崔屹

摘 要：在首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)，測(cè)風(fēng)系統(tǒng)是最重要的觀測(cè)設(shè)備之一，文章簡(jiǎn)要介紹了首都機(jī)場(chǎng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，全面分析了引起測(cè)風(fēng)系統(tǒng)故障的原因，并針對(duì)不同的故障給出解決方法.

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

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

1 概 述

對(duì)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(cè)風(fēng)系統(tǒng)成為現(xiàn)代的民用航空機(jī)場(chǎng)必備的標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)設(shè)備。對(duì)于氣象機(jī)務(wù)人員來說，當(dāng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)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(xiǎn)。本文首先介紹了首都機(jī)場(chǎng)的測(cè)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(duì)常見故障采取的措施。

2 首都機(jī)場(chǎng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)工作原理

2.1 首都機(jī)場(chǎng)風(fēng)數(shù)據(jù)處理流程

首都機(jī)場(chǎng)使用vaisala公司的WS425型風(fēng)傳感器，采集器型號(hào)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(jī)，主機(jī)軟件對(duì)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(cè)量原理

風(fēng)傳感器是測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中最重要的組成部分，首都機(jī)場(chǎng)使用的是超聲波風(fēng)傳感器。與過去的機(jī)械式傳感器相比較，該類型傳感器具有體積小、無機(jī)械部件、壽命長(zhǎng)、精度高等特點(diǎn)。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(dòng)（即風(fēng)）的影響，為此提出了利用測(cè)量聲波在已知距離的兩點(diǎn)之間傳播時(shí)間的變化來逆向推導(dǎo)兩點(diǎn)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(lì)脈沖起到接收到第一個(gè)脈沖止的超聲傳播時(shí)問，可以由下式計(jì)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(shí)為正，反之為負(fù)。但是 會(huì)受到環(huán)境影響，其變化會(huì)引入較大的風(fēng)速測(cè)量誤差。因此后來又提出采用雙向測(cè)量的方法，同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相對(duì)方向上傳播時(shí)間的變化來抵消靜聲速變化的影響： T2=L/（v0■v）兩個(gè)時(shí)間相減，得到風(fēng)速測(cè)量公式：

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

超聲波風(fēng)傳感器的水平面上具有一個(gè)包含三個(gè)等間距的超聲波探頭的探頭陣列。風(fēng)傳感器測(cè)量探頭陣列之間的三條路徑的傳送時(shí)間（雙向），如圖1所示。然后可以計(jì)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(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向。

2.3 風(fēng)速和風(fēng)向平均值計(jì)算

超聲波風(fēng)傳感器可通過標(biāo)量或向量平均值計(jì)算為風(fēng)速和風(fēng)向提供平均值。對(duì)于這兩種方法，平均值是根據(jù)使用者可配置的平均時(shí)間來確定的。平均時(shí)間還會(huì)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(shí)間以計(jì)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(shí)間間隔為3 s。 如果選擇了標(biāo)量平均值計(jì)算，則使用者還可以啟用風(fēng)向移動(dòng)以確保在風(fēng)速較低的情況下獲得一致的風(fēng)向測(cè)量結(jié)果。

2.3.1 標(biāo)量平均值計(jì)算

如果選擇了標(biāo)量平均值計(jì)算，超聲波風(fēng)傳感器將會(huì)通過以下方式計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向平均值：從平均時(shí)間將每個(gè)風(fēng)測(cè)量值加起來，然后將總和除以測(cè)量次數(shù)。每個(gè)連續(xù)的風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量之間的時(shí)間為0.25 s。風(fēng)向是一個(gè)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(shí)際情況，即使在零方向的兩側(cè)單獨(dú)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(shí)間結(jié)束之前請(qǐng)求數(shù)據(jù)，傳感器將會(huì)返回最新完成的測(cè)量數(shù)據(jù)。

準(zhǔn)確的風(fēng)向測(cè)量要求風(fēng)速足夠高。如果您啟用風(fēng)向移動(dòng)，則當(dāng)風(fēng)速低于選定的風(fēng)向移動(dòng)閾值時(shí)，超聲波風(fēng)傳感器將不會(huì)計(jì)算風(fēng)向。最后計(jì)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(jì)算

如果選擇了向量平均值計(jì)算，超聲波風(fēng)傳感器將會(huì)通過以下方式計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向平均值：從平均時(shí)間將每個(gè)x速度和y 速度測(cè)量值加起來，然后將總和除以測(cè)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(shí)間結(jié)束之前請(qǐng)求數(shù)據(jù)，傳感器將會(huì)返回最新完成的測(cè)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(cè)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(shí)，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(shí)，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(shí)軟件接收到的字符樣式如下：$PAMWV，341，R，008.1，M，A*3E.其中341為風(fēng)向，008.1為風(fēng)速，A*3E為效驗(yàn)碼。當(dāng)落鳥時(shí)通常仍然可以接收到字符串，但字符串中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)往往不正確。例如$PAMWV，，R，，M，V*38該字符串中沒有風(fēng)向和風(fēng)速值，校驗(yàn)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(shí)際情況不符的極大值，出現(xiàn)一段時(shí)間后消失，此故障通常情況下也是由落鳥所引起的。

主機(jī)中的軟件故障也可以導(dǎo)致測(cè)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(jī)軟件故障所引起的。在主機(jī)的系統(tǒng)診斷軟件中查看各個(gè)數(shù)據(jù)“對(duì)象”的值，若風(fēng)數(shù)據(jù)的原始值正常，但計(jì)算得到的平均值丟失則是計(jì)算程序出現(xiàn)故障。此時(shí)重啟風(fēng)的計(jì)算服務(wù)，則系統(tǒng)可以恢復(fù)正常。

若只有某一個(gè)地點(diǎn)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(cè)量數(shù)據(jù)通過串口直接發(fā)送給采集器，機(jī)務(wù)人員可以使用維修計(jì)算機(jī)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(duì)系統(tǒng)故障采取的措施

針對(duì)首都機(jī)場(chǎng)的風(fēng)系統(tǒng)的常見故障，機(jī)務(wù)人員采取了相應(yīng)的措施。對(duì)于落鳥現(xiàn)象，機(jī)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(jiǎn)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(jī)中關(guān)于風(fēng)的計(jì)算程序故障是由于主機(jī)程序設(shè)計(jì)缺陷造成的。當(dāng)操作人員對(duì)兩個(gè)風(fēng)數(shù)據(jù)源互相手工備份時(shí)將有可能導(dǎo)致該程序異常。軟件升級(jí)是解決這一問題的最終辦法。在沒有升級(jí)前，加強(qiáng)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(shí)，需要及時(shí)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(duì)WMT700進(jìn)行相應(yīng)的配置，保證各項(xiàng)參數(shù)與老傳感器保持一致。還需要從廠家另外購(gòu)買兩個(gè)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(jī)場(chǎng)安檢系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)安防，2014，（20）.