王 鵬，王曉亮，張 喆，吳仁彪

（中國(guó)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）

0 引 言

隨著低空空域［1－3］的逐步開(kāi)放，通航飛行需求急劇增長(zhǎng)，通用航空飛行安全技術(shù)保障手段目前比較匱乏。通航飛行服務(wù)站通過(guò)對(duì)接收到的航跡數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)、航行情報(bào)數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為飛行服務(wù)及應(yīng)急搜救提供信息。飛行數(shù)據(jù)處理為飛行服務(wù)站的核心系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)，具有承上啟下的作用。通用航空與運(yùn)輸航空相比存在若干差異：通用航空器飛行高度較低，與運(yùn)輸航空相比在爬升和下降過(guò)程存在差異；通用航空器體積較小，航空器在飛行速度、爬升 （下降）率、加 （減）速度等性能差異較大；航空器受地面氣流影響較大，飛行航跡變化較劇烈，通用航空器在飛行計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程中，受人為因素影響較大，造成無(wú)法嚴(yán)格執(zhí)行飛行計(jì)劃；通用航空部分空域監(jiān)視設(shè)施匱乏，無(wú)法提供可靠的監(jiān)視數(shù)據(jù)［4－8］。因此基于上述差異，需要針對(duì)通用航空的特點(diǎn)，對(duì)通航飛行數(shù)據(jù)處理進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于保障通用航空器飛行安全發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與業(yè)務(wù)流程

通用航空飛行服務(wù)站綜合運(yùn)行支持系統(tǒng)包括：綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、航行情報(bào)服務(wù)系統(tǒng)、氣象服務(wù)系統(tǒng)、搜救服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)前端處理系統(tǒng)、多源航跡融合系統(tǒng)、沖突探測(cè)系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及中間件，飛行服務(wù)站系統(tǒng)組成如圖1所示。飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是飛行服務(wù)站的核心系統(tǒng)之一，具有承上啟下的作用。飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)提供的計(jì)劃報(bào)文，接收自主研發(fā)的航跡融合系統(tǒng)提供的航跡數(shù)據(jù)，以及接收自主研發(fā)的綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)提供的操作指令，飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行處理，將處理結(jié)果輸出給綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。通航飛行數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖1 飛行服務(wù)站系統(tǒng)組成

圖2 通航飛行數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)流程

飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的具體業(yè)務(wù)流程為：

（1）飛行服務(wù)站接收計(jì)劃報(bào)文后，系統(tǒng)將對(duì)計(jì)劃報(bào)文進(jìn)行解析，存儲(chǔ)飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

（2）飛行服務(wù)站負(fù)責(zé)維護(hù)飛行計(jì)劃的生命周期，不同的計(jì)劃狀態(tài)構(gòu)成了飛行計(jì)劃的生命周期，計(jì)劃狀態(tài)的變更可以由系統(tǒng)根據(jù)一定條件自動(dòng)產(chǎn)生，也可以人工生成。

（3）飛行服務(wù)站人員可根據(jù)航空用戶需求對(duì)計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢或編輯操作。

（4）飛行服務(wù)站負(fù)責(zé)將飛行計(jì)劃與航跡自動(dòng)關(guān)聯(lián)，使飛行服務(wù)站人員直觀了解航空器飛行意圖，從而做出正確的指揮決策。

（5）飛行服務(wù)站負(fù)責(zé)根據(jù)飛行計(jì)劃、航路信息及航空器性能參數(shù)對(duì)計(jì)劃航跡進(jìn)行估算，得到的計(jì)劃航跡與實(shí)際航跡進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢測(cè)當(dāng)前航空器是否偏航。

（6）飛行服務(wù)站負(fù)責(zé)根據(jù)計(jì)劃信息、計(jì)劃狀態(tài)、航跡估算信息、實(shí)際航跡及報(bào)告信息維護(hù)電子進(jìn)程單的生成與更新。電子進(jìn)程單能夠幫助飛行服務(wù)站人員掌握所有航空器的飛行動(dòng)態(tài)，為保障航空器安全飛行發(fā)揮重要作用。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、基礎(chǔ)支持服務(wù)、業(yè)務(wù)邏輯層以及前端展示系統(tǒng)組成。基于存儲(chǔ)過(guò)程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框架如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及維護(hù)，包括飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù)、航跡估算數(shù)據(jù)庫(kù)、航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)、偏航告警數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（2）基礎(chǔ)支持服務(wù)：基礎(chǔ)支持服務(wù)提供了系統(tǒng)所需的模型及處理方法，包括基于存儲(chǔ)過(guò)程的數(shù)據(jù)庫(kù)操作模型、計(jì)劃報(bào)文解析方法、狀態(tài)變更模型、計(jì)劃航跡估算模型、計(jì)劃航跡更新算法、計(jì)劃航跡與實(shí)際航跡偏差計(jì)算方法。

（3）業(yè)務(wù)邏輯層：業(yè)務(wù)邏輯層為飛行服務(wù)站飛行數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)制定了基本的功能操作。系統(tǒng)定義了一些基本操作，包括飛行計(jì)劃存儲(chǔ)、計(jì)劃查詢、計(jì)劃編輯、計(jì)劃與航跡關(guān)聯(lián)、計(jì)劃狀態(tài)變更、偏航告警檢測(cè)、電子進(jìn)程單生成與更新。

（4）前端展示層：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將輸出飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)、電子進(jìn)程單計(jì)劃狀態(tài)、電子進(jìn)程單航路點(diǎn)數(shù)據(jù)、計(jì)劃航跡與實(shí)際航跡偏差、偏航告警或告警解除指令，執(zhí)行結(jié)果可在飛行數(shù)據(jù)處理終端顯示，輸出信息可在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他終端發(fā)布。

圖3 基于存儲(chǔ)過(guò)程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框架

2.2 功能設(shè)計(jì)

針對(duì)上述總體設(shè)計(jì)，基于存儲(chǔ)過(guò)程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括了以下幾個(gè)基本功能：

（1）報(bào)文解析模塊。該模塊負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)接收到的計(jì)劃報(bào)文進(jìn)行格式校驗(yàn)與內(nèi)容解析。

（2）飛行計(jì)劃存儲(chǔ)模塊。該模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。

（3）飛行計(jì)劃管理模塊。該模塊負(fù)責(zé)更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)以及為其他模塊提供數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)種類包括計(jì)劃數(shù)據(jù)、航跡估算數(shù)據(jù)、航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、偏航告警數(shù)據(jù)等。

（4）計(jì)劃航跡估算模塊。該模塊負(fù)責(zé)估算及更新預(yù)計(jì)經(jīng)過(guò)計(jì)劃位置點(diǎn)的時(shí)間、高度等。

（5）計(jì)劃狀態(tài)變更模塊。該模塊負(fù)責(zé)根據(jù)計(jì)劃狀態(tài)變更機(jī)制觸發(fā)生成狀態(tài)變更信息。

（6）電子進(jìn)程單生成與更新模塊。該模塊負(fù)責(zé)生成及更新電子進(jìn)程單信息，其內(nèi)容包括電子進(jìn)程單計(jì)劃數(shù)據(jù)、電子進(jìn)程單狀態(tài)變更數(shù)據(jù)、電子進(jìn)程單航路點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（7）計(jì)劃與航跡關(guān)聯(lián)模塊。該模塊負(fù)責(zé)根據(jù)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則將飛行計(jì)劃與航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（8）飛行計(jì)劃一致性檢驗(yàn)?zāi)K。該模塊負(fù)責(zé)計(jì)算計(jì)劃航跡與實(shí)際航跡的位置偏差，生成偏航告警及告警解除信息。

（9）數(shù)據(jù)分發(fā)模塊。該模塊負(fù)責(zé)飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)各模塊間的數(shù)據(jù)通信。

（10）日志記錄模塊。該模塊負(fù)責(zé)記錄軟件執(zhí)行結(jié)果及運(yùn)行狀態(tài)，為排查軟件運(yùn)行故障提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)庫(kù)均為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù)用于維護(hù)計(jì)劃報(bào)文解析后的數(shù)據(jù)，包括飛機(jī)國(guó)籍登記號(hào)、飛行種類、預(yù)計(jì)起飛時(shí)間、預(yù)計(jì)航路飛行時(shí)間、預(yù)計(jì)巡航高度、預(yù)計(jì)真空速、起飛機(jī)場(chǎng)、著陸機(jī)場(chǎng)、備降機(jī)場(chǎng)、預(yù)計(jì)飛行路徑等信息；航跡估算數(shù)據(jù)庫(kù)用于維護(hù)計(jì)劃航跡估算及更新數(shù)據(jù)，包括飛機(jī)國(guó)籍登記號(hào)、計(jì)劃航跡點(diǎn)代碼、計(jì)劃點(diǎn)經(jīng)度、計(jì)劃點(diǎn)緯度、計(jì)劃點(diǎn)高度、計(jì)劃點(diǎn)速度、計(jì)劃航向、計(jì)劃到達(dá)時(shí)間等信息；航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)用于維護(hù)計(jì)劃與航跡的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，包括飛機(jī)國(guó)籍登記號(hào)、目標(biāo)地址等信息；偏航告警數(shù)據(jù)庫(kù)用于維護(hù)偏航告警及告警解除數(shù)據(jù)，包括飛機(jī)國(guó)籍登記號(hào)、告警種類等信息；地圖數(shù)據(jù)庫(kù)用于維護(hù)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的位置數(shù)據(jù)，包括位置代碼、位置經(jīng)度、位置緯度、位置高度等信息。

2.4 接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接口如圖4所示，包括依賴系統(tǒng)、系統(tǒng)輸入、數(shù)據(jù)處理決策、系統(tǒng)輸出。

（1）依賴系統(tǒng)：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)正常運(yùn)行需要依賴如下系統(tǒng)：

1）轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)，為飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供計(jì)劃報(bào)文；2）自主研發(fā)的航跡融合系統(tǒng)，為飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供航跡數(shù)據(jù)；

3）自主研發(fā)的綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)向飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送操作指令，同時(shí)顯示飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)。

（2）輸入接口：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入接口包括：計(jì)劃報(bào)文、航跡數(shù)據(jù)、計(jì)劃查詢／修改指令、狀態(tài)變更指令、報(bào)告數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理決策：應(yīng)用功能模塊響應(yīng)系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。應(yīng)用功能模塊包括：處理模塊、通信模塊、日志模塊。其中處理模塊用于處理系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)，分為計(jì)劃處理模塊與航跡處理模塊；通信模塊用于各模塊間的數(shù)據(jù)交互；日志模塊用于記錄各模塊的執(zhí)行信息。

圖4 基于存儲(chǔ)過(guò)程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

（4）系統(tǒng)輸出：通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸出接口包括：計(jì)劃數(shù)據(jù)、電子進(jìn)程單計(jì)劃狀態(tài)、電子進(jìn)程單航路點(diǎn)數(shù)據(jù)、計(jì)劃航跡與實(shí)際航跡偏差、偏航告警與告警解除數(shù)據(jù)。

3 基于存儲(chǔ)過(guò)程的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于存儲(chǔ)過(guò)程的數(shù)據(jù)庫(kù)操作模型

存儲(chǔ)過(guò)程的定義請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn) ［9］。本文在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)操作模型的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中加入了一層存儲(chǔ)過(guò)程，存儲(chǔ)過(guò)程在數(shù)據(jù)庫(kù)中表現(xiàn)為一組完成特定功能的SQL程序集合，只編譯一次，經(jīng)編譯后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中［10］。

3.2 基于存儲(chǔ)過(guò)程的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

本文采用面向?qū)ο罂梢暬疺isual Studio C＋＋2010以及SQL Server 2008R2開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)基于存儲(chǔ)過(guò)程的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示。飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的每個(gè)子功能模塊被封裝成一個(gè)類，由系統(tǒng)控制模塊進(jìn)行調(diào)用。外部應(yīng)用程序只需要調(diào)用系統(tǒng)控制模塊中的函數(shù)便可以操控系統(tǒng)各子功能完成數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的獲取與更新采用存儲(chǔ)過(guò)程技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，使在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)僅僅是有用的數(shù)據(jù)。

3.3 基于存儲(chǔ)過(guò)程的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

根據(jù)飛行服務(wù)站通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的需求分析，在系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)，在大量測(cè)試后逐步形成了滿足需求且性能穩(wěn)定的版本。工程樣機(jī)如圖6（a）所示，通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)行在后臺(tái)機(jī)架服務(wù)器上；系統(tǒng)界面如圖6（b）所示，執(zhí)行結(jié)果可在系統(tǒng)界面上顯示；通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)顯示在自主研發(fā)的綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)上，如圖6（c）所示。

3.4 基于存儲(chǔ)過(guò)程的性能測(cè)試

（1）測(cè)試環(huán)境：測(cè)試依賴系統(tǒng)為：轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)、航跡融合系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。各應(yīng)用程序運(yùn)行在終端計(jì)算機(jī)上，所用操作系統(tǒng)為 Windows 7；數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行在機(jī)架式服務(wù)器上，所用操作系統(tǒng)為Windows Server 2008R2。測(cè)試環(huán)境如圖7所示。

（2）測(cè)試方法：測(cè)試分別采用基于常規(guī)方法和基于存儲(chǔ)過(guò)程的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)相同數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)試數(shù)據(jù)分為多組，每組由不同數(shù)量的數(shù)據(jù)條組成，分別記錄采用兩種方法處理不同組數(shù)據(jù)的總耗時(shí)、單條處理時(shí)間以及CUP占用率。兩種方法均只開(kāi)啟和關(guān)閉一次與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，接收到數(shù)據(jù)處理指令且完成數(shù)據(jù)庫(kù)連接后開(kāi)始計(jì)時(shí)，完成一組數(shù)據(jù)處理之后停止計(jì)時(shí)并關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，每組數(shù)據(jù)均重復(fù)處理50次后將平均處理時(shí)間作為此組數(shù)據(jù)的最終處理時(shí)間。

圖5 基于存儲(chǔ)過(guò)程的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

圖6 系統(tǒng)界面及工程應(yīng)用

圖7 測(cè)試環(huán)境

（3）數(shù)據(jù)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，為了便于論述本文采用如下幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。

基于兩種方法的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的耗時(shí)比較如圖8所示。代表常規(guī)方法總耗時(shí)，代表存儲(chǔ)過(guò)程方法總耗時(shí)，由圖可以看出，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，常規(guī)方法的總耗時(shí)快速增長(zhǎng)，存儲(chǔ)過(guò)程方法的總耗時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)比較緩慢，且總耗時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于常規(guī)方法。當(dāng)處理的數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，兩種方法總耗時(shí)的增長(zhǎng)趨勢(shì)均趨于平緩，但存儲(chǔ)過(guò)程方法的總耗時(shí)僅為常規(guī)方法總耗時(shí)的千分之一左右。代表常規(guī)方法單條耗時(shí)，代表存儲(chǔ)過(guò)程方法單條耗時(shí)，由圖可以看出，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，常規(guī)方法的單條處理時(shí)間幾乎不變，但存儲(chǔ)過(guò)程方法的單條處理時(shí)間首先呈指數(shù)趨勢(shì)減少，當(dāng)數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，減少趨勢(shì)逐漸平緩，且遠(yuǎn)小于常規(guī)方法。

圖8 兩種方法數(shù)據(jù)處理耗時(shí)比較

基于兩種方法的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)時(shí)的CPU占用率比較如圖9所示。代表常規(guī)方法CPU占用率，代表存儲(chǔ)過(guò)程方法CPU占用率，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，常規(guī)方法的CPU占用率會(huì)緩慢增長(zhǎng)，而存儲(chǔ)過(guò)程方法的CPU占用率幾乎不變且遠(yuǎn)小于常規(guī)方法。

圖9 兩種方法CPU占用率比較

（4）數(shù)據(jù)分析：常規(guī)方法中SQL語(yǔ)句的編譯次數(shù)以及應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信次數(shù)會(huì)隨著處理數(shù)據(jù)條數(shù)的增加而增加；區(qū)別于常規(guī)方法，存儲(chǔ)過(guò)程只編譯一次，經(jīng)編譯后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中，是一種可復(fù)用組件，且存儲(chǔ)過(guò)程中應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信次數(shù)有限，使得基于存儲(chǔ)過(guò)程的飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在處理速度及CPU占用率上較常規(guī)方法更具優(yōu)勢(shì)，能夠較穩(wěn)定的快速處理數(shù)據(jù)以滿足系統(tǒng)的性能需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)通用航空特點(diǎn)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)基于存儲(chǔ)過(guò)程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及接口設(shè)計(jì)，為滿足系統(tǒng)性能需求采用了存儲(chǔ)過(guò)程技術(shù)并在 Visual Studio C＋＋ 2010以及SQL Server 2008R2開(kāi)發(fā)環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，闡述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法以及工程應(yīng)用上的運(yùn)行實(shí)例并完成了系統(tǒng)的性能測(cè)試。該系統(tǒng)可以為我國(guó)低空開(kāi)放和通用航空發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。

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