基于存儲過程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

王 鵬，王曉亮，張 喆，吳仁彪

（中國民航大學 天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津300300）

0 引 言

隨著低空空域［1－3］的逐步開放，通航飛行需求急劇增長，通用航空飛行安全技術(shù)保障手段目前比較匱乏。通航飛行服務站通過對接收到的航跡數(shù)據(jù)、飛行計劃數(shù)據(jù)、航行情報數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)進行處理，為飛行服務及應急搜救提供信息。飛行數(shù)據(jù)處理為飛行服務站的核心系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)，具有承上啟下的作用。通用航空與運輸航空相比存在若干差異：通用航空器飛行高度較低，與運輸航空相比在爬升和下降過程存在差異；通用航空器體積較小，航空器在飛行速度、爬升 （下降）率、加 （減）速度等性能差異較大；航空器受地面氣流影響較大，飛行航跡變化較劇烈，通用航空器在飛行計劃執(zhí)行過程中，受人為因素影響較大，造成無法嚴格執(zhí)行飛行計劃；通用航空部分空域監(jiān)視設施匱乏，無法提供可靠的監(jiān)視數(shù)據(jù)［4－8］。因此基于上述差異，需要針對通用航空的特點，對通航飛行數(shù)據(jù)處理進行設計與實現(xiàn)，對于保障通用航空器飛行安全發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與業(yè)務流程

通用航空飛行服務站綜合運行支持系統(tǒng)包括：綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、航行情報服務系統(tǒng)、氣象服務系統(tǒng)、搜救服務系統(tǒng)、數(shù)據(jù)前端處理系統(tǒng)、多源航跡融合系統(tǒng)、沖突探測系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及中間件，飛行服務站系統(tǒng)組成如圖1所示。飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是飛行服務站的核心系統(tǒng)之一，具有承上啟下的作用。飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收轉(zhuǎn)報系統(tǒng)提供的計劃報文，接收自主研發(fā)的航跡融合系統(tǒng)提供的航跡數(shù)據(jù)，以及接收自主研發(fā)的綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)提供的操作指令，飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)和指令進行處理，將處理結(jié)果輸出給綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)進行顯示。通航飛行數(shù)據(jù)處理業(yè)務流程如圖2所示。

圖1 飛行服務站系統(tǒng)組成

圖2 通航飛行數(shù)據(jù)處理業(yè)務流程

飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的具體業(yè)務流程為：

（1）飛行服務站接收計劃報文后，系統(tǒng)將對計劃報文進行解析，存儲飛行計劃數(shù)據(jù)，對計劃數(shù)據(jù)進行管理。

（2）飛行服務站負責維護飛行計劃的生命周期，不同的計劃狀態(tài)構(gòu)成了飛行計劃的生命周期，計劃狀態(tài)的變更可以由系統(tǒng)根據(jù)一定條件自動產(chǎn)生，也可以人工生成。

（3）飛行服務站人員可根據(jù)航空用戶需求對計劃數(shù)據(jù)進行查詢或編輯操作。

（4）飛行服務站負責將飛行計劃與航跡自動關(guān)聯(lián)，使飛行服務站人員直觀了解航空器飛行意圖，從而做出正確的指揮決策。

（5）飛行服務站負責根據(jù)飛行計劃、航路信息及航空器性能參數(shù)對計劃航跡進行估算，得到的計劃航跡與實際航跡進行一致性檢驗，檢測當前航空器是否偏航。

（6）飛行服務站負責根據(jù)計劃信息、計劃狀態(tài)、航跡估算信息、實際航跡及報告信息維護電子進程單的生成與更新。電子進程單能夠幫助飛行服務站人員掌握所有航空器的飛行動態(tài)，為保障航空器安全飛行發(fā)揮重要作用。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設計

2.1 總體設計

系統(tǒng)總體框架由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、基礎(chǔ)支持服務、業(yè)務邏輯層以及前端展示系統(tǒng)組成?；诖鎯^程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框架如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的存儲及維護，包括飛行計劃數(shù)據(jù)庫、航跡估算數(shù)據(jù)庫、航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫、偏航告警數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫等。

（2）基礎(chǔ)支持服務：基礎(chǔ)支持服務提供了系統(tǒng)所需的模型及處理方法，包括基于存儲過程的數(shù)據(jù)庫操作模型、計劃報文解析方法、狀態(tài)變更模型、計劃航跡估算模型、計劃航跡更新算法、計劃航跡與實際航跡偏差計算方法。

（3）業(yè)務邏輯層：業(yè)務邏輯層為飛行服務站飛行數(shù)據(jù)處理業(yè)務制定了基本的功能操作。系統(tǒng)定義了一些基本操作，包括飛行計劃存儲、計劃查詢、計劃編輯、計劃與航跡關(guān)聯(lián)、計劃狀態(tài)變更、偏航告警檢測、電子進程單生成與更新。

（4）前端展示層：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將輸出飛行計劃數(shù)據(jù)、電子進程單計劃狀態(tài)、電子進程單航路點數(shù)據(jù)、計劃航跡與實際航跡偏差、偏航告警或告警解除指令，執(zhí)行結(jié)果可在飛行數(shù)據(jù)處理終端顯示，輸出信息可在網(wǎng)絡內(nèi)的其他終端發(fā)布。

圖3 基于存儲過程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框架

2.2 功能設計

針對上述總體設計，基于存儲過程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括了以下幾個基本功能：

（1）報文解析模塊。該模塊負責對系統(tǒng)接收到的計劃報文進行格式校驗與內(nèi)容解析。

（2）飛行計劃存儲模塊。該模塊負責存儲飛行計劃數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)合理性進行檢驗。

（3）飛行計劃管理模塊。該模塊負責更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以及為其他模塊提供數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)種類包括計劃數(shù)據(jù)、航跡估算數(shù)據(jù)、航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、偏航告警數(shù)據(jù)等。

（4）計劃航跡估算模塊。該模塊負責估算及更新預計經(jīng)過計劃位置點的時間、高度等。

（5）計劃狀態(tài)變更模塊。該模塊負責根據(jù)計劃狀態(tài)變更機制觸發(fā)生成狀態(tài)變更信息。

（6）電子進程單生成與更新模塊。該模塊負責生成及更新電子進程單信息，其內(nèi)容包括電子進程單計劃數(shù)據(jù)、電子進程單狀態(tài)變更數(shù)據(jù)、電子進程單航路點數(shù)據(jù)。

（7）計劃與航跡關(guān)聯(lián)模塊。該模塊負責根據(jù)關(guān)聯(lián)準則將飛行計劃與航跡進行關(guān)聯(lián)。

（8）飛行計劃一致性檢驗模塊。該模塊負責計算計劃航跡與實際航跡的位置偏差，生成偏航告警及告警解除信息。

（9）數(shù)據(jù)分發(fā)模塊。該模塊負責飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)各模塊間的數(shù)據(jù)通信。

（10）日志記錄模塊。該模塊負責記錄軟件執(zhí)行結(jié)果及運行狀態(tài)，為排查軟件運行故障提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)庫均為關(guān)系數(shù)據(jù)庫。飛行計劃數(shù)據(jù)庫用于維護計劃報文解析后的數(shù)據(jù)，包括飛機國籍登記號、飛行種類、預計起飛時間、預計航路飛行時間、預計巡航高度、預計真空速、起飛機場、著陸機場、備降機場、預計飛行路徑等信息；航跡估算數(shù)據(jù)庫用于維護計劃航跡估算及更新數(shù)據(jù)，包括飛機國籍登記號、計劃航跡點代碼、計劃點經(jīng)度、計劃點緯度、計劃點高度、計劃點速度、計劃航向、計劃到達時間等信息；航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫用于維護計劃與航跡的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，包括飛機國籍登記號、目標地址等信息；偏航告警數(shù)據(jù)庫用于維護偏航告警及告警解除數(shù)據(jù)，包括飛機國籍登記號、告警種類等信息；地圖數(shù)據(jù)庫用于維護系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的位置數(shù)據(jù)，包括位置代碼、位置經(jīng)度、位置緯度、位置高度等信息。

2.4 接口設計

系統(tǒng)接口如圖4所示，包括依賴系統(tǒng)、系統(tǒng)輸入、數(shù)據(jù)處理決策、系統(tǒng)輸出。

（1）依賴系統(tǒng)：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)正常運行需要依賴如下系統(tǒng)：

1）轉(zhuǎn)報系統(tǒng)，為飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供計劃報文；2）自主研發(fā)的航跡融合系統(tǒng)，為飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供航跡數(shù)據(jù)；

3）自主研發(fā)的綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)向飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送操作指令，同時顯示飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)。

（2）輸入接口：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入接口包括：計劃報文、航跡數(shù)據(jù)、計劃查詢／修改指令、狀態(tài)變更指令、報告數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理決策：應用功能模塊響應系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。應用功能模塊包括：處理模塊、通信模塊、日志模塊。其中處理模塊用于處理系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)，分為計劃處理模塊與航跡處理模塊；通信模塊用于各模塊間的數(shù)據(jù)交互；日志模塊用于記錄各模塊的執(zhí)行信息。

圖4 基于存儲過程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接口設計

（4）系統(tǒng)輸出：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸出接口包括：計劃數(shù)據(jù)、電子進程單計劃狀態(tài)、電子進程單航路點數(shù)據(jù)、計劃航跡與實際航跡偏差、偏航告警與告警解除數(shù)據(jù)。

3 基于存儲過程的系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基于存儲過程的數(shù)據(jù)庫操作模型

存儲過程的定義請參見文獻 ［9］。本文在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫操作模型的數(shù)據(jù)庫服務器中加入了一層存儲過程，存儲過程在數(shù)據(jù)庫中表現(xiàn)為一組完成特定功能的SQL程序集合，只編譯一次，經(jīng)編譯后存儲于數(shù)據(jù)庫服務器端的數(shù)據(jù)庫中［10］。

3.2 基于存儲過程的系統(tǒng)實現(xiàn)方法

本文采用面向?qū)ο罂梢暬疺isual Studio C＋＋2010以及SQL Server 2008R2開發(fā)環(huán)境對基于存儲過程的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行開發(fā)，系統(tǒng)的實現(xiàn)方法如圖5所示。飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的每個子功能模塊被封裝成一個類，由系統(tǒng)控制模塊進行調(diào)用。外部應用程序只需要調(diào)用系統(tǒng)控制模塊中的函數(shù)便可以操控系統(tǒng)各子功能完成數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的獲取與更新采用存儲過程技術(shù)加以實現(xiàn)，使在網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)僅僅是有用的數(shù)據(jù)。

3.3 基于存儲過程的系統(tǒng)運行實例

根據(jù)飛行服務站通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的需求分析，在系統(tǒng)架構(gòu)與功能設計的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行編碼實現(xiàn)，在大量測試后逐步形成了滿足需求且性能穩(wěn)定的版本。工程樣機如圖6（a）所示，通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運行在后臺機架服務器上；系統(tǒng)界面如圖6（b）所示，執(zhí)行結(jié)果可在系統(tǒng)界面上顯示；通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)顯示在自主研發(fā)的綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)上，如圖6（c）所示。

3.4 基于存儲過程的性能測試

（1）測試環(huán)境：測試依賴系統(tǒng)為：轉(zhuǎn)報系統(tǒng)、航跡融合系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。各應用程序運行在終端計算機上，所用操作系統(tǒng)為 Windows 7；數(shù)據(jù)庫運行在機架式服務器上，所用操作系統(tǒng)為Windows Server 2008R2。測試環(huán)境如圖7所示。

（2）測試方法：測試分別采用基于常規(guī)方法和基于存儲過程的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對相同數(shù)據(jù)進行處理，測試數(shù)據(jù)分為多組，每組由不同數(shù)量的數(shù)據(jù)條組成，分別記錄采用兩種方法處理不同組數(shù)據(jù)的總耗時、單條處理時間以及CUP占用率。兩種方法均只開啟和關(guān)閉一次與數(shù)據(jù)庫的連接，接收到數(shù)據(jù)處理指令且完成數(shù)據(jù)庫連接后開始計時，完成一組數(shù)據(jù)處理之后停止計時并關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫的連接，每組數(shù)據(jù)均重復處理50次后將平均處理時間作為此組數(shù)據(jù)的最終處理時間。

圖5 基于存儲過程的系統(tǒng)實現(xiàn)方法

圖6 系統(tǒng)界面及工程應用

圖7 測試環(huán)境

（3）數(shù)據(jù)結(jié)果：實驗過程中實際對大量數(shù)據(jù)進行了測試，為了便于論述本文采用如下幾組數(shù)據(jù)進行說明。

基于兩種方法的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的耗時比較如圖8所示。代表常規(guī)方法總耗時，代表存儲過程方法總耗時，由圖可以看出，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，常規(guī)方法的總耗時快速增長，存儲過程方法的總耗時增長趨勢比較緩慢，且總耗時遠遠少于常規(guī)方法。當處理的數(shù)據(jù)量增長到一定程度時，兩種方法總耗時的增長趨勢均趨于平緩，但存儲過程方法的總耗時僅為常規(guī)方法總耗時的千分之一左右。代表常規(guī)方法單條耗時，代表存儲過程方法單條耗時，由圖可以看出，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，常規(guī)方法的單條處理時間幾乎不變，但存儲過程方法的單條處理時間首先呈指數(shù)趨勢減少，當數(shù)據(jù)量增長到一定程度時，減少趨勢逐漸平緩，且遠小于常規(guī)方法。

圖8 兩種方法數(shù)據(jù)處理耗時比較

基于兩種方法的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)時的CPU占用率比較如圖9所示。代表常規(guī)方法CPU占用率，代表存儲過程方法CPU占用率，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，常規(guī)方法的CPU占用率會緩慢增長，而存儲過程方法的CPU占用率幾乎不變且遠小于常規(guī)方法。

圖9 兩種方法CPU占用率比較

（4）數(shù)據(jù)分析：常規(guī)方法中SQL語句的編譯次數(shù)以及應用程序與數(shù)據(jù)庫的通信次數(shù)會隨著處理數(shù)據(jù)條數(shù)的增加而增加；區(qū)別于常規(guī)方法，存儲過程只編譯一次，經(jīng)編譯后存儲于數(shù)據(jù)庫服務器端的數(shù)據(jù)庫中，是一種可復用組件，且存儲過程中應用程序與數(shù)據(jù)庫的通信次數(shù)有限，使得基于存儲過程的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在處理速度及CPU占用率上較常規(guī)方法更具優(yōu)勢，能夠較穩(wěn)定的快速處理數(shù)據(jù)以滿足系統(tǒng)的性能需求。

4 結(jié)束語

本文針對通用航空特點，根據(jù)業(yè)務需求對基于存儲過程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行了總體設計、功能設計、數(shù)據(jù)庫設計以及接口設計，為滿足系統(tǒng)性能需求采用了存儲過程技術(shù)并在 Visual Studio C＋＋ 2010以及SQL Server 2008R2開發(fā)環(huán)境下對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)，闡述了系統(tǒng)的實現(xiàn)方法以及工程應用上的運行實例并完成了系統(tǒng)的性能測試。該系統(tǒng)可以為我國低空開放和通用航空發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。

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