基于折半查找的航班監(jiān)視信息融合方法研究

楊 俊 汪萬維 屈景怡 高 浩

1(中國民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300300)2(中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局山東分局技術(shù)保障部 山東 濟(jì)南 250107)

0 引 言

2014年3月8日，MH370航班失聯(lián)以來，國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)將全球航班追蹤作為民航界優(yōu)先任務(wù)。2015年6月，ICAO發(fā)布了全球航班追蹤運(yùn)行概念指導(dǎo)文件——全球航空遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)[1]。2015年11月，ICAO修訂了附件六《航空器運(yùn)行》，強(qiáng)制要求航空承運(yùn)人在2018年11月8日前實(shí)現(xiàn)對(duì)其海洋區(qū)域運(yùn)行至少每15分鐘通過自動(dòng)報(bào)告對(duì)航空器位置進(jìn)行追蹤(4D/15追蹤)。目前，中國民航約有97%的運(yùn)輸飛機(jī)已安裝了航空器通信尋址報(bào)告系統(tǒng)(Aircraft Communications Addressing and Reporting System，ACARS)，因此，現(xiàn)階段已經(jīng)具備使用ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)國際航班及運(yùn)行于偏遠(yuǎn)地區(qū)的航班實(shí)施例行航空器追蹤監(jiān)控的硬件條件[2]。

在國內(nèi)外，現(xiàn)行的航班監(jiān)視信息融合方法主要是針對(duì)多源雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合[3-6]、ADS-B與多點(diǎn)定位數(shù)據(jù)的融合[7]，以及雷達(dá)數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)的融合[8-10]等，對(duì)于空管監(jiān)視數(shù)據(jù)與ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的融合研究比較少。文獻(xiàn)[11]中提到了利用空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)來做航班監(jiān)控，但是并未對(duì)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的融合處理進(jìn)行詳細(xì)的描述?？展鼙O(jiān)視數(shù)據(jù)的更新周期在4 s左右，ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的更新周期在10 min左右，兩者的更新周期相差較大；同時(shí)，空管監(jiān)視數(shù)據(jù)主要覆蓋了國內(nèi)區(qū)域，而ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)在全球范圍可覆蓋，兩者的覆蓋范圍不同。因此，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法無法滿足ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)和空管監(jiān)視數(shù)據(jù)融合的需求。所以本文提出一種基于折半查找的航班監(jiān)視信息的并行化融合方法，實(shí)現(xiàn)ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)和空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的互補(bǔ)融合和全空域范圍內(nèi)的航班監(jiān)視信息的實(shí)時(shí)處理。

1 總體結(jié)構(gòu)

圖1為航班監(jiān)視信息處理的總體結(jié)構(gòu)，本文主要研究航班監(jiān)視信息融合處理模塊的數(shù)據(jù)融合方法及具體實(shí)現(xiàn)?？展芟到y(tǒng)主要通過一次雷達(dá)數(shù)據(jù)、二次雷達(dá)數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)、多點(diǎn)定位數(shù)據(jù)等監(jiān)視數(shù)據(jù)對(duì)管制空域范圍內(nèi)的航空器進(jìn)行監(jiān)視。圖1中的空管監(jiān)視信息融合處理模塊用于對(duì)以上的監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并將融合后得到的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)發(fā)送給航班監(jiān)視信息融合處理模塊，由航班監(jiān)視信息融合處理模塊實(shí)現(xiàn)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的互補(bǔ)融合處理，輸出融合數(shù)據(jù)。

圖1 航班監(jiān)視信息處理的總體結(jié)構(gòu)

2 融合處理

針對(duì)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍不一致、更新周期差別大等特性，本文提出一種航班監(jiān)視信息互補(bǔ)融合方法。利用投影變換法實(shí)現(xiàn)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的時(shí)間校準(zhǔn)；提出基于時(shí)間的滑窗機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多源航班監(jiān)視信息的互補(bǔ)融合處理。

2.1 時(shí)間校準(zhǔn)

由于空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的傳輸路線不同，以數(shù)據(jù)的接收時(shí)間作為數(shù)據(jù)融合的時(shí)間基準(zhǔn)是不可靠的。同時(shí)，空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)生成時(shí)間是基于監(jiān)視設(shè)備的時(shí)鐘，ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)生成時(shí)間是基于機(jī)載設(shè)備的時(shí)鐘，在實(shí)際的應(yīng)用中監(jiān)視雷達(dá)的時(shí)間和機(jī)載設(shè)備的時(shí)間的準(zhǔn)確性不是完全可靠的，所以以原始數(shù)據(jù)生成時(shí)間作為數(shù)據(jù)融合處理的時(shí)間基準(zhǔn)也具有一定的不可靠性。

為了保障數(shù)據(jù)的有效融合，在數(shù)據(jù)融合處理前必須對(duì)兩類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。本文以數(shù)據(jù)的實(shí)際接收時(shí)間為基礎(chǔ)，以空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的位置信息為依據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析的方法來計(jì)算空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的平均相對(duì)數(shù)據(jù)延時(shí)，并用平均相對(duì)數(shù)據(jù)延時(shí)來修正兩類數(shù)據(jù)的接收時(shí)間，以修正后的接收時(shí)間作為數(shù)據(jù)融合的基準(zhǔn)時(shí)間。如圖2所示，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為某個(gè)航班在t1時(shí)刻和t3時(shí)刻接收到的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的位置更新點(diǎn)，C點(diǎn)為該航班在t2時(shí)刻接收到的ACARS位置信息更新點(diǎn)，A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)。則A點(diǎn)與B點(diǎn)的距離如式(1)所示；該航班從A點(diǎn)飛到B點(diǎn)的平均速度可以表示為式(2)。C點(diǎn)到A點(diǎn)和B點(diǎn)的連線的投影點(diǎn)為C′，以A點(diǎn)的時(shí)間為基準(zhǔn)，C′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間可以由式(3)計(jì)算得到。

圖2 航空器位置信息示意圖

(1)

(2)

(3)

那么，在C點(diǎn)的ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)與空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的相對(duì)延時(shí)為：

τ1=t2-(t1+Δt1)

(4)

平均相對(duì)延時(shí)可以表示為該航班的若干個(gè)ACARS位置數(shù)據(jù)點(diǎn)處的相對(duì)延時(shí)的平均值：

(5)

最后，通過平均相對(duì)時(shí)延對(duì)C點(diǎn)處的ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到修正后的接收時(shí)間，如式(6)所示，從而實(shí)現(xiàn)了空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的時(shí)間校準(zhǔn)。

(6)

2.2 滑窗機(jī)制

由于空管監(jiān)視數(shù)據(jù)更新頻率比ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)更新頻率要高，本文采用以空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的更新周期T為計(jì)數(shù)單位的滑窗機(jī)制來對(duì)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，圖3為在時(shí)間軸上計(jì)數(shù)的滑窗機(jī)制示意圖。

圖3 在時(shí)間軸上計(jì)數(shù)的滑窗機(jī)制示意圖

本文提出的滑窗機(jī)制采用滑窗計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)窗口在時(shí)間軸上的移動(dòng)，窗口大小隨著空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的更新狀態(tài)的變化而不斷變化。當(dāng)某個(gè)航班的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)不更新時(shí)，每過一個(gè)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的更新周期，滑窗的計(jì)數(shù)值加1，如果該航班的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)一直未更新，滑窗的計(jì)數(shù)值會(huì)不斷增大，也就是滑窗大小會(huì)不斷增大；當(dāng)該航班的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)開始更新時(shí)，滑窗的計(jì)數(shù)值清零，如果該航班的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)一直在更新，滑窗會(huì)沿時(shí)間軸移動(dòng)，同時(shí)滑窗的計(jì)數(shù)值始終為零，對(duì)應(yīng)的滑窗大小始終為零。圖3展示了某個(gè)航班從t0時(shí)刻到t0+(n+2)T時(shí)刻的滑窗變化情況，該航班的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)在t0時(shí)刻和t0+T時(shí)刻有數(shù)據(jù)更新，滑窗A在這兩個(gè)時(shí)刻的計(jì)數(shù)值為零；該航班的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)在t0+T時(shí)刻和t0+nT時(shí)刻無數(shù)據(jù)更新，滑窗B在t0+nT時(shí)刻的計(jì)數(shù)值為n，由于該航班在t0+(n+1)T時(shí)刻有數(shù)據(jù)更新，則在t0+(n+1)T時(shí)刻滑窗的計(jì)數(shù)值清零，滑窗位置移動(dòng)到t0+(n+1)T時(shí)刻；該航班的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)在t0+(n+1)T時(shí)刻和t0+(n+2)T時(shí)刻都有數(shù)據(jù)更新，滑窗C的計(jì)數(shù)值在這兩個(gè)時(shí)刻都為零。

2.3 信息融合

在空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的覆蓋區(qū)域，主要采用空管監(jiān)視數(shù)據(jù)對(duì)航班進(jìn)行監(jiān)控，ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)主要用于提供相關(guān)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充；在空管監(jiān)視數(shù)據(jù)無法覆蓋的沙漠、海洋和國外區(qū)域，采用ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)航班進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)全空域范圍的航班實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)融合方法如式(7)所示，數(shù)據(jù)融合處理流程見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)融合處理流程

P融合=kP空管+(1-k)PACARS

(7)

式中：P融合為融合后航班位置；P空管為空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的航班位置；PACARS為ACARS位置報(bào)的航班位置；k為融合系數(shù)。

系統(tǒng)為每個(gè)航班維護(hù)一個(gè)基于時(shí)間的滑窗(具體見2.2節(jié))，當(dāng)k=1時(shí)，融合后的位置信息采用空管監(jiān)視數(shù)據(jù)中的位置信息，并在收到ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)后，提取ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)中除位置信息之外的油量、風(fēng)速、風(fēng)向等信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行更新；當(dāng)k=0時(shí)，融合后的位置信息采用ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)中的位置信息，提取空管監(jiān)視數(shù)據(jù)中除位置信息之外的相關(guān)信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行更新。

3 基于折半查找的融合方法

各空管局的空管自動(dòng)化系統(tǒng)只關(guān)注與其管制空域相關(guān)的航班，系統(tǒng)接入和處理的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量不大；各航空公司只關(guān)注其自身運(yùn)營的航班的動(dòng)態(tài)，其監(jiān)視系統(tǒng)接入和處理的ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量也不大；對(duì)于小范圍內(nèi)的少量航空器的監(jiān)控，所接入和處理的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量也不大。因此，在以上三種情況下，航班的監(jiān)視信息的融合處理可在單線程內(nèi)完成。但是，要對(duì)全球范圍的我國航空器以及國外飛境內(nèi)的航空器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，引接和處理的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，采用單線程對(duì)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理無法滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性需求。因此，提出一種基于折半查找的單線程融合處理方法，在融合數(shù)據(jù)鏈表中對(duì)航班號(hào)進(jìn)行折半查找，快速定位和獲取對(duì)應(yīng)航班的前一個(gè)更新時(shí)刻的航班監(jiān)視信息的融合數(shù)據(jù)，并將其與當(dāng)前時(shí)刻接收的航班監(jiān)視信息進(jìn)行融合處理，提高融合的處理速率。在此基礎(chǔ)上，提出一種處理速率更快的基于折半查找的并行化融合處理方法，利用多線程機(jī)制實(shí)現(xiàn)航班監(jiān)視信息的并行化融合。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這三種融合處理方法的處理速率，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 基于折半查找的單線程融合處理方法

圖5為基于折半查找的單線程融合處理示意圖。

圖5 基于折半查找的單線程融合處理示意圖

基于折半查找的單線程融合處理方法的航班監(jiān)視信息的融合處理在單個(gè)融合處理線程內(nèi)執(zhí)行。融合處理線程主要由融合數(shù)據(jù)鏈表和融合處理模塊組成。融合數(shù)據(jù)鏈表用于存放融合后的航班監(jiān)視信息；融合后的航班監(jiān)視信息按航班號(hào)由小到大的順序存儲(chǔ)在融合數(shù)據(jù)鏈表中。融合處理模塊用于進(jìn)行航班監(jiān)視信息的融合處理，具體融合處理流程見圖6。

圖6 基于折半查找的單線程融合處理流程

當(dāng)航班監(jiān)視信息到達(dá)時(shí)，融合處理模塊會(huì)提取航班監(jiān)視信息中的航班號(hào)，并在融合數(shù)據(jù)鏈表中對(duì)該航班號(hào)進(jìn)行折半查找，具體的折半查找流程見圖7。

圖7 折半查找流程

如果折半查找算法無法找到與指定航班號(hào)對(duì)應(yīng)的融合數(shù)據(jù)時(shí)，該航班號(hào)被認(rèn)為是新航班號(hào)，其對(duì)應(yīng)的航班位置信息作為該航班監(jiān)視信息融合數(shù)據(jù)直接插入到融合數(shù)據(jù)鏈表的最后查詢位置處，實(shí)現(xiàn)對(duì)航班位置信息融合數(shù)據(jù)按航班號(hào)由小到大進(jìn)行排序的目的，為折半查找提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；如果折半查找算法找到航班號(hào)對(duì)應(yīng)的融合航跡時(shí)，從融合數(shù)據(jù)鏈表中提取航班號(hào)對(duì)應(yīng)的航班監(jiān)視信息融合數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合處理，并對(duì)融合數(shù)據(jù)鏈表中對(duì)應(yīng)的融合數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

基于折半查找的單線程融合處理方法在融合數(shù)據(jù)鏈表中對(duì)該航班號(hào)進(jìn)行折半查找，可同時(shí)完成已有航班號(hào)的航班監(jiān)視信息融合數(shù)據(jù)的快速獲取和新航班號(hào)的航班監(jiān)視信息的按序插入，與順序查找方法相比可有效降低航班監(jiān)視信息融合數(shù)據(jù)的查詢時(shí)間，提高融合處理速率。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于小范圍內(nèi)的少量航班監(jiān)視信息的融合處理實(shí)現(xiàn)簡單，處理速率較快，且易于編程實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是：所有航班監(jiān)視信息的融合處理在單線程中按照到達(dá)時(shí)間的先后依次進(jìn)行查詢、獲取和融合處理；在大批量航班監(jiān)視信息到達(dá)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)融合處理線程的數(shù)據(jù)的接收量會(huì)大于融合處理量，容易造成線程堵塞的現(xiàn)象，而導(dǎo)致航班數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)更新。

3.2 基于折半查找的并行化融合處理方法

圖8為基于折半查找的并行化融合處理示意圖?；谡郯氩檎业牟⑿谢诤咸幚矸椒ńY(jié)合了折半查找算法和并行化處理方法，以提高航班監(jiān)視的融合處理速率。該方法主要由映射線程和并行化融合處理模塊組成。

圖8 基于折半查找的并行化融合處理示意圖

映射線程由映射鏈表和映射處理模塊組成。映射鏈表用于存放航班號(hào)和融合處理線程的映射關(guān)系數(shù)據(jù)，映射關(guān)系數(shù)據(jù)按航班號(hào)由小到大按序存儲(chǔ)在映射鏈表中。當(dāng)航班監(jiān)視信息到達(dá)時(shí)，映射處理模塊提取航班監(jiān)視信息中的航班號(hào)，并在映射鏈表中對(duì)該航班號(hào)進(jìn)行折半查找；無法找到對(duì)應(yīng)的航班號(hào)時(shí)，該航班號(hào)被認(rèn)為是新航班號(hào)，該航班號(hào)映射給當(dāng)前處理的航班量最少的融合處理線程，并將航班監(jiān)視信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的融合處理線程，同時(shí)把映射關(guān)系數(shù)據(jù)插入到映射鏈表的最后查詢位置處，實(shí)現(xiàn)映射關(guān)系數(shù)據(jù)按航班號(hào)由小到大進(jìn)行排序的目的；找到對(duì)應(yīng)的航班號(hào)時(shí)，從映射鏈表中提取航班號(hào)對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系數(shù)據(jù)，并將航班監(jiān)視信息分發(fā)給該航班號(hào)對(duì)應(yīng)的融合處理線程。具體處理流程見圖9。

圖9 航班號(hào)和融合處理線程的映射關(guān)系數(shù)據(jù)處理流程

并行化融合處理模塊包含多個(gè)融合處理線程，每個(gè)融合處理線程主要由融合數(shù)據(jù)鏈表和融合處理模塊組成。與基于折半查找的單線程融合處理方法類似，融合后的航班監(jiān)視信息按航班號(hào)由小到大的順序存儲(chǔ)在融合數(shù)據(jù)鏈表中。融合處理模塊接收映射線程分發(fā)的航班監(jiān)視數(shù)據(jù)，并在融合數(shù)據(jù)鏈表中對(duì)該航班號(hào)進(jìn)行折半查找。如果折半查找算法無法找到對(duì)應(yīng)的航班號(hào)，則該航班號(hào)被認(rèn)為是新航班號(hào)，其對(duì)應(yīng)的航班監(jiān)視信息作為該航班的航班監(jiān)視信息融合數(shù)據(jù)直接插入到融合數(shù)據(jù)鏈表的最后查詢位置處；如果折半查找算法找到對(duì)應(yīng)的航班號(hào)，則從融合數(shù)據(jù)鏈表中提取航班號(hào)對(duì)應(yīng)的航班監(jiān)視信息融合數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合處理，并對(duì)數(shù)據(jù)鏈表中對(duì)應(yīng)的融合數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。具體處理流程與圖6一致。

基于折半查找的并行化融合處理方法與基于折半查找的單線程融合處理方法相比，數(shù)據(jù)融合處理的壓力由多個(gè)并行執(zhí)行的融合處理線程共同分擔(dān)，有效提高了融合處理速率。同時(shí)，由一個(gè)獨(dú)立的映射線程對(duì)航班號(hào)和融合處理線程的映射關(guān)系進(jìn)行維護(hù)，通過折半查找的方法實(shí)現(xiàn)了航班號(hào)到融合處理線程的快速映射，并將新航班號(hào)映射給當(dāng)前處理的航班量最少的融合處理線程，實(shí)現(xiàn)了各融合處理線程的負(fù)載均衡。并行化融合處理的缺點(diǎn)是并行化處理需要多核處理器的支持，在一定程度上提高了系統(tǒng)的硬件成本。

4 實(shí) 驗(yàn)

為證明基于折半查找的航班監(jiān)視信息的并行化融合處理方法相對(duì)于其他兩種方法的優(yōu)勢性，開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在HP Z800高性能工作站中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中使用的HP Z800工作站的關(guān)鍵配置見表1。

表1 HP Z800工作站的關(guān)鍵配置

航班監(jiān)視信息模擬軟件用于仿真實(shí)驗(yàn)所需的航班監(jiān)視信息。可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要通過配置文件配置模擬的航班數(shù)、模擬的航班監(jiān)視信息的更新周期等。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

航班監(jiān)視信息模擬軟件分別仿真出500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500和6 000個(gè)航班的航班監(jiān)視信息。

在融合處理軟件中分別實(shí)現(xiàn)單線程融合處理方法、基于折半查找的單線程融合處理方法和基于折半查找的并行化融合處理方法；融合處理軟件接收航班監(jiān)視信息模擬軟件發(fā)送的航班監(jiān)視信息，并對(duì)每批數(shù)據(jù)的處理時(shí)間進(jìn)行記錄，記錄結(jié)果用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析；基于折半查找的并行化融合處理方法，分別完成從2個(gè)并行化融合處理線程到10個(gè)并行化融合處理線程的實(shí)驗(yàn)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算融合處理方法處理每批數(shù)據(jù)所需要的平均處理時(shí)間，并從以下兩個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：1) 三種融合處理方法的處理結(jié)果的分析和對(duì)比；2) 基于折半查找的多線程融合處理方法在采用不同的融合處理線程數(shù)量時(shí)的處理結(jié)果分析與對(duì)比。

表2為三種融合處理方法的處理結(jié)果記錄表。可以分析得出：1) 單線程融合處理方法處理每批數(shù)據(jù)耗費(fèi)的時(shí)間最多，隨著航班數(shù)的增加，每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間呈指數(shù)上升趨勢；以處理6 000個(gè)航班為例，每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間需要279 462 ms。2) 基于折半查找的單線程融合處理方法，采用折半查找算法實(shí)現(xiàn)對(duì)航班融合數(shù)據(jù)快速查找，與單線程融合處理方法相比，融合處理速率得到顯著提升。以處理6 000個(gè)航班為例，每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間降到了6 487 ms，相對(duì)于單線程融合處理方法，處理速度提高了42.08倍。3) 基于折半查找的并行化融合處理方法與基于折半查找的單線程融合處理方法相比進(jìn)一步提升了融合處理速率。以處理6 000個(gè)航班為例，對(duì)于具有2個(gè)融合處理線程的并行化融合處理方法，每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間為1 891 ms，與基于折半查找的單線程融合處理方法相比，加速比達(dá)到3.43；對(duì)于具有4個(gè)融合處理線程的并行化融合處理方法，每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間為796 ms，與基于折半查找的單線程融合處理方法相比，加速比達(dá)到8.15。

表2 三種融合處理方法的處理時(shí)間結(jié)果記錄表

圖10為基于折半查找的并行化融合處理方法在采用不同融合處理線程個(gè)數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)處理結(jié)果的分析對(duì)比圖，橫坐標(biāo)為融合處理線程數(shù)，縱坐標(biāo)為每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間。6條曲線分別為基于折半查找的并行化融合處理方法在采用不同融合處理線程數(shù)對(duì)1 000、2 000、3 000、4 000、5 000和6 000個(gè)航班的監(jiān)視信息進(jìn)行融合處理時(shí)，每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間曲線?？梢苑治龅贸觯?) 隨著融合處理線程個(gè)數(shù)的增加，融合處理的速率在不斷提升，隨著融合處理線程數(shù)繼續(xù)增加，融合處理的速率的提升不斷放緩，當(dāng)融合處理線程個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，繼續(xù)增加融合處理線程個(gè)數(shù)對(duì)處理速率的提升不再明顯。這是由于并行化處理的融合處理線程數(shù)超過了處理器的并行化處理能力后，多出的線程數(shù)會(huì)在處理器中切換執(zhí)行，因此并不能提高融合處理速率。2) 在航班數(shù)不多的情況下，每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間并不大。如果每批數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間達(dá)到了航班監(jiān)控的基本要求，為節(jié)省工作站的計(jì)算資源，可適當(dāng)減少融合處理線程數(shù)。

圖10 采用不同融合處理線程數(shù)的處理結(jié)果分析與對(duì)比圖

5 結(jié) 語

本文對(duì)基于折半查找的航班監(jiān)視信息的融合方法進(jìn)行研究，用于解決全空域范圍內(nèi)的海量航班監(jiān)視信息的數(shù)據(jù)融合問題，對(duì)于航班位置的實(shí)時(shí)監(jiān)視，防止航空事故來說具有重要的意義。該方法采用投影變換法對(duì)空管監(jiān)視數(shù)據(jù)和ACARS位置報(bào)數(shù)據(jù)的接收時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。為每個(gè)航班維護(hù)一個(gè)基于時(shí)間的滑窗，采用基于折半查找的航班監(jiān)視信息的并行化融合方法實(shí)現(xiàn)航班監(jiān)視信息的互補(bǔ)融合?；谡郯氩檎业暮桨啾O(jiān)視信息的并行化融合方法，采用折半查找算法實(shí)現(xiàn)需要融合的航班數(shù)據(jù)的快速定位，采用自適應(yīng)均衡的并行化處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)航班監(jiān)視信息的并行化處理，二者相結(jié)合可以顯著提高海量航班監(jiān)視信息的融合處理的速度。但是，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力始終有限，在未來的研究工作中，將利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)海量航班監(jiān)視信息的分布式并行處理，以進(jìn)一步提高海量航班監(jiān)視信息融合處理速率。