□ 民航天津空管分局 高 宇/ 文

自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)是民航機(jī)場(chǎng)的重要空管保障設(shè)施，由布置在跑道附近的多組氣象傳感器、通信傳輸設(shè)備和中央數(shù)據(jù)處理設(shè)備構(gòu)成，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量機(jī)場(chǎng)跑道的各類(lèi)氣象要素，為機(jī)場(chǎng)氣象部門(mén)、空中交通管制部門(mén)及航空公司提供實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)服務(wù)。由于自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于機(jī)場(chǎng)空管運(yùn)行的重要性很高，對(duì)中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等核心設(shè)備采用主備雙機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)重要的探測(cè)傳感器也采用備份設(shè)計(jì)，從而大大提高整體運(yùn)行的可靠性。而對(duì)于通信傳輸子系統(tǒng)，一般也采用多數(shù)據(jù)源互備的傳輸方案提高通信傳輸?shù)目煽啃?。本文?shí)例分析了多數(shù)據(jù)源冗余傳輸設(shè)計(jì)，提出了自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的冗余通信傳輸設(shè)計(jì)需要思考并關(guān)注的問(wèn)題。

自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)通信傳輸方案

民用航空自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（Automatic Weather Observing System， 簡(jiǎn) 稱(chēng)AWOS）傳感器包括：風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、氣壓傳感器、氣溫傳感器、濕度傳感器、雨量傳感器、云高儀、大氣透射儀或前向散射儀、背景光亮度傳感器等。這些安裝在飛行區(qū)室外的傳感器設(shè)備需要高可靠的通信傳輸系統(tǒng)，高效、穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)傳輸至室內(nèi)的中央數(shù)據(jù)處理單元，并經(jīng)中央數(shù)據(jù)處理單元處理、計(jì)算后生成最終數(shù)據(jù)產(chǎn)品向用戶(hù)提供。

民用航空自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的通信方式，遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)監(jiān)控信息的功能；自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的各類(lèi)傳感器都是串口輸出數(shù)字信號(hào)，具有數(shù)據(jù)量小、頻次高、時(shí)效要求高的共同特點(diǎn)，技術(shù)規(guī)范中的有線(xiàn)通信方式一般采用光纖傳輸，在發(fā)送端通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備將串口輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，在接收端再通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備將光信號(hào)還原成電信號(hào)（如圖1 所示）。無(wú)線(xiàn)通信方式可采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、微波站、手機(jī)4G 網(wǎng)絡(luò)等方式，同樣在發(fā)送端和接收端通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳輸（如圖2 所示）。

為了提高通信傳輸?shù)目煽啃裕托枰O(shè)計(jì)冗余的通信傳輸系統(tǒng)，通過(guò)兩種或更多種通信手段同時(shí)將傳感器的輸出數(shù)據(jù)傳輸至中央數(shù)據(jù)處理單元，在中央數(shù)據(jù)處理單元前端增加多數(shù)據(jù)源比選設(shè)備或比選軟件優(yōu)選出可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，確保傳感器的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠（如圖3 所示）。

在冗余的通信傳輸系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)源比選的功能模塊具有至關(guān)重要的作用。為提高其可靠性，一般將多數(shù)據(jù)源比選軟件（軟件實(shí)現(xiàn)的多數(shù)據(jù)源比選模塊）同時(shí)安裝在自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的主、備服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的自動(dòng)切換，即當(dāng)主用數(shù)據(jù)源中斷或數(shù)據(jù)接收超時(shí)，切換到備用數(shù)據(jù)源進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)源比選邏輯見(jiàn)圖4。

冗余通信設(shè)計(jì)方案的思考

在上述的冗余通信設(shè)計(jì)方案中，多數(shù)據(jù)源比選軟件能夠根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的超時(shí)閾值判定數(shù)據(jù)源是否可用，并自動(dòng)進(jìn)行切換。自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸速率一般為300至9600 波特，發(fā)送間隔為1 秒至數(shù)秒。無(wú)論是光纖有線(xiàn)通信手段，還是微波、網(wǎng)橋等無(wú)線(xiàn)通信手段，其傳輸速率和帶寬完全能夠滿(mǎn)足設(shè)備需求。但是，這個(gè)方案還是存在一些不易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

（1）數(shù)據(jù)源是否可用的判斷標(biāo)準(zhǔn)只與信號(hào)通斷或者數(shù)據(jù)是否超時(shí)相關(guān)，當(dāng)數(shù)據(jù)源出現(xiàn)誤碼、校驗(yàn)等傳輸錯(cuò)誤時(shí)，該比選邏輯不會(huì)動(dòng)作，不能起到備份的作用。

（2）某些傳感器設(shè)備不以固定的時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，例如某型號(hào)自動(dòng)氣象站，每3 秒輸出1 次風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，每30 秒輸出1 次溫濕壓數(shù)據(jù)，每60 秒輸出1 次雨量數(shù)據(jù)，每10 秒輸出1 次設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。這種情況下由于無(wú)法設(shè)定準(zhǔn)確的超時(shí)閾值，從而使切換邏輯失效。

（3）自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)處理單元從傳感器獲取的數(shù)據(jù)并不是最終產(chǎn)品，這些數(shù)據(jù)只是采樣值，還要完成平均、參量計(jì)算、極值挑選等后期加工。

以風(fēng)數(shù)據(jù)為例，風(fēng)向、風(fēng)速的采樣速率為每秒鐘1 次，求3 秒鐘、2 分鐘、10 分鐘的滑動(dòng)平均值。3 秒鐘的平均值為瞬時(shí)值。國(guó)際民航組織附件3 推薦的風(fēng)數(shù)據(jù)平均算法包括滑動(dòng)算術(shù)平均法和矢量平均法。為降低誤差，國(guó)際民航組織附件3 中還定義了 “明顯的不連續(xù)” 判定標(biāo)準(zhǔn)，防止外部原因的擾動(dòng)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生大的影響。

因此，對(duì)于數(shù)據(jù)的平均和極值計(jì)算，連續(xù)的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是必要條件。在單獨(dú)傳輸線(xiàn)路的系統(tǒng)中，如果來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)中斷，中央數(shù)據(jù)處理單元會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，停止向終端用戶(hù)的數(shù)據(jù)顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“明顯的不連續(xù)” 判定。而在冗余傳輸系統(tǒng)中，如果主用線(xiàn)路數(shù)據(jù)中斷，比選邏輯判斷數(shù)據(jù)超時(shí)后（超時(shí)閾值一般設(shè)置為1.5＊T，T 為采樣間隔，對(duì)于風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，采樣間隔3 秒，超時(shí)閾值4.5 秒），切換備用線(xiàn)路的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；如果此時(shí)備用線(xiàn)路數(shù)據(jù)出現(xiàn)了延遲或提前（提前的原因是延遲后的傳輸系統(tǒng)堆積補(bǔ)發(fā)），中央數(shù)據(jù)處理單元就會(huì)得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，并將其用于之后的計(jì)算中，給最終結(jié)果帶來(lái)不可預(yù)料的誤差。

多數(shù)據(jù)源冗余傳輸?shù)馁|(zhì)量控制

分析多數(shù)據(jù)源冗余傳輸系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，根本原因是通信傳輸環(huán)節(jié)缺少質(zhì)量控制，自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)自帶的質(zhì)量控制功能無(wú)法發(fā)揮作用。對(duì)于前文提到的問(wèn)題（1）和（2），冗余傳輸系統(tǒng)不能發(fā)揮備份作用，此時(shí)傳輸系統(tǒng)相當(dāng)于單系統(tǒng)運(yùn)行，來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)中斷直接造成用戶(hù)終端上數(shù)據(jù)顯示的中斷；但與問(wèn)題（3）相比，中斷數(shù)據(jù)服務(wù)遠(yuǎn)比向用戶(hù)提供錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)要好很多，對(duì)用戶(hù)造成的影響以及潛在的風(fēng)險(xiǎn)要輕很多。因此，多數(shù)據(jù)源冗余傳輸系統(tǒng)必須具備質(zhì)量控制功能，并以零誤差作為通信傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)原則。

（1）對(duì)每一幀來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行校驗(yàn)，并將校驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)據(jù)源切換條件，傳感器設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)報(bào)自身都有CRC 校驗(yàn)碼，比選軟件必須對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行校驗(yàn)檢查，對(duì)校驗(yàn)失敗的數(shù)據(jù)丟棄處理。

（2）對(duì)于自動(dòng)氣象站等多種數(shù)據(jù)集成的設(shè)備，比選軟件應(yīng)具備分別處理的能力，而不僅僅是以固定的超時(shí)閾值進(jìn)行判定，根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)的識(shí)別判定出預(yù)期的下一份數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)時(shí)間，以此作為數(shù)據(jù)是否超時(shí)、數(shù)據(jù)源是否可用的判定依據(jù)。

（3）除對(duì)同一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行校驗(yàn)檢查、超時(shí)判定之外，比選軟件還應(yīng)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比對(duì)，建立連續(xù)的數(shù)據(jù)有效性判斷邏輯，防止錯(cuò)誤數(shù)據(jù)傳出。

結(jié)束語(yǔ)：

本文對(duì)冗余傳輸系統(tǒng)的多數(shù)據(jù)源比選邏輯進(jìn)行了分析，提出了質(zhì)量控制、降低誤差的可行性做法，可為民航機(jī)場(chǎng)氣象部門(mén)自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)及技術(shù)開(kāi)發(fā)人員提供參考。