1. 引言
依据《广西壮族自治区综合交通运输发展“十四五”规划》目标，南宁吴圩国际机场第二跑道建成后，航班密度预计增长40%，这一发展趋势对气象数据的实时性与可靠性提出了更为严苛的要求。然而，当前主流自动气象观测系统(AWOS) [1]的信号传输架构仍存在显著缺陷：1) 设备层单点故障扩散风险：设备点传感器信号依赖共用传输节点(如Moxa NPort 6450-T，简称Moxa) [2]，一旦传输设备故障，多传感器数据链路同时中断；2) 传输层抗干扰能力不足：传感器信号通过单一传输路径(如有线光缆或无线链路)易受施工损毁、电磁干扰等环境影响，导致数据丢失[3]；3) 供电层系统性失效隐患：通常采用两组不间断电源系统(Uninterruptable Power Supply，简称UPS)接入静态转换开关(Static Transfer Switch，简称STS)后输出至配电柜进行传感器供电[4]，集中式供电设计(如STS)若发生故障，将引发设备组群大面积断电，降低机场运行标准。
针对上述问题，本文以南宁二跑道AWOS建设为背景，首次提出设备层、传输层和电源层的协同冗余设计，其创新性体现在：1) 全链路物理隔离：主/备用传感器、传输设备及供电系统均采用独立物理部署，规避故障扩散风险[5]；2) 资源灵活复用：主/备用传感器按功能兼容性分组部署，备用设备可在多场景下复用，在有限冗余资源下最大化容错覆盖范围；3) 环境自适应双链路互补：传感器采用双路信号输出，光纤链路抗电磁干扰能力强，无线链路支持视距通信，双链路并行传输配合系统切换优先级逻辑设计，能够有效应对复杂环境(如极端天气、施工干扰)。通过上述技术突破，系统性解决传统AWOS架构的可靠性短板，为高密度机场的气象保障提供参考。
2. AWOS总体框架
南宁机场二跑(22L-04R) AWOS框架详见图1，系统由室外传感器、传输设备、数据处理单元等硬件构成。室外部分配备多种传感器，包括2套CL31云高仪、3套AWS310独立风站、2套AWS310气象站、3套FD70前向散射仪、3套FD70P天气现象前向散射仪、1套TSS928闪电定位仪和1套大气电场仪；传输设备方面，配备12个Moxa，4台无线交换机，3对无线网桥。室内部分包含2台外场交换机、1台核心交换机、1台防火墙和2台CDU数据处理服务器。
3. 信号传输容错架构实现
依据AWOS总体框架，本方案通过构建设备层–传输层–电源层三级容错架构，系统性提升AWOS信号传输的可靠性。以下从设备隔离、双链路传输及独立供电三方面详细阐述实现过程。
Figure 1. Architecture diagram of AWOS for the second runway of Nanning airport
图1. 南宁机场二跑道AWOS架构图
3.1. 设备层容错架构设计
设备层通过双通道信号输出、主/备用传感器冗余部署及传输设备物理分离，消除单点故障扩散风险。
3.1.1. 双通道传感器信号输出设计
传感器输出遵循串口协议，传统AWOS采用单一信号输出端口，需通过内线架或防雷器进行信号分路，然后分别进行有线和无线传输。此设计存在显著缺陷：当某一传输路径受干扰时，分路信号可能因物理耦合引发串扰，造成数据完整性受损。相比之下，二跑传感器采集的原始数据通过双通道输出接口(数据口与维护口)实现并行信号传输，分别接入有线和无线传输链路(见图1)，通过双通道隔离保障信号源的独立性。例如，CL31云高仪的原始数据通过数据口传输至有线链路，维护口同步推送至无线链路，任一链路中断时另一路径仍可保障信号完整性。
3.1.2. 主/备用传感器冗余设计
根据跑道22L-04R的部署需求，三个设备点(22L、MID、04R)的传感器划分为主用与备用两组(见表1)。主/备用传感器基于功能兼容性分组部署，CDU服务器优先采用主用传感器信号，当主用传感器发生故障时，系统自动切换至功能匹配的备用传感器(如22L中FD70P替代FD70、AWS310独立风站替代AWS310气象站)。
Table 1. Division of primary and standby sensors for the second runway of Nanning airport
表1. 南宁机场二跑道主/备用传感器划分表
设备点 |
22L |
MID |
04R |
主用传感器 |
CL31、AWS310气象站、FD70 |
AWS310独立风站、FD70、TSS928 |
CL31、AWS310气象站、FD70、大气电场仪 |
备用传感器 |
AWS310独立风站、FD70P |
FD70P |
AWS310独立风站、FD70P |
3.1.3. 传输设备物理分离设计
系统传输设备采用Moxa，支持RS-232/RS-422/RS-485协议转换光介质传输，具备四路异步串行通信接口，可同步处理多传感器数据。如3.1.1.节所述，主/备用传感器分别配置有线及无线Moxa，此设计保证主/备用传感器信号路径完全独立，消除了共用传输节点导致的故障扩散风险。设备层的物理隔离与冗余部署为传输层双链路设计提供了硬件支撑，同时为电源层供电故障防护提供了基础，维护了系统的高可靠性。
3.2. 传输层容错架构设计
传输层作为设备层与电源层之间的关键桥梁[6]，通过有线–无线双链路并行传输机制，既保障了信号传输的高效性，又实现了故障场景下的快速切换。以下从双链路传输架构与系统信号切换优先级设计两个方面详细阐述传输层的容错实现。
3.2.1. 双链路传输架构
传输层采用有线光纤与无线网桥双链路并行传输架构，有线传输链路通过机场专用光缆将主/备用传感器信号分别接入室内外场主/备用交换机，在接收端通过硬件隔离机制确保两者的数据链路在物理介质上彻底分隔；无线传输链路则通过5.8 GHz频段，传输带宽为300 Mbps的无线网桥构建点对点微波通信[7]。22L、MID、04R设备点部署发射端无线网桥，塔台(高度约90米)作为中继节点安装接收端网桥，确保视距传输无遮挡。主/备用传感器无线信号经同一无线网桥传输，通过防火墙安全校验后接入核心交换机，保障数据传输安全性。
3.2.2. 系统信号切换优先级
Figure 2. Signal switching priority flow chart
图2. 信号切换优先级流程图
结合双链路传输架构，系统通过信号切换优先级逻辑(见图2)实现故障场景下的信号无缝切换。CDU服务器优先使用主用传感器的有线传输信号，若主用传感器有线链路中断(如光缆故障)，则自动切换至主用传感器的无线传输链路；若主用传感器本身故障(如硬件失效)，则启用备用传感器的有线信号；若备用传感器有线信号亦不可用，则进一步切换至备用传感器的无线传输链路，确保数据链路冗余切换。通过分层递进的冗余切换机制，传输层可在毫秒级内完成链路切换，在保证气象数据完整性的同时，实现关键业务的无感知中断。
3.3. 电源层容错架构设计
在设备与传输层冗余设计的基础上，电源层进一步巩固了系统的容错能力。电源层主/备用设备采用UPS独立供电架构，UPS支持满负载供电 ≥ 4小时，满足应急抢修时间。22 L设备方舱配置三组UPS：UPS 1为主用传感器、主用Moxa、无线交换机及网桥供电；UPS 2为备用传感器及备用Moxa供电；MID设备接入UPS 3。04R设备方舱部署UPS 1 (主用设备)与UPS 2 (备用设备)，分别独立供电，该设计将主/备用系统的供电链路完全隔离，确保任一UPS故障仅影响对应设备组，从根源上规避因电力故障引发的系统性瘫痪。通过电源层的独立供电设计，系统在电力供应层面实现了故障隔离，进一步加强了设备层和传输层的容错能力。
4. 典型容错场景
基于设备层、传输层与电源层的三级联动设计，本方案在冗余性、环境适应性与故障恢复效率方面展现出显著优势。以下结合典型应用场景及系统响应测试，验证其容错机制的有效性。
4.1. 容错场景
1) 传感器硬件失效：当22 L AWS310气象站因硬件故障无法提供数据时，系统自动切换至备用AWS310独立风站，持续提供设备点风数据，避免数据中断。
2) 光缆施工中断：针对机场施工导致的光缆意外中断(如22 L主用传感器链路)，系统优先启用主用传感器的无线传输路径，确保气象数据实时回传。
3) 传输设备故障：22 L传感器主/备用有线Moxa因雷击失效，系统检测到有线数据丢失后，自动启用无线Moxa传输的无线信号。
4) 外场交换机故障：若气象机房外场主用交换机故障时，系统自动切换至无线链路，同步主用传感器数据至CDU服务器，保障数据处理连续性。
5) UPS供电故障：主用UPS (如22 L方舱UPS1)过载宕机时，备用设备组(AWS310独立风站、FD70P等)由独立UPS 2供电，仍可通过有线链路维持基础运行能力。
4.2. 系统响应测试
通过人为触发故障(如断开光缆、关闭传感器电源)记录系统响应数据：
1) 故障切换时间：主用链路中断至备用链路启用平均耗时 ≤ 50 ms；
2) 数据传输延迟：有线链路延迟稳定在5 ms内，无线链路受天气影响延迟波动范围为5~20 ms；
3) 系统可用性：连续24小时压力测试，数据中断1.7秒，系统可用性达99.998% (年均不可用时间≤ 10分钟)。
实际测试表明，该方案将气象数据传输的可靠性提升至99.998%，故障切换时间缩短至50 ms以内，显著优于民航行业标准(<100 ms)。
5. 结语
本文提出的方案通过设备层、传输层与电源层的协同设计，系统性解决了传统AWOS的单点故障扩散、抗干扰能力不足及供电依赖性强等核心问题。从全生命周期成本效益分析，本方案体现显著优势：1) 初期设备成本：冗余设备与独立供电系统的引入使采购成本较传统方案增加约10%，但通过设备功能复用设计，实现冗余资源利用率最大化；2) 运维成本优化：三级容错设计预计将年均故障修复时间从8小时缩短至3小时，运维人力成本减少65%；3) 预期经济效益：按10年设备生命周期计算，总成本(含采购与运维)较传统方案降低11.5%。本方案不仅为高密度机场的气象数据保障提供了技术突破，其“可靠性提升–成本可控–效益显著”的综合优势，也为同类交通基础设施的容错设计提供了可复用的参考范式。