管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)

楊曙嘉 王靖雯 呂代安然 賴天宇 劉大印 李古

摘 要：基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，利用C語(yǔ)言編程分析自動(dòng)化系統(tǒng)的航跡數(shù)據(jù)，通過(guò)PHP echart技術(shù)呈現(xiàn)機(jī)場(chǎng)起飛著陸航班架次，管制扇區(qū)、航路和航段內(nèi)的航班流量，設(shè)計(jì)了管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析、航班量統(tǒng)計(jì)、輔助扇區(qū)劃設(shè)、信息查詢等功能。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)歷史和實(shí)時(shí)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析，基于用戶需求直觀展現(xiàn)綜合航跡數(shù)據(jù)，為管制指揮戰(zhàn)術(shù)調(diào)整以及扇區(qū)和航路的優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)，從而提高大流量時(shí)流量管理工作的效率以及空域利用的合理性和高效性。

關(guān)鍵詞：空中交通流量管理，航跡數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析，MySQL，PHP echart

Abstract：Based on the MySQL database system， the C language programming is used to analyze the track data of the automation system. The PHP ECharts technology is used to present the airport take-off and landing flight numbers， the flight flow in the sector， route and flight segment. The control operation data collection and analysis system is designed. It has functions such as data dynamic analysis， flight volume statistics， auxiliary sector layout， and information query. Through multi-dimensional analysis of historical and real-time track data， the system illustrates comprehensive track data based on user requirements， providing a basis for tactic adjustment and optimization of sector and route. So the efficiency of air traffic flow management and the rationality and efficiency of airspace utilization in the case of large flow are improved.

Key words： Air Traffic Flow Management， Traffic data， Data Dynamic Analysis，MySQL，PHP ECharts

隨著世界范圍內(nèi)民航運(yùn)輸業(yè)蓬勃迅速的發(fā)展，越來(lái)越大的運(yùn)輸需求和有限的空域使用資源，對(duì)管制員安全高效的空中交通管理提出了空前的挑戰(zhàn)。面臨著越來(lái)越繁忙的機(jī)場(chǎng)，為了提高空域的安全性和管制員的工作效率，需要對(duì)空域內(nèi)的各種流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以輔助空中交通流量管理和空域的合理規(guī)劃。本文所設(shè)計(jì)的管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集分析統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)以航班實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，原始數(shù)據(jù)包由湖南空管分局提供的自動(dòng)化系統(tǒng)航跡數(shù)據(jù)，通過(guò)自主開發(fā)的分析處理軟件對(duì)這些信息進(jìn)行處理，導(dǎo)入特定的數(shù)據(jù)庫(kù)，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以可視化組件方式為用戶呈現(xiàn)整個(gè)空域的流量統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，包括扇區(qū)、航路、航段以及各航路點(diǎn)不同時(shí)間段的流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1 需求分析

目前的空域細(xì)分和扇區(qū)開放的依據(jù)基本都是基于一線管制員長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際感受，沒有具體明確的量化指標(biāo)做數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考。難以科學(xué)合理地對(duì)空域中的航路航線結(jié)構(gòu)和扇區(qū)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)湖南空管分局繁忙扇區(qū)航班日均流量超過(guò)500架次，繁忙航段日均流量超過(guò)600架次，繁忙航路點(diǎn)日均流量超過(guò)600架次。為了更好地基于航路和扇區(qū)的實(shí)時(shí)流量進(jìn)行管制指揮戰(zhàn)術(shù)調(diào)整，以及基于大量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)航路和扇區(qū)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，需要對(duì)各扇區(qū)、航路、航段以及航路點(diǎn)的歷史及實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的統(tǒng)計(jì)分析，深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。

2 系統(tǒng)的總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

2.1概述

以航班實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，其研究目標(biāo)是通過(guò)整理分析航班綜合航跡數(shù)據(jù)，建立高效準(zhǔn)確的管制區(qū)、管制扇區(qū)以及航路的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)。管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)基于windows平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽的方法，用PHP結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式，統(tǒng)計(jì)航班運(yùn)行數(shù)據(jù)，PHP連接數(shù)據(jù)庫(kù)處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)ECharts動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)通過(guò)將對(duì)報(bào)文中的各字段進(jìn)行解析，篩選出相關(guān)字段，并將其導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，在網(wǎng)頁(yè)上使用PHP連接數(shù)據(jù)庫(kù)，將后臺(tái)查詢結(jié)果返回網(wǎng)頁(yè)，輔以ECharts等技術(shù)將查詢結(jié)果動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能分析，將整個(gè)系統(tǒng)分為2大模塊，如圖1所示。

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)包括兩大模塊：數(shù)據(jù)處理分析模塊與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊。其中數(shù)據(jù)處理分析模塊主要包括數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)過(guò)濾、標(biāo)準(zhǔn)化處理、批處理以及數(shù)據(jù)分析;數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視化及動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)處理。從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，分析出指定扇區(qū)內(nèi)、指定時(shí)間點(diǎn)/段航班數(shù)量、航班在指定扇區(qū)內(nèi)指定時(shí)間點(diǎn)/段總的飛行時(shí)間和平均飛行時(shí)間等各類型數(shù)據(jù)，并形成直觀的圖表顯示。

MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，它使用了多種編譯器進(jìn)行測(cè)試，保證源代碼的可移植性，為多種編程語(yǔ)言提供了API，支持多線程優(yōu)化的SQL查詢算法有效地提高查詢速度，能夠作為一個(gè)庫(kù)而嵌入其它系統(tǒng)中，并且MySQL對(duì)PHP有很好的支持。PHP是一種強(qiáng)大的CGI腳本語(yǔ)言，語(yǔ)法混合了C、Java、Perl和PHP式的新語(yǔ)法，執(zhí)行網(wǎng)頁(yè)速度比CGI、Perl和ASP更快，而且內(nèi)嵌Zend加速引擎，性能穩(wěn)定快速，占用系統(tǒng)資源少，代碼執(zhí)行速度快。PHP消耗相當(dāng)少的系統(tǒng)資源，有利于系統(tǒng)的快速運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1數(shù)據(jù)處理

空管自動(dòng)化系統(tǒng)綜合航跡數(shù)據(jù)是航空器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)[1]，它是一種自定義數(shù)據(jù)包格式，其各項(xiàng)航跡數(shù)據(jù)由空管自動(dòng)化系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)《民用航空飛行動(dòng)態(tài)固定電報(bào)格式 MH/T 4007-2012》（以下簡(jiǎn)稱《MH/T 4007-2012》）進(jìn)行編碼輸出[2]。為了使得航跡數(shù)據(jù)直觀顯示并被使用，基于C#編程語(yǔ)言環(huán)境創(chuàng)立一個(gè)程序用于保存《MH/T 4007-2012》中各項(xiàng)數(shù)據(jù)編組與格式，然后調(diào)取綜合航跡數(shù)據(jù)，根據(jù)《MH/T 4007-2012》將其解析后填入所建表格中，得到以表格形式顯示的數(shù)據(jù)。如圖2所示，各項(xiàng)數(shù)據(jù)編組通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理，將不同參數(shù)的綜合航跡數(shù)據(jù)整合成統(tǒng)一形式的表格。最后將程序和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)連接[4]，把全部數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)取的快速與穩(wěn)定，為后期的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化可視化圖表做好準(zhǔn)備工作。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

綜合航跡數(shù)據(jù)是自定義數(shù)據(jù)格式，以第一份報(bào)文為例自主翻譯、解析數(shù)據(jù)編組與格式，提取了飛行計(jì)劃編號(hào)、起降時(shí)間、所在扇區(qū)、途徑航路和途徑各航路點(diǎn)時(shí)間等信息.系統(tǒng)按照飛行計(jì)劃編號(hào)統(tǒng)計(jì)航跡數(shù)據(jù)中起降時(shí)間得出當(dāng)日起降概況、根據(jù)各數(shù)據(jù)編組中描述的航空器所在扇區(qū)得到扇區(qū)流量概況、根據(jù)途徑各航路點(diǎn)時(shí)間得到航路點(diǎn)流量情況、通過(guò)數(shù)據(jù)編組中各航空器的計(jì)劃航路結(jié)合過(guò)航路點(diǎn)時(shí)間得到進(jìn)出航路時(shí)間最后得到航路流量情況。

2.3.3 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

2.3.2.1 程序界面

系統(tǒng)軟件以Windows為操作平臺(tái)，基于C語(yǔ)言編程環(huán)境，利用eclopse PHP為工具[5]，制作而成的頁(yè)面顯示以及使用工具，如圖3所示。它分為3個(gè)主要顯示模塊，包括當(dāng)日概況界面、扇區(qū)流量統(tǒng)計(jì)界面、航路點(diǎn)流量統(tǒng)計(jì)界面。系統(tǒng)將綜合航跡數(shù)據(jù)通過(guò)程序處理后儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化組件，通過(guò)動(dòng)態(tài)圖表與數(shù)字呈現(xiàn)所屬扇區(qū)與航路的使用情況以及機(jī)場(chǎng)的起降情況等，最后以人機(jī)交互式界面顯示呈現(xiàn)結(jié)果，同時(shí)還可以根據(jù)需求選擇所選擇的顯示內(nèi)容[6]。

其中當(dāng)日概況界面（如圖3）是綜合性的將當(dāng)天的整體情況以點(diǎn)狀圖、餅狀圖、柱狀圖以及曲線圖呈現(xiàn)出各時(shí)段的航空器數(shù)量。扇區(qū)情況界面（如圖4）以曲線圖結(jié)合動(dòng)態(tài)餅狀圖可供用戶指定顯示某時(shí)段內(nèi)的扇區(qū)使用情況。航路點(diǎn)情況界面（如圖5）也是以曲線圖與動(dòng)態(tài)餅狀圖的結(jié)合，能夠顯示長(zhǎng)沙管制區(qū)內(nèi)最繁忙的8條航路以及13個(gè)最繁忙的航路點(diǎn)的各時(shí)段流量情況。

餅狀圖顯示各扇區(qū)/航路/航路點(diǎn)中的航空器數(shù)量的大小與數(shù)量總和的比例，且動(dòng)態(tài)餅狀圖可隨著用戶選擇顯示所需時(shí)段的數(shù)據(jù)，因此提高了數(shù)據(jù)的實(shí)用性與參考性。而折線圖表述出各個(gè)時(shí)刻的扇區(qū)、航路以及航路點(diǎn)飛機(jī)數(shù)量，隨時(shí)間的變動(dòng)可從圖中直觀識(shí)別出航班量的數(shù)據(jù)變化。折線的趨勢(shì)走向?yàn)楣苤茊T提供了良好的情景意識(shí)，將管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)具象的表現(xiàn)出來(lái)。不同的圖表的搭配使用可以大致分析出航空器在各個(gè)階段的數(shù)量變化，通過(guò)扇區(qū)、航路情況可以分析出熱點(diǎn)時(shí)刻的的交通阻塞情況，為航路和扇區(qū)優(yōu)化提供了依據(jù)[8]。

2.3.3.2 程序?qū)崿F(xiàn)

以扇區(qū)情況模板為例，扇區(qū)餅狀圖數(shù)據(jù)由sql語(yǔ)句篩選而得，從dynamic表中篩選飛行計(jì)劃編號(hào)不重復(fù)的當(dāng)前所屬扇區(qū)信息

$sql = 'SELECT 當(dāng)前所屬扇區(qū)， COUNT（distinct 飛行計(jì)劃編號(hào)）

FROM dynamic

WHERE 當(dāng)前所屬扇區(qū)<>""

GROUP BY 當(dāng)前所屬扇區(qū)' ;

然后將篩選好的信息存入變量data中以餅狀圖的形式呈現(xiàn)出來(lái)

echarts.init（document.getElementById（'pieChart1'））.setOption（{

tooltip： { trigger： 'item'，

showContent： true，

formatter： ' - {c} / j5i0abt0b%'}，

series： {type： 'pie'，

radius ： '65%'，

data： <？php echo $data？>}}）;

扇區(qū)折線圖數(shù)據(jù)由SQL語(yǔ)句篩選，然后填入echart折線圖，最終得到呈現(xiàn)結(jié)果

$nowDate2 = "2018-06-01";

function SectorInfoSql（$nowDate，$sector）

{return

'SELECT time_format（發(fā)報(bào)時(shí)間，"%H"），count（distinct 飛行計(jì)劃編號(hào)）

from dynamic

where 通過(guò)上一點(diǎn)的日期 = "'.$nowDate.'" and 當(dāng)前所屬扇區(qū)="'.$sector.'"

group by time_format（發(fā)報(bào)時(shí)間，"%H"）';}

$sectors = ["AF"，"AL"，"AT"，"C1"，"C2"，"C3"，"C4"，"C5"，"TC"];

Echarts呈現(xiàn)

var option = {

legend： {}，

tooltip： {trigger： 'axis'，

showContent： false}，

dataset： {source： <？php echo $datasetJson;？>}，

xAxis： {type： 'category'}，

yAxis： {gridIndex： 0}，

grid： {top： '55%'}，

series： [

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'line'， smooth： true， seriesLayoutBy： 'row'}，

{type： 'pie'，

id： 'pie'，

radius： '30%'，

center： ['50%'， '25%']，

label： {

formatter： '： （j5i0abt0b%）'}，

encode： {

itemName： 'product'，

value： '2012'，

tooltip： '2012'}}]};

myChart.on（'updateAxisPointer'， function （event） {

var xAxisInfo = event.axesInfo[0];

if （xAxisInfo） {

var dimension = xAxisInfo.value + 1;

myChart.setOption（{

series： {

id： 'pie'，

label： {

formatter： '： {@[' + dimension + ']} （j5i0abt0b%）'}，

encode： {

value： dimension，

tooltip： dimension}}}）;}}）;

myChart.setOption（option）;

自動(dòng)化系統(tǒng)的航跡數(shù)據(jù)是一種定義數(shù)據(jù)格式包，直接閱讀較為不便。該軟件系統(tǒng)將航跡數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化以及標(biāo)準(zhǔn)化處理，指定重要信息則轉(zhuǎn)化為直觀的圖表以及數(shù)字，其中包括折線圖、柱形圖、餅狀圖等直觀可視化圖表。軟件為用戶提供了良好的交互式界面，將大量數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中后，用戶可通過(guò)輸入需查詢的日期或者指定扇區(qū)等信息找到所需當(dāng)天的空域使用情況等，不同的呈現(xiàn)方式可以將數(shù)據(jù)參數(shù)合理的利用，將不必要的內(nèi)容略去，提高資源的利用效率，對(duì)空域規(guī)劃具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 ?結(jié)論

本文給出了基于空管自動(dòng)化系統(tǒng)航跡數(shù)據(jù)的管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)以C#編程語(yǔ)言環(huán)境創(chuàng)立數(shù)據(jù)檢索與提取程序，連接MySQL數(shù)據(jù)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理與批處理，然后PHP連接數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化組件最終通過(guò)echart實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的結(jié)果。管制運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析系統(tǒng)能夠?qū)⒕C合航跡數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包中有效信息提取、整合以及呈現(xiàn)，為航班運(yùn)行前的流量管理提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持;能夠?yàn)閮?yōu)化空域、航路航線結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持，有效提高空域使用效率;顯著減少一線管制統(tǒng)計(jì)工作負(fù)擔(dān);提高大流量時(shí)流量管理工作的效率，確保流量管理的針對(duì)性及有效性。

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