張晨　凌帆

[摘 要] 空管作為民航重要數(shù)據(jù)保障中樞，其海量、多元和異構(gòu)的數(shù)據(jù)信息資源蘊(yùn)含豐富價(jià)值，大數(shù)據(jù)開發(fā)一直是美國(guó)空管技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。本文概述美國(guó)空管大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基本情況，可為國(guó)內(nèi)空管大數(shù)據(jù)安全共享機(jī)制的建立，關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息壟斷的破除，相關(guān)部門加快信息化建設(shè)提供思路。

[關(guān)鍵詞] 空中航行服務(wù)；大數(shù)據(jù)；應(yīng)用

[中圖分類號(hào)] V355.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1671-0037（2017）6-94-3

Research of the Big Data Applications of the American ATM

Zhang Chen Ling Fan

（Strategic Development Department， Huadong Air Traffic Management Bureau CAAC， Shanghai 200335）

Abstract： Air traffic management system （ATM）， as the significant data guarantee center of civil aviation system， owns massive， diversified， heterogeneous and valuable data assets. Therefore， the R&D in terms of big data used to be the important technique research field of American ATM. The paper summarized the current application situations in terms of big data of American ATM， which would provideview points for setting up the ATM big-data safely sharing mechanism， breaking the monopoly of key data information， and speeding up the informatization of relevant departments in China.

Key words： ANSP； big data； application

為應(yīng)對(duì)航空運(yùn)輸系統(tǒng)快速增長(zhǎng)挑戰(zhàn)，提高空管安全性水平，擺脫航班延誤等困境，美國(guó)在ICAO公約附件4、10、14和15的框架下，20世紀(jì)90年代開始研發(fā)空管大數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)。千禧年后，美國(guó)更加重視空管大數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。為使用戶和服務(wù)提供者共享一致的空中交通態(tài)勢(shì)認(rèn)知，F(xiàn)AA以NextGen計(jì)劃為框架啟動(dòng)了相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)，在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行環(huán)境下依賴地-地、地-空和空-空通信設(shè)施，圍繞不同用戶及其協(xié)同決策的需求提供信息支持。FAA通過成熟的數(shù)據(jù)管理理念，依據(jù)不同需求開發(fā)了多種大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行了二次開發(fā)，在空管大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

1 全域信息管理系統(tǒng)（SWIM）

作為空管大數(shù)據(jù)處理和共享應(yīng)用的主要系統(tǒng)，SWIM通過采用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及綜合利用空、天、地多種通信手段，將所有傳感器系統(tǒng)、各級(jí)各類空管系統(tǒng)連接成有機(jī)的整體，構(gòu)建一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息交換體系，以增強(qiáng)公共態(tài)勢(shì)感知能力，為美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)（NAS）的信息共享提供一個(gè)開放、靈活和安全的信息管理體系[1]。

SWIM主要包括功能體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)。其中，功能體系結(jié)構(gòu)描述功能實(shí)現(xiàn)模塊的邏輯關(guān)系，包括NAS應(yīng)用系統(tǒng)功能、服務(wù)功能和信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施功能（ITI）3個(gè)層次。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)將NAS劃分為NAS核心服務(wù)、SWIM、應(yīng)用系統(tǒng)、NAS空管服務(wù)、外部接口和運(yùn)行應(yīng)用6個(gè)層級(jí)，并描述層級(jí)間關(guān)系和各層的系統(tǒng)間關(guān)系。技術(shù)體系結(jié)構(gòu)針對(duì)SWIM不同實(shí)施階段，描述了其傳輸、消息通訊、數(shù)據(jù)描述、接口管理、可靠性、安全性和企業(yè)級(jí)服務(wù)管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，確?，F(xiàn)階段各類相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的互操作能力及可擴(kuò)展能力。

在SWIM框架下，飛行數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)等信息的共享通過網(wǎng)絡(luò)化的信息服務(wù)方式分3個(gè)層級(jí)部署實(shí)現(xiàn)。其中，NAS層級(jí)主要對(duì)跨地區(qū)空管應(yīng)用的公共信息進(jìn)行管理，由部署在空中交通管制系統(tǒng)指揮中心（ATCSCC）的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供NAS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)的數(shù)據(jù)信息目錄、數(shù)據(jù)存檔、信息接口和信息安全等統(tǒng)一服務(wù)。地區(qū)層級(jí)對(duì)不同地區(qū)的NAS信息進(jìn)行管理，并確保本層級(jí)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與NAS層級(jí)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。地區(qū)層級(jí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)部署在航路管制中心（ARTCC）、終端管制中心（TRACON）、塔臺(tái)管制單位（ATCT）和飛行服務(wù)站（FSS），提供地區(qū)級(jí)信息目錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份與恢復(fù)、接口控制和網(wǎng)關(guān)安全等地區(qū)級(jí)信息服務(wù)，涉及的空管單位數(shù)據(jù)處理功能包括數(shù)據(jù)鏈控制、監(jiān)視數(shù)據(jù)通信與處理、氣象數(shù)據(jù)處理、飛行信息地區(qū)級(jí)的處理與控制、決策支持系統(tǒng)處理、話音接口、管制員信息接口和交通管理接口等。系統(tǒng)層級(jí)主要支持監(jiān)視數(shù)據(jù)處理、飛行數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃輔助決策、管制輔助決策和流量管理輔助決策等功能。

2 FAA運(yùn)行與效能數(shù)據(jù)系統(tǒng)

FAA主要通過該系統(tǒng)的歷史交通量和航班延誤統(tǒng)計(jì)功能，以及未來交通量的預(yù)測(cè)功能，分析美國(guó)空管機(jī)構(gòu)的總體效能水平。支撐該系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)庫包括如下幾個(gè)。

2.1 流量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（TFMSC）

TFMSC包括飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)或航班的雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)，由FAA的空中交通空域?qū)嶒?yàn)室（ATA）處理后，提供根據(jù)機(jī)型或按特定時(shí)間條件的機(jī)場(chǎng)、城市對(duì)航班數(shù)據(jù)查詢功能[2]。其中，機(jī)型分類條件包括飛行類型（國(guó)內(nèi)飛行、國(guó)際飛行、國(guó)內(nèi)至國(guó)際、國(guó)際至國(guó)內(nèi)）、空域用戶類型（商業(yè)航班、商業(yè)貨運(yùn)、通用航空、軍事航空及其他）、飛機(jī)動(dòng)力類型（活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)及其他）、飛機(jī)的質(zhì)量類型（重型機(jī)、波音757、大型機(jī)、中型機(jī)、輕型機(jī)及其他）、商業(yè)航線運(yùn)輸類型及支線飛行類型。TFMSC數(shù)據(jù)在每個(gè)月結(jié)束后30天更新。endprint

2.2 航空系統(tǒng)效能指標(biāo)數(shù)據(jù)庫（ASPM）

ASPM包括美國(guó)77個(gè)ASPM機(jī)場(chǎng)的飛行數(shù)據(jù)和美國(guó)ASPM航空公司的航班飛行數(shù)據(jù)[3]。FAA通過分析機(jī)場(chǎng)的天氣數(shù)據(jù)、跑道構(gòu)型數(shù)據(jù)、航班到達(dá)率和離場(chǎng)率數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與TFMSC中的飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)或雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到NAS當(dāng)日完整的運(yùn)行信息，推測(cè)機(jī)場(chǎng)次日的運(yùn)行效率、延誤情況等效能趨勢(shì)。

2.3 運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（OPSNET）

OPSNET以相對(duì)官方的方式發(fā)布每日NAS運(yùn)行和延誤情況信息，也以月報(bào)形式提供上月數(shù)據(jù)[4]。ASPM和OPSNET均可通過訪問FAA的網(wǎng)站獲取。

2.4 航空公司服務(wù)質(zhì)量效能數(shù)據(jù)庫（ASQP）

航空公司每月將航班延誤、航班取消和服務(wù)及時(shí)性的有關(guān)信息提交給交通部航空公司信息辦公室，ASQP處理后形成航班延誤及消原因報(bào)告、NAS正點(diǎn)率報(bào)告、交通運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)局報(bào)告、簽派和航班時(shí)刻表可靠性報(bào)告等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并通過網(wǎng)站提供根據(jù)機(jī)場(chǎng)、城市對(duì)或航班取消條件進(jìn)行查詢的功能[5]。

2.5 終端區(qū)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫（TAF）

TAF涵蓋了FAA直轄塔臺(tái)的機(jī)場(chǎng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、聯(lián)邦政府管轄塔臺(tái)的機(jī)場(chǎng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、非聯(lián)邦機(jī)構(gòu)投資管理塔臺(tái)的機(jī)場(chǎng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和未設(shè)置塔臺(tái)的機(jī)場(chǎng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)[6]。FAA使用TAF進(jìn)行規(guī)劃并制訂預(yù)算。作為官方預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，TAF也被聯(lián)邦政府、地方政府、航空業(yè)界和公眾廣泛使用。

2.6 航班時(shí)刻表數(shù)據(jù)庫（FSDS）

FSDS包含航空公司和機(jī)場(chǎng)的航班時(shí)刻表信息，提供根據(jù)機(jī)場(chǎng)或城市對(duì)條件的航班時(shí)刻數(shù)據(jù)查詢功能，每月初和月中更新一次[7]。FAA使用FSDS進(jìn)行交通量的分析和預(yù)測(cè)。

3 美國(guó)國(guó)家飛行數(shù)據(jù)中心（NFDC）

NFDC隸屬于FAA，作為全美航空情報(bào)收集、質(zhì)量控制和發(fā)布的官方機(jī)構(gòu)之一，為國(guó)防部、國(guó)土安全局、ATCSCC、ARTCC、TRACON、ATCT、FSS、機(jī)場(chǎng)、飛行員和航圖制作單位提供NAS設(shè)施設(shè)備的物理特征、地理位置、操作特性等描述資料，具體包括56天NAS資源訂閱數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)、地形和障礙物數(shù)據(jù)、特殊儀表進(jìn)近程序、空域定位點(diǎn)數(shù)據(jù)、ARTCC雷達(dá)位置數(shù)據(jù)、全國(guó)飛行數(shù)據(jù)摘要、施工通知、無線電設(shè)施修復(fù)和保持?jǐn)?shù)據(jù)記錄、調(diào)查數(shù)據(jù)等。其中，最重要的56天NAS資源訂閱數(shù)據(jù)涵蓋了空域分類數(shù)據(jù)、航路及航路定位點(diǎn)數(shù)據(jù)、區(qū)域管制單位設(shè)施及管制區(qū)邊界描述數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)和著陸設(shè)施數(shù)據(jù)、儀表著落系統(tǒng)數(shù)據(jù)、塔臺(tái)通信設(shè)施數(shù)據(jù)、飛行服務(wù)站數(shù)據(jù)、進(jìn)離場(chǎng)程序、等待程序以及天氣自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等[8]。這些數(shù)據(jù)信息均可以通過NFDC網(wǎng)站獲取，互聯(lián)網(wǎng)訪問需要使用一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序—航空設(shè)施分發(fā)系統(tǒng)。運(yùn)用這些數(shù)據(jù)信息開發(fā)、制作和更新的航圖、相關(guān)出版物及其數(shù)字化產(chǎn)品可以根據(jù)ICAO規(guī)定廣泛用于飛行管理系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、移動(dòng)航圖系統(tǒng)和地-空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

4 增強(qiáng)型交通管理系統(tǒng)（ETMS）

作為美國(guó)流量管理的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代中期研發(fā)的ETMS布置在國(guó)家交通研究中心、ATCSCC、21個(gè)ARTCC、37個(gè)TRACON、3個(gè)聯(lián)合終端區(qū)和8個(gè)機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)，能夠提供24h交通需求預(yù)測(cè)，顯示當(dāng)前和預(yù)測(cè)的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，生成交通管理建議方案，以協(xié)助ATCSCC的交通管理專家和流量管理單元的交通管理員實(shí)施航跡查看、流量預(yù)測(cè)、地面/天氣延誤影響分析、改航方案評(píng)估和流量管理策略建模等日常作業(yè)。

ETMS的主要輸入包括：來自于《官方航空公司指南》的航空公司定期計(jì)劃；各類管制部門生成的NAS信息；紐約和奧克蘭中心的洋區(qū)顯示和規(guī)劃系統(tǒng)，以及在火奴魯魯TRACON的離岸飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的飛行計(jì)劃和航班到達(dá)消息；阿拉斯加離岸計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的飛行計(jì)劃、起飛和降落消息；來自航空公司運(yùn)控中心的飛行數(shù)據(jù)消息；來自于加拿大、英國(guó)、墨西哥等國(guó)外管制系統(tǒng)的消息；來自于國(guó)際氣象服務(wù)中心的氣象數(shù)據(jù)；來自于適應(yīng)控制環(huán)境系統(tǒng)、國(guó)家洋區(qū)服務(wù)和國(guó)家飛行數(shù)據(jù)中心的地理數(shù)據(jù)（包括邊界線、扇區(qū)、區(qū)域管制中心邊界、終端雷達(dá)進(jìn)近管制、航路、航路點(diǎn)、導(dǎo)航設(shè)施、機(jī)場(chǎng)和特殊用途空域或軍方空域等）。

ETMS通過其交通態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)與交通管理進(jìn)行交互，可以輸出地理數(shù)據(jù)、交通態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)、監(jiān)視告警數(shù)據(jù)、列表報(bào)告數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和交通管理數(shù)據(jù)。ETMS能夠基于航空公司定期計(jì)劃和歷史航路數(shù)據(jù)分析未來15h的航班需求，并結(jié)合交通態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)、更新的飛行數(shù)據(jù)消息、氣象數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)提供當(dāng)前至未來15h的交通分布信息和基于預(yù)測(cè)的監(jiān)視告警。ETMS的NAS原始數(shù)據(jù)通過敏感信息過濾后也會(huì)提供給航空公司、機(jī)場(chǎng)等航空組織進(jìn)行有助于改善安全水平和運(yùn)行品質(zhì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品開發(fā)。

5 結(jié)語

美國(guó)非常重視空管大數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)的建設(shè)，也非常重視相關(guān)數(shù)據(jù)的內(nèi)部共享與公共利用，總體上已形成面向統(tǒng)計(jì)分析、協(xié)同運(yùn)行和規(guī)劃決策的空管大數(shù)據(jù)應(yīng)用管理模式。相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分層管理愈益規(guī)范，針對(duì)數(shù)據(jù)的二次開發(fā)和高效利用已成體系。而我國(guó)空管大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)由于長(zhǎng)期沒有得到充分重視，相關(guān)的數(shù)據(jù)管理和共享工作無法滿足航空業(yè)快速發(fā)展的實(shí)際需要。為此，民航局將“整合信息資源，健全信息交換服務(wù)平臺(tái)”的工作要求納入了“十二五”規(guī)劃，民航局空管局2015年末印發(fā)了《網(wǎng)絡(luò)安全和信息化專項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃》，并于2017年啟動(dòng)了“空管大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求研究與典型示范”研究項(xiàng)目。梳理美國(guó)空管大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的既有工作及其主要成果，將對(duì)我國(guó)加快空管數(shù)據(jù)的資源整合、分類管理和系統(tǒng)利用提供參照，也將為空管系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心和空中交通管理信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供有益思路。

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