民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)的研究與設(shè)計?

趙曄暉

1 引言

準(zhǔn)確及時發(fā)布氣象預(yù)報是保障飛行安全的重要手段之一［1～3］，如何簡化發(fā)報流程降低預(yù)報員發(fā)報失誤率是民航系統(tǒng)內(nèi)的熱點和難點。目前，民航系統(tǒng)內(nèi)部使用的發(fā)報系統(tǒng)存在諸多缺陷：線路缺陷，發(fā)報終端使用單一鏈路，容易造發(fā)生因鏈路故障導(dǎo)致的漏報、遲報事件，由鏈路故障造成的遲報漏報現(xiàn)象在民航內(nèi)部發(fā)生多起，嚴(yán)重影響飛行安全；報文確認(rèn)方式不科學(xué)，無法確認(rèn)轉(zhuǎn)報機是否將報文發(fā)送至數(shù)據(jù)庫；報文驗證規(guī)則不準(zhǔn)確，發(fā)報軟件對報文驗證規(guī)則不準(zhǔn)確，無報文糾錯功能，增加預(yù)報員工作失誤率。

為解決上述問題，本文對當(dāng)前民航系統(tǒng)存在的發(fā)報系統(tǒng)，進行大量的測試和研究，提出采用雙鏈路進行發(fā)報的設(shè)計思想。同時分析民用航空氣象資料《民用航空行業(yè)氣象標(biāo)準(zhǔn)第2 部分：預(yù)報》［4～6］，從預(yù)報類型標(biāo)志、地名代碼、預(yù)報的發(fā)布日期和時間、預(yù)報有效日期和時段、地面風(fēng)、能見度、天氣現(xiàn)象、云等要素進行邏輯分析，研究各要素之間的內(nèi)在聯(lián)系，理清各要素之間的邏輯關(guān)系，提取預(yù)報發(fā)報驗證規(guī)則，建立民航機場預(yù)報發(fā)報系統(tǒng)的邏輯模型，分析AFTN二號碼與五號碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系［7～9］，研究 IBMWebsphere MQ［10～13］運行原理，開發(fā)設(shè)計采用雙鏈路，同時基于規(guī)則驗證的民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，采用雙鏈路基于規(guī)則驗證的民航機場預(yù)報發(fā)報系統(tǒng)具有較高的可靠率，從而證明了采用雙鏈路基于規(guī)則驗證進行研究設(shè)計的可行性和有效性。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及流程

2.1 系統(tǒng)整體框架

民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)整體功能架構(gòu)如圖1所示，從設(shè)計上分為三個層次：展示層、報文及規(guī)則處理層和報文采集管理層，三層之間相互支持與協(xié)作，共同完成氣象報文的發(fā)送和管理工作。

圖1 民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)架構(gòu)圖

展示層包括編發(fā)報文、規(guī)則驗證、發(fā)布報文、索取查詢四個部分內(nèi)容，是用戶發(fā)布數(shù)據(jù)的入口，是進行報文編輯、驗證、發(fā)布、查詢的人機交互平臺。報文及規(guī)則處理層主要功能是將從展示層接收到的報文進行拆分、驗證，匹配后將符合條件的報文按照要求轉(zhuǎn)發(fā)出去。

報文采集及管理層主要功能是提取從報文及規(guī)則處理層收到的報文，將報文發(fā)給通信系統(tǒng)進行驗證、檢測，合格后對比配置（如報告收集、區(qū)域索引，轉(zhuǎn)發(fā)等），以決定報文入庫規(guī)則，最后將信息發(fā)給數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，驗證合格后入庫。

2.2 系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)處理流程

民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)從業(yè)務(wù)流程上分為四部分：民航發(fā)報終端、民航轉(zhuǎn)報系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。預(yù)報員在發(fā)報終端將報文發(fā)送后，選擇使用AFTN線路或者MQ線路進行發(fā)送，若選擇AFTN線路，報文首先進入轉(zhuǎn)報系統(tǒng)，轉(zhuǎn)報系統(tǒng)對報文進行分解驗證后將報文傳遞給上級節(jié)點，最后經(jīng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)庫，并返回AFTN報文確認(rèn)信息。若選擇使用MQ線路進行發(fā)送，報文進入通信系統(tǒng)，經(jīng)過格式處理、轉(zhuǎn)發(fā)查看、入庫匹配后進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并返回入庫信息。四部分相互協(xié)作，共同完成氣象報文的發(fā)送，其流程如圖2所示。

如圖2所示，民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理流程如下。

1）預(yù)報員在民航發(fā)報終端編發(fā)報文，發(fā)送之前對報文進行驗證，若不正確則回到原點重新編發(fā)報文；若正確進入步驟2）；

2）若不發(fā)送報文回到開始起點，若發(fā)送進入步驟3）；

3）選擇發(fā)送線路，選擇AFTN進入步驟4），選擇MQ線路進入步驟5）；

4）報文發(fā)送至民航轉(zhuǎn)報系統(tǒng)，將AFTN報文發(fā)送成功確認(rèn)信息轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，一次報文發(fā)送過程結(jié)束；

5）報文發(fā)送至通信系統(tǒng)，通信系統(tǒng)查看報文是否轉(zhuǎn)發(fā)，若不是丟棄，否則進入步驟6）；

6）查看報文是否入庫，若不入庫將報文丟棄，否則進入步驟7）；

7）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對收到的報文進行入庫匹配，若不匹配查看是否重新入庫，若不重新入庫則丟棄，否則進入步驟8）；

8）寫入日志，報文進入氣象數(shù)據(jù)庫，同時返回MQ線路發(fā)送成功確認(rèn)信息，一次報文發(fā)送過程結(jié)束。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 預(yù)報報文規(guī)則驗證模塊設(shè)計

依據(jù)《民用航空行業(yè)氣象標(biāo)準(zhǔn)第2部分：預(yù)報》資料，分析研究預(yù)報類型標(biāo)志、地名代碼、預(yù)報的發(fā)布日期和時間、預(yù)報有效日期和時段、地面風(fēng)、能見度、天氣現(xiàn)象、云等要素，理清各要素之間邏輯關(guān)系，提取趨勢預(yù)報、FC、FT、FC AMD、FCCNL、FTCOR、FTAMD等各類型報文發(fā)報驗證規(guī)則，構(gòu)建規(guī)則邏輯流程圖，預(yù)報報文規(guī)則驗證流程圖如圖3所示。

本模塊主要實現(xiàn)報文驗證、報文糾錯功能，把驗證未通過的報文中的錯誤部分用紅色標(biāo)識出來，其具體的功能有字段提取、時間驗證、風(fēng)向風(fēng)速驗證、能見度檢測、有效時段檢驗、報文糾錯等功能，各主要功能具體如下。

圖2 民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理流程圖

圖3 預(yù)報報文規(guī)則驗證流程圖

1）字段提取，負(fù)責(zé)分解提取用戶輸入的報文，分解成有效時段、風(fēng)向風(fēng)速、能見度、天氣現(xiàn)象、最高最低氣溫等字段。

2）邏輯判斷：根據(jù)提取的字段，分析判斷報文邏輯關(guān)系，將結(jié)果返回給用戶。

3）報文分類：由于不同報文判斷規(guī)則不一致，需要將輸入的報文進行分類如分成FT、FC、AMD等。

4）報文糾錯：經(jīng)過邏輯判斷后，若報文不正確，將報文中錯的部分標(biāo)記出來，提醒用戶報文要重新編寫。

3.2 AFTN發(fā)報模塊設(shè)計

預(yù)報終端發(fā)送的編碼為國際二號碼，轉(zhuǎn)報機采用的編碼為五號碼，只有實現(xiàn)五號碼和二號碼的相互轉(zhuǎn)換才能正確解析報文。IA5編碼中的0～32號和第127號控制字符中，只有3個字符LF、CR、SP可以轉(zhuǎn)換為ITA2編碼。由于IAT2編碼表中無對應(yīng)的小寫字母，IAT2編碼轉(zhuǎn)換為IA5編碼時，要把小寫英文字母轉(zhuǎn)換為大寫字母，ITA2編碼和IA5編碼之間并不是嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系，沒有對應(yīng)關(guān)系的編碼相互轉(zhuǎn)換時用空字符“NUL“代替。

ITA2國際二號碼編碼分為數(shù)字編碼和字母編碼，數(shù)字編碼表如表1所示。

表1 ITA2數(shù)字編碼

ITA2字母編碼表如表2所示。IA5國際五號碼又稱ASII碼，其編碼如表3所示。

本模塊主要實現(xiàn)串口發(fā)報、日志留底等功能，通過返回的報文判斷報文成功發(fā)送至轉(zhuǎn)報機，其具體的功能有串口發(fā)報、二號碼轉(zhuǎn)換成五號碼、五號碼轉(zhuǎn)換成二號碼、報文留底等功能，各主要功能具體如下：

表2 ITA2字母編碼

1）串口發(fā)報，負(fù)責(zé)打開用戶端串口，使用串口協(xié)議將報文發(fā)送給轉(zhuǎn)報服務(wù)器。

2）二號碼轉(zhuǎn)換成五號碼：轉(zhuǎn)報機將接收到的二號碼解析成五號碼。

3）五號碼轉(zhuǎn)換成二號碼：客戶端將接收到的二號碼轉(zhuǎn)換成五號碼等。

4）報文留底：報文發(fā)送成功后，系統(tǒng)自動將報文進行留底，便于查詢。

五號碼轉(zhuǎn)換成二號碼實現(xiàn)：步驟分為單個字符和字符串由五號碼轉(zhuǎn)換為二號碼，單個字符轉(zhuǎn)換成二號碼方法：將表3中序號0x25～0x5A所對應(yīng)的總計54個IA5編碼表所對應(yīng)的字符在表1和表2編碼表中找出ITA2對應(yīng)的編碼值，按照順序存儲在一個整形數(shù)組中。由于IAT2編碼表1和表2有六個字符是一樣的，所以整形數(shù)組中包括表1和表2的全部編碼（空格、回車、換行三個字符外），54個五號碼中不能轉(zhuǎn)換二號碼的符號用NUL代替；字符串轉(zhuǎn)換成二號碼方法：首先判斷是數(shù)字串還是字符串，若是數(shù)字串，在數(shù)字串前面加“0x1B”（數(shù)字標(biāo)志：FIGS），若是字符串，在字符串前面加“0x1F”（字母標(biāo)志LTRS）。

二號碼轉(zhuǎn)換成五號碼實現(xiàn)：步驟分為單個字符和字符串由二號碼轉(zhuǎn)換為五號碼，單個字符轉(zhuǎn)換成五號碼方法：定義兩個整形數(shù)（0x00-0x1F），分別存在表1數(shù)字編碼和表2字符編碼所對應(yīng)的字符在表3中的編碼值，按照順序進行存儲。其中，二號碼中“0x05”（所有格）、“0x14”（符號）、“0x1A”（符號）沒有對應(yīng)的五號碼值，用nul（0x1B）表示。若ITA2編碼的第一個轉(zhuǎn)義字符是“0x1B”（FIGS）時，表示是數(shù)字字符，對應(yīng)表1編碼值。若ITA2編碼的第一個轉(zhuǎn)義字符是“0x1F”（LTRS）時，表示是字母字符，對應(yīng)表2編碼值；字符串轉(zhuǎn)換方法：二號碼字符串轉(zhuǎn)換成五號碼字符串，必須去掉表示數(shù)字和字母的轉(zhuǎn)義字符。截取字母轉(zhuǎn)義字符（0x1F）和數(shù)字轉(zhuǎn)義字符之間（0x1B）的字符串，將字符串進行轉(zhuǎn)換，若只找到字母轉(zhuǎn)義字符或者數(shù)字轉(zhuǎn)義字符，則直接截取字符串進行轉(zhuǎn)換。

3.3 IBM Websphere MQ發(fā)報模塊設(shè)計

IBM Websphere MQ技術(shù)可以在不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、不同的計算機操作系統(tǒng)之間進行傳遞信息。本文中發(fā)報終端采用win7操作系統(tǒng)，通信機采用red?hat操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用aix操作系統(tǒng)，設(shè)計時采用目前主流的JMS框架編程技術(shù)。在通信機建立本地隊列、傳輸隊列、發(fā)送隊列以及死信隊列，本地數(shù)據(jù)遠程數(shù)據(jù)庫建立接收隊列、本地隊列，系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。

圖4 IBM Websphere MQ發(fā)報系統(tǒng)設(shè)計圖

如圖4所示，本模塊主要實現(xiàn)通過MQ線路進行報文發(fā)送，通過檢索遠程數(shù)據(jù)庫判斷報文成功發(fā)送，其具體的功能有連接遠程隊列、ftp報文推送、報文驗證、報文檢索等功能，各主要功能具體如下。

1）連接遠程隊列：負(fù)責(zé)與通信服務(wù)器進行連接，將報文發(fā)送至遠程隊列。

2）ftp報文推送：使用ftp技術(shù)將報文推送至通信服務(wù)器特定目錄下。

3）報文驗證：驗證要發(fā)送的報文，必須正確才能進行發(fā)送。

4）報文檢索：分為本地檢索和遠程檢索，確認(rèn)報文已經(jīng)入庫。

4 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)運行環(huán)境為Win7操作系統(tǒng)，在軟件工程面向?qū)ο笏枷胫笇?dǎo)下，采用開發(fā)平臺Visual studio 2012，運用面向?qū)ο笳Z言C#，結(jié)合javascirpt腳本語言，開發(fā)完成該系統(tǒng)，實現(xiàn)報文的驗證和發(fā)送。

為了檢驗基于規(guī)則驗證的報文發(fā)布系統(tǒng)對報文的驗證是否符合設(shè)計的要求，我們進行了驗證實驗。實驗周期為8個月，分別測試系統(tǒng)對FC、FT、FCAMD、 FCCNL、 FTCOR、 FTAMD、 SPECI、AIRMET、SIGMET、GAMET等各種不同類型的報文驗證的準(zhǔn)確率，每種報文的測試樣本數(shù)量為3000份，測試人員為預(yù)報員，對比現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)，測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 各類型報文驗證準(zhǔn)確率

實驗結(jié)果表明，對FT和FTAMD報文的驗證準(zhǔn)確率，民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)與現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)持平；對FCCNL報文的驗證準(zhǔn)確率，民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)略高于現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)；對FC、FCAMD、FT?COR、SPECI、AIRMET、SIGMET、GAMET等類型報文的驗證準(zhǔn)確率，民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)高于現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在相同條件下相比現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)，民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)報文驗證準(zhǔn)確度更高。

民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)采用AFTN和IBM Websphere MQ雙鏈路進行發(fā)報，現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)使用AFTN單鏈路進行發(fā)報，線路故障時，發(fā)報成功率如表5所示。

表5 鏈路中斷時成功率

如表5，結(jié)果表明AFTN線路故障時，機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)發(fā)報成功率100%，高于現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)的0%；網(wǎng)絡(luò)線路故障時，機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)和現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)發(fā)報成功率均為100%；AFTN線路和網(wǎng)絡(luò)同時故障時，機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)的成功率均為0%。線路故障時，機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)發(fā)送報文成功的概率大于現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)，證明機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)的可靠性。

5 討論

本文研究資料選取《民用航空行業(yè)氣象標(biāo)準(zhǔn)第2部分：預(yù)報》，將預(yù)報員日常發(fā)送的報文進行分類統(tǒng)計，分析不同類型報文各個元素之間的邏輯關(guān)系，分別提取各類型報文驗證規(guī)則，設(shè)計驗證算法。采用雙鏈路設(shè)計思想，重點研究AFTN線路二號碼與五號碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，著重分析IBM Websphere MQ線路報文發(fā)送流程。本文實驗中，選取不同類型報文各3000份，對比現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)，分別測試系統(tǒng)對FC、FT、FCAMD、FCCNL、FTCOR、FTAMD、SPECI、AIRMET、SIGMET、GAMET等各種不同類型的報文驗證的準(zhǔn)確率。報文驗證結(jié)果顯示，在相同條件下相比現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)，采用報文規(guī)則驗證的民航機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)報文驗證準(zhǔn)確度更高，表明報文規(guī)則是提高報文驗證準(zhǔn)確率的重要因素，與“提高氣象報文驗證準(zhǔn)確度的因素有兩個：第一，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善；第二，對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和氣象報文規(guī)則的熟悉程度，其中對氣象報文規(guī)則的掌握程度是核心因素，對報文驗證準(zhǔn)確度的提高起決定性作用［14］”相符合。文中設(shè)計的發(fā)報系統(tǒng)采用雙鏈路進行發(fā)報，線路故障時，機場預(yù)報編發(fā)報系統(tǒng)發(fā)送報文成功的概率遠遠大于現(xiàn)有發(fā)報系統(tǒng)，表明采用雙鏈路設(shè)計的思路對提高業(yè)務(wù)保障能力、降低漏報風(fēng)險具有重要作用，這一結(jié)論支持了“結(jié)果表明，采用雙鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)度，極大地提高了氣象區(qū)域自動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)保障能力［15］”的觀點。

6 結(jié)語

基于報文規(guī)則驗證的民航機場預(yù)報發(fā)報系統(tǒng)自開始運行以來，對報文驗證準(zhǔn)確率高，降低了預(yù)報員發(fā)報失誤率，由于采用雙鏈路進行發(fā)報，系統(tǒng)可靠性高，極大提高了預(yù)報業(yè)務(wù)保障能力，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單，得出的結(jié)論具體如下。

1）根據(jù)資料《民用航空行業(yè)氣象標(biāo)準(zhǔn)第2部分：預(yù)報》，將報文分成FC、FT、FCAMD、FCCNL、FTCOR、 FTAMD、 SPECI、 AIRMET、 SIGMET、GAMET等進行分類研究，分析各元素之間的邏輯關(guān)系，提取各類型報文驗證規(guī)則，報文規(guī)則對提高報文驗證準(zhǔn)確率起決定作用。

2）報文發(fā)送時采用雙鏈路，其中一條鏈路故障時仍能成功發(fā)送報文，提高了業(yè)務(wù)保障能力，雙鏈路是提高系統(tǒng)可靠性、保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾蛩亍?/p>

3）從報文確認(rèn)方式來看，改變以往通過回報進行確認(rèn)的方式，直接從遠程數(shù)據(jù)庫檢索確定報文是否發(fā)送成功，確認(rèn)方式簡單有效，操作性和實用性強。

［1］寧貴財，康彩燕，陳東輝等.2005—2014年我國不利天氣條件下交通事故特征分析［J］.干旱氣象，2016，34（5）：753-762.

［2］王娜，王冀，王琦等.陜西冬季氣溫變化特征及其成因［J］. 干旱氣象，2016，34（4）：604-609.

［3］中國民用航空局.中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：氣象出版社，2008：38-46.

［4］中國民用航空局.中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：氣象出版社，2008：18-26.

［5］畢心安.航空電信網(wǎng)建設(shè)簡論之一［J］.中國民用航空，1994；18（20）：26-31.

［6］畢心安.ITA2和IA5兩種國際電報編碼相互轉(zhuǎn)換的方法［J］.空中交通管理，2009；20（12）：30-31.

［7］曹懷春.AFTN電報自動處理系統(tǒng)研究［J］.中國民用航空飛行學(xué)院，2011，30（4）：33-37.

［8］李林奔.民航空中交通管理自動化系統(tǒng)的分析與設(shè)計［J］.云南大學(xué)學(xué)報，2013，20（3）：40-45.

［9］智俊平.中國民航AFTN報文解析方法探究［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2011，23（2）：51-55.

［10］米永勝.IBM Websphere MQ原理及在民航氣象數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)用［J］.中國氣象學(xué)會氣象通信與信息技術(shù)學(xué)術(shù)會，2012，31（4）：63-67.

［11］趙普洋，劉敏.IBM WebSphere MQ技術(shù)在民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計算機光盤軟件與應(yīng)用，2012，17（4）：69-70.

［12］孫寧，丁艷麗.Websphere MQ在業(yè)務(wù)中的錯誤分析及解決方法［J］.空中交通管理，2010；17（8）：41-42.

［13］岳光.IBMWebsphere MQ的原理與應(yīng)用［J］.計中國科技信息，2011（12）：68-68.

［14］曹閃，張仁波.基于決策樹的民航氣象報文分類統(tǒng)計規(guī)則的研究與應(yīng)用［J］.百度學(xué)術(shù)，2016，16（12）：47-53.

［15］魯莉炳，魯霞.區(qū)域自動氣象站單站數(shù)據(jù)遠程訪問流程及技術(shù)［J］.電腦編程技巧與維護，2014，20（16）：11-17.