广域信息管理系统体系结构

本发明涉及广域信息管理系统(swim)的空管数据共享体系结构，尤其是针对多源异构的数据解析和转换，可以有效解决民航领域各系统间交互的兼容性问题。

背景技术：

1、随着全球民航业务的扩张和发展，与其运营相关的信息系统也在进行新旧更替和变化。然而，信息系统之间的交互面临着耦合性、灵活性、兼容性等方面的挑战。虽然民航业的不断发展使得民航信息网络得到了一定程度的优化，但目前全球的民航信息系统仍然无法灵活、便捷的通信。航空器运营商、机场、空中管制单位等也都各自设计、开发和维护了特定的信息业务系统。不同或大量的民航系统之间在进行数据交换时，会出现数据接口独立等许多复杂问题，这导致了业务系统间数据结构和定义的差异，增加了交互的成本和障碍，特别是在跨国飞行过程中给航空器的正常运营带来不安全因素以及不利影响。“信息孤岛”现象会成为各系统间信息共享的极大障碍。

2、我国民航空管较早建设的信息化系统不能满足日益增长的民航数据实时共享交互的需求。目前，针对数据共享缺乏统一标准、缺少全空管信息系统范围内数据的共享和互操作的问题，结合我国实际情况进行swim体系结构设计是研究热点之一。

3、目前，在针对swim系统的整体架构上，研究成果颇多。m.s.taylor提出了空中交通管理环境中通用的swim体系架构。xiaodong lu/tadashi koga讨论了使用服务保障的swim系统架构的时效性，特别是在faa主导的swim相关项目上应用了信息交换模型标准。dariodi crescenzo对swim-suit原型架构和主要软件组件进行了概述，并介绍了欧洲空中交通管理系统连接到swim-suit原型的验证工作。verma a从swim外部用户的角度阐述了一个接入swim的实现方法。georg trausmuth概述了空管系统能够连接到swim基础架构的过渡适配方法。北京航空航天大学的罗喜伶等依据swim标准，从物理实现、数据模型，以及服务的构建、组合等层面，对广域信息管理的飞行数据服务设计与实现。我们也专注于swim系统的核心技术研究，提出了访问控制方法，通过预留的各类数据接口将多元异质的数据引接到航域信息处理系统，从而提高民航领域信息交互的灵活性。

4、swim体系结构可以为解决上述问题提供有益的借鉴。传统swim体系结构体现出以下两个优点：1)swim具备可复用、松耦合的特点，对于数据域的划分十分细致，也提出了较为完备的标准规范，是实现民航信息化的关键；2)现有信息需求用户不需要进行大规模系统修改，也不需要针对特定的提供方开发新的信息接口，就能顺利接入swim，通过合法授权得到需要的信息；3)在开发新的信息需求系统时，可以重用现有的软件系统。同时，通过使用soa过程中通用协议和消息格式等来节省开发耗时。但是，传统swim体系结构并不能直接适用于我国实际情况：1)swim中数据和业务种类较多，不同地区的空管系统、航空公司在同swim概念模型上还存在许多难以对接的情况，民航领域各系统间交互的兼容性问题依然存在；2)现有的民航业务系统间互联的方式不能满足系统之间信息共享的需求。

5、以上问题促使我们完善swim各层的功能，提出一种更加细化swim体系结构。本专利在icao提出的基本概念架构下进行细化扩展。从系统体系的角度而言，swim就是通过建立系统级的信息管理体系，建立一种低成本高效益的空管数据信息交换模式，为不同的用户在正确的时问提供正确的服务；从数据共享的角度而言，swim技术将提供通用的操作画面给所有空管数据用户，允许实时数据分享；从网络的角度而言，swim是一个网络中心方案，采用面向服务的框架结构，通过对不同的系统提供统一的swim核心服务的形式，解决这些系统间的信息互通问题，从而适应系统未来发展的需要。

技术实现思路

1、本专利提出的swim系统的可操作体系结构包括ip网络层、swim基础设施层、信息交换模型信息交换服务层和swim应用层的五层操作架构。接入系统代表已与swim连接的独立空中交通管理系统；数据管道主要利用航班信息交换模型、飞行信息交换模型和气象信息交换模型对空中交通管理异构数据进行了规范并将统一格式后的数据整合为服务信息；数据引接系统提供了基础设施层的核心功能，包括数据解析，设备安全，服务管理，认证授权等服务，其中，安全网关是接入节点中的一种具体表现形式；虚拟信息池本质上是所有swim节点所传输的信息集合，其中包含地空通信、地面通信、导航、监视、气象等空中交通管理数据。swim系统架构如图1所示，功能详述如下。

2、1、ip网络层

3、在ip网络层，提供包括硬件在内的综合电信服务。它是不同利益相关者的互连网络基础结构的集合，这些将是专用/公用internet协议网络。在我国swim系统部署中，本层主要功能为对民航空管相关单位基础设施数据的引接、通信传输协议和数据格式的转换。

4、2、swim基础设施层

5、swim基础设施层，提供共享信息的基础结构。它是swim的核心，类似于信息中心网络。swim在基础设施层构建虚拟信息池，由于信息缓存在icn路由内存中，可以快速对兴趣包做出响应，满足民航系统低时延、高并发、高可靠的需求。而支持基础设施层信息池形成和流动的关键技术为数据的命名、路由和缓存。另外，基础设施层还提供其他的核心服务，例如共享信息管理和综合服务管理。信息管理主要包括数据的订阅发布、请求响应以及数据治理功能；综合服务管理主要包括企业服务管理，swim用户的认证授权以及服务安全性。3、信息交换模型层

6、信息交换模型层使用特定于主题的标准来共享上述信息交换服务的信息。信息交换模型定义了应用程序交换的数据的语法和语义，包括对信息内容，结构和格式进行详细的阐述。信息交换模型层和信息交换服务层共同定义了swim系统中可以交换的应用消息单元。目前主要的交互模型有飞行信息交换模型(flight information exchange model，fixm)、航空信息交换模型(aeronautical information exchange model，aixm)、气象信息交换模型(weather information exchange models，wxxm)三个swim标准数据模型和扩展模型。

7、4、信息交换服务层

8、在信息交换服务层，包含每一个空管系统相关的信息域和跨域交互的定义，在适当时遵循治理规范并由swim利益相关者达成共识，并形成我国民航swim系统运行的一套标准。swim利益相关者作为信息提供者和信息消费者的身份，利用上述达成的共识标准定义信息交换服务，来通过支持swim的应用程序进行交互和协同工作。

9、5、应用层

10、在swim应用层，开发和应用基于swim系统交互的应用系统和程序。支持空管局、机场和航空公司等组织，以及高校科研人员和航空信息爱好者等个人，作为信息提供者和信息消费者使用通过swim业务系统的应用程序进行交互。

11、本专利技术特点主要包括：三种面向空管单位的数据接口；原始数据的解析处理；按faa要求生成特定约束的xml文件；将xml还原回原始数据；哈希加密存储及日志记录，可总结为空管信息的数字化、数据模型和可视化。

12、1、数字化技术

13、传输协议解析：分析空管网络的数据传输协议，系统接口形式，实现多源异质空管生产数据的引接。目前空管网络传输数据主要采用hdlc协议，x.25协议，tcp/ip协议，udp组播，雷达数据网，aftn/sita转报网等方式进行数据的传输，如图2所示。

14、数据格式的解析：对于雷达数据，主要采用asterix系列版本的编址方式，对于报文类数据，主要按照民航相关行业标准进行报文的编址。对于这些报文的解析，根据相关民航行业标准文件关于空管数据字段的描述，定义数据的属性、类型、方法，从而构建数据解析模型。解析数据主要采用java编程语言技术来实现。

15、2、数据模型

16、swim数据模型按照概念模型、逻辑模型和物理模型的顺序依次建立，如图3所示。概念模型是从业务需求层面提取出需要的数据并进行归类，是数据实体的定义，其用来描述域的语义。概念模型是从子数据域上进行数据概念描述，使用uml类图中的包(package)进行表示。逻辑模型体现了数据之间的约束条件和逻辑关系，提供了若干uml类图来进行各信息域内对象的描述，而每个类图中包含若干类、类的所属类型、以及类之间的关系，通过enterprisearchitect完成设计。物理模型由逻辑模型映射而来，这个过程需要根据映射规则以及相应的映射算法进行，物理模型规定使用xsd进行描述。选取一个特定的uml模型的类图文档，使用映射算法将类图文档映射到xml schema模型中，从uml类图生成对应的xsd文档。

17、由于各个国家、地区、系统的实际需要，swim支持根据不同需求进行个性化扩展，swim数据模型由“核心模型+扩展模型”构成。本专利对于空管常用的实际数据cat021和cat062等与现有数据模型不匹配的情况，在模型设计时就将其设计为扩展模型，如图4所示。

18、3、可视化界面

19、本专利通过预留的各类数据接口将多元异质的数据引接到航域信息处理系统，提高民航领域信息交互的灵活性的同时，提供订阅发布、格式转换的可视化界面，供用户、空管单位等数据相关方查看和使用。