航班时刻分布式计算系统的设计与实现
时间：2021-05-11 00:02:38 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要
现阶段是我国民航业快速发展的时期。民航系统需要解决航班流量增加、航班准点率要求提高、以及未来系统扩容性等问题。为此采用分布式架构与中间件技术，基于现有的业务流程与数据处理需要设计了航班时刻计算系统。实验表明该系统能够处理由当前运行系统引接的实际航班数据，并在航班高峰期表现稳定。系统解决了计算任务分派、异构系统信息通讯、系统数据同步、以及并发数据访问瓶颈等问题，提高了现有民航系统的运行保障能力。
【关键词】分布式计算 航班时刻计算 MQ中间件
当前，我国民航运输业正迎来一段快速建设与发展的黄金时期，航班流量的增加以及旅客对航班准点率的要求都对现有民航信息收集、处理与发布能力提出了更高的要求。民航为此投入大量人力物力决心建成一个高效、可靠、互联的航班信息网。然而在建设过程中，民航实时数据量巨大、信息提供方网络物理连接带宽有限、以及传统系统互不相连的客观条件对系统的计算速度与数据搜索能力提出了巨大的挑战，传统的具有中心节点的数据存储与计算结构已经难以应对高速增长的海量数据即时处理任务。同时，航班信息系统必须保证24小时不间断地可靠运行，当系统局部出现问题时仍可以继续提供航班信息等安全性要求也是系统安全冗余机制必须考虑的问题。
针对这些情况，本文综合考虑民航行业的数据分布特点、计算需求、以及地域限制，研究并提出了一种基于分布式计算技术的航班时刻计算系统与数据库部署结构，采用中间件技术解决了分布式计算过程中的数据交互与传输问题，并通过运行数据进行实验，验证了系统运行的可靠性。
1 运行条件分析
航班时刻计算涉及到以下数据：天气数据、航路数据、机场限制、航空公司限制等，最终形成的有效航班时刻需要同时满足复数的航班约束条件。因此航班时刻计算系统需要考虑如下问题：
（1） 为了提供更加准确的航班信息作为空域管制的决策依据，系统应具备综合处理雷达、电报、地方机场等引接数据的能力，并能给出多制约条件下的航班通行窗口以供决策。
（2）为了保障民航系统数据传输的安全、可靠与高效，当前民航信息网络具有专门的信息传输线路。然而随着航班数量的增加，异地数据传输的带宽限制成为了制约系统实时性的瓶颈。在当前的数据链路条件下，系统应能够最大化地利用传输带宽，减少由于传输阻塞而导致的信息缺失。
（3）影响航班准点的因素很多，包括航空公司计划、空中交通流量限制、机场突发事件、天气变化等。系统应能够实时跟踪引接数据的变化，及时响应不同部门的数据添加与修改要求，并能够缓存大量并发的数据请求。
现有民航信息网在物理上实现了各地方分局站与华东空管局之间的互联。因此本系统应能够挂接到已有的民航网络以实现信息共享，并以标准化的格式传输数据。
2 系统设计及实现
2.1 系统设计概述
当前民航系统内并行存在异构的业务系统、数据库系统以及外部引接系统。传统的C/S架构采用中心服务器连接多客户端的星型结构，对于跨平台、跨区域的支持较弱，且中央节点容易出现数据处理瓶颈，因此难以支持本系统的现有运行条件。参考现有的B/S结构的分布式系统，我们设计了基于组件思想的分布式架构，并采用中间件技术解决了异构系统之间的通信问题。其优点如下所述：
（1） 支持并行处理请求，将局部的大量数据计算分派到远程系统，防止单一系统资源的过度使用。
（2）将业务功能拆分成许多功能组件（服务），并部署到相联系的硬件环境，从而实现异地系统组件的高效复用。
（3）通过中间件技术，实现在不同系统之间的消息通信与数据传输。由此可以减少系统解析不同格式数据的开销，在操作时也无需考虑系统差异导致的接口问题。
（4）组件化的服务调用确保了局部计算节点出现故障或超时未响应时可以将计算转到异地进行，而不会产生业务中断。
2.2 业务架构设计
系统需要根据业务需求从数据库中读取公共数据，并执行相关的业务逻辑处理与分析。为了实现分层化与组件化的目标，我们在业务架构上将运行系统分为用户应用层、公共信息管理层以及公共数据传输层。业务架构如图1所示。
其中用户应用层主要面向客户，提供客户端程序的显示与操作接口，并对不同的用户发布定制化的界面显示与功能操作。主要包括数据统计分析、数据维护、流量日志管理、管制数据维护等基本功能。
公共信息管理层实现了业务数据的处理与分析，并向用户应用层提供订阅的业务消息。其业务模块包括雷达数据处理、电报数据处理、机场数据处理、气象数据处理等。数据与消息的传输采用中间件技术以屏蔽异构系统与数据格式的差异。
公共数据传输层主要包括系统数据库以及数据传输链路。为了挂接现有的民航系统，本系统的数据库直接采用原有的中心数据库，并采用一定的措施与算法分发数据。引接的数据包括气象、航班情报、航路情况、航班流量、航班限制等数据。
2.3 系统总体设计
2.3.1 系统架构设计
航班时刻计算业务涉及到不同的数据同步、任务发布、任务实时性、以及非本地化策略。因此系统的部署结构需要适应复杂的工作环境，并具有足够的扩展性以支持民航发展的需求。
我们参考了典型的分布式应用架构，按照图 2所示的系统架构部署了系统的运行环境。其中客户端由直接相连的业务服务器提供具体的业务推送，主要负责简单的显示与操作逻辑并能够进行基本的数据筛选；业务服务器主要负责将业务分解成基本的任务单元，并调用远程服务器的资源进行并行处理；远程服务器直接读写数据中心的数据库，完成所接收的业务计算要求。
（1） 设计上考虑了网络A中本地、异地数据链路的物理限制，将大量的计算任务分配到网络相连的机器上，从而突破了客户端数据传输的瓶颈。
