空管數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案分析

胡思宇

（民航機(jī)場規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100025）

1 空管數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

空管各類系統(tǒng)基本分為兩大類：核心生產(chǎn)系統(tǒng)，如航管自動化、內(nèi)話系統(tǒng)、自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)、氣象預(yù)報系統(tǒng)等；輔助生產(chǎn)類系統(tǒng)，如管制綜合信息系統(tǒng)、航空情報資料管理系統(tǒng)、管制運行支持系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)信息資源基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)相對獨立，計算資源無法得到充分利用，且可擴(kuò)展性較差。并且各系統(tǒng)開放程度及數(shù)據(jù)接口規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化程度不一，容易形成數(shù)據(jù)孤島。為解決空管系統(tǒng)發(fā)展過程中的實際問題，本文以地區(qū)空管局為例，闡述空管數(shù)據(jù)中心建設(shè)及設(shè)計思路。

2 地區(qū)空管局?jǐn)?shù)據(jù)中心設(shè)計方案

2.1 總體定位

總體建設(shè)定位為地區(qū)空管的核心數(shù)據(jù)中心，建設(shè)以數(shù)據(jù)資源整合利用為出發(fā)點，以服務(wù)核心業(yè)務(wù)為宗旨，承擔(dān)地區(qū)核心生產(chǎn)業(yè)務(wù)，以及管理業(yè)務(wù)，并提供底層數(shù)據(jù)的存儲容災(zāi)備份，建設(shè)過程中需充分考慮所抽取的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有生產(chǎn)運行系統(tǒng)的關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)剝離、松耦合，不影響核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運行。

2.2 總體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

地區(qū)空管局?jǐn)?shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)體系可分為6個層次，從下至上分別為數(shù)據(jù)來源（空管業(yè)務(wù)系統(tǒng)）、資源層（云基礎(chǔ)資源服務(wù)）、數(shù)據(jù)層（大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)組件）、IT能力層（Paas平臺）、中臺服務(wù)層（數(shù)據(jù)中臺服務(wù)）和業(yè)務(wù)前臺層（大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用）。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.3.1 基礎(chǔ)資源服務(wù)

基礎(chǔ)資源服務(wù)管理組件是云平臺IaaS層的管理軟件，負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施資源的接入和統(tǒng)一管理。云通過API接入或OpenStack接口方式可以將資源池添加到多資源池管理組件中。

2.3.2 平臺資源服務(wù)

平臺資源服務(wù)管理組件（PaaS）的主要作用是為應(yīng)用的開發(fā)、部署和運維管理提供支撐平臺，實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)交付和管理與基礎(chǔ)設(shè)施資源的解耦。PaaS層應(yīng)具備公用組件管理能力、應(yīng)用自動化部署管理能力、容器管理能力、微服務(wù)管理能力。

2.3.3 云管控服務(wù)

云管理系統(tǒng)是云計算平臺的管理核心，核心支撐能力應(yīng)包括云租戶管理、云監(jiān)控集成、服務(wù)管理、配置管理、運維管理等相關(guān)能力，并能夠與底層基礎(chǔ)資源進(jìn)行對接整合，主要作用是將資源、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、服務(wù)和監(jiān)控等信息綜合起來為整個云環(huán)境提供一體化的管理能力，方便從整體上對云環(huán)境進(jìn)行常見的運維操作。

2.3.4 數(shù)據(jù)中臺服務(wù)

大數(shù)據(jù)計算服務(wù)：企業(yè)級的大數(shù)據(jù)處理環(huán)境是一個分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對外提供大容量的數(shù)據(jù)存儲、分析查詢和實時流式數(shù)據(jù)處理分析能力。包括大規(guī)模離線計算引擎、實時計算引擎、人工智能等組件。

分布式數(shù)據(jù)庫服務(wù)：企業(yè)級的MPP關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基于列存儲和MPP架構(gòu)，是為面向結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析而設(shè)計開發(fā)的，能夠有效處理PB級別的數(shù)據(jù)量，用于解決空管海量數(shù)據(jù)處理性能問題，為大規(guī)模數(shù)據(jù)管理提供高性價比的通用計算平臺，并可用于支撐各類數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)、BI系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，統(tǒng)一為上層應(yīng)用的決策分析等提供服務(wù)。

數(shù)據(jù)倉庫（湖）的設(shè)計：模型采用分層設(shè)計，分別從面向數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用、面向數(shù)據(jù)存儲模型以及面向數(shù)據(jù)層次分類的角度考慮建設(shè)，可具體分為：緩沖層、貼源層、明細(xì)層、匯總層、集市層。

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計：數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)作為前端源數(shù)據(jù)接入管控系統(tǒng)，應(yīng)具備空管服務(wù)總線、數(shù)據(jù)接入管理、采集接口配置、數(shù)據(jù)抽取、接入數(shù)據(jù)盤點、接入鑒權(quán)、接入擁塞、接入數(shù)據(jù)調(diào)度及接入任務(wù)監(jiān)控功能。

2.3.5 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺

（1）信息共享服務(wù)。內(nèi)部對接大數(shù)據(jù)平臺，外部云管理門戶（服務(wù)發(fā)布集成）。從大數(shù)據(jù)數(shù)倉（湖）獲取生產(chǎn)者提供航班動態(tài)計劃、航班動態(tài)航跡、流控數(shù)據(jù)等，為消費者提供航班計劃服務(wù)。總線對外提供的數(shù)據(jù)存放至云管理門戶服務(wù)發(fā)布集成的隊列中，外部單位在權(quán)限許可的前提下，如需消費空管數(shù)據(jù)服務(wù)需要集成MQ SDK，通過訂閱對應(yīng)的topic來獲取。

（2）數(shù)據(jù)資源目錄。數(shù)據(jù)資源目錄可以幫助用戶了解數(shù)據(jù)代表的業(yè)務(wù)含義，彌補業(yè)務(wù)與IT之間的隔閡，讓數(shù)據(jù)更容易被組織內(nèi)部的各種角色所理解。同時，還可以很容易地獲取數(shù)據(jù)的屬性信息，讓用戶對數(shù)據(jù)資料有更全面和直觀的了解。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。對數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行全生命周期的監(jiān)督管理，以數(shù)據(jù)服務(wù)的形式支撐各種業(yè)務(wù)場景。數(shù)據(jù)服務(wù)全生命周期包括：服務(wù)開發(fā)、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)訂閱、服務(wù)調(diào)用、質(zhì)量監(jiān)控和優(yōu)化提升。

（4）數(shù)據(jù)級聯(lián)。數(shù)據(jù)服務(wù)平臺有橫向、縱向的級聯(lián)功能，可實現(xiàn)目錄和服務(wù)的級聯(lián)，通過數(shù)據(jù)服務(wù)平臺聯(lián)盟，建設(shè)地區(qū)分局內(nèi)全覆蓋的“數(shù)據(jù)高速公路”，實現(xiàn)地區(qū)空管信息資源“一盤棋”。

（5）多維分析及算法。用于探索式數(shù)據(jù)分析，支持面向數(shù)據(jù)專家、業(yè)務(wù)分析人員的交互式自助分析探索的多維數(shù)據(jù)分析，提供豐富的展現(xiàn)與交互渲染技術(shù)（表格、圖形分析和展現(xiàn)組件等），增強(qiáng)人機(jī)界面操作。

（6）標(biāo)簽服務(wù)。標(biāo)簽已成為業(yè)務(wù)運營的核心，標(biāo)簽體系的建設(shè)是從航班和管制員入手，以智能分析為基礎(chǔ)，閉環(huán)式管理為主線，以智能決策引擎開放大數(shù)據(jù)分析能力，實現(xiàn)全景視圖、個性化信息協(xié)同共享。

2.3.6 信息安全管理體系

（1）業(yè)務(wù)資源安全隔離主要包括虛擬化隔離、CPU隔離、內(nèi)存隔離、鏡像安全。數(shù)據(jù)安全方面規(guī)劃在核心交換機(jī)旁掛數(shù)據(jù)庫審計系統(tǒng)，通過Agent代理的方式，對所有對于數(shù)據(jù)庫訪問的流量進(jìn)行審計。應(yīng)用安全方面，云計算中心部署有面向租戶訪問的Webportal（Console），因此，需要專業(yè)的WAF（Web應(yīng)用防火墻）抵御針對Web的各類攻擊行為。

（2）安全管理中心建設(shè)：安全管理中心通過安全管理平臺以云化方式提供整體安全后臺的管理工作，同時作為信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)平臺的二級域，主要包括：安全態(tài)勢感知服務(wù)、統(tǒng)一身份認(rèn)證、CA認(rèn)證、堡壘接服務(wù)、漏洞掃描及日志審計服務(wù)。

2.4 計算資源評估

空管計算數(shù)據(jù)基本分為三類。第一類是離線計算用于在空中交通泛感知中從海量歷史數(shù)據(jù)中挖掘空中交通運行規(guī)律；第二類是即時處理航跡、流量、視頻圖像的流式計算，和空中交通事件的實時提取等；第三類是支持即時決策的實時計算，如流量預(yù)測、運行趨勢分析、應(yīng)急方案觸發(fā)分析等。

各地區(qū)根據(jù)情況不同，按需考慮虛擬機(jī)虛擬CPU數(shù)，虛擬CPU總數(shù)計算方式為（虛擬機(jī)需求數(shù)×虛擬CPU需求數(shù)），按照一個物理CPU提供兩個虛擬CPU來考慮，并考慮20%預(yù)留可得出實體CPU。

2.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用場景

數(shù)據(jù)中心最終業(yè)務(wù)應(yīng)用場景主要體現(xiàn)在兩方面。第一是運行可視化應(yīng)用，分為管制指揮可視化、流量管理可視化、管制運行現(xiàn)場可視化、地區(qū)運行態(tài)勢可視化、運維可視化等。第二是運行輔助決策應(yīng)用，分為管制指揮檢測預(yù)警、管制指揮輔助決策、流量管理輔助決策等。下面以兩個例子具體說明數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景。

2.5.1 智慧塔臺輔助決策

塔臺管制為機(jī)場本場直接提供管制服務(wù)，通過場面資源基礎(chǔ)信息專題庫、空域資源基礎(chǔ)信息專題庫、地面管制動態(tài)信息專題庫、塔臺空中管制動態(tài)信息專題庫、航延預(yù)測及分析專題庫服務(wù)支撐塔臺的管制業(yè)務(wù)。將以下席位作為系統(tǒng)使用對象，進(jìn)行業(yè)務(wù)模塊及能力設(shè)計分析。

（1）對放行席位提供準(zhǔn)確的在線實時分析服務(wù)：是指定跑道、領(lǐng)航計劃信息數(shù)據(jù)唯一源頭，保證飛行任務(wù)前置信息的準(zhǔn)確性；統(tǒng)一規(guī)劃與機(jī)組交互的放行過程，放行指令實時推送，提供向?qū)椒判蟹?wù)。

（2）對地面管制席位提供輔助地面決策服務(wù)：離港場景下輔助判斷能否推出開車、能否開始機(jī)坪滑行、是否符合移交條件，根據(jù)判斷結(jié)果自動生成指令，包含推出開車時刻、滑行路徑、移交時刻等內(nèi)容。進(jìn)場場景下輔助判斷機(jī)坪滑行路徑、是否存在影響航空器正?；星闆r，自動生成指令（含滑行路徑、移交時刻等）或提示進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)通報流程。除此之外，大數(shù)據(jù)可對地面態(tài)勢進(jìn)行實時感知服務(wù)，監(jiān)控地面滑行沖突、機(jī)組是否根據(jù)指令執(zhí)行等，異常則進(jìn)行聲光告警，并重新進(jìn)行智能規(guī)劃。

（3）對塔臺管制席位可提供跑道智能化輔助跑道決策服務(wù)，以及跑道運行態(tài)勢感知服務(wù)。跑道輔助決策服務(wù)在離港場景下，智能化輔助滑行判斷、是否滿足進(jìn)跑道條件、起飛條件判斷并生成指令。進(jìn)港場景下智能化輔助判斷是否滿足落地條件，根據(jù)判斷結(jié)果自動生成指令。跑道運行態(tài)勢感知服務(wù)主要為監(jiān)控跑道是否可用、航空器落地過程及五邊情況、脫離情況等，異常則進(jìn)行聲光告警，并重新進(jìn)行智能規(guī)劃。

（4）對主任管制席位提供地航空器地面滑行、放行、降落條件、起飛間隔、管制員壓力等維度的品控分析。具體為記錄地面滑行時間等信息，進(jìn)行地面滑行時間優(yōu)質(zhì)率分析；記錄飛機(jī)實際的撤輪擋、起飛等時刻信息、時隙使用率分析，提供數(shù)字化放行品控分析；記錄機(jī)組復(fù)飛情況，進(jìn)行復(fù)飛率分析；記錄地面滑行間隔統(tǒng)計分析、起飛間隔統(tǒng)計分析、落地間隔統(tǒng)計分析；記錄管制員崗位語音通話時長、高峰崗位管制架次分析、平均崗位管制架次分析。

2.5.2 空域態(tài)勢建模和航跡仿真

目前，在已有各類管制操作系統(tǒng)和管制輔助系統(tǒng)基礎(chǔ)上，從底層整合各類管制信息和數(shù)據(jù)，形成對多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)識與管理，實現(xiàn)對管制運行場景的可視化分析，并利用大數(shù)據(jù)挖掘?qū)ξ磥砹髁窟M(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測?？沼驊B(tài)勢建模和航跡仿真具體能力如下：

（1）建立基于大數(shù)據(jù)的多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機(jī)制。針對當(dāng)前空管局大數(shù)據(jù)和云平臺收集的各類管制運行數(shù)據(jù)、管制操作數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、空域數(shù)據(jù)等歷史數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)方案，在保留數(shù)據(jù)關(guān)鍵內(nèi)容的基礎(chǔ)上，減少數(shù)據(jù)量，統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，實現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)信息的整合和關(guān)聯(lián)。

（2）建立數(shù)據(jù)化空域態(tài)勢模型。結(jié)合航空器4D軌跡、計劃航路、管制運行規(guī)則、管制協(xié)議、空域限制、氣象影響及流量限制措施等建立數(shù)據(jù)化的空域態(tài)勢模型，用各類數(shù)據(jù)真實反映當(dāng)時空域運行情況。

（3）實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)化空域態(tài)勢模型的流量預(yù)測。基于對航空器4D軌跡、計劃航路、管制運行規(guī)則、管制協(xié)議、當(dāng)前空域運行態(tài)勢模型和航空器運行歷史規(guī)律的大數(shù)據(jù)分析，推算航空器未來某一時刻的位置、高度、速度等信息，并進(jìn)一步根據(jù)建立的數(shù)據(jù)化空域態(tài)勢模型預(yù)測未來轄區(qū)內(nèi)各航路點、航段、扇區(qū)和區(qū)域一段可選時間段的流量情況。

3 結(jié)語

本文對國內(nèi)外的空管數(shù)據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，根據(jù)國內(nèi)空管數(shù)據(jù)中心建設(shè)的情況，給出了未來空管局?jǐn)?shù)據(jù)中心建設(shè)的思路和目標(biāo)，并以地區(qū)空管局為例提出了空管數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路及未來數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。