自動氣象觀測系統(tǒng)多數(shù)據(jù)源冗余傳輸設計思考

□ 民航天津空管分局 高 宇/ 文

自動氣象觀測系統(tǒng)是民航機場的重要空管保障設施，由布置在跑道附近的多組氣象傳感器、通信傳輸設備和中央數(shù)據(jù)處理設備構成，能夠實時測量機場跑道的各類氣象要素，為機場氣象部門、空中交通管制部門及航空公司提供實時天氣數(shù)據(jù)服務。由于自動氣象觀測系統(tǒng)對于機場空管運行的重要性很高，對中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等核心設備采用主備雙機設計，對重要的探測傳感器也采用備份設計，從而大大提高整體運行的可靠性。而對于通信傳輸子系統(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?。本文實例分析了多?shù)據(jù)源冗余傳輸設計，提出了自動氣象觀測系統(tǒng)的冗余通信傳輸設計需要思考并關注的問題。

自動氣象觀測系統(tǒng)通信傳輸方案

民用航空自動氣象觀測系統(tǒng)（Automatic Weather Observing System， 簡 稱AWOS）傳感器包括：風向傳感器、風速傳感器、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、計算后生成最終數(shù)據(jù)產(chǎn)品向用戶提供。

民用航空自動氣象觀測系統(tǒng)應當具有通過有線和無線的通信方式，遠程傳輸實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)監(jiān)控信息的功能；自動氣象觀測系統(tǒng)的各類傳感器都是串口輸出數(shù)字信號，具有數(shù)據(jù)量小、頻次高、時效要求高的共同特點，技術規(guī)范中的有線通信方式一般采用光纖傳輸，在發(fā)送端通過協(xié)議轉換設備將串口輸出的電信號轉換成光信號，在接收端再通過協(xié)議轉換設備將光信號還原成電信號（如圖1 所示）。無線通信方式可采用無線網(wǎng)橋、微波站、手機4G 網(wǎng)絡等方式，同樣在發(fā)送端和接收端通過協(xié)議轉換設備實現(xiàn)傳輸（如圖2 所示）。

為了提高通信傳輸?shù)目煽啃?，就需要設計冗余的通信傳輸系統(tǒng)，通過兩種或更多種通信手段同時將傳感器的輸出數(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)源比選設備或比選軟件優(yōu)選出可靠的數(shù)據(jù)來源，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（軟件實現(xiàn)的多數(shù)據(jù)源比選模塊）同時安裝在自動氣象觀測系統(tǒng)的主、備服務器中，實現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的自動切換，即當主用數(shù)據(jù)源中斷或數(shù)據(jù)接收超時，切換到備用數(shù)據(jù)源進行傳輸。數(shù)據(jù)源比選邏輯見圖4。

冗余通信設計方案的思考

在上述的冗余通信設計方案中，多數(shù)據(jù)源比選軟件能夠根據(jù)用戶設定的超時閾值判定數(shù)據(jù)源是否可用，并自動進行切換。自動氣象觀測系統(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。無論是光纖有線通信手段，還是微波、網(wǎng)橋等無線通信手段，其傳輸速率和帶寬完全能夠滿足設備需求。但是，這個方案還是存在一些不易發(fā)現(xiàn)的問題。

（1）數(shù)據(jù)源是否可用的判斷標準只與信號通斷或者數(shù)據(jù)是否超時相關，當數(shù)據(jù)源出現(xiàn)誤碼、校驗等傳輸錯誤時，該比選邏輯不會動作，不能起到備份的作用。

（2）某些傳感器設備不以固定的時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，例如某型號自動氣象站，每3 秒輸出1 次風向風速數(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 次設備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。這種情況下由于無法設定準確的超時閾值，從而使切換邏輯失效。

（3）自動氣象觀測系統(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、參量計算、極值挑選等后期加工。

以風數(shù)據(jù)為例，風向、風速的采樣速率為每秒鐘1 次，求3 秒鐘、2 分鐘、10 分鐘的滑動平均值。3 秒鐘的平均值為瞬時值。國際民航組織附件3 推薦的風數(shù)據(jù)平均算法包括滑動算術平均法和矢量平均法。為降低誤差，國際民航組織附件3 中還定義了 “明顯的不連續(xù)” 判定標準，防止外部原因的擾動對計算結果產(chǎn)生大的影響。

因此，對于數(shù)據(jù)的平均和極值計算，連續(xù)的、準確的數(shù)據(jù)是必要條件。在單獨傳輸線路的系統(tǒng)中，如果來自傳感器的數(shù)據(jù)中斷，中央數(shù)據(jù)處理單元會對計算過程進行質(zhì)量控制，停止向終端用戶的數(shù)據(jù)顯示；當數(shù)據(jù)恢復時，會按照標準進行“明顯的不連續(xù)” 判定。而在冗余傳輸系統(tǒng)中，如果主用線路數(shù)據(jù)中斷，比選邏輯判斷數(shù)據(jù)超時后（超時閾值一般設置為1.5＊T，T 為采樣間隔，對于風向風速數(shù)據(jù)，采樣間隔3 秒，超時閾值4.5 秒），切換備用線路的數(shù)據(jù)進行傳輸；如果此時備用線路數(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)堆積補發(fā)），中央數(shù)據(jù)處理單元就會得到錯誤的數(shù)據(jù)，并將其用于之后的計算中，給最終結果帶來不可預料的誤差。

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)中存在的問題，根本原因是通信傳輸環(huán)節(jié)缺少質(zhì)量控制，自動氣象觀測系統(tǒng)自帶的質(zhì)量控制功能無法發(fā)揮作用。對于前文提到的問題（1）和（2），冗余傳輸系統(tǒng)不能發(fā)揮備份作用，此時傳輸系統(tǒng)相當于單系統(tǒng)運行，來自傳感器的數(shù)據(jù)中斷直接造成用戶終端上數(shù)據(jù)顯示的中斷；但與問題（3）相比，中斷數(shù)據(jù)服務遠比向用戶提供錯誤的數(shù)據(jù)要好很多，對用戶造成的影響以及潛在的風險要輕很多。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計原則。

（1）對每一幀來自傳感器的數(shù)據(jù)報進行校驗，并將校驗結果作為數(shù)據(jù)源切換條件，傳感器設備輸出的數(shù)據(jù)報自身都有CRC 校驗碼，比選軟件必須對數(shù)據(jù)報進行校驗檢查，對校驗失敗的數(shù)據(jù)丟棄處理。

（2）對于自動氣象站等多種數(shù)據(jù)集成的設備，比選軟件應具備分別處理的能力，而不僅僅是以固定的超時閾值進行判定，根據(jù)對數(shù)據(jù)報的識別判定出預期的下一份數(shù)據(jù)報到達時間，以此作為數(shù)據(jù)是否超時、數(shù)據(jù)源是否可用的判定依據(jù)。

（3）除對同一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)報進行校驗檢查、超時判定之外，比選軟件還應對多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行橫向比對，建立連續(xù)的數(shù)據(jù)有效性判斷邏輯，防止錯誤數(shù)據(jù)傳出。

結束語：

本文對冗余傳輸系統(tǒng)的多數(shù)據(jù)源比選邏輯進行了分析，提出了質(zhì)量控制、降低誤差的可行性做法，可為民航機場氣象部門自動氣象觀測系統(tǒng)建設及技術開發(fā)人員提供參考。