空中交通管制系统景象记录的方案设计

张珺，朱秀峰

1.中国船舶工业集团公司船舶系统工程部，北京100036

2.中华女子学院山东分院，济南276400

1 引言

空中交通管制系统是对多架飞机起降和航线进行管理，以保障飞行秩序和安全的系统。在进行管制活动时，一方面管制员要实时观察雷达显示屏，获知航空器当前在地表的二维位置、高度、速度等信息，另一方面又要处理飞行情报数据，即起飞、延误、降落等信息。这两类信息都会实时反映在空管系统的显示屏上，也会分门别类地存储在服务器上。一般原始雷达数据记录在雷达记录仪上，而飞行情报数据则存储在数据库中。同时，管制员的操作，例如收发飞行情报等，都以日志的形式存储在数据库中。

在传统的记录方式中，雷达数据、飞行情报数据和管制员的操作都各自独立的存储，很难通过技术手段连续、完整地复现某一时刻的系统状态；而系统的屏幕景象则比较连续完整地反映了雷达数据、飞行情报数据的显示状态和管制员的操作过程。因此，在空管系统中对屏幕景象进行连续记录并在必要时进行回放，就成了对空中交通事故进行分析、定位以及审计管制质量的重要手段。

2 空管系统屏幕景象特点及景象记录系统的技术要求

记录与回放系统本身不是空管系统的核心组成部分，但其作为辅助系统又是必不可少的，因此其设计与实现应当既能够满足功能性能要求，又同时占有较少的系统资源。

首先，在时间上，能够连续和真实地记录屏幕景象。回放画面清楚、流畅，地标、标牌等元素显示清晰，不存在线面、字体、颜色等元素的失真和损失。在压缩算法的选择上，应当考虑到回放效果的要求，即飞行数据的显示无损失、无失真，应该采用无损压缩算法。

其次，在空间上，由于记录系统24小时不间断录制和存储屏幕景象，会给数据的传输、处理和存储造成很大的压力。因此，在数据存储前应当进行适当的压缩，尽量减少数据存储量。

再次，由于景象记录与回放系统不是空管系统的核心部分，因此应当以尽量小的系统资源代价实现该功能。高效压缩算法的使用能提高压缩效率，尽量减少对系统资源的占用。一般应当保证对CPU占用率保持在20%以下，避免影响其他正常业务操作和显示。

根据上述技术要求，可以得到景象记录的基本工作流程如下：景象数据获取——景象数据压缩——景象数据存储——景象数据回放。景象记录方案的设计，就是基于这个流程，并结合这些技术要求来完成的。

3 景象记录的总体设计方案

在总体设计上，采用常见的客户端/服务器（Client/Server）构架模式：服务器一般分为RDP（Radar Data Processing，雷达数据处理）和FDP（Flight Data Processing，飞行数据处理）两个部分，并采用两个独立的服务器单元承担相应的数据处理任务；客户端主要为雷达数据和飞行数据操作界面。通信协议则用TCP/IP作为传输协议，并以磁带库作为记录设备。系统结构示意如图1所示。

图1 系统结构图

在图1中，数据获取模块负责进行原始景象数据的获取；数据压缩模块将原始景象数据进行压缩；数据传输模块负责网络数据传输；数据存储模块负责建立存储结构，并将数据存储在磁带库中；数据检索模块负责根据存储结构进行景象数据的快速检索。

4 景象数据的获取与压缩的设计

屏幕景象的获取一般都是采用拷屏的方式，本方案也不例外。而对于图像压缩算法，目前公认最好的是MPEG-4算法。但是该算法主要针对运动图像进行压缩，虽压缩率高，但其分辨率最多只能做到704像素×576像素，不符合空管系统图像“定格”的分辨率要求。为了达到这种要求，在进行帧内压缩前都要确立标杆帧。标杆帧的确立目前主要有完整帧和定时标杆帧两种：完整帧方式是20世纪90年度初西方国家空管系统中普遍采用的方式，由于压缩率低现在已很少使用；参考文献[1]中所介绍的方法实际就是定时标杆帧的一种实现，该方法在无损的前提下大大提高了压缩率。

本文的方案考虑在无损的前提下，比上述方法进一步大幅提高压缩率。

4.1 景象数据的获取

进行景象记录与回放的第一步就是获取景象数据，即屏幕原始图像。由于其对可靠性和稳定性方面的苛刻要求，空管系统一般都在UNIX系统平台上实现。而在该平台上，缺少类似于事件驱动等高效地获取屏幕景象的技术手段，因此，本方案采用以固定频率“拷屏”的方式，通过共享内存获取原始的屏幕景象数据。为不丢失显示细节，“拷屏”频率应当高于20 Hz。

4.2 景象数据的压缩的基本设计

在获取景象数据后，就要对其压缩，以减少需要传输的数据量并节省存储空间。由于空管系统对景象记录与回放系统中记录的图像质量有较高的要求，因此在进行数据压缩时要保证无损，还需要兼顾压缩比和压缩效率。

空管系统一般采用色彩变化较小的配色方案进行显示，而且屏幕的景象不像运动图像那样短时内发生大量的差异数据，因此图像具有较大的冗余度，压缩的空间较大。具体采用的压缩方法如下：

（1）对屏幕进行均匀分割，分割成M×N个小方块；

（2）定时确立标杆帧，生成差异帧；

（3）把数据进行帧内压缩；

（4）把压缩后的数据发给服务器。

第（1）步和第（4）步比较简单，第（2）步将在第4.3节中详细介绍，第（3）步则将在第4.4节中详细介绍。

4.3 标杆帧的设计

进行景象压缩一般有完整帧方式和定时标杆帧两种方式。完整帧方式，即直接记录完整的帧数据[1]，然后进行帧内压缩。这样，每一帧数据都是完整和独立的，帧丢失不影响其他帧的回放效果；在回放时检索速度快。其缺点是未考虑帧间共有数据的属性和差异属性并进行压缩，传输和存储数据量大。因此，这里采用定时标杆帧方式。

普通的定时标杆帧方式，即每隔固定时间确定标杆帧，在获取当前景象的时候仅仅与标杆帧进行比较，记录与标杆帧的差异。这种方式中，由于仅处理和传输与标杆帧的差异部分，其传输和存储的数据量显著减少。但如果标杆帧确立的时间较长，则会造成差异积累过大，增加了传输和存储的数据量。在回放时，需要索引标杆帧并将标杆帧与当前帧之间所有的差异帧进行叠加。

为改进这种定时标杆帧方式，如图2所示，用差异部分覆盖标杆帧的相应部分并形成新的标杆帧，这里称之为动态标杆帧。与原来的定时标杆帧方式相比，改进后的新方式在确立标杆帧时增加了一些数据运算量，但极大地节约了差异帧的比较运算量，且标杆帧确立的时间长短不会造成差异过大，提高了数据处理效率，同时也保证了原来的降低处理和存储的数据量这一优点。

图2 动态标杆帧方式

回到4.2节的第（2）步，当确立标杆帧后，为了获取的每个其他它帧，对每个方块进行隔行扫描（一般认为图像变化应该在一个像素以上，因此为了提高扫描速度，放弃逐行扫描的方法），当该方块内有与标杆帧不同的数据时，将该方块特征标记为‘1’，终止对该方块的扫描并继续扫描下一方块，直到扫描结束。然后，将特征为‘1’的方块内的数据覆盖标杆帧中相应位置的数据，形成新的标杆帧。这样就可以进行4.2节中的第（3）步和第（4）步，即将差异数据进行帧内压缩并传送给服务器。

4.4 帧内无损压缩的算法设计

对于标杆帧和差异帧的帧内压缩，可以利用整数小波变换对图像数据进行编码压缩。由于小波基数是浮点数，而整形的图像数据进行浮点变换后，再经过数据变换就可能产生差值，不符合无损压缩的要求。为此，需要采用整数小波变换的一种提升算法实现图像压缩。在算法设计时主要参考了文献[2-5]的相关内容。

所设计的提升算法过程分为三个步骤：

（1）分裂，将数据集用惰性小波分解成两个集合a1、c1。

（2）预测，用a1预测c1，预测误差形成新的c1，c1=c1-P(a1)。

（3）更新，更新过程要求Q(a1)=Q(a0)，Q为标量运算器。定义算子U，在U(c1)对a1更新后保持Q(a1)=Q(a0)成立，更新过程为a1=a1+U(c1)。

每一级提升的正变换过程为：

其反变换为：

采用的整数小波变换需要对增加一个取整偏移量，修改后其正变换过程为：

反变换为：

其中Int()为取整操作，0.5f为取整偏移量，高通滤波消失矩为4，重构高通滤波消失矩为2。

4.5 景象数据的存储和回放的设计

由于景象数据压缩时采用了标杆帧方式，景象数据的存储和回放也要做相应的设计，以便能够正确保存和回放按标杆帧方式压缩后的景象数据。

服务器接收到的每个数据包中包含了如下数据：图像数据长度、图像数据、标杆帧标志、区域标志和时标信息。当某一帧数据中包含多个差异区域时，差异窗口数据分别传输和处理，但这些数据存储在同一段连续的区域中。

由于景象记录数据具有时间上的顺序性，且标杆帧为定时采样，因此不需要采用复杂的数据结构进行存储。这里采用二级索引树结构进行存储，如图3所示。

图3 景象数据存储

在存储数据时，首先判断帧数据类型，如果是标杆帧，则在索引表中建立新的索引并存储该数据；如果是差异帧，则索引到最后标杆帧的地址，访问差异帧索引、存储数据并更新索引。

在数据回放时，必须索引到标杆帧，解压缩形成标杆图像数据，并依次叠加标杆帧至回放时戳中间所有的差异帧，以形成固定时刻的景象数据。在回放时，根据回放的倍速要求，刷新景象图片的叠加速度。

存储和回放数据的硬件设备选用磁记录技术。磁记录技术是目前广泛使用的一种备份设备，相对于可擦写光盘和外接硬盘来说，成本低，容量大，可靠性高[6]。

5 方案验证

为验证性能，特别是验证景象数据压缩的设计效果，这里分别实现了三套方案，以便实验对比。这三套方案在景象数据的获取上基本一致，而在景象数据压缩的处理具有如下不同之处：

方案一一种原有的采用完整帧方式压缩处理的景象记录方案。20世纪90年代初期西方国家空管系统中记录与回放系统普遍采用该方法，现在很少使用。

方案二在设计时曾考虑过的采用原来的定时帧方式压缩处理的景象记录方案。目前航管系统普遍采用的方法。国内主流的川大智胜管制中心系统即采用了这种方法，其实现见参考文献[1]。

方案三本文最后采用改进后的动态帧方式，并采用小波变换算法进行压缩处理的景象记录方案。

在景象数据的存储设计上，由于只涉及对服务器接收到的压缩后的数据的存储结构的设计，可以认为不影响这里的方案性能对比实验结果。

实验中，客户端计算机配置为CPU 1.70GHz，512MB内存，屏幕分辨率为1 280×1 024，颜色质量为16位，每秒记录24帧。在以上条件下，最后得到的存储时的实验数据如表1所示。

表1 三套方案实验数据对比表

从表1可以看出，方案一到方案三，虽然CPU平均占用率和内存平均占用量有所增加，但是增加的幅度很小，对系统的影响可以说是微不足道的。评判景象记录方案的最核心指标是磁带库平均记录容量，因为它表示单位时间内磁带库需要存储的数据，该指标越小，说明磁带库需要记录的景象数据越少，结合第2章的技术要求，就说明这个方案的性能更好。表1反映出方案二的磁带库平均记录容量几乎只占方案一的1/10，而方案三则只占方案二的大概1/3，甚至小于方案一的1/30。考虑到方案三只比前两个方案多耗费那一点系统资源，完全可以合理的证明：在节约存储容量方面，方案三，也就是最终采用的方案，在节约存储容量方面具有明显优势。

在景象记录回放时，由于三种方案在景象数据压缩时都是无损的，在景象数据的获取、存储和回放的设计上基本一致，因此无明显差别。这也可以看出，方案三在保证对数据的高度压缩的同时，没有造成景象数据的损失和失真，进一步体现了其良好的性能。

总结实验验证，可以清楚地得到结论：本文设计的景象记录方案可满足空管系统记录与回放要求，并且相当节约存储容量。

6 结束语

空管系统的屏幕景象配色比较单一，目标运动相对较缓慢，屏幕景象发生剧烈变化的概率较低，数据存在较大冗余度，为高效、高速压缩提供了条件。本文综合考虑景象记录系统的时间空间特性及压缩效率等方面的要求；基于小波变换在图像处理方面的优异特性，采用小波提升算法进行图像的快速无损压缩；在以上分析研究的基础上，结合空管系统景象数据的特点，提出了一套景象记录系统的设计方案。实验验证了该方案的可行性和优越性。

[1]张五二.记录回放在空管系统中的一种实现[J].中国民航大学学报，2005，16（3）：47-49.

[2]陈良琴.基于提升小波变换域运动估计的序列图像压缩方法[J].陕西科技大学学报，2004，22（6）：52-56.

[3]赵健.一种基于小波变换的图像压缩方法[J].数据采集与处理，2000，11（2）：166-169.

[4]李天伟.基于整数小波变换的雷达图像快速无损压缩算法[J].舰船科学技术，2007，29（5）：152-154.

[5]田杰华.利用人眼视觉特性的低比特率小波图像压缩[J].仪器仪表学报，2010，31（11）：2515-2520.

[6]周禄华.空管系统中网上数据记录技术的实现[J].空中交通管理，2009（10）：13-15.