民航氣象QNH多重保障方案的設計與實現

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，該數據的準確性直接關系著航空器的飛行安全。本文通過數據庫訪問、留底數據讀取、串口數據通信等方式，獲取多個系統的修正海壓數值。依據預定的算法與閾值對相應的QNH數值進行實時對比，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客戶端的形式提供個管制員與機組。（2）發報系統發布報文，傳至民航氣象中心并分發到全國各機場。（3）通過民航氣象服務網的方式把數據提供個民航相關單位。

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防，近幾年由于錯報QNH造成的不安全事件也時有發生。

2 QNH存在的安全隱患

2.1 QNH的提供方式

根據QNH的來源不同，可將其提供方式分為以下三種：

（1）自動氣象觀測系統客戶端。通過自動氣象觀測系統客戶端獲取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客戶端中QNH的準確性即可。

（2）氣象報文。發報系統通過串口的方式獲取自動氣象觀測系統的QNH數據，并進行編發報，并轉發至全國。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、遙測二型系統中QNH數據的準確性，其次保障發報系統采集到的QNH的準確性，最后監控最新發出報文中QNH的準確性。

（3）民航氣象服務網。TS16通過串口的方式把自動觀測系統相關氣象要素（包括QNH）發送給氣象數據庫。民航氣象服務網間接的訪問氣象數據庫，并把QNH數據顯示到前臺，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據庫中的QNH與自動氣象觀測系統中的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，它會直接導致依據該傳感器計算或獲取的QNH數據全部異常。氣壓傳感器故障可分為無數據與錯數據，與無數據對比錯數據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據出錯。

（2）數據傳輸被干擾。數據傳輸被干擾最常發生的現象是接收到的數據出現亂碼，由于一般的發報系統都對亂碼數據進行過濾。但是如果原始數據經過干擾之后變成了另一個格式合法的數據，這種數據篡改不僅影響大，而且隱蔽性也強。

（3）第三方軟件故障。第三方軟件指的是發報系統、民航氣象數據庫解析與入庫軟件等QNH數據處理相關的軟件。一旦發生第三方軟件故障，對外就已經造成了影響，只能通過發布更正報挽救。

3 QNH保障方案總體設計

針對上述QNH存在的安全隱患，利用現行的所有氣壓傳感器的數據與相關技術手段，對各個系統提供的QNH進行實時監控，對發報系統與民航氣象數據庫采集的QNH進行二次驗證，對發報系統發出報文中的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。總體方案設計數據流程如圖1所示。

4 QNH保障方案的實現

4.1 數據庫設計

本方案數據庫使用的是ORACLE12C數據庫，為報文、場壓、修正海壓等數據的長期存儲提供基礎支撐。為提高該系統的運行效率與實現數據的長期存儲，數據庫可分為歷史庫與應用庫。歷史庫用來存儲3天之前的歷史原始數據，應用庫用來存儲3天內的原始數據與二次處理的數據。

4.2 數據采集

本方案的設計原則上可以獲取所有氣壓數據源的氣壓數據，這里只針對常規機場的配置進行數據采集，各系統的氣壓數據采集流程如下：

（1）自動氣象觀測系統氣壓數據的采集方式是TS16發送串口數據給數據采集程序，采集程序解析出兩端場壓數據與通過兩端氣壓計算的修正海壓數據并入庫。

（2）遙測二型系統氣壓數據的采集使用的是UDP數據采集方式，遙測二型服務器端程序向網內廣播實時的氣象數據。采集程序在3018端口處實時監聽。依據一定的格式，對監聽到的數據進行解析并入庫。

（3）振筒氣壓儀氣壓數據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送“R”命令，氣壓儀就會返回給采集程序測量到的場壓數據，修正海壓的數據需要采集程序進行計算與入庫。

（4）最新報文QNH的數據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，依據報文格式對留底報文進行解析與入庫。

（5）發報系統數據庫與民航氣象數據庫中QNH的采集使用的都是數據庫訪問方式，為了減輕被訪數據庫的壓力，數據采集周期設定為1分鐘。

4.3 數據監控

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

（1）基礎數據驗證。數據基礎驗證是在數據采集入庫階段進行的，根據本場氣候志資料與氣壓歷史數據設定一個氣壓有效范圍。氣壓數據采集程序采集到氣壓數據后，首先進行基礎數據驗證。只有通過基礎驗證的數據才能進入后續的數據監控。

（2）數據監控。依據氣壓數據的對比方式，可把氣壓數據監控分為：氣壓數據橫向監控、氣壓數據縱向監控、QNH復制品的監控、報文中QNH監控。每一項數據監控，都是對目前存在安全問題的有效解決。

數據橫向監控是把各個系統最新氣壓數據進行實時對比，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，原理上只需監控QNH的有效性就行。但是對QNH數據的診斷，只能判斷哪個系統可能存在問題，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控對象。

參與氣壓數據縱向監控的數據源包括所有有效系統的氣壓數據。以QNH為例，縱向對比是對不同時間點的同一系統QNH進行對比，計算出該系統QNH的在過去一個時段的波動因子。由此可以得出三個系統的QNH的波動因子，再利用橫向對比的方式對比這三個波動因子，找出異常的QNH。

QNH復制品的監控主要體現在對發報數據庫與氣象數據庫QNH的監控，此類監控幾乎不允許存在誤差，因為QNH復制品本就應該與QNH原件一模一樣。

對報文中QNH的監控可分為三個部分：1）監控編報后發報前與發報后報文中QNH與自動氣象觀測系統中最新QNH的差異;2）監控發報系統數據庫中最新的QNH與最近報文中QNH的差異;3）監控最近兩份報文中QNH的差異。

（3）嫌疑傳感器診斷。診斷最具嫌疑的傳感器，至少需要三個數據源。以三數據源為例，首先判斷各個QFE是否在預設的有效范圍之內。當數據都在有效范圍之內時啟用差值對比，當三數據的兩兩差值小于預設閾值（例如：0.7）時，視三個數據都正常。當兩兩差值中有一個大于0.7時，兩兩差值最小的兩個數據視為正常，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的兩個數據正常，剩余的一個數據異常。當兩兩差值都大于0.7時，視三個數據都異常。

（4）系統的軟件實現。該系統的實現利用的是JAVA平臺，界面設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，一旦某個數據對比項目異常，相應的數據背景或綠燈都會變成紅色，及時提醒值班員設備故障。

5 方案優點

（1）本方案有效消除了無校驗串口數據傳輸與發報軟件故障，可能帶來的發報系統發布錯誤QNH、氣象服務網顯示錯誤QNH的安全隱患。

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

（3）對編報后發報前與發報后報文中的QNH進行監控，一旦發現發出報文QNH出錯，第一時間提醒觀測員重新編報或者發布更正報。

（4）氣壓數據縱向對比為數據橫向對比做輔助監控，為氣壓傳感器的穩定性與氣壓數據的可用性做更加準確有效的診斷。

6 結束語

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

參考文獻：

[1]Bruce Eckel.Java編程思想（第4版）[M].機械工業出版社，2007.6.1.

[2]王瑛，李祥勝.Oracle數據庫基礎教程[M].人民郵電出版社，2008.