基于AIXM的民航共享数据集成系统构建

赖 欣，胡敬玉

(中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307)

0 引 言

随着航空交通流量的持续增加，更多的航空公司、更多的飞机将投入航空运行，全球航空业将越来越需要准确易用的航空信息作为安全运行的支持[1-2]。目前，航空信息管理涵盖航空业内的许多不同服务和数据库，例如机场数据与信息、天气信息、空管信息等，信息在不同应用系统中以不同的格式进行表达和存储，跨系统操作通常不灵活且存在风险，这就迫切需要采用一种统一的航空信息表达方式，使航空在通用表达的前提下实现互操作性。而允许涵盖全球所有航空信息的综合系统的存在仍然是一个巨大的工程。因此目前可以考虑的方式是建立支持关键航空信息集成的数据集成系统，使用户可以及时、安全地检索和使用所需的多种航空信息，同时也能根据航空数据动态特性进行实时调整，自动更新。文中采用目前国际民航组织支持推广的AIXM模型与XML动态数据共享技术，设计可实现跨系统进行数据集成的方案，并对该方案中涉及的各步骤和技术进行详细说明。

1 相关工作

目前EUROCONTROL和FAA都提出了航空信息标准化的项目，并持续提出了各项关键技术与标准，例如AIXM(航空信息交换模型)和WXXM(天气信息交换模型)。AIXM标准包括主要参考航空数据，例如有关跑道，航线，空域和机场地理位置等信息，已被国际民航组织采用作为航空数据交换的全球标准[3]。WXXM标准包括有关各种类型的特定气象航空信息[4]。AIXM与WXXM的基本思想均为将航空信息与气象信息进行建模，并以UML模型结构表达，从而体现各类航空信息、气象信息的基本属性与关联性。图1为航空要素跑道(Runway)的UML视图。随后根据UML模型，利用目前全球通用的可扩展标记语言XML将UML进行编码，形成计算机可识别的结构化语言，因此AIXM与WXXM本质都是基于XML的标准，未来完全结构化数据的航空信息与气象信息要求能够在支持XML的数据库中集成XML文档[5]。由于航空信息与气象信息都是可随时间变更的，因此AIXM和WXXM都被设计用于表示和交换动态航空数据，属于动态数据。因此XML数据仓库和动态XML文档的技术是实现航空数据统一标准集成的关键[6]。

图1 跑道(Runway)UML视图

目前属于从传统航空信息服务到结构化数据航空信息服务的过渡期，因此民航使用的信息系统采用的底层数据表达方式存储形式多样。根据调查，数据表达和存储以传统关系数据库SQL结构为主，部分新航空信息系统采用了NoSQL结构，如XML文档数据库结构。航空运行关键信息系统，如传统航行通告系统、气象系统是仍利用AFTN网络进行分发的文本数据，目前仍然采用关系数据库，利用表(或称为一个关系)包含用列表示的一个或更多的数据种类。新设计构建的航空基础数据采集和存储系统由于采用了XML数据库，可支持对XML格式文档进行存储和查询。在信息技术持续发展和需要统一化的前提下，在主流的两种信息表达和存储模式间构建集成系统，可实现数据统一且可融合互操作的目的[6-7]。

2 数据集成系统的构建

根据对现有民航信息系统数据结构的分析，以及对未来信息系统发展的预见，文中设计了可兼顾现有关系数据库以及后续XML数据库的集成方案，集成系统构建方案的步骤如下：

步骤一：识别现有关键航空系统可实现数据集成的关键点；

步骤二：标准化表达关键航空数据；

步骤三：根据已识别的集成点集成数据。

构建过程的每个步骤需解决的不同技术问题，在各章节具体说明。

2.1 识别可实现数据集成的关键点

各类民航信息系统都是存在许多用于存储，维护和查询各种航空数据的独立系统，它们之间的互操作性有限，这使得难以维护和查询数据，特别是在数据来源于多个域区域的情况下。比如由民航情报机构负责的航空基础数据库与航行通告数据库，以及民航气象数据库，都属于支撑航空运行的关键数据库。而这几类数据库对应数据之间存在互操作，但数据源却存在于不同数据库中。如前所述，目前各空管系统的底层航空基础数据库都采用关系数据库。针对关系数据库的特点，以及航空数据的属性进行分析，航空数据通常都涉及两个基本特征，即：

空间特征：航空数据中最常用的信息都包涵地理空间数据，比如机场，跑道，路线，空域和障碍物等，目前都是采用SDO GEOMETRY对象存储在关系数据库中;

时间特征：航空数据具有时间属性，因此每一条记录都具有时间有效性，目前采用一对日期“StartDate”和“EndDate”给出。

以航行通告系统为例，该系统发布的消息是文本格式，通过AFTN发送处理，然后广播给最终用户。而航行通告通常要和基础航空情报数据之间建立逻辑关联，即是对基础航空情报数据的临时性修改。针对这类需要引用航空情报基础数据库或与航空情报基础数据库建立逻辑关联的应用，可以从空间点和时间点上进行集成，如表1所示。

表1 空间集成点、时间集成点的航空数据示例

空间集成点，对飞行涉及的位置或天气信息都指特定的位置或地理空间区域。但是，它们没有指定准确的地理空间位置(比如经纬度)或区域形状，它们只给出位置或区域代码；因此，需要进一步工作来确定每个消息的地理空间准确编码；时间集成点，消息都具有暂时的有效性。比如NOTAM消息只能具有消息创建时间相比的未来有效性，而天气消息可以具有反向(过去)或转发(未来)有效性。

在确定系统的集成点后，可以基于已经集成的业务用户查询要求，构建一个系统，该系统将从时间点和空间点角度整合数据。

2.2 标准化数据

为了能够将所需数据集成到所描述的系统中，所有这些数据都需要使用数据表示的通用“语言”。因此创建所提出的集成系统的一个关键步骤是将所有可用数据转换为通用数据表示格式。目前全球在Eurocontrol和FAA的倡导下采用AIXM作为航空数据表示和交换模型，采用WXXM作为航空气象数据交换和表示模型。WXXM和AIXM共享一组通用的概念，即航空特性，允许它们在XML模式级别集成。这两种模型均采用统一的XML作为创建、交换和分发航空数据的格式。

一般来自关系数据库的数据无法直接转换为AIXM文档，这是因为现有的专有关系结构不符合航空特性的AIXM概念。因此，文中给出的方案考虑设计一个中间步骤，即将航空基础数据从关系数据库迁移到可适用于支持AIXM的数据库中。然后从这个中间数据库中提取数据，使用XSLT语言将其映射到AIXM文档中。XSLT语言是一种样式转换标记语言，可以将XML数据转换为另外的XML或其他格式，以XSLT进行格式转换并不会变动原始的数据文件，而会以现有数据产生新的内容格式[8]。为适应AIXM航空特征的概念，考虑利用是在外部文件完成的源数据库和目标数据库的映射，外部文件用作中间工具表连接到输入和输出数据库，并读取执行指定功能的映射文件。

表2 用作迁移工具的输入的表格示例

表2显示了新老数据库映射文件中的一个样本，用于将数据从源关系数据库迁移到提议的可以支持AIXM的数据库中。在老的关系数据库与新的支持AIXM的数据库之间存在以下可能的逻辑关系。在该图中，如果字段存在于老的关系数据库中，但不存在于启用了AIXM的数据库，表示为<；如果字段同时存在于这两个数据库中，表示为=；如果字段是AIXM的数据库中的一个新字段且不存在于老的关系数据库，则表示为>。

数据以XML格式从AIXM的数据库中提取，并使用XSLT转换文件转换为AIXM格式的XML文档。此过程中的输入是创建的迁移规范文件和XSLT转换文件，而输出是一组XML文档，以AIXM格式表示航空参考数据[9-10]。

以NOTAM消息为例，NOTAM消息与航空基础参考数据有关，例如宣布跑道因维护而关闭，或由于火山灰云等已关闭空域。从时间角度来看，NOTAM消息比航空基础参考数据更具动态性。AIXM标准的建立是为了同时满足静态和动态航空数据，为此AIXM标准采用了特征的概念实现航空数据的表达，为体现时间概念，引入了时间概念，即消息有效性间隔的开始和结束。如前所述，目前NOTAM消息通过ATFN系统以文本格式收集和分发，将通知标准化为飞行员消息的过程涉及额外的操作步骤，即需要解析文本文件并将信息保存在启用AIXM的数据库中[11]，该过程需要从启用AIXM的数据库中提取数据并将其转换为AIXM格式的XML文档，航行通告的转换过程如图2所示。

图2 航行通告标准化过程

2.3 根据已识别的集成点集成数据

如前所述，空间(位置，区域)和时间维度已被确定为航空基础数据的集成点，并且来自每个数据源(关系或文本)的数据已使用相应的基于XML的标准进行标准化。利用XML动态数据共享方法[12-14]，可实现按时间和空间集成过程。

XML文档中的时间方面通常表示为日期和/或时间元素，并且至少可以包含三个关键时间属性：创建时间，即信息最初产生的日期/时间;有效时间，即信息相关的日期/时间范围;使用时间,即最终用户使用信息的日期/时间。

XML文档中的时间信息通常可以有两个属性，即创建时间和有效时间(例如、、、)，或者当表示特定时间点(例如、等)时，显示为单个元素或属性。不同的消息可能具有不同的有效期，具体取决于创建它们的应用程序。无论每个模式中时间元素的确切表示如何，都可以归纳为两种情况。

情况1：给定两个XML文档Doc1和Doc2，其中时间有效性分别由两组节点值T1和T2表示，当且仅当T1=T2时，文档Doc1与Doc2具有相同的时间有效性。

情况2：给定两个XML文档Doc1和Doc2，其中时间有效性分别由两组时间节点值T1和T2表示，如果时间有效性重叠，即T1∩T2≠∅和T1=T2，或时间有效性不重叠，即T1∩T2≠∅，则文档Doc1与Doc2具有不同的时间有效性。

为了解决XML文档的时间集成问题，文中提出引入时间有效性窗口Twin的概念。有效性窗口Twin表示集成后的XML文件具有的时间有效性。

当初始XML消息具有相同的时间有效性时，单个时间有效性窗口将包含在集成的XML消息中。最终的集成XML消息(文档)将具有单组数据，对于相同(即单个)有效期有效，即给定两个XML文档Doc1和Doc2，它们具有相同的时间有效性关系(T1=T2),集成的XML文档Doc=Doc1∪Doc2将具有单个时间有效窗口Twin=T1=T2。

当初始XML文档具有不相同的时间有效性时，将在集成的XML消息中基于初始XML消息的各个时间有效期创建多个时间有效期窗口，即给出两个XML文档Doc1和Doc2，它们具有不同的时间有效性关系(T1≠T2)，由Tstart1和Tstart2，Tend1和Tend2分别表示每个时间间隔的开始和结束，即T1={Tstart1→Tend1}，T2={Tstart2→Tend2}，那么集成的XML文档Doc=Doc1∪Doc2将具有多个时间有效性窗口，并存在如下可能性：

·当Doc1和Doc2存在非重叠的时间性时(T1∩T2=∅)，两个时间有效窗口Twin={T1∪T2}={Tstart1→Tend1∪Tstart2→Tend2}

·当存在Doc1和Doc2的重叠时间(T1∩T2=∅和T1≠T2)时，有效窗口Twin={Tstart1→Tstart2∪Tstart→Tend∪Tend→Tend2}；

在航空XML标准(例如AIXM或WXXM)中的空间表达上采用GML对象[15]。例如，元素将被描述为GML Point，或元素将被描述为GML Surface，而元素可被描述为GML Point线。关键点在于多个XML消息可以具有不同的空间有效性(例如点，线，曲面等)[16]。在交换的大量航空数据的背景下，每个消息具有其自身的空间有效性，因此允许这些消息的空间集成及其随后的空间过滤的技术至关重要。无论每种模式中空间特征的确切表示，即相同的空间有效性和不相同的空间有效性，都存在这两种情况。

情况1:给定两个XML文档Doc1和Doc2，其中空间有效性分别由两组节点值S1和S2表示，当且仅当S1=S2时，文档Doc1和Doc2具有相同的空间有效性，即∀S∈S1，那么∀S∈S2。

情况2:给定两个XML文档Doc1和Doc2，其中空间有效性分别由两组节点值S1和S2表示，如果S1=S2，∃S∈S1但S∉S2或者∃S∈S2但S∉S1，那么文档Doc1和Doc2具有不同的空间有效性。

解决空间集成问题首先需要进行空间识别，即确定并在集成的XML文档中包含有关初始XML消息中空间对象的详细信息。并从集成XML消息中的初始XML消息中识别每个空间对象，例如，如果两个空间对象重叠，则集成文档将标记这些对象的交叉点，通常用户查询空间特征，都想要了解空间交叉点或对象之间的接近度等。

3 结束语

根据目前航空信息系统底层数据的多样性现状，提出一种将各种类型的多个来源的航空数据进行集成的方法。集成整合数据可作为民航协作决策支持系统的支持，有利于减少跨系统之间的复杂查询过程，减少人为操作的差错，并能在集成数据的集成上对飞行过程进行更好的预测和监控。该方法兼顾了传统的SQL数据库模式下的航空信息系统与新型的NOSQL数据库模式下的航空信息系统，并以国际民航组织提出的AIXM作为航空数据统一的表达语言，以支持AIXM的XML动态数据共享技术在时间、空间属性上进行集成过程的描述。