1、软件开发与应用Software Development&Application电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering441 SkyNET-X自动化系统介绍SkyNET-X 自动系统采用双重冗余的工作网络(Operational LAN)，无缝双网切换、独立的服务网络(Service LAN)传输其他数据和旁路雷达数据(Bypass)、双重冗余的数据处理节点，例如，RDP 节点，采用双机热备份，备节点与主节点保存相同的数据信息，当主节点故障，触发切换时，无缝的双机切换，保障系统的正常运行，所有主机具有冗余的网络接口(bonding)
2、、统一的中间件(UBSS)，保障了个系统内节点的数据一致性，集中式的监视和控制系统，保证了系统的安全性1。SkyNET-X 自动系统由众多软件模块组成，以下分别为各个模块的功能描述。雷达数据处理功能由RTP 模 块、MTP 模块和MSTS 模块软件模块完成，其中 RTP 处理单部雷达数据，进行 QNH 校正，形成单雷达航迹；MTP 使用马赛克方式融合单雷达航迹，形成系统航迹，RTP/MTP 的组合共同完成系统航迹的形成。MSTS 模块是集单雷达数据处理和多雷达数据处理于一身，相比较 RTP/MTP 组合模式在目标机动和处理有 GPS 时标的点迹雷达数据有着更好的效果。飞行数据处理功能由 FDP
3、 软件模块完成，该模块通过处理接收到气象报文报文、ICAO 格式 AFTN 报文、AIDC 报文、人工输入等各类电报信息，用于触发飞行计划事件，更新飞行计划数据记录。同时对其中错误的报文或不能自动处理的报文形成队列等待手工处理、对所有的飞行计划进行的语法和语义的正确性检查，自动创建数据完整的飞行计划。安全网及监控告警功能由 SNM 软件模块完成，提供航迹/飞行计划相关功能，同时提供各类系统预警及告警功能，利用系统中所有可用信息进行全方位告警，包括了短期冲突告警、最低安全高度告警（MSAW）、偏航告警、特殊代码告警等告警，显示给管制人员。飞行冲突探测处理功能由 FPCP(Flight Plan
4、Conict Probe)软件模块完成，能够基于提交上来的或修改后的飞行计划，帮助管制员用来对两个航空器之间预测和判断出未来的飞行冲突,系统为管制员提供声音和人机界面（HMI）显示上的报告。通信数据处理功能由 CDP 软件模块完成，大多数情况下，SkyNET-X 自动化系统是由若干个被称为分区的子系统组成，例如区调、进近、塔台。每个分区在硬件上（网络、机器等）是独立于其他的分区的。但是他们在功能上是不可分的，不是每个分区都具有所有的功能。例如飞行计划处理模块仅仅存在于区调。因此飞行计划信息必须从区调传送到其他分区去。人机界面功能 HMI 能够辅助管制员完成高效的空中交通管理。通过多种多样的功能
5、，它能提供充足的数据和选择，管制员可以根据这些信息作出正确的选择从而提供持续的安全和有效的服务。2 中间件中间件（Middleware）是系统软件和用户应用软件之间连接的软件，便于软件各部件之间的通信。中间件在服务器的操作系统、网络和数据库之上，管理计算资源和网络通信2。中间件是独立的系统级软件，连接操作系统层和应用程序层。中间件为其所支持的应用软件提供平台化的运行环境，该环境屏蔽底层通信之间的接口差异，实现互操作，所以通信支持是中间件一个最基本的功能。早期应用与分布式的中间件交互主要的通信方式为远程过程调用和面向消息两种方式3。通信模块中，远程调用通过网络进行通信，通过支持数据的转换和通信服
6、务，从而屏蔽SkyNET-X 自动化系统中间件平台的研究与分析边志龙（中国民用航空西北地区空中交通管理局宁夏分局 宁夏回族自治区银川市 750001）摘要：本文通过对SkyNET-X自动化系统中UBSS中间件平台的结构和原理进行分析与研究，为行业内对该系统运行原理及问题排故或空管自动化系统等相关产品设计提供一种方法。UBSS中间件平台为整体系统的上层应用程序设计提供了框架，处于操作系统与应用程序之间，保证了系统内各模块高效运行。关键词：SkyNET-X；空管自动化系统；中间件平台；UBSS软件开发与应用Software Development&Application电子技术与软件工程Elect
7、ronic Technology&Software Engineering45不同的操作系统和网络协议。消息提供异步交互的机制。3 SkyNET-X系统中间件UBSSUBSS（Unix Based System Software）SkyNET-X 系统公司开发的在空管系统中使用的中间件，为整体系统的上层应用程序设计提供了框架，处于操作系统与应用程序之间，目的是屏蔽不同操作系统层的差异，简化应用程序函数调用。UBSS 功能模块结构如图 1 所示：UBSS 软件类别包含系统控制和监视（SCM）系统、监视节点和进程控制（NPM）、基本域名服务（BNS）、时间和时钟管理（TCM）、一致性数据拷贝（CD
8、C）、进程间通讯（IPC）、输入输出管理（IOC）4。SCM 系统控制和监视，是一套独立的技术监控系统，通过分布式数据库的管理方式对系统中的设备的系统硬件及软件组件进行监控。系统控制和监视（SCM）能将工作站、外围设备、应用程序进程组以及独立进程的运行状态通过分层图形显示，每个项目的运行状态以不同的颜色标明。系统控制和监视（SCM）系统分为本地监控管理(L-SCM)和中央监控管理(C-SCM)。每个数据处理系统和运行系统都运行本地监控管理(L-SCM)，其功能如下：报告设备错误（如：外部线路，纸带打印机）、监听及报告节点状态改变、报告软件状态改变、传输应用程序错误消息、处理监控命令。所有来自系
9、统节点的状态数据都存入一个中央监控管理(C-SCM)的中央数据库中，每台机器都与其连接。系统专门分配一台主机用来维持主中央数据存储模块。除了实现上述本地管理功能外，中央监控管理(C-SCM)实现如下功能：监视系统其他机器的有效性、将节点报告发送到记录节点、提供状态信息、警报和控制接口、在 C-SCM 技术管理层，被管理的项目如下：应用程序进 程（如：HMI,FDP,REC,.）、单个节点及双重节点（即能够实现节点互换）、设备（如：显示器、打印机）、非冗余外围线路、外围线路、域网。中央监控管理(C-SCM)安装到所有的机器上，但只在一台机器上运行。如果这台机器运行失败，将重新分配一台机器用来运行
10、中央功能。NPM 节点和进程控制，位于应用程序运行的节点上。在节点开始启动运行时，对节点的配置文件(NCF)的语法进行检查，同时对配置文件进行预处理，根据该节点属性按照环境变量创建一个完整的运行时环境并启动进程，引入该节点的进程名和进程组名。检查节点、进程组和进程状态，并实时向 SCM 报告状态。创建节图1：UBSS功能模块结构图软件开发与应用Software Development&Application电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering46点上使用的所有共享内存段和信号量，并将系统的全局数据存放在共享内存段中，用于各个进程
11、的数据调用。定时监测程序发送或接受数据处理情况，防止程序处于死循环。处理系统的多个网络节点的切换，不包含进程，建立热备节点的状态，基于节点质量和节点是否可以获得处理热备份节点的特性。提供启动和停止节点的命令，在停止节点后删除节点上使用的所有共享内存段和信号量。BNS 基本域名服务，提供从一组名称到一组对应项的映射。它可以是本地的或者全局的，一个本地名称只能在本节点上使用，同样的本地名字可以被使用在不同节点上也不会产生冲突，一个全局名称通过 CDC 被分发到所有节点上。系统中由 UBSS 服务(如 IPC)和应用程序使用。TCM 时钟管理，系统通过网络时间协议服务 NTP完成与 GPS 时钟的同
12、步。系统内部设置时钟源，设置一级节点与时钟源同步，其他节点与时钟源进行同步。CDC 一致性数据拷贝通过分布式逻辑算法管理在各个节点之间需要互相拷贝的数据。CDC 数据具有严格响应时间访问要求,CDC 数据在更改的过程中是允许数据的差异，当更改结束后数据及时拷贝，统一 CDC数据。同时 CDC 对节点故障和重启具有保护措施的。在系统内预先定义了 CDC 的主节点，该节点提供周期性的数据一致性检查和拷贝功能，应用程序进程使用CDC 数据是需要订阅，成功订阅后，若数据存储的任何更改都将被通知。当 CDC 的主节点故障后，系统会通过优先级自动分配一个新的主服务器作为主节点，用来保证 CDC 数据的串行
13、一致性。IPC 内部通信，负责进程之间的数据交换，可以是位于同一节点内部的多个进程之间的数据通信，也可以是不同节点上进程之间的数据通信。IOC 输入输出单元，用于管理外部设备的输入输出的接口，管理在磁盘不同类型的文件的访问，例如二进制文件、直接存储记录的文件、顺序索引、文本文件、图形文件，同时也管理磁带机、打印机等外部设备。4 UBSS中间件关键技术IPCSkyNET 自动化系统作为大型分布式系统，系统中存在大量的进程，IPC 为系统进程之间的数据交互、信息通信提供了平台。IPC 在数据通信过程中采用冗余的网络保证了数据通信的安全性。在转发数据信息的过程中 IPC 可以判定发送的消息是否被接收
14、处理，若转发数据出错时，可以进行重传。同时也可以监控网络状态，将网络状态发送给 SCM。IPC 分为三个部分 FIFO、MLBX、SYSLAN_MNG，IPC 整体结构图如图 2 所示。在 SkyNET-X 系统中，为保证消息传递过程中的可靠性，中间件采用 Mailbox 技术对消息进行管理，如图 3 所示，消息在网络中传递时，先将接收到的消息储存至相关的 Mailbox 中，用户应用程序可以直接从Mailbox 中调用，也可以通过 FIFO，遵循先进先出的顺序获取消息，同时 SYSLAN_MNG 对整个网络的状态进行监控。Mailbox 简写为 MLBX，采用报文的方式通信，基于流的通信协议
15、，有多种通信方式，1）面向连接的通信，该通信方式采用 TCP/IP，并在该协议的基础上增加了缓存和流量控控制机制，增强了传输的安全性。2）面向无连接通信，如多播、组播、或者是广播（UDP）。同时 MBLX 采用主备双局域网的模式，增加了传输的可靠性。FIFO 作为库的形式使用，通过 MLBX 并提供相关功能如：CDC 事件的接收和发送、BNS 的修改提醒、SCM 的状态变化等。FIFO 是接收或发送结构，有两种分别为点对点和分发结构。同时在进程开始接收消息或重新启动时，FIFO 具备自动连接和重新连接机制，同时通过应用程序确认消息是否被处理，若未被处理可以进行消息的重新发送。FIFO 可以在进
16、程之间迁移，完成主备的切换选择。应用程序可以对多个 FIFO 的进行排序，对于重要的 FIFO 可以优先被处理，同时为上层各类编程语言提供接口。图2：IPC结构图软件开发与应用Software Development&Application电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering47FIFO 建立流程如图 3 所示，其中 BNS 用于存储FIFO 物理地址，首先进行的是接收方初始化，即机器1 的接收进程 P1 启动运行时，打开接收进程 P1 的接收 FIFO 并命名为 FIFO1GRP1，FIFO 库将接收程序 P1的物理地址（主机
17、名+进程名)注册到对应的 BNS 项FIFO1GRP1 中。此时完成了接收 FIFO 的准备工作。发送方机器 3 的发送进程 P3 打开自己的发送 FIFO 并命名为 FIFO1GRP1，通过读取 BND 中存储 FIFO 库可以得到接收方接受程序的物理地址，此刻就可以打开 MBLX的链接进行消息的传递。FIFO 自动切换流程如图 4 所示，即当主用节点故障或停止时，正在链接的 FIFO1 将会断开，同时进程 P3 会发送链接丢失的消息，P3 的 FIFO库等待 BNS 对 FIFO1GRP1 项的更新，连接中断，应用程序将被告知，并等待，直到连接重新打开。此时主备机进行切换，机器 2 为主机
18、，打开接收 P2 进程的接收FIFO，命名为 FIFOGRP1，同时更新 BNS 中 FIFO 库中的物理地址为接收进程 P3 的物理地址。接收方得到新的物理地址，FIFO 层可以重新打开邮箱链接，连接已重新打开，消息发送可以恢复。SYSLAN_MNG 负责监视系统机器的网络状态，状态主要分为以下几种:OK 表示该节点可以发送和接收消息、FAILED 表示该节点无法发送或接收消息、UNKNOW 表示该节点首次初始化状态、DETACHED 表示该节点从物理上处于网络断开状态。同时 SYSLAN_MNG 将网络状态通知(SCM)的状态，用于系统评估整体局网状态。5 总结本文通过 SkyNET-X
19、的软件 UBSS 架构的研究，为在 LINUX 下建立稳定的大型系统的应用，提供了思路。在 SkyNET-X 系统中，中间件 UBSS 的设计着重于数据的共享，中间件 UBSS 相对独立于 SkyNET-X 系统中的应用程序，所以整个系统中 UBSS 不单单只是为了SkyNET-X 系统开发的，它也可以很好的移植到其他平台，为该平台提供很好支持，该设计理念为我们在系统顶层设计中提供了很好的经验，值得我们学习、研究和应用。参考文献1 郝嘉盛.兰州银川SkyNET-X空管自动化系统技术规格说明R.北京华泰英翔技术有限公司,2010:15-17.2 张云勇,张智江,刘锦德,等.中间件技术原理与应用M.北京:清华大学出版社,2005:35-72.3 陈刚.消息中间件技术J.计算机世界报,2000(9):1-1.4 李刚.空管SkyNET-X自动化系统维护手册R.北京华泰英翔技术有限公司,2011:23-25.作者简介边志龙（1988-），男，陕西省榆林市人。大学本科学历，学士学位，工程师。研究方向为空管自动化。图3：FIFO通信建立图4：FIFO自动切换
