航空氣象觀測數據接收處理系統的研制

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，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的一支重要工種。目前，雖然我國大型民航干線機場都配備了自動氣象觀測系統，中小型支線機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施。但是，由于這些設備原配屬的終端操作平臺都僅僅是一種基礎性的軟件，其業務功能與我國民航氣象觀測的業務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標準和業務規范要求，充分開發現有硬件資源，設計、研發了1 套航空氣象觀測數據接收處理系統軟件（以下簡稱觀測系統），并數次予以升級，實現了自動讀取處理機場氣象觀測數據、自動監測特殊天氣、自動監控系統運行過程、編發航空天氣報告、制作氣象觀測報表、統計分析查詢打印和提供幫助等一些列民航氣象觀測業務功能。

1 硬件軟件設計

1.1 硬件結構設計

觀測系統及其關聯設備的硬件配置包括氣象數據觀測設備、綜合分析處理平臺、民航通信設備及機場局域網等設施，其中：（1）氣象觀測數據的觀測、探測、采集等，通過機場配置的現有氣象觀測設備來實現，該設備可以是大型的自動氣象觀測系統（如美國Artais 公司生產的AWOS2000 型、芬蘭Vaisala 公司生產的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 規格打印機各1 臺、音響設施等；（3）通信及網絡設施，是指用來實現數據傳輸、電報發送等業務功能的民航通信轉報設備、機場場內局域網絡等設施。

當然，具體的硬件配置、布局，需要根據所在機場的實際硬件資源來進行。比如在哈爾濱太平國際機場，目前氣象觀測設備為MIDASIV型自動氣象觀測系統，并配備氣象信息網，作者對觀測系統的相關硬件配置就設計為如圖1 所示，其中自動觀測系統通過端口服務器將觀測數據存入氣象信息網，觀測系統通過氣象信息網讀入氣象觀測數據和預報工作站中編發的趨勢預報信息，并通過串口連接調制解調器向通信轉報站發送航空氣象觀測電報。

圖1 觀測系統在哈爾濱機場硬件結構示意圖

1.2 軟件設計簡介

民航航空氣象觀測員的業務工作內容主要包括：密切監測天氣演變狀況，編發例行天氣報告和特殊天氣報告，整理氣象觀測數據、統計氣象觀測報表等。作者設計的這個觀測系統最終全部實現這些業務功能。

觀測系統的主體軟件和操作軟件設計在WindowsXP 及以上操作系統環境下運行，其開發環境使用Delphi[1]，編程語言使用Pascal，相關支持平臺有OfficeExcel、Oracle 等。軟件整體結構按其功能設計、劃分為數據讀取維護處理及儲存單元，特殊天氣監測告警單元，編輯發送航空天氣報告單元，統計氣象觀測報表單元，其它綜合功能（含參數設置、查詢、打印、幫助等）單元，并由觀測系統主窗體控制（見圖2）。

圖2 觀測系統主窗體示意圖

1.3 主要技術指標

1.3.1 具有標準、美觀、友好的Windows 人機界面：觀測系統實現簡體中文顯示，具有標準、美觀、友好和便捷的人機互動功能，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，就能夠很快掌握操作和維護方法；具有很好的兼容性，只需調整數據讀取方式，就能夠適應其它氣象觀測設備。

1.3.2 連續接收、分析、處理、存儲、顯示實時觀測數據：連續從觀測設備接收、讀取各類氣象要素實時觀測信息，除部分欠缺的氣象要素需要人工判斷、錄入外，其它常規觀測數據通過觀測系統自動錄入，并按照民航氣象觀測規范進行統計、分析，顯示在觀測系統主窗體上、存儲在指定位置和相關表格里。

1.3.3 編輯、發送航空天氣報告：依據民航行業標準和業務規范，編輯發送例行航空天氣報告、特殊航空天氣報告。其中對編發特殊天氣報告設為人工和自動監測兩種狀態，如設置為自動監測狀態，那么觀測系統將自動監測各氣象要素，當達到特殊天氣標準時，自動以聲音和圖像信息進行提醒、告警。

1.3.4 統計、制作和打印氣象報表：當每月觀測結束后，即可利用觀測系統統計制作和打印該月觀測月總簿；當每年觀測結束后，即可利用觀測系統統計制作和打印該年觀測年總簿；可以隨時對歷史資料進行月總簿、年總簿回檢統計。

1.3.5 設置了較為完善的錯誤陷阱，對運行過程實施監控：觀測系統具有較強的數據錄入和運行操作過程糾錯功能，避免初始數據錄入出錯以及操作失誤導致的運行出錯；依據民航行業規定和規范，連續監控航空氣象報文的編發過程；連續監測數據線路狀態，監控數據采集、信息交換等情況。

1.3.6 查詢氣象資料和提供幫助信息：根據用戶需要，隨時查詢各類氣象要素數據，包括例行觀測數據和特殊觀測數據；查詢編輯、發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值范圍的相關統計信息；查詢系統幫助信息和版本信息等。

2 研制技術措施

2.1 讀取觀測數據

需要讀取的氣象觀測數據包括風向風速、能見度（MOR）、跑道視程（RVR）、現在和近時天氣現象、云況或垂直能見度、溫度、露點溫度、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 數據，并依據設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 等數據信息。

觀測系統對氣象觀測數據的讀取方法將依據機場配置的氣象設備的不同而不同。比如在哈爾濱機場，目前配置的氣象觀測設備為MIDASIV 型自動氣象觀測系統，并配備了機場場內氣象信息網（見圖1），觀測系統接收數據的方式設計為：首先，MIDASIV 通過端口服務器將CAACLINE 數據存入氣象信息網，該數據采用RS232 通信協議，每1min 發送1 組實時數據，并利用串口通信技術將數據寫入氣象信息網ORACLE11g 數據庫；然后觀測系統訪問氣象信息網，讀取其數據庫中的數據，并根據CAACLINE 數據通信協議進行解析，逐次分解出各項觀測要素數值，最后屏顯在觀測系統主窗體上（見圖2）。

又比如本觀測系統已在齊齊哈爾機場投入使用，由于該機場使用的是AWOS2000 型自動氣象觀測系統，而且沒有配置氣象信息網，因此觀測觀測系統設計為通過Moxa 卡與氣象觀測系統CBUSS 通訊口實現鏈接，從中讀取AWOS2000 實時觀測數據。由于CBUSS 輸出的觀測數據是9600BPS、8 個數據位、1 個停止位的二進制數據，因此觀測系統首先要將二進制數據轉化為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據，隨后最初的2 個ASCII 碼分別是設備號和數據類型號，其后的為數據數值，當接收到了ASCII 碼值為0 或124 時則標志該組有效數據已經結束。最后根據設備號和數據類型號，經過循環解碼最終確定和分解出各氣象要素數據類型和數據值。

2.2 實施實時監測

2.2.1 特殊天氣監測

根據中國民用航空局的相關規定[2-4]，要求對重要天氣現象、風向風速、能見度、跑道視程、云況等氣象要素進行實時監測，當達到特殊天氣標準時及時實施特殊天氣告警，這是航空氣象觀測服務于航空飛行、保障其安全和正常的重要職能之一。這項功能已經在本觀測觀測系統上得以實現，其監測方法和標準均依據民航局相關規定來執行，比如：

1）地面風，特殊監測標準為：當平均地面風向比最近報告的風向有≥60°的變化，且平均風速在變化前或變化后已達到≥5m/s 時；當平均地面風速比最近報告的風速有≥5m/s 的變化時；當平均地面陣風比最近報告的陣風有≥5m/s 的變化，且平均風速在變化前或變化后達到≥8m/s 時；當平均地面風向相對于跑道為正側風，且平均風速由＜15m/s 變為≥15m/s，或由≥15m/s 變為＜15m/s 時。

2）能見度，特殊監測標準為：當主導能見度數值由≥800m 變為＜800m，或由＜800m 變為≥800m 時；當能見度數值由≥1500m 變為＜1500m，或由＜1500m 變為≥1500m 時。

3）跑道視程（RVR），特殊監測標準為：當RVR 數值由≥600m 變為＜600m，或由＜600m 變為≥600m 時；當RVR 數 值 由≥800m 變為＜800m，或由＜800m 變為≥800m 時。

2.2.2 操作運行監控

除了對氣象要素進行特殊監測外，觀測系統還具有較強的操作監控、糾錯的功能，避免了數據錄入出錯以及操作失誤導致的運行出錯，主要監控項目和方法：

1）連續監控對觀測數據的編輯操作，其中包括：設置要素數值門限（如云量不得超過8/8），設置要素數值演變幅度限制（如場面氣壓每小時演變幅度超過3hPa 告警），設置特定符號監控糾錯功能（如不得出現非規定云狀符號和天氣現象符號），確保氣象觀測滿足“三性”要求（準確性、比較性、代表性）。

2）監測航空天氣報告的編輯、發送過程，確保符合航空氣象電碼規范和民航通信要求。

3）監測月總簿和年總簿的統計制作過程，確保符合民航氣象業務規范。

2.3 編發天氣報告

編輯、發布航空天氣報告，是民航氣象觀測部門向空中交通管制、航空公司、機場保障部門等提供氣象觀測服務，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）。其中在氣象服務期間正點和半點定時編發的航空天氣報告為METAR 報；當各氣象要素的某一組或幾組達到了特殊天氣標準，隨即編發的航空天氣報告為SPECI 報、SPECIAL 報（其中SPECI 報與METAR 報一樣也參與氣象情報交換，而SPECIAL 報只限于機場內使用而不參與交換）。

報文編輯使用的風向風速、能見度、跑道視程、云況、溫度、露點溫度、氣壓等要素采用10min 數據，天氣現象采用實時信息，電報格式及報文編輯方法均依據中國民航局的有關規定[5]執行。

航空天氣報告的編輯項目主要包括：（1）電報冠字及流水號：由觀測系統按照通信部門的要求依次自動產生；（2）電報等級：由觀測系統按照通信部門要求自動產生，其中METAR 報使用GG 等級，SPECI 報和SPECIAL 報使用DD 等級；（3）收電地址：觀測系統自動產生，可在人工干預下根據航班信息添加和刪減；（4）發報時間和地址：由觀測系統按照通信部門的要求，依據當前時間自動產生；（5）報文內容：由觀測系統按照民航局的相關規定、航空天氣報告的標準格式，在值班人員人工監控、干預下自動產生，并通過氣象信息網讀進、編入預報員編發的趨勢預報報文。限于論文篇幅，實現報文編輯的具體技術措施不再詳細介紹。

2.3.2 發送天氣報告

航空天氣報告的發送必須在人工監控、干預下進行的，這是因為發送出去的航空天氣報告關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出，因此暫時沒有為觀測系統開通自動發送報文的功能。

觀測系統設置了2 種發送航空天氣報告的方式：或是將報文轉入氣象信息網，通過氣象信息網發送至機場通信轉報站，當然其前提是該機場配置有氣象信息網且具有發送電報的功能；或是為觀測系統申請一條專線，通過主機串行接口連接外接的調制解調器，直接向機場通信轉報站發送（如圖1 中流程）。其中如果設定為串行接口發送，其通信參數按照機場通信轉報站的要求設定。比如在哈爾濱機場，其設置為串行接口發送電報，其中通信參數的波特率設為300BPS，奇偶校驗設定為N，數據位設定為8，停止位設定為1。

2.4 統計氣象報表

氣象觀測數據統計報表包括月總薄和年總薄，其版面設計、表格格式、統計項目、數據記錄方法、合計和平均值統計、極值挑選、極值日期挑選、風的統計、天氣現象統計、各類要素日數的統計、跨月跨年的技術處理、初終日期的統計等，均嚴格按照中國民航局最新版本的《民用航空地面氣象觀測規范》[4]的有關要求實施。每月的月總薄包括1 張封面、1 張文字說明、21 張觀測數據統計表，共計23 張。每年年總簿涉及1 張封面、1 張文字說明、4 張全年觀測數據統計分析表，共計6 張。

考慮到統計月總簿和年總簿所涉及的數據量較為龐大，統計制作的報表較多，同時也是考慮打印輸出的方便，觀測觀測系統采用了調用MicrosoftExcel 的方法來制作氣象報表，最終實現了較好的效果。

在調用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；在進行月總簿、年總簿的統計制作過程中，首先使用COMObj 自動化應用程序，調用CreateOLEObject 函數創建OLE 對象Excel，返回Variant 類型的數據變量，將預備好的表格以WorkBooks 方式打開，再依次調用WorkSheets，然后將相關數據寫入相關的工作表格里，并按照規定的統計方法完成統計、計算、存放。調用MicrosoftExcel 的詳細技術方法及統計制作月總簿、年總簿的技術方法過程略。

2.5 其它綜合處理

其它綜合處理技術措施，包括數據庫的控制、數據資料的儲存交換、相關參數的設置、電報發送參數的編輯、特殊天氣標準的編輯、打印輸出、數據信息查詢、提供幫助等，其實現的技術過程相對較為簡單，本文不詳細介紹。

3 結束語

觀測系統的最初版本研發工作始于2001 年，完成于2002 年底，當時使用的氣象觀測設備為AWOS2000 型。2010 年，哈爾濱機場氣象觀測設備更新為MIDASIV 型，作者根據新的行業標準和規范的要求，于2011-2012 年重新設計、研發了新的觀測系統軟件（版本號升級為MRDS5.0）；2012 年底，觀測系統通過民航東北空管局的驗收并在哈爾濱機場正式投入業務運行，隨后還先后推廣到了沈陽、大連、長春和齊齊哈爾等機場。經過近幾年在各機場的運行情況表明，觀測系統技術處理措施方法得當，各項技術指標符合民航行業標準和業務規范的要求，在我國東北主要大型機場保障航空飛行安全、提高航班正常率的氣象觀測業務工作中發揮了積極的作用，而且觀測系統兼容性強，操作和維護簡便易懂，只需適當調整就能夠適用于我國民航使用的其它氣象觀測設備。

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

［2］中國民用航空局.民用航空機場運行最低標準制定與實施細則[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].