首都機場測風(fēng)系統(tǒng)故障診斷

崔屹

摘 要：在首都國際機場，測風(fēng)系統(tǒng)是最重要的觀測設(shè)備之一，文章簡要介紹了首都機場測風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，全面分析了引起測風(fēng)系統(tǒng)故障的原因，并針對不同的故障給出解決方法.

關(guān)鍵詞：風(fēng)傳感器；測風(fēng)系統(tǒng)；故障診斷

中圖分類號：TH165+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0062-02

1 概 述

對于天空中的飛行器來說，風(fēng)數(shù)據(jù)是最重要的氣象數(shù)據(jù)之一。因此測風(fēng)系統(tǒng)成為現(xiàn)代的民用航空機場必備的標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測設(shè)備。對于氣象機務(wù)人員來說，當(dāng)測風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠及時準(zhǔn)確地判斷出故障原因并快速維修好則能最大限度的減小氣象設(shè)備風(fēng)險。本文首先介紹了首都機場的測風(fēng)系統(tǒng)工作原理，然后列出風(fēng)系統(tǒng)故障判斷的流程圖并進(jìn)行詳細(xì)說明。最后介紹針對常見故障采取的措施。

2 首都機場測風(fēng)系統(tǒng)工作原理

2.1 首都機場風(fēng)數(shù)據(jù)處理流程

首都機場使用vaisala公司的WS425型風(fēng)傳感器，采集器型號為MILOS520。風(fēng)數(shù)據(jù)的處理流程為傳感器采集到原始數(shù)據(jù)后發(fā)送給采集器，采集器再將原始數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)主機，主機軟件對風(fēng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，加工后將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。

2.2 超聲波風(fēng)傳感器的測量原理

風(fēng)傳感器是測風(fēng)系統(tǒng)中最重要的組成部分，首都機場使用的是超聲波風(fēng)傳感器。與過去的機械式傳感器相比較，該類型傳感器具有體積小、無機械部件、壽命長、精度高等特點。超聲波是指頻率大于20 kHz的聲波，很早人們就發(fā)現(xiàn)聲波在空氣中的傳播速度受空氣流動（即風(fēng)）的影響，為此提出了利用測量聲波在已知距離的兩點之間傳播時間的變化來逆向推導(dǎo)兩點間風(fēng)速的方法。發(fā)射探頭發(fā)射一組超聲波脈沖到達(dá)接收探頭，從向發(fā)射施加激勵脈沖起到接收到第一個脈沖止的超聲傳播時問，可以由下式計算：

其中，v0為靜風(fēng)下的聲速，v為風(fēng)速，L為傳播距離，當(dāng)方向和超聲波傳播方向一致時為正，反之為負(fù)。但是 會受到環(huán)境影響，其變化會引入較大的風(fēng)速測量誤差。因此后來又提出采用雙向測量的方法，同時測量兩個相對方向上傳播時間的變化來抵消靜聲速變化的影響： T2=L/（v0■v）兩個時間相減，得到風(fēng)速測量公式：

顯然，式中已經(jīng)抵消了Vo，相當(dāng)于做了差分測量，消除了Vo影響，這種方法通常稱為“脈沖聲時法”。

超聲波風(fēng)傳感器的水平面上具有一個包含三個等間距的超聲波探頭的探頭陣列。風(fēng)傳感器測量探頭陣列之間的三條路徑的傳送時間（雙向），如圖1所示。然后可以計算出三條超聲波路徑中每一條路徑的V.使用兩條探頭路徑的V值便足以計算風(fēng)速和風(fēng)向。

2.3 風(fēng)速和風(fēng)向平均值計算

超聲波風(fēng)傳感器可通過標(biāo)量或向量平均值計算為風(fēng)速和風(fēng)向提供平均值。對于這兩種方法，平均值是根據(jù)使用者可配置的平均時間來確定的。平均時間還會影響串行通信和模擬輸出。使用者也可以配置陣風(fēng)平均時間以計算風(fēng)極值。根據(jù)世界氣象組織 （WMO） 的建議，默認(rèn)的陣風(fēng)平均時間間隔為3 s。 如果選擇了標(biāo)量平均值計算，則使用者還可以啟用風(fēng)向移動以確保在風(fēng)速較低的情況下獲得一致的風(fēng)向測量結(jié)果。

2.3.1 標(biāo)量平均值計算

如果選擇了標(biāo)量平均值計算，超聲波風(fēng)傳感器將會通過以下方式計算風(fēng)速和風(fēng)向平均值：從平均時間將每個風(fēng)測量值加起來，然后將總和除以測量次數(shù)。每個連續(xù)的風(fēng)速和風(fēng)向測量之間的時間為0.25 s。風(fēng)向是一個北向不連續(xù)的三角函數(shù)，在北向360 °等于零度。例如：

359 °+ 5 °= +4 °

0 °-5 ° = 355 °

超聲波風(fēng)傳感器可將風(fēng)向轉(zhuǎn)換為線性函數(shù)以確定風(fēng)向平均值。例如：359 °+ 5 ° 轉(zhuǎn)換為364 °，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為+4 ° 進(jìn)行輸出。0 °- 5 °轉(zhuǎn)換為355 °。 這樣可確保風(fēng)向平均值始終體現(xiàn)實際情況，即使在零方向的兩側(cè)單獨進(jìn)行采樣也是如此。

如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在初始平均時間結(jié)束之前請求數(shù)據(jù)，傳感器將會返回最新完成的測量數(shù)據(jù)。

準(zhǔn)確的風(fēng)向測量要求風(fēng)速足夠高。如果您啟用風(fēng)向移動，則當(dāng)風(fēng)速低于選定的風(fēng)向移動閾值時，超聲波風(fēng)傳感器將不會計算風(fēng)向。最后計算的風(fēng)向輸出將保持不變，直到風(fēng)速增加足以達(dá)到閾值并且超聲波風(fēng)傳感器恢復(fù)正常操作為止。

2.3.2 向量平均值計算

如果選擇了向量平均值計算，超聲波風(fēng)傳感器將會通過以下方式計算風(fēng)速和風(fēng)向平均值：從平均時間將每個x速度和y 速度測量值加起來，然后將總和除以測量次數(shù)。超聲波風(fēng)傳感器可將生成的x平均速度和y平均速度轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)方向和大小，從而返回以度為單位的風(fēng)向平均值和選定單位的風(fēng)速平均值。

如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在初始平均時間結(jié)束之前請求數(shù)據(jù)，傳感器將會返回最新完成的測量數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)系統(tǒng)的故障診斷

可能多種原因?qū)е聹y風(fēng)系統(tǒng)的故障，具體診斷流程圖，如圖2所示。

當(dāng)風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正常時，首先判斷是否是異物所影響。最常見的情況是落鳥。設(shè)備正常工作時，在室內(nèi)用遠(yuǎn)程通訊軟件與采集器直接建立通訊聯(lián)系，應(yīng)有原始的字符串傳過來，系統(tǒng)正常時軟件接收到的字符樣式如下：$PAMWV，341，R，008.1，M，A*3E.其中341為風(fēng)向，008.1為風(fēng)速，A*3E為效驗碼。當(dāng)落鳥時通常仍然可以接收到字符串，但字符串中的各項數(shù)據(jù)往往不正確。例如$PAMWV，，R，，M，V*38該字符串中沒有風(fēng)向和風(fēng)速值，校驗碼為V*38，表示數(shù)據(jù)不正常。還有一種情況為風(fēng)速出現(xiàn)與實際情況不符的極大值，出現(xiàn)一段時間后消失，此故障通常情況下也是由落鳥所引起的。

主機中的軟件故障也可以導(dǎo)致測風(fēng)系統(tǒng)的失效。當(dāng)系統(tǒng)顯示界面中所有的風(fēng)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)丟失，通常是由主機軟件故障所引起的。在主機的系統(tǒng)診斷軟件中查看各個數(shù)據(jù)“對象”的值，若風(fēng)數(shù)據(jù)的原始值正常，但計算得到的平均值丟失則是計算程序出現(xiàn)故障。此時重啟風(fēng)的計算服務(wù)，則系統(tǒng)可以恢復(fù)正常。

若只有某一個地點的風(fēng)數(shù)據(jù)丟失，則通常是由采集器或傳感器的故障導(dǎo)致的。首先使用遠(yuǎn)程通訊軟件連接采集器，若該采集器上其他的傳感器數(shù)據(jù)例如溫濕數(shù)據(jù)等均丟失，則應(yīng)為采集器故障。若只有風(fēng)數(shù)據(jù)丟失，則應(yīng)為傳感器故障或傳感器與采集器之間的通訊故障。WS425型風(fēng)傳感器是一種智能傳感器，它的風(fēng)的測量數(shù)據(jù)通過串口直接發(fā)送給采集器，機務(wù)人員可以使用維修計算機直接與傳感器的串口建立連接，接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。若接收到，則傳感器工作正常。若沒有則是傳感器與采集器之間的通訊故障導(dǎo)致。

4 針對系統(tǒng)故障采取的措施

針對首都機場的風(fēng)系統(tǒng)的常見故障，機務(wù)人員采取了相應(yīng)的措施。對于落鳥現(xiàn)象，機務(wù)人員自制了防鳥器。即在傳感器的表面安裝倒刺，使飛鳥無法落在上面。該防鳥器制作簡單，成本低廉，但效果十分明顯。另外WS425的替代品為WMT700，該傳感器可以倒裝，這也是解決落鳥問題的一種方法。

主機中關(guān)于風(fēng)的計算程序故障是由于主機程序設(shè)計缺陷造成的。當(dāng)操作人員對兩個風(fēng)數(shù)據(jù)源互相手工備份時將有可能導(dǎo)致該程序異常。軟件升級是解決這一問題的最終辦法。在沒有升級前，加強人員管理，禁止互相手工備份風(fēng)數(shù)據(jù)可以預(yù)防這種故障出現(xiàn)。

當(dāng)WS425風(fēng)傳感器出現(xiàn)故障時，需要及時地進(jìn)行更換。目前廠家已經(jīng)停止了WS425的生產(chǎn)，替代品為新型的傳感器WMT700。這兩種傳感器在硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)置方面有了較大的變化。因此替換前要對WMT700進(jìn)行相應(yīng)的配置，保證各項參數(shù)與老傳感器保持一致。還需要從廠家另外購買兩個接口轉(zhuǎn)換頭才可以成功替換WS425。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟蕊.首都機場安檢系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究[J].中國安防，2014，（20）.