基于廣域信息管理的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)計與實現(xiàn)

羅喜伶，范佳欣＋，齊 鳴

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191；2.民航局空中交通管理局，北京100022）

0 引 言

目前，生產(chǎn)運行飛行數(shù)據(jù)的民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)種類繁多，信息化進(jìn)程不一，系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性弱，存在共享性差的問題?，F(xiàn)行的專用數(shù)據(jù)模型、緊耦合系統(tǒng)接口以及特定傳輸協(xié)議造成了飛行數(shù)據(jù)的 “信息孤島”，難以為航路導(dǎo)航系統(tǒng)、航班運行控制系統(tǒng)和其它民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立共同的態(tài)勢感知和協(xié)同決策基礎(chǔ)［1］。

因此，本文基于廣域信息管理的技術(shù)架構(gòu)，開展標(biāo)準(zhǔn)、靈活、綜合的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)研究。在對飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體設(shè)計的基礎(chǔ)上，重點研究廣域信息管理架構(gòu)的物理實現(xiàn)、公共飛行數(shù)據(jù)模型的建立、飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的構(gòu)建和飛行數(shù)據(jù)的綜合4方面關(guān)鍵技術(shù)。

1 廣域信息管理技術(shù)

廣域信息管理（SWIM）概念最初由美國和歐洲共同提出，由國際民航組織 （ICAO）正式發(fā)布，是美國下一代航空運輸系統(tǒng)（NextGen）和歐洲單一天空實施計劃 （SESAR）的系統(tǒng)互聯(lián)和信息共享基礎(chǔ)，以及航空系統(tǒng)組塊升級 （ASBU）性能改進(jìn)領(lǐng)域全球數(shù)據(jù)與系統(tǒng)互聯(lián)部分的重要支撐［2］。

SWIM 分層概念如圖1 所示，作為便于信息獲取的網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的全新信息管理方式，SWIM 采用面向服務(wù) （SOA）的分層架構(gòu)思想，從以應(yīng)用為中心過渡到以數(shù)據(jù)和服務(wù)為中心，通過在中間層構(gòu)建SWIM 基礎(chǔ)架構(gòu)，為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一透明的信息訪問服務(wù)，實現(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)與信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的分離［3］。

圖1 SWIM 架構(gòu)分層概念

與現(xiàn)行的民航信息集成方式相比，SWIM 能夠提供松耦合、標(biāo)準(zhǔn)化和開放的接口，靈活、有效的服務(wù)，進(jìn)行民航業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的智能化交換，支持大批量、連續(xù)性的數(shù)據(jù)，提高全民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通能力。SWIM 可作為解決目前飛行數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)化、靈活性及綜合性方面存在問題的有效技術(shù)。

2 基于SWIM 的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)SWIM 分層架構(gòu)思想及我國飛行數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)需求實際，將飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體架構(gòu)自下而上設(shè)計為技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施層、SWIM 核心服務(wù)層、飛行數(shù)據(jù)服務(wù)層及民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層四層結(jié)構(gòu)［4］，如圖2所示。

圖2 飛行數(shù)據(jù)服務(wù)整體架構(gòu)

（1）技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施層：提供物理網(wǎng)絡(luò)連接和必要的硬件設(shè)備，由整個架構(gòu)運行所需基礎(chǔ)設(shè)施組成；

（2）SWIM 核心服務(wù)層：以標(biāo)準(zhǔn)化中間件為基礎(chǔ)，由接口管理、消息服務(wù)、安全服務(wù)、企業(yè)管理服務(wù)組成，實現(xiàn)對飛行數(shù)據(jù)服務(wù)安全高效的管理和監(jiān)控；

（3）飛行數(shù)據(jù)服務(wù)層：作為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層與SWIM核心服務(wù)層的中介，提供標(biāo)準(zhǔn)化飛行數(shù)據(jù)服務(wù)為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層提供訪問接口，屏蔽技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和中間件的復(fù)雜技術(shù)問題；

（4）民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層：飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的消費者，包括了空管部門、機(jī)場、航空公司、非民航用戶等利益相關(guān)方的民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

飛行數(shù)據(jù)服務(wù)層是本文研究實現(xiàn)的核心內(nèi)容，主要包含公共飛行數(shù)據(jù)模型建立、飛行數(shù)據(jù)服務(wù)構(gòu)建和飛行數(shù)據(jù)綜合3個重要部分。本文通過公共飛行數(shù)據(jù)模型建模，建立統(tǒng)一的邏輯實體對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化；通過構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，簡化飛行數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性；通過飛行數(shù)據(jù)綜合，利用SWIM 消息中間件集成飛行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的綜合性。提供標(biāo)準(zhǔn)、靈活、綜合的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 基于SWIM 的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 SWIM 技術(shù)架構(gòu)物理實現(xiàn)

SWIM 技術(shù)架構(gòu)［5］的物理實現(xiàn)方法如圖3所示。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層面，由傳統(tǒng)的點對點模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐許WIM 中間件為傳輸核心的共享架構(gòu)，實現(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)與信息基礎(chǔ)設(shè)施的分離；在系統(tǒng)管理層面，采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口管理，構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)服務(wù)，提高系統(tǒng)互聯(lián)與訪問靈活性；在傳輸模式層面，從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)直連、網(wǎng)關(guān)中介和報文傳輸3種接口傳輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)布／訂閱和請求／響應(yīng)的傳輸方式，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的虛擬化和松耦合架構(gòu)。通過以上3個層面，物理實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)基礎(chǔ)。

3.2 公共飛行數(shù)據(jù)模型建立

公共飛行數(shù)據(jù)模型是為了在整個飛行生命周期中實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)交換而建立的數(shù)據(jù)模型，模型通過提供共同的概念定義和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)視圖模式描述飛行信息，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化［6］。

圖3 SWIM 架構(gòu)物理實現(xiàn)

公共飛行數(shù)據(jù)模型［7］的建立分為以下3個步驟：

（1）建立概念模型：制定飛行數(shù)據(jù)字典，使用統(tǒng)一建模語言 （UML）對飛行數(shù)據(jù)所包含的所有概念信息進(jìn)行定義，并描述概念間的相互關(guān)系，以全局視角定義飛行數(shù)據(jù)概念。

（2）建立邏輯數(shù)據(jù)模型：建立UML 模型，在概念模型的基礎(chǔ)上以抽象形式詳細(xì)說明各概念的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)間邏輯結(jié)構(gòu)，提供飛行數(shù)據(jù)的整體邏輯視圖。

（3）建立物理數(shù)據(jù)模型：建立可擴(kuò)展標(biāo)識語言模式（XML Schema）模型，提供邏輯數(shù)據(jù)模型到物理表達(dá)模型之間的映射，實現(xiàn)模型的物理可用性和跨平臺互操作性。

此外，公共飛行數(shù)據(jù)模型還可采用 “核心＋擴(kuò)展”的模式，以嚴(yán)格控制的核心作為基本特征，附加一系列可擴(kuò)展參考元素，增強(qiáng)對不同業(yè)務(wù)需求的適應(yīng)性。

3.3 飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)構(gòu)建

飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間異構(gòu)飛行數(shù)據(jù)的接入與標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換，為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)層提供標(biāo)準(zhǔn)、獨立、靈活的接口，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。

基于公共飛行數(shù)據(jù)模型，飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)利用適配器雙向映射XML Schema模型與異構(gòu)數(shù)據(jù)，將飛行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成XML標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行封裝，交由數(shù)據(jù)交換引擎生成服務(wù)接口并注冊到SWIM 核心服務(wù)層的消息中間件上，最后通過消息傳輸模塊實現(xiàn)與民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的傳輸［8］，如圖4所示。

圖4 飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)

飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的構(gòu)建有兩種方式：Web服務(wù)［9］和Java消息服務(wù) （JMS）［10］。在物理傳輸模式上，Web 服務(wù)采用請求／相應(yīng)機(jī)制，JMS采用發(fā)布／訂閱機(jī)制。二種服務(wù)方式均可分布部署，屏蔽系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，實現(xiàn)松耦合；進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝和發(fā)布，不依賴于其它組件獨立而被調(diào)用，實現(xiàn)獨立性；根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)綁定組裝，滿足不同需求，實現(xiàn)互操作性。

在構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的過程中，可依據(jù)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)流程及需求，選取相應(yīng)服務(wù)方式。

3.4 飛行數(shù)據(jù)綜合

飛行數(shù)據(jù)綜合以SWIM 核心服務(wù)層的消息中間件為技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)。飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)在完成注冊后，XML 標(biāo)準(zhǔn)化的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)入消息中間件的消息序列，在消息中介中完成數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的綜合性。

進(jìn)入消息序列的飛行數(shù)據(jù)，根據(jù)策略配置經(jīng)由消息路由、消息轉(zhuǎn)換和消息聚合3步完成飛行數(shù)據(jù)綜合。民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求配置綜合策略。在策略配置的驅(qū)動下，消息路由基于內(nèi)容將需要集成的飛行數(shù)據(jù)組合在一起，再經(jīng)過消息轉(zhuǎn)換調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后在消息聚合中完成飛行數(shù)據(jù)的綜合［11］，如圖5所示。

圖5 飛行數(shù)據(jù)綜合

企業(yè)服務(wù)總線［12］（ESB）是傳統(tǒng)中間件技術(shù)與XML、Web服務(wù)等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，可作為實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)綜合的有效技術(shù)方案，搭建提供通信、整合、安全、事務(wù)支持和服務(wù)質(zhì)量控制等功能的基礎(chǔ)架構(gòu)，為民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)提供動態(tài)整合機(jī)制。

4 飛行數(shù)據(jù)服務(wù)實現(xiàn)實例

本文在建立公共飛行數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，基于企業(yè)服務(wù)總線的中間件架構(gòu)，使用Web Service的方式，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)。

首先，建立公共飛行數(shù)據(jù)模型，制定共同的飛行數(shù)據(jù)概念定義和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，生成對應(yīng)Java對象模型用于服務(wù)開發(fā)，生出對應(yīng)XML Schema模型作為數(shù)據(jù)格式規(guī)范，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)視圖模式描述飛行信息，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

在飛行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，制定飛行數(shù)據(jù)字典。利用建模軟件Enterprise Architect建立飛行數(shù)據(jù)的UML數(shù)據(jù)模型，提供飛行數(shù)據(jù)的整體邏輯視圖，如圖6所示。

圖6 飛行數(shù)據(jù)UML模型

根據(jù)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系定義轉(zhuǎn)換策略，將飛行數(shù)據(jù)UML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Java對象模型，如圖7 所示。相應(yīng)Java對象代碼可用于開發(fā)飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，作為數(shù)據(jù)適配器的持久化類映射飛行數(shù)據(jù)源，形成Web Service會話中的操作對象。

同時，定義飛行數(shù)據(jù)UML 數(shù)據(jù)模型與XML Schema模型的基本轉(zhuǎn)換規(guī)則，生成飛行數(shù)據(jù)XML Schema模型定義實際傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)格式。

然后，采用Web Service的方式構(gòu)建飛行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。服務(wù)開發(fā)應(yīng)用流程如圖8所示。在開發(fā)階段，通過Java平臺上應(yīng)用程序定義的API（JAXR）訪問企業(yè)服務(wù)總線的元數(shù)據(jù)注冊中心，將服務(wù)的元數(shù)據(jù)描述文件注冊到企業(yè)服務(wù)總線上。在應(yīng)用階段，民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)實際需求，在企業(yè)服務(wù)總線的服務(wù)管理中查找飛行數(shù)據(jù)服務(wù)，獲得飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的地址與描述信息；再根據(jù)查找到的服務(wù)信息檢索服務(wù)的描述文件 （WSDL），并綁定飛行數(shù)據(jù)服務(wù)；最后，向Java服務(wù)容器 （Servlets）發(fā)送調(diào)用請求，接收簡單對象訪問協(xié)議 （SOAP）消息，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的調(diào)用。

圖7 飛行數(shù)據(jù)Java對象模型

圖8 服務(wù)開發(fā)應(yīng)用流程

最后，利用企業(yè)服務(wù)總線的服務(wù)代理機(jī)制，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)綜合與調(diào)用。數(shù)據(jù)調(diào)用流程如圖9所示。民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)請求端口向企業(yè)服務(wù)總線的消息處理端口發(fā)送飛行數(shù)據(jù)服務(wù)請求；企業(yè)服務(wù)總線以服務(wù)代理的方式向飛行數(shù)據(jù)服務(wù)提供者的響應(yīng)端口發(fā)出代理服務(wù)請求，獲得服務(wù)的響應(yīng)及消息數(shù)據(jù)，對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，同時根據(jù)基于內(nèi)容的消息路由傳遞消息；最后，民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲得代理服務(wù)響應(yīng)，獲得飛行數(shù)據(jù)。

圖9 服務(wù)飛行數(shù)據(jù)流程

封裝后的飛行數(shù)據(jù)SOAP消息格式如圖10所示。

圖10 飛行數(shù)據(jù)SOAP消息格式

部署后飛行數(shù)據(jù)服務(wù)如圖11所示，基于企業(yè)服務(wù)總線的民航廣域信息管理平臺能夠有效的管理飛行數(shù)據(jù)服務(wù)，顯示服務(wù)具體信息并對服務(wù)進(jìn)行配置，實現(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)對飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的調(diào)用需求。

圖11 飛行數(shù)據(jù)服務(wù)

5 結(jié)束語

民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)行的專用數(shù)據(jù)模型、緊耦合系統(tǒng)接口以及特定傳輸協(xié)議導(dǎo)致了飛行數(shù)據(jù)的 “信息孤島”，造成了全民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間飛行數(shù)據(jù)共享與管理的難題。

與之相比，基于廣域信息管理的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的公共數(shù)據(jù)模型，靈活的訪問服務(wù)和綜合的飛行數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)民航業(yè)務(wù)系統(tǒng)間飛行數(shù)據(jù)的智能化交換。

目前，歐美SWIM 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開展了互聯(lián)工作，飛行對象數(shù)據(jù)能夠跨大西洋傳送。SWIM 發(fā)展進(jìn)入了全球化階段。然而，國內(nèi)針對基于廣域信息管理的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)的研究還存在較大空白。應(yīng)加快研究工作的開展，為未來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、靈活、綜合的飛行數(shù)據(jù)服務(wù)打下基礎(chǔ)。

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