美国空管大数据应用研究

张晨　凌帆

[摘 要] 空管作为民航重要数据保障中枢，其海量、多元和异构的数据信息资源蕴含丰富价值，大数据开发一直是美国空管技术研究的重点方向。本文概述美国空管大数据应用的基本情况，可为国内空管大数据安全共享机制的建立，关键数据信息垄断的破除，相关部门加快信息化建设提供思路。

[关键词] 空中航行服务；大数据；应用

[中图分类号] V355.1 [文献标识码] A [文章编号] 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

為应对航空运输系统快速增长挑战，提高空管安全性水平，摆脱航班延误等困境，美国在ICAO公约附件4、10、14和15的框架下，20世纪90年代开始研发空管大数据处理与分析系统。千禧年后，美国更加重视空管大数据的管理和应用。为使用户和服务提供者共享一致的空中交通态势认知，FAA以NextGen计划为框架启动了相关系统的研发和建设，在网络化运行环境下依赖地-地、地-空和空-空通信设施，围绕不同用户及其协同决策的需求提供信息支持。FAA通过成熟的数据管理理念，依据不同需求开发了多种大数据处理系统，并对多种数据进行了二次开发，在空管大数据应用领域处于领先地位。

1 全域信息管理系统（SWIM）

作为空管大数据处理和共享应用的主要系统，SWIM通过采用IP网络技术以及综合利用空、天、地多种通信手段，将所有传感器系统、各级各类空管系统连接成有机的整体，构建一个以网络为中心的信息交换体系，以增强公共态势感知能力，为美国国家空域系统（NAS）的信息共享提供一个开放、灵活和安全的信息管理体系[1]。

SWIM主要包括功能体系结构、系统体系结构和技术体系结构。其中，功能体系结构描述功能实现模块的逻辑关系，包括NAS应用系统功能、服务功能和信息技术基础设施功能（ITI）3个层次。系统体系结构将NAS划分为NAS核心服务、SWIM、应用系统、NAS空管服务、外部接口和运行应用6个层级，并描述层级间关系和各层的系统间关系。技术体系结构针对SWIM不同实施阶段，描述了其传输、消息通讯、数据描述、接口管理、可靠性、安全性和企业级服务管理等方面的标准的关系，确保现阶段各类相关应用系统的互操作能力及可扩展能力。

在SWIM框架下，飞行数据、性能数据、地理数据、交通数据、气象数据和资源数据等信息的共享通过网络化的信息服务方式分3个层级部署实现。其中，NAS层级主要对跨地区空管应用的公共信息进行管理，由部署在空中交通管制系统指挥中心（ATCSCC）的数据处理系统提供NAS数据标准及其相关的数据信息目录、数据存档、信息接口和信息安全等统一服务。地区层级对不同地区的NAS信息进行管理，并确保本层级的数据处理系统与NAS层级的数据处理系统相协调。地区层级数据处理系统部署在航路管制中心（ARTCC）、终端管制中心（TRACON）、塔台管制单位（ATCT）和飞行服务站（FSS），提供地区级信息目录、数据存储、备份与恢复、接口控制和网关安全等地区级信息服务，涉及的空管单位数据处理功能包括数据链控制、监视数据通信与处理、气象数据处理、飞行信息地区级的处理与控制、决策支持系统处理、话音接口、管制员信息接口和交通管理接口等。系统层级主要支持监视数据处理、飞行数据管理、计划辅助决策、管制辅助决策和流量管理辅助决策等功能。

2 FAA运行与效能数据系统

FAA主要通过该系统的历史交通量和航班延误统计功能，以及未来交通量的预测功能，分析美国空管机构的总体效能水平。支撑该系统的主要数据库包括如下几个。

2.1 流量管理系统数据库（TFMSC）

TFMSC包括飞行计划数据或航班的雷达航迹数据，由FAA的空中交通空域实验室（ATA）处理后，提供根据机型或按特定时间条件的机场、城市对航班数据查询功能[2]。其中，机型分类条件包括飞行类型（国内飞行、国际飞行、国内至国际、国际至国内）、空域用户类型（商业航班、商业货运、通用航空、军事航空及其他）、飞机动力类型（活塞式发动机、涡轮式发动机、喷气战斗机、直升机及其他）、飞机的质量类型（重型机、波音757、大型机、中型机、轻型机及其他）、商业航线运输类型及支线飞行类型。TFMSC数据在每个月结束后30天更新。endprint

2.2 航空系统效能指标数据库（ASPM）

ASPM包括美国77个ASPM机场的飞行数据和美国ASPM航空公司的航班飞行数据[3]。FAA通过分析机场的天气数据、跑道构型数据、航班到达率和离场率数据，并将这些数据与TFMSC中的飞行计划数据或雷达航迹数据相结合，得到NAS当日完整的运行信息，推测机场次日的运行效率、延误情况等效能趋势。

2.3 运行网络数据库（OPSNET）

OPSNET以相对官方的方式发布每日NAS运行和延误情况信息，也以月报形式提供上月数据[4]。ASPM和OPSNET均可通过访问FAA的网站获取。

2.4 航空公司服务质量效能数据库（ASQP）

航空公司每月将航班延误、航班取消和服务及时性的有关信息提交给交通部航空公司信息办公室，ASQP处理后形成航班延误及消原因报告、NAS正点率报告、交通运输统计局报告、签派和航班时刻表可靠性报告等数据产品，并通过网站提供根据机场、城市对或航班取消条件进行查询的功能[5]。

2.5 终端区预测数据库（TAF）

TAF涵盖了FAA直辖塔台的机场的预测数据、联邦政府管辖塔台的机场的预测数据、非联邦机构投资管理塔台的机场的预测数据和未设置塔台的机场的预测数据[6]。FAA使用TAF进行规划并制订预算。作为官方预测数据，TAF也被联邦政府、地方政府、航空业界和公众广泛使用。

2.6 航班时刻表数据库（FSDS）

FSDS包含航空公司和机场的航班时刻表信息，提供根据机场或城市对条件的航班时刻数据查询功能，每月初和月中更新一次[7]。FAA使用FSDS进行交通量的分析和预测。

3 美国国家飞行数据中心（NFDC）

NFDC隶属于FAA，作为全美航空情报收集、质量控制和发布的官方机构之一，为国防部、国土安全局、ATCSCC、ARTCC、TRACON、ATCT、FSS、机场、飞行员和航图制作单位提供NAS设施设备的物理特征、地理位置、操作特性等描述资料，具体包括56天NAS资源订阅数据、机场数据、地形和障碍物数据、特殊仪表进近程序、空域定位点数据、ARTCC雷达位置数据、全国飞行数据摘要、施工通知、无线电设施修复和保持数据记录、调查数据等。其中，最重要的56天NAS资源订阅数据涵盖了空域分类数据、航路及航路定位点数据、区域管制单位设施及管制区边界描述数据、机场和着陆设施数据、仪表着落系统数据、塔台通信设施数据、飞行服务站数据、进离场程序、等待程序以及天气自动观测系统数据等[8]。这些数据信息均可以通过NFDC网站获取，互联网访问需要使用一个基于网络的应用程序—航空设施分发系统。运用这些数据信息开发、制作和更新的航图、相关出版物及其数字化产品可以根据ICAO规定广泛用于飞行管理系统、全球定位系统、移动航图系统和地-空数据链系统。

4 增强型交通管理系统（ETMS）

作为美国流量管理的核心业务系统，20世纪80年代中期研发的ETMS布置在国家交通研究中心、ATCSCC、21个ARTCC、37个TRACON、3个联合终端区和8个机场塔台，能够提供24h交通需求预测，显示当前和预测的系统状态数据，生成交通管理建议方案，以协助ATCSCC的交通管理专家和流量管理单元的交通管理员实施航迹查看、流量预测、地面/天气延误影响分析、改航方案评估和流量管理策略建模等日常作业。

ETMS的主要输入包括：来自于《官方航空公司指南》的航空公司定期计划；各类管制部门生成的NAS信息；纽约和奥克兰中心的洋区显示和规划系统，以及在火奴鲁鲁TRACON的离岸飞行数据处理系统的飞行计划和航班到达消息；阿拉斯加离岸计算机系统的飞行计划、起飞和降落消息；来自航空公司运控中心的飞行数据消息；来自于加拿大、英国、墨西哥等国外管制系统的消息；来自于国际气象服务中心的气象数据；来自于适应控制环境系统、国家洋区服务和国家飞行数据中心的地理数据（包括边界线、扇区、区域管制中心边界、终端雷达进近管制、航路、航路点、导航设施、机场和特殊用途空域或军方空域等）。

ETMS通过其交通态势显示系统与交通管理进行交互，可以输出地理数据、交通态势数据、监视告警数据、列表报告数据、气象数据和交通管理数据。ETMS能够基于航空公司定期计划和历史航路数据分析未来15h的航班需求，并结合交通态势数据、更新的飞行数据消息、气象数据和地理数据提供当前至未来15h的交通分布信息和基于預测的监视告警。ETMS的NAS原始数据通过敏感信息过滤后也会提供给航空公司、机场等航空组织进行有助于改善安全水平和运行品质的数据产品开发。

5 结语

美国非常重视空管大数据处理与分析系统的建设，也非常重视相关数据的内部共享与公共利用，总体上已形成面向统计分析、协同运行和规划决策的空管大数据应用管理模式。相关数据的存储和分层管理愈益规范，针对数据的二次开发和高效利用已成体系。而我国空管大数据应用系统的建设由于长期没有得到充分重视，相关的数据管理和共享工作无法满足航空业快速发展的实际需要。为此，民航局将“整合信息资源，健全信息交换服务平台”的工作要求纳入了“十二五”规划，民航局空管局2015年末印发了《网络安全和信息化专项发展规划》，并于2017年启动了“空管大数据应用需求研究与典型示范”研究项目。梳理美国空管大数据应用领域的既有工作及其主要成果，将对我国加快空管数据的资源整合、分类管理和系统利用提供参照，也将为空管系统数据中心和空中交通管理信息平台的设计和建设提供有益思路。

参考文献：

[1] FAA. SWIM Core Architecture Evolution Concepts[R].MITRE Technical Report MTR90193. McLean，VA：MITRE，2009.

[2] FAA. TFMSC [EB/OL].（2016-06-30）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/TFMSC，2017-05-18.

[3] FAA. Aviation System Performance Metrics（ASPM）[EB/OL].（2016-08-23].http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Aviation_Performance_Metrics_%28APM%29，2017-05-18.

[4] FAA. Operations Network（OPSNET）[EB/OL].（2014-06-20）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Operations_Network_%28OPSNET%29，2017-05-18.

[5] FAA. Airline Service Quality Performance（ASQP）[EB/OL].（2014-07-07）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Airline_Service_Quality_Performance_%28ASQP%29，2017-05-18.

[6] FAA. Terminal Area Forecast（TAF）[EB/OL].（2017-05-18）.https：//taf.faa.gov/，2017-05-18.

[7] FAA. Flight Schedule Data System（FSDS）[EB/OL].（2009-10-07）.http：//aspmhelp.faa.gov/index.php/Flight_Schedule_Data_System_（FSDS），2017-05-18.

[8] FAA.Aeronautical Information Services - National Flight Data Center（NFDC）[EB/OL].（2017-05-18）.https：//nfdc.faa.gov/xwiki/bin/view/NFDC/WebHome，2017-05-18.endprint