航空气象观测数据接收处理系统的研制

刘均力 李宛融 黄 琛

（1.民航黑龙江空中交通管理分局，黑龙江 哈尔滨 150079；2.黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨 150036）

0 引言

民航气象观测是民航空中交通管理系统的一支重要工种。目前，虽然我国大型民航干线机场都配备了自动气象观测系统，中小型支线机场都至少配备了自动气象观测站，民航气象观测具有完整的、可靠的、主备兼用的硬件保障设施。但是，由于这些设备原配属的终端操作平台都仅仅是一种基础性的软件，其业务功能与我国民航气象观测的业务需要相比还存在较大距离，而且这种情况在我国具有普遍性。为此，作者按照我国民航气象行业标准和业务规范要求，充分开发现有硬件资源，设计、研发了1 套航空气象观测数据接收处理系统软件（以下简称观测系统），并数次予以升级，实现了自动读取处理机场气象观测数据、自动监测特殊天气、自动监控系统运行过程、编发航空天气报告、制作气象观测报表、统计分析查询打印和提供帮助等一些列民航气象观测业务功能。

1 硬件软件设计

1.1 硬件结构设计

观测系统及其关联设备的硬件配置包括气象数据观测设备、综合分析处理平台、民航通信设备及机场局域网等设施，其中：（1）气象观测数据的观测、探测、采集等，通过机场配置的现有气象观测设备来实现，该设备可以是大型的自动气象观测系统（如美国Artais 公司生产的AWOS2000 型、芬兰Vaisala 公司生产的MIDASIV 型），也可以是中小型的自动气象观测站（如长春气象仪器研究所生产的遥测Ⅱ型）；（2）综合分析处理平台的硬件配置主要包括工作站1 台、A4 及A3 规格打印机各1 台、音响设施等；（3）通信及网络设施，是指用来实现数据传输、电报发送等业务功能的民航通信转报设备、机场场内局域网络等设施。

当然，具体的硬件配置、布局，需要根据所在机场的实际硬件资源来进行。比如在哈尔滨太平国际机场，目前气象观测设备为MIDASIV型自动气象观测系统，并配备气象信息网，作者对观测系统的相关硬件配置就设计为如图1 所示，其中自动观测系统通过端口服务器将观测数据存入气象信息网，观测系统通过气象信息网读入气象观测数据和预报工作站中编发的趋势预报信息，并通过串口连接调制解调器向通信转报站发送航空气象观测电报。

图1 观测系统在哈尔滨机场硬件结构示意图

1.2 软件设计简介

民航航空气象观测员的业务工作内容主要包括：密切监测天气演变状况，编发例行天气报告和特殊天气报告，整理气象观测数据、统计气象观测报表等。作者设计的这个观测系统最终全部实现这些业务功能。

观测系统的主体软件和操作软件设计在WindowsXP 及以上操作系统环境下运行，其开发环境使用Delphi[1]，编程语言使用Pascal，相关支持平台有OfficeExcel、Oracle 等。软件整体结构按其功能设计、划分为数据读取维护处理及储存单元，特殊天气监测告警单元，编辑发送航空天气报告单元，统计气象观测报表单元，其它综合功能（含参数设置、查询、打印、帮助等）单元，并由观测系统主窗体控制（见图2）。

图2 观测系统主窗体示意图

1.3 主要技术指标

1.3.1 具有标准、美观、友好的Windows 人机界面：观测系统实现简体中文显示，具有标准、美观、友好和便捷的人机互动功能，配上音箱具有很好的告警效果；操作方法简便易懂，只需要短时间培训，就能够很快掌握操作和维护方法；具有很好的兼容性，只需调整数据读取方式，就能够适应其它气象观测设备。

1.3.2 连续接收、分析、处理、存储、显示实时观测数据：连续从观测设备接收、读取各类气象要素实时观测信息，除部分欠缺的气象要素需要人工判断、录入外，其它常规观测数据通过观测系统自动录入，并按照民航气象观测规范进行统计、分析，显示在观测系统主窗体上、存储在指定位置和相关表格里。

1.3.3 编辑、发送航空天气报告：依据民航行业标准和业务规范，编辑发送例行航空天气报告、特殊航空天气报告。其中对编发特殊天气报告设为人工和自动监测两种状态，如设置为自动监测状态，那么观测系统将自动监测各气象要素，当达到特殊天气标准时，自动以声音和图像信息进行提醒、告警。

1.3.4 统计、制作和打印气象报表：当每月观测结束后，即可利用观测系统统计制作和打印该月观测月总簿；当每年观测结束后，即可利用观测系统统计制作和打印该年观测年总簿；可以随时对历史资料进行月总簿、年总簿回检统计。

1.3.5 设置了较为完善的错误陷阱，对运行过程实施监控：观测系统具有较强的数据录入和运行操作过程纠错功能，避免初始数据录入出错以及操作失误导致的运行出错；依据民航行业规定和规范，连续监控航空气象报文的编发过程；连续监测数据线路状态，监控数据采集、信息交换等情况。

1.3.6 查询气象资料和提供帮助信息：根据用户需要，随时查询各类气象要素数据，包括例行观测数据和特殊观测数据；查询编辑、发布的各类航空天气报告；查询某一个或几个气象要素的一个或几个数值范围的相关统计信息；查询系统帮助信息和版本信息等。

2 研制技术措施

2.1 读取观测数据

需要读取的气象观测数据包括风向风速、能见度（MOR）、跑道视程（RVR）、现在和近时天气现象、云况或垂直能见度、温度、露点温度、相对湿度、水汽压、场面气压、修正海平面气压、降水量等等，其中有的气象要素包括1min、2min、10min 数据，并依据设备类型的不同而有所不同，比如自动气象观测站一般没有MOR、RVR 等数据信息。

观测系统对气象观测数据的读取方法将依据机场配置的气象设备的不同而不同。比如在哈尔滨机场，目前配置的气象观测设备为MIDASIV 型自动气象观测系统，并配备了机场场内气象信息网（见图1），观测系统接收数据的方式设计为：首先，MIDASIV 通过端口服务器将CAACLINE 数据存入气象信息网，该数据采用RS232 通信协议，每1min 发送1 组实时数据，并利用串口通信技术将数据写入气象信息网ORACLE11g 数据库；然后观测系统访问气象信息网，读取其数据库中的数据，并根据CAACLINE 数据通信协议进行解析，逐次分解出各项观测要素数值，最后屏显在观测系统主窗体上（见图2）。

又比如本观测系统已在齐齐哈尔机场投入使用，由于该机场使用的是AWOS2000 型自动气象观测系统，而且没有配置气象信息网，因此观测观测系统设计为通过Moxa 卡与气象观测系统CBUSS 通讯口实现链接，从中读取AWOS2000 实时观测数据。由于CBUSS 输出的观测数据是9600BPS、8 个数据位、1 个停止位的二进制数据，因此观测系统首先要将二进制数据转化为ASCII 码，然后判断接受的ASCII 码值是否为172 或161，如是则开始接收有效数据，随后最初的2 个ASCII 码分别是设备号和数据类型号，其后的为数据数值，当接收到了ASCII 码值为0 或124 时则标志该组有效数据已经结束。最后根据设备号和数据类型号，经过循环解码最终确定和分解出各气象要素数据类型和数据值。

2.2 实施实时监测

2.2.1 特殊天气监测

根据中国民用航空局的相关规定[2-4]，要求对重要天气现象、风向风速、能见度、跑道视程、云况等气象要素进行实时监测，当达到特殊天气标准时及时实施特殊天气告警，这是航空气象观测服务于航空飞行、保障其安全和正常的重要职能之一。这项功能已经在本观测观测系统上得以实现，其监测方法和标准均依据民航局相关规定来执行，比如：

1）地面风，特殊监测标准为：当平均地面风向比最近报告的风向有≥60°的变化，且平均风速在变化前或变化后已达到≥5m/s 时；当平均地面风速比最近报告的风速有≥5m/s 的变化时；当平均地面阵风比最近报告的阵风有≥5m/s 的变化，且平均风速在变化前或变化后达到≥8m/s 时；当平均地面风向相对于跑道为正侧风，且平均风速由＜15m/s 变为≥15m/s，或由≥15m/s 变为＜15m/s 时。

2）能见度，特殊监测标准为：当主导能见度数值由≥800m 变为＜800m，或由＜800m 变为≥800m 时；当能见度数值由≥1500m 变为＜1500m，或由＜1500m 变为≥1500m 时。

3）跑道视程（RVR），特殊监测标准为：当RVR 数值由≥600m 变为＜600m，或由＜600m 变为≥600m 时；当RVR 数 值 由≥800m 变为＜800m，或由＜800m 变为≥800m 时。

2.2.2 操作运行监控

除了对气象要素进行特殊监测外，观测系统还具有较强的操作监控、纠错的功能，避免了数据录入出错以及操作失误导致的运行出错，主要监控项目和方法：

1）连续监控对观测数据的编辑操作，其中包括：设置要素数值门限（如云量不得超过8/8），设置要素数值演变幅度限制（如场面气压每小时演变幅度超过3hPa 告警），设置特定符号监控纠错功能（如不得出现非规定云状符号和天气现象符号），确保气象观测满足“三性”要求（准确性、比较性、代表性）。

2）监测航空天气报告的编辑、发送过程，确保符合航空气象电码规范和民航通信要求。

3）监测月总簿和年总簿的统计制作过程，确保符合民航气象业务规范。

2.3 编发天气报告

编辑、发布航空天气报告，是民航气象观测部门向空中交通管制、航空公司、机场保障部门等提供气象观测服务，并参与全国、全世界民航气象情报交换的主要形式。

2.3.1 编辑天气报告

航空天气报告包括例行航空天气报告（即METAR 报）、特殊航空天气报告（即SPECI 报和SPECIAL 报）。其中在气象服务期间正点和半点定时编发的航空天气报告为METAR 报；当各气象要素的某一组或几组达到了特殊天气标准，随即编发的航空天气报告为SPECI 报、SPECIAL 报（其中SPECI 报与METAR 报一样也参与气象情报交换，而SPECIAL 报只限于机场内使用而不参与交换）。

报文编辑使用的风向风速、能见度、跑道视程、云况、温度、露点温度、气压等要素采用10min 数据，天气现象采用实时信息，电报格式及报文编辑方法均依据中国民航局的有关规定[5]执行。

航空天气报告的编辑项目主要包括：（1）电报冠字及流水号：由观测系统按照通信部门的要求依次自动产生；（2）电报等级：由观测系统按照通信部门要求自动产生，其中METAR 报使用GG 等级，SPECI 报和SPECIAL 报使用DD 等级；（3）收电地址：观测系统自动产生，可在人工干预下根据航班信息添加和删减；（4）发报时间和地址：由观测系统按照通信部门的要求，依据当前时间自动产生；（5）报文内容：由观测系统按照民航局的相关规定、航空天气报告的标准格式，在值班人员人工监控、干预下自动产生，并通过气象信息网读进、编入预报员编发的趋势预报报文。限于论文篇幅，实现报文编辑的具体技术措施不再详细介绍。

2.3.2 发送天气报告

航空天气报告的发送必须在人工监控、干预下进行的，这是因为发送出去的航空天气报告关系到航空飞行的安全和航班的正常率，必须坚决杜绝错误报文意外发出，因此暂时没有为观测系统开通自动发送报文的功能。

观测系统设置了2 种发送航空天气报告的方式：或是将报文转入气象信息网，通过气象信息网发送至机场通信转报站，当然其前提是该机场配置有气象信息网且具有发送电报的功能；或是为观测系统申请一条专线，通过主机串行接口连接外接的调制解调器，直接向机场通信转报站发送（如图1 中流程）。其中如果设定为串行接口发送，其通信参数按照机场通信转报站的要求设定。比如在哈尔滨机场，其设置为串行接口发送电报，其中通信参数的波特率设为300BPS，奇偶校验设定为N，数据位设定为8，停止位设定为1。

2.4 统计气象报表

气象观测数据统计报表包括月总薄和年总薄，其版面设计、表格格式、统计项目、数据记录方法、合计和平均值统计、极值挑选、极值日期挑选、风的统计、天气现象统计、各类要素日数的统计、跨月跨年的技术处理、初终日期的统计等，均严格按照中国民航局最新版本的《民用航空地面气象观测规范》[4]的有关要求实施。每月的月总薄包括1 张封面、1 张文字说明、21 张观测数据统计表，共计23 张。每年年总簿涉及1 张封面、1 张文字说明、4 张全年观测数据统计分析表，共计6 张。

考虑到统计月总簿和年总簿所涉及的数据量较为庞大，统计制作的报表较多，同时也是考虑打印输出的方便，观测观测系统采用了调用MicrosoftExcel 的方法来制作气象报表，最终实现了较好的效果。

在调用MicrosoftExcel 制作月总薄和年总薄前，事先利用Excel 软件编制好月总薄和年总薄模版，在观测系统软件程序的文件中，月总薄和年总薄模版分别保存为“月总薄.XLS”和“年总薄.XLS”这两个文件；在进行月总簿、年总簿的统计制作过程中，首先使用COMObj 自动化应用程序，调用CreateOLEObject 函数创建OLE 对象Excel，返回Variant 类型的数据变量，将预备好的表格以WorkBooks 方式打开，再依次调用WorkSheets，然后将相关数据写入相关的工作表格里，并按照规定的统计方法完成统计、计算、存放。调用MicrosoftExcel 的详细技术方法及统计制作月总簿、年总簿的技术方法过程略。

2.5 其它综合处理

其它综合处理技术措施，包括数据库的控制、数据资料的储存交换、相关参数的设置、电报发送参数的编辑、特殊天气标准的编辑、打印输出、数据信息查询、提供帮助等，其实现的技术过程相对较为简单，本文不详细介绍。

3 结束语

观测系统的最初版本研发工作始于2001 年，完成于2002 年底，当时使用的气象观测设备为AWOS2000 型。2010 年，哈尔滨机场气象观测设备更新为MIDASIV 型，作者根据新的行业标准和规范的要求，于2011-2012 年重新设计、研发了新的观测系统软件（版本号升级为MRDS5.0）；2012 年底，观测系统通过民航东北空管局的验收并在哈尔滨机场正式投入业务运行，随后还先后推广到了沈阳、大连、长春和齐齐哈尔等机场。经过近几年在各机场的运行情况表明，观测系统技术处理措施方法得当，各项技术指标符合民航行业标准和业务规范的要求，在我国东北主要大型机场保障航空飞行安全、提高航班正常率的气象观测业务工作中发挥了积极的作用，而且观测系统兼容性强，操作和维护简便易懂，只需适当调整就能够适用于我国民航使用的其它气象观测设备。

［1］肖雪莲，里希纳.Delphi 技术手册[M].北京：中国电力出版社，2001.

［2］中国民用航空局.民用航空机场运行最低标准制定与实施细则[M].北京：中国民用航空局，2011.

［3］MH/T4016.1-2007 民用航空气象第1 部分：观测和报告[S].

［4］中国民用航空局.民用航空地面气象观测规范[M].北京：中国民用航空局，2010.

［5］MH/T4016.6-2007 民用航空气象第6 部分：电码[S].