互操作模式下4D航迹数据建模与分析

王洁宁，李 超（中国民航大学空中交通管理研究基地，天津 300300）

互操作模式下4D航迹数据建模与分析

王洁宁，李 超
（中国民航大学空中交通管理研究基地，天津 300300）

未来ATC的发展是以航迹为对象从管制意图出发并配备相应的间隔，实时动态地掌握航空器与航空器之间的位置；依据美国Next-Gen空中交通管理系统的4D航迹应用规划，针对4D航迹的数据内容借助UML 和XML Schema完成了4D航迹的数据建模，并给出了4D航迹互操作模式下的发布订阅模型；通过对该模型的QoS（quality of service）数据同步的分析，可有效地规范4D航迹互操作模式下的数据交换。

4D航迹；数据互操作；QoS机制

4D航迹会广泛应用于空管自动化系统和机载数据管理系统中，是未来空管系统发展的一大趋势。4D航迹的管理脱离了管制员与飞行员之间一步步的雷达引导过程，增加了时间元素，要求航空器在特定的时间内出现在相应的航路点上，只有在特殊情况下管制员给予航空器必要的干预，从而大大降低管制员的工作负荷。国外在航迹预测及管理方面很早就进行了研究。早在20世纪90年代，美国NASA便开发了一套空管自动化工具CATS，用于辅助管制员实现终端区空域效率的优化。近几年美国正在研究发展Next-Gen空中交通管理系统。为进一步降低管制员的工作负荷适应动态的管理环境，在考虑了天气、空域限制、航迹冲突、飞机性能等影响因素后，提出了以航迹为对象的空中交通管理模式——TBO（trajectory-based operations）模式[1]，其基础的组成部分是每架航空器的预计飞行剖面和时间信息，航空器按照协商好的航迹飞行，在预计的时间到达相应的航路点，可以充分调配航空器之间的间隔更好地提升空域流量。TBO模式主要包含3个目标：首先建立一套完整的数学应用框架，更精确地预测航迹点尤其在交叉点处的时间、性能和一些不确定性的情况；其次通过相关历史数据对该预测方法进行验证，确保数据结果的准确性和灵敏度；最后构建统一的数据量级规范和机制，将这些数据在飞行操作的决断者之间实现实时地共享和传输。因此有必要针对4D航迹的数据内容建立一套标准的数据模型，保证整个信息系统数据的一致性和完整性。

1 4D航迹数据建模

数据建模包括3层模型[2]：概念模型、逻辑模型和物理模型，如图1所示。概念模型用于描述系统内部的元素、属性及其关联；逻辑模型用于反映数据结构和数据类型；物理模型包括数据传输、存储以及表现的过程。UML（unified modeling language）是一个面向对象的标准建模语言。面向对象的方法是以对象作为最基本的元素，因此在概念模型的层次上可以利用UML描述数据模型的静态结构。XML Schema是W3C公布的一种控制文档的方法，可以对XML文档的结构和数据类型进行定义，保证数据的安全性和一致性。XML Schema还提供了标准化结构化的XML文档，可以在物理模型层次上建模用于数据的存储和更新。

图1 数据建模3层模型Fig.1 Three layers of data modeling

2 4D航迹数据概念模型

依据不同的飞行进程可以将飞行航迹泛化为计划的航迹（planned trajectory）、意图的航迹（intentional trajectory）和实际的航迹（actual trajectory）。不同种类的航迹包括不同的数据信息，将同类型关联的数据封装至UML类图中，子类继承父类的属性，可清晰反映航迹传输的数据内容和结构[3]。因此可以从飞行进程出发分析航迹数据概念模型。

一条既定好的航迹由大量航迹点组成，每个航迹点上关联着预知的航迹点数据。这些数据从FPL报获得，包括航迹点的经纬度和过点高度、时间，并且继承父类TrajectoryPointData的特征estimate，如图2所示。

在意图航迹中，管制员会依据空域内的实际情况，对航空器的飞行轨迹进行干预，确保各航空器的安全。此时在航迹点上泛化的数据项包括航空器请求数据RequiredData和管制员管理数据ManagedData等，如图3所示。RequiredData包含航空器识别标志、空中状态和放行类别，其中放行类别又包括正班飞行（real）和补班飞行（alternative）两种。ManagedData主要涉及了新的飞行路径和机动飞行信息。

图2 计划航迹的类图分析Fig.2 Class diagram analysis of planned trajectory

图3 意图航迹的类图分析Fig.3 Class diagram analysis of intentional trajectory

实际航迹是航空器在飞行过程中通过相应的监视设备显示在雷达屏幕上的轨迹。在实际飞行中航迹点主要包括许多的重要点和中间点，每个航迹点都有相应的名称和类型，在每个重要点上关联着航迹点的数据内容，包括到达时间、不确定性情况（因环境条件的变化带来的航迹点校正信息）、机动飞行信息和强制性报告数据。如图4所示。

图4 实际航迹的类图分析Fig.4 Class diagram analysis of actual trajectory

强制性报告数据的内容更多。图5表示了CompulsoryDataItem的子类及其层次关系，其中Position表示航空器与航迹重要点之间的距离和角度用于确定航空器的位置；overflown表示飞机在此点预计的状态，是切入状态还是飞跃状态，用来进行航线检查；track表示航空器航迹角；mass表示航空器重量；rocd表示爬升或者下降率。所有这些数据都继承了父类的属性units。

图5 CompulsoryDataItem的子项Fig.5 Children of CompulsoryDataItem

3 4D航迹数据逻辑模型

4D航空器的数据主要指航空器与地面类数据交换、航空器与航空器类数据交换，因此必须保证数据结构的一致性。因为数据的传送主要发生在实际的飞行过程中，所以在这里针对实际飞行的航迹进行分析。当航空器飞至某个航迹点时，首先要针对该点的用途进行航迹点识别，进而采取相应的行动。依据各航迹点不同的用途（如表1所示），将航迹点类型TrajectoryPointType封装至一个对象中，并将其映射为复杂类TrajectoryPointType，便于各航迹点的识别调用，其模型图如图6所示[4]。

表1 航迹点用途表Tab.1 Purpose of trajectory point

图6 复杂类TrajectoryPointType模型Fig.6 Complex class model of TrajectoryPointType

利用XML Schema的继承原则，在SignificantPoint上增加新的操作构建4D航迹的数据逻辑模型图如图7所示，通过指定类型来继承父类的属性。在航迹中的每个重要的位置报告点上，飞行员必须向管理人员顺序传输航空器的识别标志id、到达该点的时间time、高度altitude、预定的航向heading、机动飞行数据manoeuvreDataItem等信息，当然还要针对不同航迹点的类型选择性地报告一些数据信息。在该模型中各报告数据均继承了CompulsoryDataItem的units特征，并在details面板的默认值框中设置完成。最后经过XML Schema的有效性验证可以建立规范的XML文档。

图7 4D航迹的数据逻辑模型Fig.7 Data logical model of 4D trajectory

4 4D航迹互操作模式下的发布订阅服务模型

数据互操作（data interoperability）是指在分布式异构环境中实现不同数据格式和数据结构的数据共享与相互访问，是信息共享交换中需要解决的应用基础问题。随着分布式应用的发展，发布订阅服务技术的应用越来越广泛。通过一个发布订阅服务模型，使信息相关的双方都参与数据的传递，发布者发布信息，订阅者筛选感兴趣的信息并且使用，实现信息的选择性、实时性、有效性传输[5]。

4D航迹互操作模式下发布订阅服务UML用例图如图8所示。订阅者在订阅所需信息前需登陆系统进行身份验证，通过调用login（）和validate（）两个函数使授权用户进入系统进行操作，从而在一定程度上确保了系统的安全性，然后将订阅者感兴趣的条件储存在订阅服务器中。同理发布者也要经过相同的操作过程将有效的航迹信息传送至发布服务器中。4D航迹的发布订阅服务模型中存在一个信息匹配模块Match，它将订阅者感兴趣的条件与航迹信息进行匹配，将符合要求的数据发送至中间服务器Server中，最后及时通知给用户完成整个航迹数据的实时交换。

图8 4D航迹互操作模式下发布订阅服务UML用例图Fig.8 Use case diagram of 4D trajectory pub/sub sevice in interoperability

5 4D航迹互操作模式下发布订阅QoS分析

5.1 4D航迹数据发布订阅机制的QoS概念建模

2006年OMG组织定义了以数据为中心的发布订阅机制及QoS策略，为数据的实时性传输制定了一套统一的标准。信息匹配模块的关键部分是QoS参数建模[6]，互操作模式下4D航迹数据发布订阅服务的QoS概念模型图如图9所示。其中TrajectoryQoSCompound代表的是硬件设备如interface等，可以提供由QoS机制描述的数据传输服务；QoSProfile代表了相应的QoS机制轮廓，用于描述传输链接的建立过程；QoSStatement包含Constraint和Characteristic两部分，限制了服务质量的参数结构。

5.2 4D航迹发布订阅机制的QoSProfile概念建模

4D航迹发布订阅服务的QoSProfile概念模型图如图10所示。订阅者将其感兴趣的条件传送给服务器，服务器接受到订阅者的Required指令。若发布者中存在与之匹配的数据，则QoSProfileLevel的状态转换为OK，从而启动航迹管理服务器进行数据的同步传输。

图9 4D航迹发布订阅服务的QoS概念模型Fig.9 QoS conceptual model of 4D trajectory pub/sub service

图10 4D航迹发布订阅服务的QoSProfile概念模型Fig.10 QoSProfile conceptual model of 4D trajectory pub/sub service

5.3 4D航迹发布订阅机制的QoSStatement概念建模

4D航迹发布订阅服务的QoSStatement概念模型图如图11所示。4D航迹数据交换服务QoSStatement可以抽象为QoSConstraint和QoSCharacteristic两方面，Constraint定义了QoS传输约束，针对用户的需求可选择不同的约束标准。Characteristic规范了4D航迹订阅数据的内容和类型，其中composition和values的设定关联着模型元素的匹配；Domain中的directon描述了传输质量的高低水平；DataType定义了有效的航迹数据类型。当订阅者将其需要的数据条件发送过来后，发布订阅服务机制会自动匹配数据类型和传输质量，若匹配成功便会激发QoS Profile的状态转换，因此这一部分对于服务质量的约束很关键。

图11 4D航迹发布订阅服务的QoSStatement概念模型Fig.11 QoSStatement conceptual model of 4D trajectory pub/sub service

6 结语

本文利用UML构建了4D航迹数据的概念模型，依据XML Schema规范了4D航迹数据的数据内容和结构，完成了4D航迹逻辑模型设计。在互操作模式下通过对4D航迹发布订阅服务QoS策略的分析，规范了4D航迹数据交换模型的主要结构，为飞行操作的决断者之间实现航迹数据实时共享和传输奠定了理论基础。下一步的工作是引入正则表达式和XML Xpath路径寻址语言进一步约束数据类型以及从XML文档中选择需要的信息，以完善4D航迹数据管理系统。

[1] MITRE Corporation.The Next Generation Air Transportation System [G].US：Federal Aviation Administration，2011：8-10.

[2]姜高扬.数字化飞行程序发布服务关键技术研究[D].天津.中国民航大学，2011.

[3]董晓明，闵绍荣，雷 静，等.基于UML和XML的数据建模方法及应用[J].系统仿真学报，2010，22（9）:48-51.

[4]张欣毅.XML简明教程[M].北京:清华大学出版社，2009：3-11.

[5]邓广慧.分布式异构数据互操作的若干关键技术研究[D].长沙:长沙理工大学，2007.

[6]JAN ØYVIND A，EARL F E Jr.Modeling QoS：towards a UML profile [J].UML 2002，2002（9）：275-289.

（责任编辑：杨媛媛）

4D trajectory modeling and analysis in interoperability mode

WANG Jie-ning，LI Chao
（Air Traffic Management Research Base，CAUC，Tianjin 300300，China）

The future development of ATC is to track the flight object which is equipped with the appropriate interval considering the control of intention，then we can real-time dynamically master the position between the aircraft.Based on the 4D trajectory application plan of the American Next-Gen air traffic management system，the paper use the UML and XML Schema to design a conceptual and logical data model of 4D trajectory，it proposes a model of publish and subscribe service in the interoperability.By analysising the model of QoS （quality of service）data synchronization，it can effectively regulate the 4D trajectory interoperable data exchange.

4D trajectory；data interoperability；QoS structure

TP302.1

A< class="emphasis_bold">文章编号：1

1674－5590（2013）01－0036－05

2012-05-04；

2012-08-10

天津市科技计划重点项目（09JCZDJC16800）；中国民用航空局科技基金项目（MHRD200913）

王洁宁（1966—），男，甘肃兰州人，教授，博士，研究方向为空管信息系统、空中交通流量管理.