MIDAS IV终端操作平台的再研发
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【摘要】针对哈尔滨太平国际机场目前配置的midas iv型自动气象观测系统存在的功能不全的问题，作者重新研发了MIDAS IV终端操作平台软件，该平台软件充分利用了现有的气象硬件资源，实现了自动读入气象观测数据、自动综合分析处理数据、自动监测特殊天气，并在人工监控下实现编发航空天气报告、统计气象报表、查询打印等一些列业务功能。
【关键词】航空气象观测;硬件;软件;操作平台
1.引言
航空气象观测是民航气象服务工作的重要组成部分，其职责是为空中交通管制、航空公司、机场保障部门等提供航空气象观测服务。2010年，民航黑龙江空中交通管理分局从芬兰Vaisala公司新引进了1套MIDAS IV型自动气象观测系统，该系统是目前世界公认的最先进的航空气象观测设备之一，自从在哈尔滨太平国际机场投入使用后，提高了该机场气象保障和服务能力。但由于该型设备的操作平台仅仅是一种基础性的终端操作平台，其业务功能与我国民航气象行业要求相比还存在较大的距离，为此分局组成了1个科研组，在前期研究成果[1]的基础上，按照我国民航行业标准和业务规范的要求，充分开发现有硬件资源，重新研发了MIDAS IV终端操作平台软件（版本号MRDS5.0，以下简称操作平台），实现了自动读取处理观测数据、自动监测特殊天气、编发航空天气报告、制作气象观测报表、统计分析查询打印等一些列航空气象观测方面的业务功能。作者将MRDS5.0的有关技术资料整理成文，供同行参考。
2.操作平台介绍
2.1 硬件结构简介
操作平台充分利用了目前哈尔滨机场现有的相关硬件资源，其硬件配置主要有自动气象观测设备、通信及相关网络设施、直属平台配置硬件等，其中：（1）气象观测数据的观测、探测及传输等通过机场目前配置的MIDAS IV型自动气象观测系统来实现;（2）通信及网络设施，是指用来实现相关数据信息交换、航空电报发送等业务功能的民航通信转报设备、机场场内局域网络等设施，全部利用机场现有的设施;（3）操作平台配属硬件主要有工作站1台、A4和A3规格打印机各1台、音响设施等。操作平台相关硬件配置及工作流程结构示意图如图1所示。
2.2 软件功能简介
民航航空气象观测员的业务工作内容主要包括：密切监测天气演变状况，编发例行天气报告和特殊天气报告，整理气象观测数据、统计气象观测报表等。作者设计的这个操作平台最终全部实现这些业务功能。
操作平台的主体软件和操作软件设计在Windows XP及以上操作系统环境下运行，其开发环境使用Delphi[2]，编程语言使用Pascal，相关支持平台有Office excel、Oracle等。软件整体结构按其功能设计、划分为数据读取维护处理及储存单元，特殊天气监测告警单元，编辑发送航空天气报告单元，统计气象观测报表单元，其它综合功能（含参数设置、查询、打印、帮助等）单元，并由平台主窗体控制。
图1 操作平台及关联设备结构示意图
2.3 主要技术指标
（1）具有标准、美观、友好的Windows人机界面：操作平台实现简体中文显示，具有标准、美观、友好和便捷的人机互动功能，配上音箱具有很好的告警效果;操作方法简便易懂，只需要短时间培训，就能够很快掌握操作和维护方法;具有很好的兼容性，只需调整数据读取方式，就能够适应目前我们民航使用的大部分自动气象观测设备。
（2）连续接收、分析、处理、存储、显示实时观测数据：连续从观测设备接收、读取各类气象要素实时观测信息，除部分欠缺的气象要素需要人工判断、录入外，其它常规观测数据通过操作平台自动录入，并按照民航气象观测规范进行统计、分析，显示在平台主窗体上、存储在指定位置和相关表格里。
（3）编辑、发送航空天气报告：依据民航行业标准和业务规范，编辑发送例行航空天气报告、特殊航空天气报告。其中对编发特殊天气报告设为人工和自动监测两种状态，如设置为自动监测状态，那么操作平台将自动监测各气象要素，当达到特殊天气标准时，自动以声音和图像信息进行提醒、告警。
（4）统计、制作和打印月总簿、年总簿：当每月观测结束后，即可利用操作平台统计制作和打印该月观测月总簿;当每年观测结束后，即可利用操作平台统计制作和打印该年观测年总簿;可以随时对历史资料进行月总簿、年总簿回检统计。
（5）设置了较为完善的错误陷阱，对运行过程实施监控：操作平台具有较强的数据录入和运行操作过程纠错功能，避免初始数据录入出错以及操作失误导致的运行出错;依据民航行业规定和规范，连续监控航空气象报文的编发过程;连续监测数据线路状态，监控数据采集、信息交换等情况。
（6）查询气象资料和提供帮助信息：根据用户需要，随时查询各类气象要素数据，包括例行观测数据和特殊观测数据;查询编辑、的各类航空天气报告;查询某一个或几个气象要素的一个或几个数值范围的相关统计信息;查询系统帮助信息和版本信息等。
3.研发技术措施
3.1 观测数据读取
根据业务需要，读取的气象观测数据包括：风向风速、能见度（MOR）、跑道视程（RVR）、现在和近时天气现象、云况或垂直能见度、温度、露点温度、相对湿度、水汽压、修正海平面气压、场面气压、降水量等，其中部分气象要素包括1min、2min、10min数据。
针对MIDAS IV特点，操作平台接收观测数据的方式设计为：首先，MIDAS IV通过端口服务器将CAACLINE数据存入气象信息网，该数据采用RS232通信协议，每1min发送一组实时数据，利用串口通信技术将数据写入气象信息网ORACLE 11g数据库;然后操作平台直接访问气象信息网，读取其数据库中的数据，根据CAACLINE数据通信协议进行解析，逐次分解出各项观测要素数值，最后屏显在操作平台主窗体上（如图2所示），并另存入指定的位置。
图2 操作平台主窗体示意图
3.2 运行过程监测
3.2.1 特殊天气监测
根据中国民用航空局的相关规定[3-5]，要求对重要天气现象、风向风速、能见度、跑道视程、云况等气象要素进行实时监测，当达到特殊天气标准时及时实施特殊天气告警，这是航空气象观测服务于航空飞行、保障其安全和正常的重要职能之一。这项功能已经在本观测操作平台上得以实现，其监测标准和方法依据民航局相关规定来执行，比如：
（1）地面风，其特殊监测标准为：当平均地面风向比最近报告的风向有≥60o变化，且平均风速在变化前或变化后达到≥5M/S时;当平均地面风速比最近报告的风速有≥5M/S的变化时;当平均地面阵风比最近报告的阵风有≥5M/S的变化，且平均风速在变化前或变化后达到≥8M/S时;当平均地面风向相对于跑道为正侧风，且平均风速由<15M/S变为≥15M/S，或由≥15M/S变为<15M/S时。
（2）主导能见度，其特殊监测标准为：当主导能见度数值由≥800米变为<800米，或由<800米变为≥800米时;当能见度数值由≥1500米变为<1500米，或由<1500米变为≥1500米时。
（3）跑道视程（RVR），其特殊监测标准为：当RVR数值由≥600米变为<600米，或由<600米变为≥600米时;当RVR数值由≥800米变为<800米，或由<800米变为≥800米时。
3.2.2 操作运行监控
除了对气象要素进行特殊监测外，操作平台还具有较强的操作监控、纠错的功能，避免了数据录入出错以及操作失误导致的运行出错，主要监控项目和方法：
（1）连续监控对观测数据的编辑操作，其中包括：设置要素数值门限（如云量不得超过8/8），设置要素数值演变幅度限制（如场面气压每小时演变幅度超过3hPa告警），设置特定符号监控纠错功能（如不得出现非规定的云状和天气现象符号），确保气象观测满足“三性”要求（准确性、比较性、代表性）。
（2）监测航空天气报告的编辑、发送过程，确保符合航空气象电码规范和民航通信要求。
（3）监测月总簿和年总簿的统计制作过程，确保符合民航气象业务规范。
3.3 编发天气报告
编辑、航空天气报告，是民航气象观测部门向空中交通管制、航空公司、机场保障部门等提供气象观测服务，并参与全国、全世界民航气象情报交换的主要形式。
航空天气报告包括例行航空天气报告（即 METAR报）、特殊航空天气报告（即SPECI报和SPECIAL报）。其中在气象服务期间正点和半点定时编发的航空天气报告为METAR报;当各气象要素的某一组或几组达到了特殊天气标准，随即编发的航空天气报告为SPECI报、SPECIAL报（其中SPECI报与METAR报一样也参与气象情报交换，而SPECIAL报只限于机场内使用而不参与交换）。报文编辑使用的风向风速、能见度、跑道视程、云况、温度、露点温度、气压等要素采用10min数据，天气现象采用实时信息，电报格式及报文编辑方法均依据中国民航局的有关规定[6]执行。以编辑METAR报为例，其电报编辑样例如图3所示。
如图3所示，航空天气报告编辑项目主要包括：1）电报冠字及流水号：操作平台按照通信部门要求依次自动产生;2）电报等级：操作平台按照通信部门要求自动产生，其中METAR报使用GG等级，SPECI报和SPECIAL报使用FF等级;3）收电地址：操作平台自动产生，可在人工干预下根据航班信息添加和删减;4）发报时间和地址：操作平台按照通信部门要求，依据当前时间自动产生;5）报文内容：操作平台按照民航局的相关规定，在人工监控、干预下自动产生，并通过气象信息网读进、编入预报员编发的趋势预报报文。限于论文篇幅，实现报文编辑的具体技术措施不再详细介绍。
3.3.2 发送天气报告
发送航空天气报告必须在人工监控、干预下进行的，这是因为发送出去的航空天气报告关系到航空飞行的安全和航班的正常率，必须坚决杜绝错误报文意外发出的可能性，因此暂时没有开通自动发送报文的功能。
操作平台设置了2种发送航空天气报告的方式：一种是将报文转入气象信息网，通过气象信息网发送至机场通信转报站，其前提是配置有气象信息网且具有发送电报的功能;另一种是通过操作平台主机的串行接口连接外接的调制解调器，直接向机场通信转报站发送。其中如果设定为串行接口发送，其通信参数按照机场通信转报部门的有关要求来设定，比如操作平台目前设置为串行接口发送电报（如图1中流程），其通信参数的波特率设为300BPS，奇偶校验设定为None，数据位设定为8，停止位设定为1。
3.4 制作气象报表
气象观测数据统计报表包括月总薄和年总薄，其版面设计、表格格式、统计项目、数据记录方法、合计和平均值统计、极值挑选、极值日期挑选、风的统计、天气现象统计、各类日数的统计、跨月跨年的技术处理、初终日期统计等，均严格按照中国民航局最新版本的《民用航空地面气象观测规范》[5]的有关要求实施。每月的月总薄包括1张封面、1张文字说明、21张观测数据统计表，共计23张。每年年总簿涉及1张封面、1张文字说明、4张全年观测数据统计分析表，共计6张。
考虑到制作月总簿和年总簿所涉及的数据量较为庞大，统计制作的报表较多，同时也是考虑打印输出的方便，观测操作平台采用了调用Microsoft Excel的方法来制作气象报表，最终实现了较好的效果。在调用Microsoft Excel制作月总薄和年总薄前，事先利用Excel软件编制好月总薄和年总薄模版，在操作平台软件程序的文件中，月总薄和年总薄模版分别保存为“月总薄.XLS”和“年总薄.XLS”这两个文件;在进行月总簿、年总簿的统计制作过程中，首先使用COMObj自动化应用程序，调用CreateOLEObject函数创建OLE对象Excel，返回Variant类型的数据变量，将预备好的表格以WorkBooks方式打开，再依次调用WorkSheets，然后将相关数据写入相关的工作表格里，并按照规定的统计方法完成统计、计算、存放。调用Microsoft Excel的详细技术方法及统计制作月总簿、年总簿的技术方法过程略。
3.5 其它综合处理
其它综合处理技术措施，包括数据库的控制、数据资料的储存交换、平台相关参数的设置、电报发送地址的编辑、特殊天气标准的编辑、打印输出、数据信息统计查询等，其实现的技术过程相对较为简单，本文不详细介绍。
4.结束语
MRDS5.0操作平台研发工作始于2011年，完成于2012年，2012年通过民航东北地区空管局验收，随后在哈尔滨机场正式投入业务运行，还推广到沈阳、大连、长春和齐齐哈尔等机场。经过近2年在各机场的运行情况表明，操作平台技术处理措施方法得当，各项技术指标符合民航行业标准和业务规范的要求，在我国东北各大型机场保障飞行安全、提高航班正常率的气象观测业务工作中发挥了积极的作用。而且操作平台兼容性强，操作和维护简便易懂，只需适当调整就能够适用于我国民航目前大部分机场使用的气象观测设备。
参考文献
[1]黄红兵，刘均力，卢玉宝等.AWOS数据接收处理系统的研制及应用[C].民用航空气象服务与技术交流论文集[M].北京：气象出版社，2004.
[2]肖雪莲，里希纳.Delphi技术手册[M].北京：中国电力出版社，2001.
[3]民用航空机场运行最低标准制定与实施细则[M].北京：中国民用航空局，2011.
[4]民航气象行业标准第1部分-观测和报告[M].北京：中国民用航空局，2008.
[5]民用航空地面气象观测规范[M].北京：中国民用航空局，2012.
[6]民航气象行业标准第6部分-电码[M].北京：中国民用航空局，2008.
作者简介：黄红兵（1965―），男，重庆人，大学本科，民航专家级高级工程师，从事航空气象研究。