間的時(shí)間間隔和消息產(chǎn)生時(shí)一樣，更好地實(shí)現(xiàn)了操作再現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，可以通過等比例調(diào)整定時(shí)器的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)任意倍數(shù)的快進(jìn)回放。由于每條記錄信息前都有時(shí)間戳，這就允許任意輸入回放起止時(shí)間，通過比較回放起止時(shí)間和讀取的記錄信息時(shí)間戳的大小，限定何時(shí)開始回放何時(shí)結(jié)束回放，實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)回放?？爝M(jìn)回放和定點(diǎn)回放能更有針對(duì)性地查看固定時(shí)間段內(nèi)的回放信息，減少回放過程的等待時(shí)間。

2.3 交互式回放及其容錯(cuò)機(jī)制

回放過程中，逐條讀取記錄文件信息，根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)類型將其分發(fā)到相應(yīng)的回放處理單元進(jìn)行處理和顯示。由于記錄的是窗口和控件的原始操作數(shù)據(jù)，而不是鼠標(biāo)和鍵盤的動(dòng)作過程［13］，因此在回放過程中，用戶看不到操作過程，只能看到操作后的結(jié)果，這樣就保證了回放過程中鼠標(biāo)和鍵盤都可以自由操作，實(shí)現(xiàn)了回放過程的交互性，回放時(shí)能響應(yīng)暫停、快進(jìn)和快退等各種回放控制命令。

考慮到交互式回放的特點(diǎn)，回放過程中用戶可以對(duì)回放內(nèi)容進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，而這種人為干擾可能會(huì)造成回放過程中的軟件中斷，因此交互式回放必須設(shè)計(jì)容錯(cuò)機(jī)制。針對(duì)上述問題，本文在回放每個(gè)操作之前，都會(huì)主動(dòng)判斷該操作所作用的界面元素是否存在，若已被人為銷毀，則重新創(chuàng)建該操作對(duì)象，再實(shí)施回放處理，保證正?；胤潘胁僮?。數(shù)據(jù)回放流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)回放流程

2.4 同步回放

空管自動(dòng)化系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)記錄回放子系統(tǒng)記錄雷達(dá)數(shù)據(jù)、話音數(shù)據(jù)和管制員操作數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)以上3種數(shù)據(jù)的同步回放。為防止某航跡還未出現(xiàn)或已經(jīng)消失，卻有作用在該航跡上的某些操作的回放，必須保證雷達(dá)數(shù)據(jù)和管制員操作數(shù)據(jù)在回放過程中的嚴(yán)格同步。本文所述方案中，雷達(dá)數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)采取同步記錄和保存在同一個(gè)文件的方法，以實(shí)現(xiàn)回放畫面的同步和連續(xù)。

目前空管領(lǐng)域比較多的是雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備和語音記錄設(shè)備是2套獨(dú)立的設(shè)備，進(jìn)行獨(dú)立回放。如果不能同時(shí)同地回放畫面和語音，會(huì)給事故分析和管制培訓(xùn)造成不便，因此必須保證畫面信息和語音信息嚴(yán)格同步回放。本文中將雷達(dá)數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和話音數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)包的形式同時(shí)發(fā)送給數(shù)字話音記錄儀，保證話音數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)和雷達(dá)及操作數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)始終保持一致，并提供與記錄儀同步回放接口，實(shí)現(xiàn)3種數(shù)據(jù)的同步回放。

3 方案實(shí)測(cè)

3.1 開發(fā)及測(cè)試

本文所提出的交互式記錄回放方法是基于自主研發(fā)的通航空管自動(dòng)化系統(tǒng)SDD 實(shí)現(xiàn)的。開發(fā)平臺(tái)為Windows操作系統(tǒng)，編程語言使用標(biāo)準(zhǔn)C＋＋。本文所提出的交互式回放方法在上述平臺(tái)成功通過試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，記錄SDD 席位操作時(shí)長1min35s，記錄操作步數(shù)為75，幾種記錄方法的記錄文件大小對(duì)比如圖3和圖4所示。

圖3 2種方法記錄文件大小對(duì)比Ⅰ

圖4 2種方法記錄文件大小對(duì)比Ⅱ

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，連續(xù)截屏和用錄屏軟件記錄的方法，文件大小都是以MB 為計(jì)量單位，長時(shí)間記錄會(huì)導(dǎo)致文件過大，增加保存難度，數(shù)據(jù)傳輸過程中也會(huì)占用更大的傳輸帶寬，且回放畫面清晰度不高。運(yùn)用Windows鉤子機(jī)制的記錄方法，雖然記錄文件較小，但從圖3 可以看出，它相對(duì)于記錄原始數(shù)據(jù)的方法其記錄文件還是很大，而且在整個(gè)回放過程中，鼠標(biāo)和鍵盤都被回放鉤子所占用，回放畫面不可控，不具備交互性?？展茏詣?dòng)化系統(tǒng)記錄文件要求保存1年，所以必須采用產(chǎn)生記錄文件很小的記錄方法，由圖中對(duì)比可知，本文所采用的記錄原始操作數(shù)據(jù)的方法記錄文件最小，對(duì)硬盤要求最低，文件上傳下載過程中占用帶寬也最小，提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

本方案實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)數(shù)據(jù)和管制員操作數(shù)據(jù)的同步回放，并將其與數(shù)字話音記錄儀相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)三者的同步回放。數(shù)據(jù)記錄回放子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)記錄回放子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

由實(shí)驗(yàn)可知，該系統(tǒng)可以在遠(yuǎn)程終端對(duì)記錄儀進(jìn)行回放控制，回放過程具有良好的交互性，用戶可以實(shí)施屏幕縮放，測(cè)距和在線繪圖等交互操作，回放畫面清晰，回放過程可控，可以在交互式回放和非交互式回放2種模式之間自由切換。記錄儀和回放席位都采用雙網(wǎng)架構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定，能夠7×24小時(shí)無間斷記錄與空中交通管制相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，記錄線程不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，記錄文件小，便于長期保存。因此，本文所提出的方法具有可靠性和高效性，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，符合空管自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

3.2 交互式回放的優(yōu)勢(shì)

由實(shí)驗(yàn)可知，本文所提出的交互式回放技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）只記錄操作結(jié)果。只記錄鼠標(biāo)和鍵盤的操作結(jié)果，回放時(shí)沒有鼠標(biāo)和鍵盤的任何動(dòng)作過程，可以對(duì)回放畫面進(jìn)行各類操作，具有良好的交互式回放效果。

（2）記錄數(shù)據(jù)量小。程序開發(fā)過程中進(jìn)行選擇性記錄，對(duì)于一些不必要記錄的沒有意義的操作不予記錄，記錄數(shù)據(jù)量大大減少。

（3）實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)回放。只要相應(yīng)的記錄文件存在，可以任意選取回放起止時(shí)間，減少回放等待時(shí)間。

（4）回放過程可控?；胤胚^程中，能實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、后退、暫停、繼續(xù)、終止等各種回放控制。

（5）磁盤空間利用率高。記錄文件以二進(jìn)制文件的格式保存，長時(shí)間記錄不會(huì)造成記錄文件過大，對(duì)硬件設(shè)備的要求不高。

（6）較高的容錯(cuò)性。管制員操作數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)包的形式存放，且前后時(shí)序也被記錄。回放時(shí)，數(shù)據(jù)到達(dá)回放終端的時(shí)序與操作發(fā)生的時(shí)序保持嚴(yán)格一致?；胤挪僮髑坝信袛嗖僮鲗?duì)象是否存在的容錯(cuò)機(jī)制，避免回放過程的軟件中斷。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于原始操作數(shù)據(jù)的交互式記錄回放方法，對(duì)空管管制員的席位操作進(jìn)行了記錄與回放，并在自主研發(fā)的通航空管自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行通過，測(cè)試結(jié)果表明，該方案實(shí)現(xiàn)了回放過程中的人機(jī)界面交互，并實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和話音數(shù)據(jù)的同步回放，滿足空管自動(dòng)化系統(tǒng)的需求。本文提出的方案也可用于其它需要交互式回放的系統(tǒng)，對(duì)類似的工程應(yīng)用有一定參考價(jià)值。該實(shí)現(xiàn)方法與被記錄軟件對(duì)象的耦合性較強(qiáng)，下一步研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄回放子系統(tǒng)的模塊化。

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