（计算机系统结构专业论文）基于web+services的雷达语音安检系统的设计与实现.pdf

四1 i i 大学硕士学位论文 基于w e bs e r v i c e s 的雷达语音安检系统的 设计与实现 计算机系统结构专业 研究生刘洋指导教师周群彪 改革开放以来，中国民航得到了快速发展，飞行流量也大幅度增加， 同时也引起空中交通管理难度和强度加大，对安全生产造成巨大影响。 空管局作为民航安全生产的主管单位，自始至终都非常重视安全工 作，采取了许多行之有效的办法，并取得了卓越成绩。但是，那种传统的 依靠人工的方法进行生产安全监督检测已经不能适应信息现代化的需要， 他们希望通过联网的计算机可以更方便地看到和听到一线空管工作的实时 情况和从记录的历史话音和雷达数据中提取空中交通管理中发生的不安全 信息，作定量和定性分析，为飞行安全工作提供方便、客观的依据。 而本文中所涉及到的管制安检系统，正是基于这一需要设计和开发 的。它具有实时采集、存储雷达语音数据，实时同步播放雷达语音，历史 回放，雷达语音数据分析等功能，较好的满足了用户需要。在系统开发中， 本人主要参与了系统总体结构的设计，并独立负责w e bs e r v i c e s 的分析实 现，雷达语音安检播放子系统的实现：包括背景地图显示，雷达航迹显示， 语音的简化解码播放。本人所做工作分为下面几个部分： 1 对整个系统的总体结构设计和模块划分。此部分介绍了本雷达语音安 检系统的总体结构设计和模块划分，以及采用w e bs e r v i c e s 多层结构设 计的优势。 2 为了提高软件重用，采用构件技术，开发了一个可以显示雷达回放语 音的a c t i v e x 控件。该控件通过与w e bs e r v i c e s 服务器连接通信，实现 了实时的对雷达的解析显示和地空通话的解码播放：通过调用w e b s e r v i c e s 从数据库中获得历史的雷达语音数据，根据用户选择实现了指 四川大学硕士学位论文 定时间段和指定通道的历史雷达显示语音回放。 3 对雷达显示中遇到的一些问题，进行了分析讨论实现，包括：多线程 技术，雷达显示的双帧方式，标牌自动避让，雷达坐标转换和雷达航 迹显示等。 4 对语音播放的实现进行分析与设计。先介绍了标准a d p c mg 7 2 6 语音 解码算法，然后根据此系统的实际需要，进行了简化解码播放，并取 得了很好的效果。 关键词：w e bs e r v i c e s ，雷达显示，a d p c m ，a c t i v e x ，解码 0 - - 2 - - 四川大学硕士学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no nt h ew e bs e r v i c e s - b a s e d o fac o n t r o ls u p e r v i s es y s t e mo fr a d a ra n d s p e e c h m a j o r ：c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e g r a d u a t e ：l i uy a n ga d v i s o r ：z h o uq u n b i a o a b s t r a c t w i t ht h er e f o r ma n do p e n ，c a a cg o tt h ef a s td e v e l o p m e n ta n dt h e n u m b e ro ff l y i n gf l u xs i g n i f i c a n ti n c r e a s e d i nt h em e a n t i m e ， d i f f i c u l t ya n di n t e n s i t yo fa i rt r a f f i cc o n t r o lw o r ka r ei n c r e a s e d i tr e s u l t si ns e r i o u se f f e c to ns a f e t yw o r k a s t h ea u t h o r i t i e so fs a f ew o r ko fc i v i la v i a t i o n ，e v e r ya i r t r a f f i cm a n a g e m e n tb u r e a uc e n t e rc o n s i s t e n t l yt a k e sm o r ec a r eo f s a f e t yw o r k i th a sa c q u i r e dg o o dp e r f o r m a n c eo ns a f e t yw o r k b u t ，t h a tm e t h o do f s a f ec o n t r o ls u p e r v i s ed e p e n d i n go nt h e p e o p l eh a sa l r e a d yc a n ta d a p tt h ei n f o r m a t i o nm o d e r n i z a t i o n t r a d i t i o n a l l y s o t h e yw i s hi tc o u l dw a t c ha n d1 i s t e nt ot h e r e a l t i m ei n f o r m a t i o no fr e a la i rt r a f f i cc o n t r o lw o r k ，a n di tc o u l d e x t r a c tu n s a f ei n f o r m a t i o nf r o mh i s t o r ys p e e c ha n dr a d a rd a t at h a t h a v eb e e nr e c o r d e dt oq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e a s ar e s u l t ，i tc a nm o r ee a s i l yg e to b j e c t i v ec o n c l u s i o na c c o r d i n gt o t h e s ea n a l y s e s t h ec o n t r o ls u p e r v is es y s t e mo fr a d a ra n ds p e e c hr e l a t e dt ot h is t h e s i sh a sb e e nd e v e l o p e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fa i rt r a f f i c m a n a g e m e n tb u r e a u i th a st h ea b i l i t yt oc o l l e c tr e a l t i m ed a t ao f r a d a ra n ds p e e c h ，s y n c h r o n i z e dp l a yr e a l t i m ea n dh i s t o r yd a t ao f r a d a ra n ds p e e c h ，a n a l y z ea n dp r o c e s sh i s t o r yd a t ae t c i ti s s a t i s f y i n gt ou s e r t h ea u t h o ro ft h et h e s i s h a sp a r t i c i p a t e di n 一3 一 四川大学硕士学位论文 d e s i g no fs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，a n dt a k e nc h a r g eo fd e v e l o p m e n tw e b s e r v i c e sa n dr a d a ra n ds p e e c hs u b s y s t e mi n d e p e n d e n t t h et h e s i si s b a s e do nt h ew o r ko fa n t h o r i th a sb e e nd i v i d e dt ot h ef o l l o w i n g p o i n t s f i r s t ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g no fa r c h i t e c t u r eo ft h e s u p e r v i s i n gs y s t e ma n dd e s i g no fm o d u l eo fc o l l e c t i o no fs p e e c ha n d r a d a r s e c o n d ，u s i n g s o f t w a r ec o m p o n e n tb e c a u s eo fs o f t w a r er e u s i n g ， d e v e l o p e d aa c t i v e xc o n t r o lw h i c hc a nd i s p l a yr a d a ra n dp l a y s p e e c h t h a tc o m m u n i c a t ew i t ht h ew e bs e r v i c e ss e r v e r ，i tc a ng e t t h er e a l - t i m ed a t aa n dh i s t o r yd a t a t h i r d l y ，a n a l y t i c a ld i s c u s s s o m ek e yt e c h n i q u e sw i t h i nt h e r a d a r d i s p l a y ，i n c l u d e ：t h em u l t i t h r e a d i n gt e c h n i q u e ，d o u b l e b u f f e rt od i s p l a yr a d a r ，a u t o m a t i c a l l ye t c f o u r t h l y ，t h et h e s i sd i s c u s s e sh o wt op l a ys p e e c hd a t a o nt h e s t a n d a r da d p c mg 7 2 6d e c o d i n gc a l c u l a t e ，c a r r i e do nt h e s i m p l i f i c a t i o nb e c a u s eo fe f f e c t i v ed e m a n do ft h es y s t e ma n d o b t a i n e dt h eg o o dr e s u l t k e y w o r d s ：w e bs e r v i c e s ，r a d a rd i s p l a y ，a d p c m ，a c t i v e x ，d e c o d i n g 4 四川大学硕士学位论文 1引言 1 1 论文选题背景 改革开放是中国国民经济整体实力发展最为迅速的一个时期，在这期间， 中国国民经济的各个部门都得到了长足的发展，而中国民航又是其中一个发展 较为迅速的部门。 据中国民航的统计数据【lj 5 0 年来，我国民航航线由1 2 条发展到1 1 2 2 条， 国际航线由通航5 个国家的9 个城市发展到通航3 4 个国家的6 4 个城市，运输 旅客由1 万人增长到5 7 5 5 万人，运输总周转量由1 5 7 万吨公里发展到9 3 0 0 0 0 万吨公里。改革开放2 0 年来，我国航空运输量陕速增长，在世界上的排名由 1 9 7 8 年的第3 7 位上升到第1 1 位，使我国迈入了世界航空大国的行列”。从上 面数据可以看出，中国民航的发展速度非常迅速。 为了适应民航宏观上迅速发展的需要，民航下属的各个部门需要协调发展， 某一个部门的发展滞后都会影响到整个民航部门的发展与安全。民航空中交通 管理局是民用航空的管理及监察部门，其主要负责对各个机场空中管制的安全 监督与检测。 在空中管制安全检测方面，空管局对各个地区空中管制现在的做法是：除 每天有一位塔台进近管制室、区域管制室领导值班以外，还安排一、两位中心 领导亲自到生产现场检查、巡视，查看是否存在管制工作的安全隐患、险情以 及违规操作等。这种完全依靠人工的方法进行生产安全监督，在一定程度上是 有效的、可行的。 但随着民航运输业的飞速发展，飞行流量的大幅度增加，各个机场日最高 起落架次不断增加。由此，空中交通管理难度和强度加大，对安全生产造成巨 大影响：需要记录的数据量成倍增加，安全监管劳动强度加大；被监管单位的 地理位置分布较广，原始的人工效率低，且不能进行定量分析；不能方便、及 时、准确地了解空管安全的实际情况，也不能全面掌握空管工作中存在的潜在 事故征兆，最终将影响民航运输安全生产等等。 四川大学硕士学位论文 因此，开发研制一种能通过网络实时看到和听到一线空管工作的情况，并 能对历史雷达数据进行安全分析的自动化信息系统，己迫在眉睫。 1 2 项目简介 华北空管局负责北京、天津、呼和浩特、河北等地区民用航空空中交通管 制工作。在地理位置上，华北空管中心距离北京区域管制室、塔台进近管制室 所在的首都机场航管楼相距3 公里多，通过光纤实现各行政、管制业务办公室 的计算机网络联接。 空管局希望更方便地看到和听到一线空管工作的实时情况和对历史雷达 数据进行安全分析，从记录的话音和雷达数据中提取空中交通管理中发生的不 安全信息，作定量和定性分析，为飞行安全工作提供方便、客观的依据。 雷达语音管制安检系统根据上述需求，实现了下述目标： 实现雷达、陆空通话和内通通话实时信号的异地传输、存储。 实现雷达、陆空通话和内通通话实时或历史数据的异地同步播放。 实现筛查雷达记录数据中不符合飞行安全标准的信息，作定量分析。 实现雷达、陆空通话和内通通话历史数据的剪接复制和脱机回放。 这样，华北空管局相关人员在自己的办公室就可以根据具体需要，直接 通过i e 浏览器，选择北京区域不同管制席位的话音通道和雷达通道，对所关 心的数据进行反复监听、察看和定量安全检测，从而有助于空中交通管理部门 对所发生的安全差错、事故征候或事故进行客观地分析与判断。 制定本方案遵循的基本原则如下： 符合中国民航总局有关“航空器飞行间隔规定”和“中国民航空管自 动化处理系统低高度告警及冲突告警功能需求”的规定； 告警和预警参数可根据华北区域管制要求设置和调整； 本系统应保证原始数据的有效性，不被删除、修改； 提高人机界面的友好性，提高操作效率； 经分析后的数据或用户认为重要的数据可写入光盘用于长时间保留， - - 2 - - 四川大学硕士学位论文 这些数据是从原始数据中截取的。 1 3 作者所做的工作 本文作者从2 0 0 4 年9 f 至2 0 0 6 年3 月一共一年半时间参与了华北空管局管制 安检系统的研发，其主要完成如下工作： 行。 1 参加系统需求分析及u m l 系统建模工作。 2 参加系统总体结构设计及架构工作 。 3 参加数据库关系模型设计和优化工作。 4 开发一个可以显示雷达播放语音的a c t i v e x 控件。该控件通过与w e b s e r v i c e s 服务器连接通信，实现实时或者历史回放的对雷达的解析显示和 语音的a d p c m 软件解码播放； 对其中的雷达显示关键技术线程同步问题，雷达显示的双缓冲技术， 航迹标牌的自动避让及雷达坐标转换进行分析和解决。 根据标准的a d p c m 语音解码算法，结合安检系统网络传输的实际情况进 行了分析简化，最后进行软件编码实现了语音播放。 5 开发离线雷达语音播放器，对存储在硬盘上的雷达语音数据进行播放。 6 分析设计w e bs e r v i c e s ，并用c # 语言编写实现。 在整个研制和开发过程中，作者采用v c 6 0 ，c # 语言编写源程序3 0 ，0 0 0 余 3 一 四川大学硕士学位论文 2 雷达语音安检系统的总体设计 由于安检系统对反应速度和安全性有特殊的要求，下面将比较不同的几种 不同的架构方式，最后选择采用w e bs e r v i c e s 的多层结构进行系统设计。经过 对现场环境的分析。安检系统是一个可能有上百个用户的大型数据库系统，其 数据容量 1 0 6m 。因此，需要合理有效地设计数据模型，以保证在存储效率上 的要求。系统选择的数据库操作平台为0 r a c l e 9 0 ，在y c 6 o t 进行了程序设计。 2 1 系统体系结构设计 过去，被广泛使用的体系结构是两层数据结构，即应用程序放在客户端， 数据库放在服务器端。但随着i t 产业的不断发展，二层结构逐渐显示其它的不 足：由于最终客户需求的千交万化，客户端可能会不堪重负，而客户端程序的过 于庞大显然与分布式计算思想背道而驰”1 。 为了解决这个矛盾，本文引入了基于w e bs e r v i c e s 的多层结构的概念。下 文将比较常用的c s 两层结构和c a s 三层结构在开发程序时的优劣，并对采用 w e bs e r v i c e s 的多层结构进行讨论。 2 1 1 客户机月务器( c s ) 随着通信技术、计算机技术、网络技术和数据库技术的发展，计算机系统 的开发模式即数据库应用系统从单一的体系结构、主机系统、p c l a n 的文件服 务器结构发展到9 0 年代出现的较为先进的客户机朋艮务器( c s ) 结构。其结构 图2 1 ： 、忙 四川大学硕士学位论文 旺虱 亡虱 客户端 画 虱 客户端 画 虱 客户端 彀 据库服务器 图2 1 客户机服务器结构 客户机n 务器系统的基本思想是能在一个统一的地方集中存放信息资源。 一般将数据集中保存在某个数据库中，根据其他人或者机器的请求将信息投递 给对方。客户机及服务器概述的一个关键在于信息是“集中存放”的。所以我 们能方便地更改信息，然后将修改过的信息发放给信息的消费者。将各种元素 集中到一起，信息仓库、用于投递信息的软件以及信息及软件所在的机器，它 们联合起来便叫做“服务器”( s e r v e r ) 。而那些驻留在远程机器上的软件，它 们需要与服务器通信，取回信息，进行适当的处理，然后在远程机器上显示出 来，这些就叫做“客户”( c l i e n t ) 。 客户机服务器的基本概念并不复杂，但具体实现时，可能变得异常复杂。 单个的服务器需要同时向多个客户提供服务，通常都有一套数据库管理系统， 使设计人员能将数据布局封装到表格中。系统通常允许客户将新信息插入一个 服务器，因此必须确保客户的新数据不会与其他客户的新数据冲突。客户软件 发生了改变后，它们必须在客户机器上、调试以及安装。对多种类型的计算机 和操作系统的支持也是一个大问题。最后，性能的问题显得尤为重要：可能会有 数百个客户同时向服务器发出请求。所以任何微小的延误都不能忽视。采用传 统的客户机服务器方式，随着系统规模不断扩大、应用程序的复杂性不断提高， 这种传统的两层c s 结构逐渐暴露出许多问题，已经不能适应不断增长的应用需 求。主要体现在以下方面： 一卜 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统维护困难 两层c s 结构的业务逻辑主要分布在客户机和数据库服务器的存储过程 中，而业务逻辑经常变化，用客户端管理业务逻辑存在着更新、维护、增加等 不便的缺陷，例如业务逻辑的每次修改都会导致客户机上的应用程序重新编译 和发布。此外由于支持c s 模型的数据库驱动引擎也安装在客户端，当数据库引 擎的版本发生变化或客户端操作系统重新安装时，客户很难独立完成，需要技 术人员的支持和指导，这无疑增加了系统维护的难度并相应提高了系统维护的 成本。 ( 2 ) 系统的可扩展性差 。 c s 结构由于客户端直接与服务器相联结，数据库服务器必须保持同每个活 动客户端相连，当客户端数量超过2 0 0 时，尽管系统能够正常运行，但是效率会 大大降低，从而影响了整个系统的工作性能。 ( 3 ) 安全性差 客户端应用程序直接和数据库打交道，因此，客户端拥有对数据库操作的 足够权限，致使非法用户也能够操作甚至破坏数据库。同时，客户端的异常情 况( 如死机) 等都会造成对数据库服务器的直接冲击，造成数据库进程死锁、数 据异常等情况。 ( 4 ) 系统的移植性差 c s 结构中广泛使用存储过程和触发器。而编写存储过程和触发器的s q l 语言 目前还没有统一的国际标准，这就使得系统只能使用特定的数据库，很难做到 数据库平台的迁移。此外，s q l 语言和函数的功能十分有限，对于许多复杂的业 务规则在后台数据库中都难以实现。 四川大学硕士学位论文 2 1 2c a s 三层结构 由于传统的c l s 结构存在着以上种种缺点，它已不能满足现代发展的需要， 于是出现了多层分布式应用系统嘲。三层体系结构，是在二层结构的基础上， 随着i n t e r n e 和分布式系统的发展而发展起来的体系结构。它在二层结构上增 加了一个中间层，用来减轻客户端的负担，对中间层代码的修改也可以很方便 地修改事务逻辑，使得系统维护升级更加方便，系统扩展性也更好。其结构图 2 2 如下： 寓户鲻 袤不璎 ， - - - _ 戍川服务器 数搬瘁服务器 处艘联数据泌 图2 2c a s 三层结构图 ( 1 ) 表示层。表示层也称为客户层，即客户机上的g u i 应用。常配有网络 浏览器或可执行程序。一般不在客户层存放业务逻辑或存放很少业务逻辑。 ( 2 ) 处理层。处理层也称为业务逻辑层，通常由w e b 服务器或应用服务器来 实现。功能层为三层体系结构的中间层，它提供业务逻辑、事务调度，以及与 数据库之间的连接，是表示层和数据层之间的桥梁。m t s 或s y b a s ec t s 等事务服 务器都是中间层服务器，c o m 或c o r b a 对象可嵌入其中提供业务逻辑。中间层为 三层应用结构提供了伸缩性，也保证了客户通信的安全性。 凰一凰一酲 四川大学硕士学位论文 ( 3 ) 数据层。数据层通常存放像s q ls e r v e r ，o r a c l e 等大型关系数据库， 用于储存大量和系统相关的数据，并提供数据访问接口，供功能层调用。 三层结构由于其具有扩展性好，容错与网络负载均衡，管理安全和平台无 关性，用户操作简单等优点，在实践中得到极为广泛的应用，已成为目前最为 普遍采用的体系结构标准之一 要特别注意的是，对三层体系结构的划分，各“层”、各“端”只是逻辑 概念，并非物理概念，即各“层”不一定与物理上的计算机一一对应，它们可 以处于同一台计算机中，也可以处于多台计算机中同一层的各“端”也可 以处于一台或多台计算机中。这里，“端”对应进程和应用程序，如客户端、 应用端。数据端是指一个数据库。 。 三层分布式结构系统的出现，使得两层结构的数据库应用系统的各种弊端 都得到了很好的解决。它主要具有以下优点： ( 1 ) 方便低廉的系统维护和升级 在三层结构的数据库应用系统中，客户端只需负责处理用户接口，不涉及 数据存取，通用业务规则都放在了中间层服务器上，当企业规则发生变化时， 只需更新中间层的应用逻辑，不用更新系统，使得对系统的修改和更新简化为 只对中间层某个特定的部件进行更换，从而做到对用户的完全透明化维护。其 相关的数据库驱动引擎只需在中间层计算机上安装一份，客户端只安装一个应 用程序，不需要相关技术人员的支持。这些都大大降低了维护费用和维护人员 的工作量。 ( 2 ) 能实现更高的安全性 数据库应用系统的安全性对于绝大多数用户来说都是很重要的，多层结构 采用验证多级划分的分布式安全管理机制，不仅使系统的数据得到更安全的保 护，而且由于软件的关键逻辑都放在中间层，使系统的应用软件也得到了更好 盼保护。 ( 3 ) 能有效的提高网络效率 在两层结构中，对于典型的一次事务处理，客户机与数据库一般需进行多 四川大学硕士学位论文 次交互，但是在多层结构中，把数据的交互限制在中间层与数据库之间，客户 端的数据交互一次就能完成，这样，网络上的数据流量就能大大减少，提高了 网络的传输效率。 ( 4 ) 消除数据瓶颈 在多层结构中，可以通过增加中间层的开发度，分担数据库的计算任务 共享数据库连接，从而提高了数据库系统的运行效率。 2 1 3 基于w e bs e r v i c e s 的多层分布式结构 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 的飞速发展，各种软件开发工具都加入对 i n t e r n e t i n t r a n e t 的支持，又由于w e b 应用的成长速度超过了传统开发工具的 研发速度，因此出现了多种新的简单、开发迅速的脚本语言，如a s p , j s p ，p e r l 和p h p 等，但同时也造成了使用不同实现技术的系统和平台之间集成困难的问 题，而w e bs e r v i c e s 贝u 可以解决这个问题。w e bs e r v i c e s 使用x m l 格式封装并采 用h n p 协议传输数据，可集成不同的平台、操作系统及使用不同技术提供的功 能。考虑到系统的扩展性，如跨平台使用，中间层编写的企业逻辑能被各种不 同的语言调用等，同时为了方便在i n t e r n e t 上传输数据，不受防火墙的限制， 在前面的c a s 三层结构中再增加一个w e bs e r v i c e s 应用服务器层，使其成为基 于w e bs e r v i c e s 的多层分布式结构，它的结构简单如图2 3 所示： 客户端 圆一国一回 _ 叫l 兰l 卜i 尉l e r v e r s 服务器中间层服务器数据库服务器 图2 3 基于w e bs e r v e r s 的多层结构图 卜一 i 凰一凰一凰 四川大学硕士学位论文 同前面的c a s 三层分布式结构相比，基于w e bs e r v i c e s 的多层结构的中间 层服务器和数据库服务器的作用和特点都没有改变，而新增加的w e bs e r v i c e s 应用服务器的作用就是作为客户端和应用服务器的传输中介。具体过程为：客户 端向u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ，统一资源定位器) 所指定的w e bs e r v i c e s 服务器提出服务请求，w e bs e r v i c e n 艮务器把所需服务的数据封装为x m l 格式的 数据封包并以h t t p 协议的方式传送给客户端，客户端再把它解析为本编程语言 能识别的代码加以处理。 基于w e bs e r v i c e 的多层结构应用系统除具有三层结构应用系统的优点外， 它最大的好处就是使客户端采用图形界面的数据库应用系统更方便于在 i n t e r n e t 上传输数据，并且不受防火墙的限制。其次，它也大大提高了系统的 扩展性，在以前，没有一个语言是独立于平台、组件模型和操作平台的，而只 有通过w e bs e r v i c e s ，客户端和服务器才能够自由地使用h t t p 进行通信，因为 w e bs e r v i c e n 艮务器的作用是把传输信息封装为可在i n t e r n e t 上传输的x m l 标准 格式的s o a p 数据封包。而这种形式的语言可以被任何操作系统及现在流行的编 程语言如v b ，v c 什、d e l p h i ，j a v a 所接受，它既不受操作系统的限制，也不受 编程语言的限制。 2 1 4 系统结构的选择 经过对安检系统实际环境的分析和空管局提出的实际需求，以及对c s ， c a s 和w e bs e r v i c e s 的多层结构的比较，本系统选择基于w e bs e r v i c e s 的多层 体系结构来进行系统实现，理由如下： ( 1 ) 从数据量上考虑 雷达语音数据量巨大，二层结构的使用会造成数据通讯量的剧增，严重时 造成网络拥塞，导致整个系统的瘫痪，所以采用三层或者三层以上结构是必然 选择。 ( 2 ) 从功能上考虑 根据需求，客户端可以通过w e b 或者w i n d o w s 程序方式对雷达语音数据进行 四川大学硕士学位论文 访问，采用c a s 方式无法对w e b 进行较好的支持，而w e bs e r v i c e s 是用标准的 h t t p 协议，可以对w e b 进行完美的支持。 ( 3 ) 从网络环境上考虑 c a s 结构主要应用在局域网环境下，用户群确定，安全性控制能力较强。 但其间通信是通过t c p 或者u d p 协议完成，而本系统的用户群是较为固定的但其 物理分布较为分散，如果采用c a s 结构，其问通信会受到端口屏蔽或者防火墙 问题而受到限制，而基于w e bs e r v i c e s 的多层结构，其把传输信息封装为可在 i n t e r n e t 上传输的x m l 标准格式的s o a p 数据封包，通过h t t p 协议进行传输，将不 会受n c a s 遇到的问题。 ( 4 ) 从系统扩展上考虑 。 由于w e bs e r v i c e s 对v b ，v c + + 、d e l p h i ，j a v a 等主流编程语音所接受，其 客户端程序可以用不同的语言进行实现。客户端如果要移植到其它平台，可以 不对w e bs e r v i c e s 修改，而只对客户端用不同语言进行开发。 本系统体系结构图2 4 如下，可以清晰的看到本系统所采用的体系结构。 雷达语音数据 v 中 国 如s l 多通道 同步记录仪 图2 4 基于w e bs e r v e r s 管制安检系统分层结构图 ( 1 ) 采集层：其主要负责对雷达和语音数据的实时采集。话音雷达数据 采集器是基于川大智胜公司生产的m d s l 多通道数字同步记录仪技术的专用 四川i 大学硕士学位论文 设备，其可以实时的完成话音及雷达数据的采集工作。 ( 2 ) 数据层：主要是将语音雷达数据保存并提供与处理层的数据接口。数 据层功能相对单一，只负责数据存储访问，以及提供应用程序的接口。 有关数据库的选择将在下节中做介绍。 ( 3 ) 处理层：也叫应用层。本层主要负责提供业务逻辑。处理层集成了与 数据库访问的有关操作，主要执行数据查询和比对服务。本层还采取一定的流 量控制策略，对应用服务器的负载进行平衡。 ( 4 ) w e bs e r v i c e s 层：其主要作用是提供一个桥梁，提供各种远程方法使 表示层能够对处理层进行访问。 ( 5 ) 表示层：表示层集成了用户显示逻辑。在本系统中，其主要是通过一 个嵌入网页或者w i n d o w s 程序的a c t i v e x 控件，使客户端进行雷达显示和语音的 播放。其详细设计将在下章中讨论。 。 2 2 数据库管理系统的选择 根据系统功能需求，本系统可以对过去半年的雷达语音进行安全检测分 析，那么就要选择一种高性能及高稳定性的数据库对雷达语音数据进行保存。 在选用何种数据管理系统时，我们主要考虑如下原则。 数据库系统必须是技术先进的、高质量的、高稳定的、易维护的，友好开 放的、可扩展的。必须具备以下技术要求： 支持客户n 务器体系结构； 数据库级的并行处理能力，支持s m p 硬件结构； 支持并行服务器、支持集群系统；强有力的数据库管理功能：数据备 份与恢复、数据完整性约束、支持数据库动态扩展和数据库镜象； 先进的数据库并发控制机制，支持页面锁； 可靠的数据库安全性控制机制。对用户、数据和应用等各级别都提供 四川i 大学硕士学位论文 有效的安全性管理方法； 支持汉字处理能力； 对目前流行的大型数据库系统( o r a c l e 、i n f o r m i x 、s y b a s e 、和s q ls e r v e r ) 进行比较和分析，发现o r a c l e 系统更加适合我们系统的要求。o r a c l e 的开放 式标准网络计算体系结构可使信息技术开发者花很少时间就可解决数据互操作 问题，从而把更多的精力用到新系统部署上。o r a c l e 服务器是开放式标准网络 计算体系结构的一个主要组成部分，它被设计为满足网络为中心计算模式、面 向对象开发对性能、可靠性和可伸缩性所提出的各种要求。其o r a c l e 结构及组 成见图2 5 ：。 图2 5o r a c l e 结构及组成 与以前的版本或其它数据库相比，o r a c l e 9 在资源利用和性能方面有了显 著的提高。无论是支持数以万计的用户和有数百亿字节数据的大型系统，还是 规模相对较小，但仍十分关键的小型系统，都会从o r a c l e 9 的卓越性能中受益 四川大学硕士学位论文 匪浅。同时，它有以下突出的特点： ( 1 ) 支持大数据库、多用户的高性能的事务处理。0 r a c l e 支持最大数据 库，其大小可到几百千兆，可充分利用硬件设备。支持大量用户同时在同一数 据上执行各种数据应用，并使数据争用最小，保证数据一致性。系统维护具有 高的性能，o r a c l e 每天可连续2 4 小时工作，正常的系统操作( 备份或个别计 算机系统故障) 不会中断数据库的使用。可控制数据库数据的可用性，可在数 据库级或在子数据库级上控制。 ( 2 ) o r a c l e 遵守数据存取语言、操作系统、用户接口和网络通信协议的 工业标准。 。 ( 3 ) 实施安全性控制和完整性控制。o r a c l e 为限制各监控数据存取提供 系统可靠的安全性。o r a c l e 实施数据完整性，为可接受的数据指定标准。 ( 4 ) 支持分布式数据库和分布处理。 ( 5 ) 具有可移植性、可兼容性和可连接性。 在进行数据库表设计时，考虑选用面向对象的数据库系统，同时，为了更 好的表示系统中的数据之间的关系，考虑使用嵌套表，根据以上原则，结合系 统的特点，并考虑操作系统与数据库管理系统的较好结合，实现数据库的稳定 性、可靠性、维护方便性、对系统资源的要求方面得到较好的支持，数据存储 应尽可能减少冗余度，理顺信息收集和处理的关系。同时，考虑数据访问频繁 性、安全性和稳定性，选用o r a c l e9 i 作为数据库平台。 2 3 系统功能模块结构 根据实际需求，“雷达语音安检系统”设计为数据采集传输、数据存储、 远程监控、雷达语音安检播放子系统、数据分析五个子系统组成。如图2 6 四川大学硕士学位论文 ； ：窜! 量、堡夕军 # 镕6 * o 山一一一 。 ，崖壹一霉豁撕脯棱 敖$ 采集- 峄机数据采集、传输于系境 县阜：”幸二影导曾导 、，a t c z 直卤卤靴蝴 图2 6 系统功能结构图 从上图，可以清晰的看到本系统的功能结构，下面将对其分别介绍。 2 3 1 数据采集传输子系统 数据采集传输子系统通过网络、电话线或空管局其他备份系统采集雷达信 号、内通通话信号、对空通话信号等实时空管数据，对各类信息进行压缩、传 输和解读，转化为系统定义的标准数据格式并保存于数据库中 数据采集是通过川大智胜m d s l 雷达话音记录仪采集实时雷达语音信号， 处理后通过传输子系统保存在数据库中。 四川大学硕士学位论文 传输子系统将采集到的话音、雷达信号经过特别的无损压缩后，通过华北 空管局现有的光纤网络传输到空管局端的数据库服务器上；同时，传输子系统 还保证在发生网络拥塞，甚至网络或数据库服务器故障等严重事故时，要将这 期间已采集到但未能传输出去的数据暂时保存在数据采集器硬盘上，一旦侦察 到系统恢复正常后，立即将这部分数据传输出去，然后在本地硬盘中清除掉， 以确保系统采集到的话音、雷达数据不会丢失和拥有足够备用硬盘空间； 并且提供监控接口，可以通过远程监控工作站和计算机网络，系统管理员 在自己的办公室直接监督、查看数据采集子系统的工作状态，能够远程控制数 据采集器的开启和选择需要记录话音通道、雷达通道，并在数据采集器发生故 障时发出语音告警信息，方便系统管理员监督、管理。 2 3 2 数据存储系统 将采集到的数据通过华北空管局现有光纤网络传送并存储在华北空管局数 据库服务器中。它包括空管数据及相关信息、统计数据两大部分。数据存储系 统保证数据的一致性、可靠性和及时性，对用户提供相应的数据访问功能。本 系统采用o r a c l e 数据库实现此功能。 数据存储子系统在磁盘阵列上保存话音雷达数据，同时它是双机热备份系 统，确保系统长时间、稳定运行。 2 3 3 远程监控子系统 安装在华北空管局办公室，通过现有局域网，为系统管理员提供对数据采 集器的远程监督和控制服务；能够显示数据采集器的工作状态、故障情况等信 息；控制数据采集器的开启、停止；控制数据采集器选择需要采集的话音通道 和雷达通道；查看数据采集器硬盘使用情况。 四川大学硕士学位论文 2 3 4 雷达语音安检播放子系统 这是本系统的核心功能，也是本文作者所做的主要工作。 雷达语音安检系统的主要目的是能实时或者历史显示采集子系统采集到雷 达的各种信息和播放所采集到的语音数据。而这些功能的则是通过该子系统实 现的。 本子系统是安装在空管局的各相关办公室的现有计算机系统上，它要求通 过直接使用浏览器( 如i e ) 或者w i n d o w s 程序访i h w e bs e r v i c e s 来获取数据。 而i e 由于自身的限制，无法很好的实现雷达语音的实时播放，所以本子系统使 用软件组件技术，开发了一个可以嵌入到浏览器的实现雷达显示和语音播放的 a c t i v e x 控件，来完成相关功能。a c t i v e x 控件的相关内容将在3 3 节中详细介绍。 在该控件中，除了实现雷达显示和语音播放的基本功能以外，还实现了一 些空管系统中简单的功能。 历史航迹显示：可以对一件飞机或者多架飞机的历史飞行航迹在背景地图 上进行显示。 标牌定位：可以通过输入航班号或者s s r 代码，对目前雷达中的航迹进行搜 索，如果找到匹配的，则以此为中心进行高亮显示。 动态测距：一般的g i s 地图提供了两点之间的静态测距，但由于显示航迹的 实时变化性，本系统提供了对任意两架飞机的实时动态测距功能。 高度层过虑：通过本功能，实现了只显示雷达中飞行高度为指定高度的航 迹信息，使用户可以方便的进行航迹安全检测。 在本子系统中，提供了丰富的界面交互命令给用户如：用户可以选择不 同的雷达进行不同的航迹播放，也可以根据需要对不同的语音通道进行实时的 监听。 2 3 5 数据分析子系统 数据分析系统对采集到的数据按时间标记进行合成，然后按照预设置的安 全标准进行定量和定性的批量安全分析，并存储分析结果；用户可根据具体要 四川大学硕士学位论文 求，对分析结果进行后处理，如：打印报表、话音雷达同步回放、以及将选择 的时间段数据刻制成光盘保存。 而一个已经被授权的用户可以在一个微机终端上通过本系统选择筛查在 一定条件下的雷达记录，并且按照国家规定的飞行器告警标准进行分析处理， 把不符合安全要求的飞机进行回放显示。 四川大学硕士学位论文 3 安检播放子系统的设计与实现 安检播放子系统实现的功能为根据用户的选择实现实时或历史的雷达显 示和语音回放。而由于雷达显示和语音回放是两种不同的实现方式，在本章中， 就不讨论它们是如何实现的( 分别在4 ，5 章中分别介绍) ，只对他们如何获得 实时和历史数据的方式进行设计与实现。 从图2 4 可以看出，本子系统只与w e bs e r f i c e s 层数据通信，而安检播 放子系统是基于a c t i v e x 控件实现的，则本章先分别对w e bs e r v i c e s 和 a c t i v e x 控件进行分析，最后对其通信方式的实现进行讨论 3 1 雷达语音实时播放的设计与实现 对于实时播放雷达语音的实现，就首先要了解数据采集子系统中对数据的 两种处理方式。 数据采集子系统采集雷达数据和内通通话数据。雷达数据传输采用t c p i p 协议，传输数据用网络包封装，其数据格式完全由m d s l 自行定义。语音采集部 分用语音采集卡采集语音数据，主要完成p c m 采样和a d p c m 压缩，同步雷达、 语音数据后分别向数据库中写入。 实时播放子系统由于强调其实时性，系统应该及时准确地反映空管中飞行 的状况。为减少网络传输延迟达到同步，就对于使用的语音数据，按照时间标 记与雷达数据进行数据同步合成，从而可以再现空中交通管制过程。而为了达 到实时的要求，采集的数据分为两种方式进行存储，一种为存储在o r a c l e 数据 库中，保存备份，以便以后分析、回放时使用；而另一种为通过网络实时的更 新到w e bs e r v i c e s 服务器的实时数据缓冲里，w e bs e r v i c e s 服务器的实时数据 缓冲里只会保留最新的实时数据。从图3 1 中可以看到这两种方式的实现： 四川大学硕士学位论文 i 雷达数据 网络接收模块 ( 通过s o c k e t 实现) 分类存储 的网络接 收数据 预处理分类后 的雷达数据 i 语音信号 同步后的雷达据 送到w e b s e r v i c e s 服务器 上 图3 1 数据采集子系统结构框图 数发 l c e s 实时播放的实现，就是通过w e bs e r v i c e s 的g e t r e a l d a t a ( ) 方法，实时 的从w e bs e r v i c e s 服务器中的实时数据缓冲中获得实时雷达语音数据，并分别 交给雷达处理显示线程和语音播放线程进行处理，其流程如图3 2 ： 四川大学