空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺的研究與設(shè)計

石 毅，陳 愷

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局廣西分局，南寧 530100）

0 引言

廣西空管分局現(xiàn)階段管理運行的本地相關(guān)空管數(shù)據(jù)類型包括監(jiān)視數(shù)據(jù)，報文數(shù)據(jù)等。而監(jiān)視數(shù)據(jù)包括萊斯自動化系統(tǒng)綜合航跡、華泰自動化系統(tǒng)綜合航跡、雷達數(shù)據(jù)、ADSB 數(shù)據(jù)等。以萊斯自動化系統(tǒng)綜合航跡數(shù)據(jù)的引接應(yīng)用為例，一共包括氣象融合系統(tǒng)、自動化主備同步監(jiān)控系統(tǒng)、空中交通流量預(yù)測系統(tǒng)等七套系統(tǒng)引接該路數(shù)據(jù)。若均直接通過萊斯自動化系統(tǒng)DOP（綜合數(shù)據(jù)輸出）服務(wù)器引接，將極大增加服務(wù)器的工作負荷。因此，為加強分局本地數(shù)據(jù)管理，規(guī)范數(shù)據(jù)信號輸出，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)信號資源，并有效監(jiān)控各路本地數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)，擬研制空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及信號流程

空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺采用基于Java 語言的C/S 架構(gòu)進行系統(tǒng)的構(gòu)建［1］，系統(tǒng)主要包含一臺數(shù)據(jù)處理服務(wù)器及防火墻，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要功能模塊包括數(shù)據(jù)接收處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊及終端顯示模塊。系統(tǒng)通過接收處理各路監(jiān)視數(shù)據(jù)、報文數(shù)據(jù)及其他本地空管數(shù)據(jù)，并根據(jù)終端用戶應(yīng)用需求，將相應(yīng)數(shù)據(jù)定制輸出到對應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的規(guī)劃應(yīng)用。此外，系統(tǒng)提供收發(fā)鏈路的開關(guān)操作，斷線告警，延遲監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)的查詢和調(diào)用輸出等功能。系統(tǒng)的信號處理流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信號處理流程

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊及算法研究

2.1 NIO技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收處理

數(shù)據(jù)接收處理效率，是衡量數(shù)據(jù)接收處理模塊的重要技術(shù)指標之一。由于在輸入鏈路上，各監(jiān)視數(shù)據(jù)、報文數(shù)據(jù)及其他相關(guān)空管數(shù)據(jù)存在輸入上的流量差異（各數(shù)據(jù)類型流量統(tǒng)計為：監(jiān)視數(shù)據(jù)＞報文數(shù)據(jù)＞其他空管數(shù)據(jù)），以氣象報文、自動化系統(tǒng)報文數(shù)據(jù)接收為例，氣象報文數(shù)據(jù)鏈路僅在每個整點發(fā)送一份報文數(shù)據(jù)，其余均為空閑時段，而自動化系統(tǒng)當處于主用狀態(tài)時，系統(tǒng)報文數(shù)據(jù)鏈路將對外發(fā)送數(shù)據(jù)。若對上述鏈路的數(shù)據(jù)接收處理均采用傳統(tǒng)的多線程技術(shù)，將占用系統(tǒng)大量進程資源，極大增加系統(tǒng)服務(wù)器的工作壓力。因此，提出采用基于Java的NIO技術(shù)，該方法將有效提高數(shù)據(jù)接收效率，節(jié)約系統(tǒng)資源。

Java NIO 即同步非阻塞I/O 模型，它包含Channel、Buffer、Selector三大核心組件［2］。Channel 為通道，它表示一個打開的連接，這個連接可以連接到I/O 設(shè)備或者一個支持I/O 訪問的應(yīng)用程序；Buffer 為緩沖區(qū)，在NIO 庫中，所有數(shù)據(jù)都是通過緩沖區(qū)進行處理；Selector 為選擇器，其提供了選擇已經(jīng)就緒的任務(wù)的能力。在Java NIO中，通過使用緩沖區(qū)和通道來進行數(shù)據(jù)傳輸。而選擇器將會不斷地輪詢注冊在上面的所有通道，如果某個通道為讀寫等事件做好準備，那么就處于就緒狀態(tài)，即可進行后續(xù)的IO操作。這樣，一個單獨的線程可以管理多個通道，從而管理多個網(wǎng)絡(luò)連接，提高效率。Java NIO連接模型如圖3所示。

圖3 Java NIO連接模型

目前，空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺共引接萊斯自動化系統(tǒng)綜合航跡、萊斯自動化系統(tǒng)計劃、S模式雷達、ADS-B 數(shù)據(jù)、氣象報文等共九路數(shù)據(jù)源。Java NIO技術(shù)實現(xiàn)各路數(shù)據(jù)接收處理的主要步驟如下：

（1）根據(jù)低流量數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)類型，設(shè)置不同類型的緩沖區(qū)。如QNH 數(shù)據(jù)設(shè)置為ByteBuffer類型；

（2）為每個緩沖區(qū)建立通道，如QNH 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的通道類型為ServerSocketChannel，該通道類型可以監(jiān)聽新進來的TCP 連接，對每一個新進來的連接都會創(chuàng)建一個SocketChannel，通過TCP 讀寫網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；

（3）創(chuàng)建選擇器，并向選擇器注冊通道；

（4）設(shè)置選擇器對通道的監(jiān)聽事件類型，如對于QNH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的通道監(jiān)聽事件類型為SelectionKey.OP_WRITE，即有數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)時，再讀取緩沖區(qū)寫入通道的數(shù)據(jù)；

（5）調(diào)用Buffer clear（）方法，清空緩沖區(qū)，等待下次數(shù)據(jù)的寫入。

通過Java NIO 技術(shù)，統(tǒng)計系統(tǒng)滿負荷情況下，共減少非必要線程開支數(shù)量四個，釋放了約500 M 的內(nèi)存資源。數(shù)據(jù)接收處理模塊部分代碼如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)接收處理模塊部分代碼

2.2 改進型Hash算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及調(diào)用

空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺提供歷史數(shù)據(jù)查詢及調(diào)用功能。其歷史數(shù)據(jù)儲存主要為監(jiān)視數(shù)據(jù)的存儲，儲存方式通過數(shù)據(jù)文件（.DAT）方式，按天為單位以時間戳YYYYMMDD 命名進行存儲，文件存放到服務(wù)器指定目錄下。若各路數(shù)據(jù)源存儲過程或進行歷史數(shù)據(jù)調(diào)用輸出操作時，均采用實時文本讀寫的方式，將極大影響數(shù)據(jù)存儲模塊的讀寫速度，增加服務(wù)器的工作壓力。因此，提出一種改進型Hash 算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲模塊的數(shù)據(jù)高性能存儲及調(diào)用功能，增強系統(tǒng)可塑性及可靠性。

Hash 定義為基于特定鍵將一個值轉(zhuǎn)換為另一個值的過程，是一種將輸入值轉(zhuǎn)換為通常更短的輸出值的函數(shù)，并且被設(shè)計為對于每個輸入值都是唯一的。Hash 函數(shù)的主要優(yōu)點是可以用于在相對較小的空間中存儲任何大小的數(shù)據(jù)，其在計算機編程中用于各種目的，例如將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中或驗證數(shù)據(jù)完整性。而選擇對應(yīng)的Hash 算法主要考慮三點：①安全性，算法具有一定加密性；②算法的速度，算法具備高性能處理能力；③輸入的大小，算法可以滿足處理數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)大小。由于空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺運行環(huán)境為內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，數(shù)據(jù)存取較為安全，而數(shù)據(jù)處理速度相對要求較高，且監(jiān)視數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)流量較大，因此，選擇SHA-256算法。在密碼學(xué)中，SHA 是加密哈希函數(shù)，SHA-256是最常用的使用32 位字計算的哈希函數(shù)。對于任意長度的消息，SHA-256 都會產(chǎn)生一個256位的哈希值，稱作消息摘要。這個摘要相當于是個長度為32 個字節(jié)的數(shù)組，通常由一個長度為64 的十六進制字符串來表示。本質(zhì)上，它是一個通過將消息區(qū)塊為密鑰對中間哈希值進行加密的256位加密算法。該算法具備安全、快速的特點，并且可以處理大量數(shù)據(jù)。最后，通過調(diào)用Java HashMap方法實現(xiàn)Hash［3］。

HashMap 類使用Hash 算法來存儲和檢索數(shù)據(jù)，它存儲表示為鍵值對的數(shù)據(jù)，其中鍵是非空且唯一的。Hash 算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的主要步驟為：①為各路接入監(jiān)視數(shù)據(jù)源創(chuàng)建HashMap，HashMap 以接收時間戳為鍵值，算法通過調(diào)用getInstance（“SHA-256”）的靜態(tài)方法進行初始化；②當監(jiān)視數(shù)據(jù)源有數(shù)據(jù)接收時，為數(shù)據(jù)標記當前接收時間戳，并調(diào)用add（）方法，存入對應(yīng)HashMap；③設(shè)置監(jiān)聽HashMap 的大小，當?shù)竭_一定值后，調(diào)用ge（tkey）方法，按接收時間順序查找時間戳鍵值，獲取其對應(yīng)的數(shù)據(jù)值；④調(diào)用spli（t）方法，按時間戳對數(shù)據(jù)值進行拆分，并打印輸出；⑤調(diào)用BufferedWriter（）方法，將打印內(nèi)容寫入數(shù)據(jù)文件；⑥調(diào)用remove（）方法，刪除HashMap 中已完成查找的時間戳鍵值及其對應(yīng)的數(shù)據(jù)數(shù)值。實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的部分代碼如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)存儲模塊部分代碼

而當執(zhí)行歷史數(shù)據(jù)調(diào)用功能時，實現(xiàn)該功能的關(guān)鍵步驟為：①調(diào)用Java的Date（）方法，設(shè)置數(shù)據(jù)回放的開始時間；②調(diào)用Java 的Timer（）方法，設(shè)置數(shù)據(jù)回放的時間軸為1秒步進；③調(diào)用Java 的InputStreamReader（）和BufferedReader（）方法，讀取該回放時間的數(shù)據(jù)文件中滿足當前回放時刻的數(shù)據(jù)段，并暫存數(shù)據(jù)回放Hashmap；④將Hashmap 內(nèi)容輸出至數(shù)據(jù)輸出模塊，進行封裝，并最終發(fā)送至指定地址及端口；⑤調(diào)用Java 的Runnable（）方法線程，對數(shù)據(jù)回放過程進行實時監(jiān)聽，當?shù)竭_回放結(jié)束時間后，停止數(shù)據(jù)回放。實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)調(diào)用功能的部分代碼如圖6所示。

圖6 Runnable（）方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放過程監(jiān)聽

上述步驟中需要調(diào)用到的Java Buffered-Writer（）及BufferedReader（）方法均帶有緩沖區(qū)，可以實現(xiàn)文本數(shù)據(jù)的多次、高效讀寫。并通過Hash 算法，數(shù)據(jù)存儲過程更加安全、快速，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲模塊的高效性及可靠性。

2.3 DatagramSocket 類實現(xiàn)發(fā)送端數(shù)據(jù)封裝及發(fā)送

以配置數(shù)據(jù)輸出至流量預(yù)測系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)需要通過UDP 協(xié)議接收自動化系統(tǒng)綜合航跡及自動化系統(tǒng)報文數(shù)據(jù)。由于空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺至流量預(yù)測系統(tǒng)間為單機通訊，因此采用單播進行傳輸通訊。

Java 提供了DatagramSocket 類作為基于UDP協(xié)議的Socket［4］，該方法可以實現(xiàn)UDP 發(fā)送數(shù)據(jù)，主要步驟為：①調(diào)用DatagramSocket（）方法，創(chuàng)建發(fā)送端Socket 對象，構(gòu)造數(shù)據(jù)報套接字并將其綁定到本地主機上的任何可用端口；②分別創(chuàng)建綜合航跡及報文數(shù)據(jù)包對象，該數(shù)據(jù)包寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)，并調(diào)用DatagramPacke（t）方法，進行目的地址及端口號的數(shù)據(jù)封裝；③調(diào)用Send（）方法，通過udp 的socket 服務(wù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送。通過上述方法，實現(xiàn)了發(fā)送端的自動化系統(tǒng)綜合航跡及報文數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送。

2.4 多線程技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路輸出

線程是進程中的實際運作單位，是進程的一條流水線，是程序的實際執(zhí)行者，是最小的執(zhí)行單位。通常在一個進程中可以包含若干個線程，且一個進程中至少有一個線程。而進程指正在運行的程序，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)用的獨立單位，每一個進程都有它自己的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源。因此，進程的創(chuàng)建和銷毀耗費大量的系統(tǒng)資源，從而衍生出線程的概念。即允許在一個進程中創(chuàng)建多個線程，這些線程共享進程的資源，并且每個線程擁有自己獨立的程序計數(shù)器、線程局部變量等資源，叫多線程技術(shù)［5］。多線程技術(shù)具有提高進程使用率、CPU利用率及數(shù)據(jù)吞吐量等優(yōu)點。

目前，空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺共配置三路數(shù)據(jù)，分別輸出至流量預(yù)測系統(tǒng)、空管復(fù)盤分析系統(tǒng)和QNH 不一致告警系統(tǒng)。Java 內(nèi)置了對多線程的支持，可以很方便地開發(fā)出具備多線程功能，同時處理多個任務(wù)的應(yīng)用。多線程技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路輸出的主要步驟為：①為各路數(shù)據(jù)輸出創(chuàng)建MyThread 類的對象；②重寫run（）方法，即定義該線程輸出數(shù)據(jù)類型及輸出目的地址和端口號；③調(diào)用線程對象的start（）方法啟動線程。

由于空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺可對各路數(shù)據(jù)輸出進行開關(guān)操作，當配置了多條輸出鏈路時，進程的創(chuàng)建和銷毀將占用較大資源，影響系統(tǒng)性能。使用Java 的線程池接口，因為線程池具有多重優(yōu)點：可減少創(chuàng)建新線程的時間，提高響應(yīng)速度；重復(fù)利用線程池中線程，不需要每次都創(chuàng)建，降低資源消耗；便于線程管理等。調(diào)用Java newCacheThreadPol（l）方法，創(chuàng)建一個可緩存的線程池，并提前創(chuàng)建好多個線程，放入線程池中，使用時直接獲取，使用完放回池中?？梢员苊忸l繁創(chuàng)建銷毀、實現(xiàn)重復(fù)利用。

上述多線程技術(shù)，最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)輸出模塊的多路輸出，并具有穩(wěn)定性及可靠性。

3 實驗結(jié)果與分析

空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺的人機界面采用分頁式界面設(shè)計［6］，總共劃分成數(shù)據(jù)輸入流監(jiān)控、數(shù)據(jù)輸出流監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢（調(diào)用）、日志記錄及配置管理共五大功能頁。各功能頁面顯示簡潔、友好，其中通過數(shù)據(jù)輸入、輸出流監(jiān)控頁面可直觀查看到各條鏈路狀態(tài)，并可在數(shù)據(jù)輸入、輸出流配置界面對鏈路進行開關(guān)或者數(shù)據(jù)源選擇等操作。數(shù)據(jù)輸入流監(jiān)控界面及數(shù)據(jù)輸出流配置界面分別如圖7、圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)輸入流監(jiān)控界面

圖8 數(shù)據(jù)輸出流配置界面

系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)查詢功能頁面，可以查詢到各輸入監(jiān)視源的歷史數(shù)據(jù)，并可進行歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出或調(diào)用輸出操作。而系統(tǒng)的日志記錄功能頁面可以查詢到歷史告警信息，系統(tǒng)操作日志等內(nèi)容。最后一項管理配置功能頁面則提供常用告警參數(shù)設(shè)置，歷史數(shù)據(jù)輸出目的地址及端口號等參數(shù)設(shè)置。

4 結(jié)語

空管綜合數(shù)據(jù)交互平臺通過NIO、多線程技術(shù)實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的輸入及輸出。通過改進型Hash 算法實現(xiàn)信息的共享性和數(shù)據(jù)封裝性。在系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，技術(shù)維護人員通過系統(tǒng)可進行本地數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)資源的合理規(guī)劃，數(shù)據(jù)應(yīng)用的規(guī)范輸出，提高了技術(shù)維護部門的工作效率，降低在用系統(tǒng)服務(wù)器的工作壓力。同時，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可擴展性和可維護性，為后期本地三級數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供了借鑒經(jīng)驗；此外，系統(tǒng)還可與分局的自研項目，如：空管復(fù)盤分析系統(tǒng)、雷達質(zhì)量分析系統(tǒng)進行互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放及數(shù)據(jù)質(zhì)量分析等功能，該系統(tǒng)將在空管單位和地方機場具有廣泛的應(yīng)用前景。