航空氣象觀測數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的研制

劉均力 李宛融 黃 琛

（1.民航黑龍江空中交通管理分局，黑龍江 哈爾濱 150079；2.黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150036）

0 引言

民航氣象觀測是民航空中交通管理系統(tǒng)的一支重要工種。目前，雖然我國大型民航干線機(jī)場都配備了自動氣象觀測系統(tǒng)，中小型支線機(jī)場都至少配備了自動氣象觀測站，民航氣象觀測具有完整的、可靠的、主備兼用的硬件保障設(shè)施。但是，由于這些設(shè)備原配屬的終端操作平臺都僅僅是一種基礎(chǔ)性的軟件，其業(yè)務(wù)功能與我國民航氣象觀測的業(yè)務(wù)需要相比還存在較大距離，而且這種情況在我國具有普遍性。為此，作者按照我國民航氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)規(guī)范要求，充分開發(fā)現(xiàn)有硬件資源，設(shè)計、研發(fā)了1 套航空氣象觀測數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)軟件（以下簡稱觀測系統(tǒng)），并數(shù)次予以升級，實(shí)現(xiàn)了自動讀取處理機(jī)場氣象觀測數(shù)據(jù)、自動監(jiān)測特殊天氣、自動監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程、編發(fā)航空天氣報告、制作氣象觀測報表、統(tǒng)計分析查詢打印和提供幫助等一些列民航氣象觀測業(yè)務(wù)功能。

1 硬件軟件設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

觀測系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的硬件配置包括氣象數(shù)據(jù)觀測設(shè)備、綜合分析處理平臺、民航通信設(shè)備及機(jī)場局域網(wǎng)等設(shè)施，其中：（1）氣象觀測數(shù)據(jù)的觀測、探測、采集等，通過機(jī)場配置的現(xiàn)有氣象觀測設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備可以是大型的自動氣象觀測系統(tǒng)（如美國Artais 公司生產(chǎn)的AWOS2000 型、芬蘭Vaisala 公司生產(chǎn)的MIDASIV 型），也可以是中小型的自動氣象觀測站（如長春氣象儀器研究所生產(chǎn)的遙測Ⅱ型）；（2）綜合分析處理平臺的硬件配置主要包括工作站1 臺、A4 及A3 規(guī)格打印機(jī)各1 臺、音響設(shè)施等；（3）通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，是指用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、電報發(fā)送等業(yè)務(wù)功能的民航通信轉(zhuǎn)報設(shè)備、機(jī)場場內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施。

當(dāng)然，具體的硬件配置、布局，需要根據(jù)所在機(jī)場的實(shí)際硬件資源來進(jìn)行。比如在哈爾濱太平國際機(jī)場，目前氣象觀測設(shè)備為MIDASIV型自動氣象觀測系統(tǒng)，并配備氣象信息網(wǎng)，作者對觀測系統(tǒng)的相關(guān)硬件配置就設(shè)計為如圖1 所示，其中自動觀測系統(tǒng)通過端口服務(wù)器將觀測數(shù)據(jù)存入氣象信息網(wǎng)，觀測系統(tǒng)通過氣象信息網(wǎng)讀入氣象觀測數(shù)據(jù)和預(yù)報工作站中編發(fā)的趨勢預(yù)報信息，并通過串口連接調(diào)制解調(diào)器向通信轉(zhuǎn)報站發(fā)送航空氣象觀測電報。

圖1 觀測系統(tǒng)在哈爾濱機(jī)場硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 軟件設(shè)計簡介

民航航空氣象觀測員的業(yè)務(wù)工作內(nèi)容主要包括：密切監(jiān)測天氣演變狀況，編發(fā)例行天氣報告和特殊天氣報告，整理氣象觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計氣象觀測報表等。作者設(shè)計的這個觀測系統(tǒng)最終全部實(shí)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)功能。

觀測系統(tǒng)的主體軟件和操作軟件設(shè)計在WindowsXP 及以上操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，其開發(fā)環(huán)境使用Delphi[1]，編程語言使用Pascal，相關(guān)支持平臺有OfficeExcel、Oracle 等。軟件整體結(jié)構(gòu)按其功能設(shè)計、劃分為數(shù)據(jù)讀取維護(hù)處理及儲存單元，特殊天氣監(jiān)測告警單元，編輯發(fā)送航空天氣報告單元，統(tǒng)計氣象觀測報表單元，其它綜合功能（含參數(shù)設(shè)置、查詢、打印、幫助等）單元，并由觀測系統(tǒng)主窗體控制（見圖2）。

圖2 觀測系統(tǒng)主窗體示意圖

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

1.3.1 具有標(biāo)準(zhǔn)、美觀、友好的Windows 人機(jī)界面：觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡體中文顯示，具有標(biāo)準(zhǔn)、美觀、友好和便捷的人機(jī)互動功能，配上音箱具有很好的告警效果；操作方法簡便易懂，只需要短時間培訓(xùn)，就能夠很快掌握操作和維護(hù)方法；具有很好的兼容性，只需調(diào)整數(shù)據(jù)讀取方式，就能夠適應(yīng)其它氣象觀測設(shè)備。

1.3.2 連續(xù)接收、分析、處理、存儲、顯示實(shí)時觀測數(shù)據(jù)：連續(xù)從觀測設(shè)備接收、讀取各類氣象要素實(shí)時觀測信息，除部分欠缺的氣象要素需要人工判斷、錄入外，其它常規(guī)觀測數(shù)據(jù)通過觀測系統(tǒng)自動錄入，并按照民航氣象觀測規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)計、分析，顯示在觀測系統(tǒng)主窗體上、存儲在指定位置和相關(guān)表格里。

1.3.3 編輯、發(fā)送航空天氣報告：依據(jù)民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)規(guī)范，編輯發(fā)送例行航空天氣報告、特殊航空天氣報告。其中對編發(fā)特殊天氣報告設(shè)為人工和自動監(jiān)測兩種狀態(tài)，如設(shè)置為自動監(jiān)測狀態(tài)，那么觀測系統(tǒng)將自動監(jiān)測各氣象要素，當(dāng)達(dá)到特殊天氣標(biāo)準(zhǔn)時，自動以聲音和圖像信息進(jìn)行提醒、告警。

1.3.4 統(tǒng)計、制作和打印氣象報表：當(dāng)每月觀測結(jié)束后，即可利用觀測系統(tǒng)統(tǒng)計制作和打印該月觀測月總簿；當(dāng)每年觀測結(jié)束后，即可利用觀測系統(tǒng)統(tǒng)計制作和打印該年觀測年總簿；可以隨時對歷史資料進(jìn)行月總簿、年總簿回檢統(tǒng)計。

1.3.5 設(shè)置了較為完善的錯誤陷阱，對運(yùn)行過程實(shí)施監(jiān)控：觀測系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)錄入和運(yùn)行操作過程糾錯功能，避免初始數(shù)據(jù)錄入出錯以及操作失誤導(dǎo)致的運(yùn)行出錯；依據(jù)民航行業(yè)規(guī)定和規(guī)范，連續(xù)監(jiān)控航空氣象報文的編發(fā)過程；連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)線路狀態(tài)，監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、信息交換等情況。

1.3.6 查詢氣象資料和提供幫助信息：根據(jù)用戶需要，隨時查詢各類氣象要素數(shù)據(jù)，包括例行觀測數(shù)據(jù)和特殊觀測數(shù)據(jù)；查詢編輯、發(fā)布的各類航空天氣報告；查詢某一個或幾個氣象要素的一個或幾個數(shù)值范圍的相關(guān)統(tǒng)計信息；查詢系統(tǒng)幫助信息和版本信息等。

2 研制技術(shù)措施

2.1 讀取觀測數(shù)據(jù)

需要讀取的氣象觀測數(shù)據(jù)包括風(fēng)向風(fēng)速、能見度（MOR）、跑道視程（RVR）、現(xiàn)在和近時天氣現(xiàn)象、云況或垂直能見度、溫度、露點(diǎn)溫度、相對濕度、水汽壓、場面氣壓、修正海平面氣壓、降水量等等，其中有的氣象要素包括1min、2min、10min 數(shù)據(jù)，并依據(jù)設(shè)備類型的不同而有所不同，比如自動氣象觀測站一般沒有MOR、RVR 等數(shù)據(jù)信息。

觀測系統(tǒng)對氣象觀測數(shù)據(jù)的讀取方法將依據(jù)機(jī)場配置的氣象設(shè)備的不同而不同。比如在哈爾濱機(jī)場，目前配置的氣象觀測設(shè)備為MIDASIV 型自動氣象觀測系統(tǒng)，并配備了機(jī)場場內(nèi)氣象信息網(wǎng)（見圖1），觀測系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的方式設(shè)計為：首先，MIDASIV 通過端口服務(wù)器將CAACLINE 數(shù)據(jù)存入氣象信息網(wǎng)，該數(shù)據(jù)采用RS232 通信協(xié)議，每1min 發(fā)送1 組實(shí)時數(shù)據(jù)，并利用串口通信技術(shù)將數(shù)據(jù)寫入氣象信息網(wǎng)ORACLE11g 數(shù)據(jù)庫；然后觀測系統(tǒng)訪問氣象信息網(wǎng)，讀取其數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)CAACLINE 數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行解析，逐次分解出各項觀測要素數(shù)值，最后屏顯在觀測系統(tǒng)主窗體上（見圖2）。

又比如本觀測系統(tǒng)已在齊齊哈爾機(jī)場投入使用，由于該機(jī)場使用的是AWOS2000 型自動氣象觀測系統(tǒng)，而且沒有配置氣象信息網(wǎng)，因此觀測觀測系統(tǒng)設(shè)計為通過Moxa 卡與氣象觀測系統(tǒng)CBUSS 通訊口實(shí)現(xiàn)鏈接，從中讀取AWOS2000 實(shí)時觀測數(shù)據(jù)。由于CBUSS 輸出的觀測數(shù)據(jù)是9600BPS、8 個數(shù)據(jù)位、1 個停止位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此觀測系統(tǒng)首先要將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ASCII 碼，然后判斷接受的ASCII 碼值是否為172 或161，如是則開始接收有效數(shù)據(jù)，隨后最初的2 個ASCII 碼分別是設(shè)備號和數(shù)據(jù)類型號，其后的為數(shù)據(jù)數(shù)值，當(dāng)接收到了ASCII 碼值為0 或124 時則標(biāo)志該組有效數(shù)據(jù)已經(jīng)結(jié)束。最后根據(jù)設(shè)備號和數(shù)據(jù)類型號，經(jīng)過循環(huán)解碼最終確定和分解出各氣象要素數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)值。

2.2 實(shí)施實(shí)時監(jiān)測

2.2.1 特殊天氣監(jiān)測

根據(jù)中國民用航空局的相關(guān)規(guī)定[2-4]，要求對重要天氣現(xiàn)象、風(fēng)向風(fēng)速、能見度、跑道視程、云況等氣象要素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)達(dá)到特殊天氣標(biāo)準(zhǔn)時及時實(shí)施特殊天氣告警，這是航空氣象觀測服務(wù)于航空飛行、保障其安全和正常的重要職能之一。這項功能已經(jīng)在本觀測觀測系統(tǒng)上得以實(shí)現(xiàn)，其監(jiān)測方法和標(biāo)準(zhǔn)均依據(jù)民航局相關(guān)規(guī)定來執(zhí)行，比如：

1）地面風(fēng)，特殊監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)平均地面風(fēng)向比最近報告的風(fēng)向有≥60°的變化，且平均風(fēng)速在變化前或變化后已達(dá)到≥5m/s 時；當(dāng)平均地面風(fēng)速比最近報告的風(fēng)速有≥5m/s 的變化時；當(dāng)平均地面陣風(fēng)比最近報告的陣風(fēng)有≥5m/s 的變化，且平均風(fēng)速在變化前或變化后達(dá)到≥8m/s 時；當(dāng)平均地面風(fēng)向相對于跑道為正側(cè)風(fēng)，且平均風(fēng)速由＜15m/s 變?yōu)椤?5m/s，或由≥15m/s 變?yōu)椋?5m/s 時。

2）能見度，特殊監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)主導(dǎo)能見度數(shù)值由≥800m 變?yōu)椋?00m，或由＜800m 變?yōu)椤?00m 時；當(dāng)能見度數(shù)值由≥1500m 變?yōu)椋?500m，或由＜1500m 變?yōu)椤?500m 時。

3）跑道視程（RVR），特殊監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)RVR 數(shù)值由≥600m 變?yōu)椋?00m，或由＜600m 變?yōu)椤?00m 時；當(dāng)RVR 數(shù) 值 由≥800m 變?yōu)椋?00m，或由＜800m 變?yōu)椤?00m 時。

2.2.2 操作運(yùn)行監(jiān)控

除了對氣象要素進(jìn)行特殊監(jiān)測外，觀測系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的操作監(jiān)控、糾錯的功能，避免了數(shù)據(jù)錄入出錯以及操作失誤導(dǎo)致的運(yùn)行出錯，主要監(jiān)控項目和方法：

1）連續(xù)監(jiān)控對觀測數(shù)據(jù)的編輯操作，其中包括：設(shè)置要素數(shù)值門限（如云量不得超過8/8），設(shè)置要素數(shù)值演變幅度限制（如場面氣壓每小時演變幅度超過3hPa 告警），設(shè)置特定符號監(jiān)控糾錯功能（如不得出現(xiàn)非規(guī)定云狀符號和天氣現(xiàn)象符號），確保氣象觀測滿足“三性”要求（準(zhǔn)確性、比較性、代表性）。

2）監(jiān)測航空天氣報告的編輯、發(fā)送過程，確保符合航空氣象電碼規(guī)范和民航通信要求。

3）監(jiān)測月總簿和年總簿的統(tǒng)計制作過程，確保符合民航氣象業(yè)務(wù)規(guī)范。

2.3 編發(fā)天氣報告

編輯、發(fā)布航空天氣報告，是民航氣象觀測部門向空中交通管制、航空公司、機(jī)場保障部門等提供氣象觀測服務(wù)，并參與全國、全世界民航氣象情報交換的主要形式。

2.3.1 編輯天氣報告

航空天氣報告包括例行航空天氣報告（即METAR 報）、特殊航空天氣報告（即SPECI 報和SPECIAL 報）。其中在氣象服務(wù)期間正點(diǎn)和半點(diǎn)定時編發(fā)的航空天氣報告為METAR 報；當(dāng)各氣象要素的某一組或幾組達(dá)到了特殊天氣標(biāo)準(zhǔn)，隨即編發(fā)的航空天氣報告為SPECI 報、SPECIAL 報（其中SPECI 報與METAR 報一樣也參與氣象情報交換，而SPECIAL 報只限于機(jī)場內(nèi)使用而不參與交換）。

報文編輯使用的風(fēng)向風(fēng)速、能見度、跑道視程、云況、溫度、露點(diǎn)溫度、氣壓等要素采用10min 數(shù)據(jù)，天氣現(xiàn)象采用實(shí)時信息，電報格式及報文編輯方法均依據(jù)中國民航局的有關(guān)規(guī)定[5]執(zhí)行。

航空天氣報告的編輯項目主要包括：（1）電報冠字及流水號：由觀測系統(tǒng)按照通信部門的要求依次自動產(chǎn)生；（2）電報等級：由觀測系統(tǒng)按照通信部門要求自動產(chǎn)生，其中METAR 報使用GG 等級，SPECI 報和SPECIAL 報使用DD 等級；（3）收電地址：觀測系統(tǒng)自動產(chǎn)生，可在人工干預(yù)下根據(jù)航班信息添加和刪減；（4）發(fā)報時間和地址：由觀測系統(tǒng)按照通信部門的要求，依據(jù)當(dāng)前時間自動產(chǎn)生；（5）報文內(nèi)容：由觀測系統(tǒng)按照民航局的相關(guān)規(guī)定、航空天氣報告的標(biāo)準(zhǔn)格式，在值班人員人工監(jiān)控、干預(yù)下自動產(chǎn)生，并通過氣象信息網(wǎng)讀進(jìn)、編入預(yù)報員編發(fā)的趨勢預(yù)報報文。限于論文篇幅，實(shí)現(xiàn)報文編輯的具體技術(shù)措施不再詳細(xì)介紹。

2.3.2 發(fā)送天氣報告

航空天氣報告的發(fā)送必須在人工監(jiān)控、干預(yù)下進(jìn)行的，這是因?yàn)榘l(fā)送出去的航空天氣報告關(guān)系到航空飛行的安全和航班的正常率，必須堅決杜絕錯誤報文意外發(fā)出，因此暫時沒有為觀測系統(tǒng)開通自動發(fā)送報文的功能。

觀測系統(tǒng)設(shè)置了2 種發(fā)送航空天氣報告的方式：或是將報文轉(zhuǎn)入氣象信息網(wǎng)，通過氣象信息網(wǎng)發(fā)送至機(jī)場通信轉(zhuǎn)報站，當(dāng)然其前提是該機(jī)場配置有氣象信息網(wǎng)且具有發(fā)送電報的功能；或是為觀測系統(tǒng)申請一條專線，通過主機(jī)串行接口連接外接的調(diào)制解調(diào)器，直接向機(jī)場通信轉(zhuǎn)報站發(fā)送（如圖1 中流程）。其中如果設(shè)定為串行接口發(fā)送，其通信參數(shù)按照機(jī)場通信轉(zhuǎn)報站的要求設(shè)定。比如在哈爾濱機(jī)場，其設(shè)置為串行接口發(fā)送電報，其中通信參數(shù)的波特率設(shè)為300BPS，奇偶校驗(yàn)設(shè)定為N，數(shù)據(jù)位設(shè)定為8，停止位設(shè)定為1。

2.4 統(tǒng)計氣象報表

氣象觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表包括月總薄和年總薄，其版面設(shè)計、表格格式、統(tǒng)計項目、數(shù)據(jù)記錄方法、合計和平均值統(tǒng)計、極值挑選、極值日期挑選、風(fēng)的統(tǒng)計、天氣現(xiàn)象統(tǒng)計、各類要素日數(shù)的統(tǒng)計、跨月跨年的技術(shù)處理、初終日期的統(tǒng)計等，均嚴(yán)格按照中國民航局最新版本的《民用航空地面氣象觀測規(guī)范》[4]的有關(guān)要求實(shí)施。每月的月總薄包括1 張封面、1 張文字說明、21 張觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，共計23 張。每年年總簿涉及1 張封面、1 張文字說明、4 張全年觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表，共計6 張。

考慮到統(tǒng)計月總簿和年總簿所涉及的數(shù)據(jù)量較為龐大，統(tǒng)計制作的報表較多，同時也是考慮打印輸出的方便，觀測觀測系統(tǒng)采用了調(diào)用MicrosoftExcel 的方法來制作氣象報表，最終實(shí)現(xiàn)了較好的效果。

在調(diào)用MicrosoftExcel 制作月總薄和年總薄前，事先利用Excel 軟件編制好月總薄和年總薄模版，在觀測系統(tǒng)軟件程序的文件中，月總薄和年總薄模版分別保存為“月總薄.XLS”和“年總薄.XLS”這兩個文件；在進(jìn)行月總簿、年總簿的統(tǒng)計制作過程中，首先使用COMObj 自動化應(yīng)用程序，調(diào)用CreateOLEObject 函數(shù)創(chuàng)建OLE 對象Excel，返回Variant 類型的數(shù)據(jù)變量，將預(yù)備好的表格以WorkBooks 方式打開，再依次調(diào)用WorkSheets，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入相關(guān)的工作表格里，并按照規(guī)定的統(tǒng)計方法完成統(tǒng)計、計算、存放。調(diào)用MicrosoftExcel 的詳細(xì)技術(shù)方法及統(tǒng)計制作月總簿、年總簿的技術(shù)方法過程略。

2.5 其它綜合處理

其它綜合處理技術(shù)措施，包括數(shù)據(jù)庫的控制、數(shù)據(jù)資料的儲存交換、相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、電報發(fā)送參數(shù)的編輯、特殊天氣標(biāo)準(zhǔn)的編輯、打印輸出、數(shù)據(jù)信息查詢、提供幫助等，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)過程相對較為簡單，本文不詳細(xì)介紹。

3 結(jié)束語

觀測系統(tǒng)的最初版本研發(fā)工作始于2001 年，完成于2002 年底，當(dāng)時使用的氣象觀測設(shè)備為AWOS2000 型。2010 年，哈爾濱機(jī)場氣象觀測設(shè)備更新為MIDASIV 型，作者根據(jù)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，于2011-2012 年重新設(shè)計、研發(fā)了新的觀測系統(tǒng)軟件（版本號升級為MRDS5.0）；2012 年底，觀測系統(tǒng)通過民航東北空管局的驗(yàn)收并在哈爾濱機(jī)場正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，隨后還先后推廣到了沈陽、大連、長春和齊齊哈爾等機(jī)場。經(jīng)過近幾年在各機(jī)場的運(yùn)行情況表明，觀測系統(tǒng)技術(shù)處理措施方法得當(dāng)，各項技術(shù)指標(biāo)符合民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)規(guī)范的要求，在我國東北主要大型機(jī)場保障航空飛行安全、提高航班正常率的氣象觀測業(yè)務(wù)工作中發(fā)揮了積極的作用，而且觀測系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，操作和維護(hù)簡便易懂，只需適當(dāng)調(diào)整就能夠適用于我國民航使用的其它氣象觀測設(shè)備。

［1］肖雪蓮，里希納.Delphi 技術(shù)手冊[M].北京：中國電力出版社，2001.

［2］中國民用航空局.民用航空機(jī)場運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)制定與實(shí)施細(xì)則[M].北京：中國民用航空局，2011.

［3］MH/T4016.1-2007 民用航空氣象第1 部分：觀測和報告[S].

［4］中國民用航空局.民用航空地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：中國民用航空局，2010.

［5］MH/T4016.6-2007 民用航空氣象第6 部分：電碼[S].