民航氣象QNH多重保障方案的設(shè)計與實現(xiàn)

楊紹松 王蕊

摘 要：QNH又稱修正海平面氣壓，是管制員通告機組的一個重要氣象要素，該數(shù)據(jù)的準確性直接關(guān)系著航空器的飛行安全。本文通過數(shù)據(jù)庫訪問、留底數(shù)據(jù)讀取、串口數(shù)據(jù)通信等方式，獲取多個系統(tǒng)的修正海壓數(shù)值。依據(jù)預(yù)定的算法與閾值對相應(yīng)的QNH數(shù)值進行實時對比，并對疑似故障的氣壓傳感器進行有效診斷，進一步保障民航氣象對外提供QNH的準確性。

關(guān)鍵詞：修正海壓;UDP;QNH;氣象要素

中圖分類號：V321.21 文獻標識碼：A

1 現(xiàn)狀

目前，民航氣象臺能夠提供QNH的方式包括：（1）通過自動氣象觀測系統(tǒng)客戶端的形式提供個管制員與機組。（2）發(fā)報系統(tǒng)發(fā)布報文，傳至民航氣象中心并分發(fā)到全國各機場。（3）通過民航氣象服務(wù)網(wǎng)的方式把數(shù)據(jù)提供個民航相關(guān)單位。

從全國來看，為保障氣象報文中QNH的準確性，大多都在使用人工對比方式預(yù)防，近幾年由于錯報QNH造成的不安全事件也時有發(fā)生。

2 QNH存在的安全隱患

2.1 QNH的提供方式

根據(jù)QNH的來源不同，可將其提供方式分為以下三種：

（1）自動氣象觀測系統(tǒng)客戶端。通過自動氣象觀測系統(tǒng)客戶端獲取QNH是最直接的獲取方式，也是實時性最高的方式，針對這種方式，我們只需保障自動氣象觀測系統(tǒng)客戶端中QNH的準確性即可。

（2）氣象報文。發(fā)報系統(tǒng)通過串口的方式獲取自動氣象觀測系統(tǒng)的QNH數(shù)據(jù)，并進行編發(fā)報，并轉(zhuǎn)發(fā)至全國。這種方式是傳播范圍最廣的一種方式，保障其中QNH的準確性必須重視。本文采取的保障方式是，首先保障自動氣象觀測系統(tǒng)、遙測二型系統(tǒng)中QNH數(shù)據(jù)的準確性，其次保障發(fā)報系統(tǒng)采集到的QNH的準確性，最后監(jiān)控最新發(fā)出報文中QNH的準確性。

（3）民航氣象服務(wù)網(wǎng)。TS16通過串口的方式把自動觀測系統(tǒng)相關(guān)氣象要素（包括QNH）發(fā)送給氣象數(shù)據(jù)庫。民航氣象服務(wù)網(wǎng)間接的訪問氣象數(shù)據(jù)庫，并把QNH數(shù)據(jù)顯示到前臺，提供給航空公司、屬地化機場等航空用戶。針對這種方式的保障方案是把氣象數(shù)據(jù)庫中的QNH與自動氣象觀測系統(tǒng)中的QNH進行實時對比校驗。

2.2 存在的安全隱患

（1）氣壓傳感器故障。氣壓傳感器故障是最直接的安全隱患，它會直接導致依據(jù)該傳感器計算或獲取的QNH數(shù)據(jù)全部異常。氣壓傳感器故障可分為無數(shù)據(jù)與錯數(shù)據(jù)，與無數(shù)據(jù)對比錯數(shù)據(jù)帶來的安全隱患更大、更隱蔽，影響范圍更廣。靜壓孔堵塞、空氣導管堵塞或破損都可以、傳輸線路被干擾都可以導致氣壓傳感器輸出數(shù)據(jù)出錯。

（2）數(shù)據(jù)傳輸被干擾。數(shù)據(jù)傳輸被干擾最常發(fā)生的現(xiàn)象是接收到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼，由于一般的發(fā)報系統(tǒng)都對亂碼數(shù)據(jù)進行過濾。但是如果原始數(shù)據(jù)經(jīng)過干擾之后變成了另一個格式合法的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)篡改不僅影響大，而且隱蔽性也強。

（3）第三方軟件故障。第三方軟件指的是發(fā)報系統(tǒng)、民航氣象數(shù)據(jù)庫解析與入庫軟件等QNH數(shù)據(jù)處理相關(guān)的軟件。一旦發(fā)生第三方軟件故障，對外就已經(jīng)造成了影響，只能通過發(fā)布更正報挽救。

3 QNH保障方案總體設(shè)計

針對上述QNH存在的安全隱患，利用現(xiàn)行的所有氣壓傳感器的數(shù)據(jù)與相關(guān)技術(shù)手段，對各個系統(tǒng)提供的QNH進行實時監(jiān)控，對發(fā)報系統(tǒng)與民航氣象數(shù)據(jù)庫采集的QNH進行二次驗證，對發(fā)報系統(tǒng)發(fā)出報文中的QNH進行三次驗證，進一步消除由硬件故障、通訊干擾、軟件故障帶來安全隱患?？傮w方案設(shè)計數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

4 QNH保障方案的實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本方案數(shù)據(jù)庫使用的是ORACLE12C數(shù)據(jù)庫，為報文、場壓、修正海壓等數(shù)據(jù)的長期存儲提供基礎(chǔ)支撐。為提高該系統(tǒng)的運行效率與實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期存儲，數(shù)據(jù)庫可分為歷史庫與應(yīng)用庫。歷史庫用來存儲3天之前的歷史原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用庫用來存儲3天內(nèi)的原始數(shù)據(jù)與二次處理的數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)采集

本方案的設(shè)計原則上可以獲取所有氣壓數(shù)據(jù)源的氣壓數(shù)據(jù)，這里只針對常規(guī)機場的配置進行數(shù)據(jù)采集，各系統(tǒng)的氣壓數(shù)據(jù)采集流程如下：

（1）自動氣象觀測系統(tǒng)氣壓數(shù)據(jù)的采集方式是TS16發(fā)送串口數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)采集程序，采集程序解析出兩端場壓數(shù)據(jù)與通過兩端氣壓計算的修正海壓數(shù)據(jù)并入庫。

（2）遙測二型系統(tǒng)氣壓數(shù)據(jù)的采集使用的是UDP數(shù)據(jù)采集方式，遙測二型服務(wù)器端程序向網(wǎng)內(nèi)廣播實時的氣象數(shù)據(jù)。采集程序在3018端口處實時監(jiān)聽。依據(jù)一定的格式，對監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)進行解析并入庫。

（3）振筒氣壓儀氣壓數(shù)據(jù)采集是通過氣壓儀上的串口COM1進行，采集程序定時向氣壓儀發(fā)送“R”命令，氣壓儀就會返回給采集程序測量到的場壓數(shù)據(jù)，修正海壓的數(shù)據(jù)需要采集程序進行計算與入庫。

（4）最新報文QNH的數(shù)據(jù)采集使用的是文件共享的方式，采集程序通過文件共享讀取到最新的報文留底文件，依據(jù)報文格式對留底報文進行解析與入庫。

（5）發(fā)報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與民航氣象數(shù)據(jù)庫中QNH的采集使用的都是數(shù)據(jù)庫訪問方式，為了減輕被訪數(shù)據(jù)庫的壓力，數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為1分鐘。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控

對氣壓數(shù)據(jù)的監(jiān)控，本文使用了多方位的監(jiān)控方式。首先對原始氣壓數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)驗證，然后對數(shù)據(jù)進行橫向與縱向監(jiān)控。通過比對數(shù)據(jù)的接近程度，找出最具嫌疑的故障傳感器，同時對比前端與末端數(shù)據(jù)，判定末端數(shù)據(jù)的有效性。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)驗證。數(shù)據(jù)基礎(chǔ)驗證是在數(shù)據(jù)采集入庫階段進行的，根據(jù)本場氣候志資料與氣壓歷史數(shù)據(jù)設(shè)定一個氣壓有效范圍。氣壓數(shù)據(jù)采集程序采集到氣壓數(shù)據(jù)后，首先進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)驗證。只有通過基礎(chǔ)驗證的數(shù)據(jù)才能進入后續(xù)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)控。依據(jù)氣壓數(shù)據(jù)的對比方式，可把氣壓數(shù)據(jù)監(jiān)控分為：氣壓數(shù)據(jù)橫向監(jiān)控、氣壓數(shù)據(jù)縱向監(jiān)控、QNH復(fù)制品的監(jiān)控、報文中QNH監(jiān)控。每一項數(shù)據(jù)監(jiān)控，都是對目前存在安全問題的有效解決。

數(shù)據(jù)橫向監(jiān)控是把各個系統(tǒng)最新氣壓數(shù)據(jù)進行實時對比，找出偏離量最大且超出閾值的傳感器。QNH是通過場面氣壓計算出來的，原理上只需監(jiān)控QNH的有效性就行。但是對QNH數(shù)據(jù)的診斷，只能判斷哪個系統(tǒng)可能存在問題，并不能診斷出哪個傳感器出了問題。所以，本文依然把場面氣壓列入了監(jiān)控對象。

參與氣壓數(shù)據(jù)縱向監(jiān)控的數(shù)據(jù)源包括所有有效系統(tǒng)的氣壓數(shù)據(jù)。以QNH為例，縱向?qū)Ρ仁菍Σ煌瑫r間點的同一系統(tǒng)QNH進行對比，計算出該系統(tǒng)QNH的在過去一個時段的波動因子。由此可以得出三個系統(tǒng)的QNH的波動因子，再利用橫向?qū)Ρ鹊姆绞綄Ρ冗@三個波動因子，找出異常的QNH。

QNH復(fù)制品的監(jiān)控主要體現(xiàn)在對發(fā)報數(shù)據(jù)庫與氣象數(shù)據(jù)庫QNH的監(jiān)控，此類監(jiān)控幾乎不允許存在誤差，因為QNH復(fù)制品本就應(yīng)該與QNH原件一模一樣。

對報文中QNH的監(jiān)控可分為三個部分：1）監(jiān)控編報后發(fā)報前與發(fā)報后報文中QNH與自動氣象觀測系統(tǒng)中最新QNH的差異;2）監(jiān)控發(fā)報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中最新的QNH與最近報文中QNH的差異;3）監(jiān)控最近兩份報文中QNH的差異。

（3）嫌疑傳感器診斷。診斷最具嫌疑的傳感器，至少需要三個數(shù)據(jù)源。以三數(shù)據(jù)源為例，首先判斷各個QFE是否在預(yù)設(shè)的有效范圍之內(nèi)。當數(shù)據(jù)都在有效范圍之內(nèi)時啟用差值對比，當三數(shù)據(jù)的兩兩差值小于預(yù)設(shè)閾值（例如：0.7）時，視三個數(shù)據(jù)都正常。當兩兩差值中有一個大于0.7時，兩兩差值最小的兩個數(shù)據(jù)視為正常，另一個視為異常。當兩兩差值中有兩個大于0.7時，視兩兩差值小于0.7的兩個數(shù)據(jù)正常，剩余的一個數(shù)據(jù)異常。當兩兩差值都大于0.7時，視三個數(shù)據(jù)都異常。

（4）系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。該系統(tǒng)的實現(xiàn)利用的是JAVA平臺，界面設(shè)計使用的是紅綠燈的方式，簡單明了。報警方式使用了聲光告警，一旦某個數(shù)據(jù)對比項目異常，相應(yīng)的數(shù)據(jù)背景或綠燈都會變成紅色，及時提醒值班員設(shè)備故障。

5 方案優(yōu)點

（1）本方案有效消除了無校驗串口數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)報軟件故障，可能帶來的發(fā)報系統(tǒng)發(fā)布錯誤QNH、氣象服務(wù)網(wǎng)顯示錯誤QNH的安全隱患。

（2）場壓、修正海壓雙重橫向?qū)Ρ?，自動診斷出可疑傳感器，氣壓源n（n>=3）個時，任意1….n-2個氣壓源數(shù)據(jù)同時出錯，也能進行有效診斷。

（3）對編報后發(fā)報前與發(fā)報后報文中的QNH進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)出報文QNH出錯，第一時間提醒觀測員重新編報或者發(fā)布更正報。

（4）氣壓數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ葹閿?shù)據(jù)橫向?qū)Ρ茸鲚o助監(jiān)控，為氣壓傳感器的穩(wěn)定性與氣壓數(shù)據(jù)的可用性做更加準確有效的診斷。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的方案能夠采集業(yè)內(nèi)眾多系統(tǒng)的氣壓數(shù)據(jù)，使用交叉驗證的方式對氣壓數(shù)據(jù)的有效性進行實時診斷。有效避免氣壓數(shù)據(jù)的錯報，確保民航氣象對外提供氣壓數(shù)據(jù)的準確性，進一步保障航空器的飛行安全。

參考文獻：

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