1. 引言
贵阳机场东跑道01R端自动气象观测设备包含大气透射仪TR30、云高仪CBME80和自动气象站APOS300。APOS300是一款应用于民用运输机场和通用机场的自动气象站，采用的是“气象传感器 + 数据采集器”的设计模式，使用LogNet或CRBasic软件可灵活配置多种类型的传感器，可以完成对风速、风向、温度、湿度、降水、气压等气象要素的自动探测和数据采集[1]。APOS300如图1所示。
Figure 1. APOS300 automatic weather station
图1. APOS300自动气象站
APOS300使用的数据采集器型号为CR1000X。它数据采集系统的主要部分有一个中央处理单元(CPU)，可接收模拟和数字测量信号输入，及模拟和数字信号输出，一个操作系统(固件)与板载时钟和CRBasic应用程序一起协调这些部件的功能。CR1000X可以同时提供测量和通信功能，支持PakBus、Modbus、DNP3、TCP/IP、FTP以及SMTP通讯协议，其作用是将测量的风向风速、温度湿度、气压、雨量等气象要素采集处理后向外部输出(本场选择使用的输出信号为串口RS-485)。
2. 故障现象描述
2024年7月31日08:05 (UTC时间)，贵阳机场01R端气象自动站发出通信告警声音，终端监控软件“通信线路监控”界面显示“01R端自动站”的“有线线路状态”飘红(异常状态)，且自动切换至无线线路，而同一网络线路进来的01R端云高仪和01R端大气透射仪通信状态为正常。
打开“自观设备巡检”界面，远程接收01R端自动站数据，设备输出信息包含大量乱码，如图2所示。但自观用户界面上01R端自动站数据(风向风速、温湿度、气压、雨量)未发生中断。
Figure 2. Automatic station data on the 01R terminal contains a large amount of garbled information
图2. 01R端自动站数据中含大量乱码信息
3. 排查分析过程
3.1. 检查网络通信状态
为分析排查故障，这里先介绍现01R端自动观测设备数据采集传输的线路，如图3所示。
Figure 3. Data transmission line diagram of the automatic weather observation equipment at the present 01R terminal
图3. 现01R端自动气象观测设备的数据传输线路图
从图3可知：
1) 01R端各探测设备的通信传输方式均配备有线通信和无线通信。自观系统服务器已设置两种通信方式互为热备，其中，有线通信为主用，在其故障后系统将自动切换使用无线通信。
2) 通信转换单元型号为MOXA6450，其作用是接入自动站(P1端口)、云高仪(P2端口)、大气透射仪(P3端口)输出的RS-485信号，集中转换为IP网络信号传输至自观网络。
用ping命令检查有线MOXA6450 (IP地址：192.168.1.213)的网络通信状态，回显通信畅通，没有数据掉包情况，这也可以从01R端云高仪和01R端大气透射仪的有线通信为正常状态来验证出来。
3.2. 检查历史记录
3.2.1. 检查原始数据的记录情况
检查当日“原始数据”文件“31_01R_2R_APOS300_ALLData.log”，发现从08:04:36开始有乱码记录，甚至在08:12:21之后出现了大量乱码，这些乱码数据和自动站各传感器采集的数据均从无线MOXA6450的P1端口输入。
3.2.2. 检查正确数据的记录情况
检查当日“正确数据”文件“31_01R_2R_APOS300_RightData.log”，发现系统接收的自动站各要素的数据量并未减少，1分钟共有29组数据(含每3秒一组风数据，计20组；每15秒1组气压数据，计4组；每15秒1组温湿度数据，计4组；1组降水数据)。
综合以上分析，得知：
1) 本场自动气象观测系统虽然接收了自动站大量乱码数据，但各传感器探测到的数据量并未减少，且各要素数值均能被完整地采集和记录，这也验证了为什么用户自观界面上01R端自动站数据未发生中断。
2) 因故障告警时正处于打雷下雨的天气，排查的方向将重点集中在外场的数采器和通信转换单元MOXA6450上，推断其受雷击影响可能导致乱码产生。
4. 处置过程
为进一步查找故障原因、处置故障，当班人员准备好数据采集器、MOXA6450等备件进入飞行控制区开展排查处理。
1) 经现场检查，有线通信MOXA6450 (图4左边设备)中自动站对应的指示灯(P1端口)状态异常，为黄灯常亮状态；无线通信MOXA6450的P1端口指示灯(图4右边设备)为黄灯一直频闪状态(表示在持续不断地接收数据)；正常时，P1端口指示灯应为规律的黄灯间隔闪烁状态(约3秒频闪一次)。
Figure 4. MOXA6450 indicator light status
图4. MOXA6450指示灯状态
2) 拔下有线MOXA6450中P1端口对应的串口接头后，联系室内协作人员检查实时数据接收情况，发现乱码数据不再出现，如图5所示。确认故障点为有线MOXA6450的P1端口。
Figure 5. 01R terminal of the automatic station no longer appear garbled information
图5. 01R端自动站不再出现乱码
3) 将有线通信MOXA6450MO更换备件，配置P1至P3端口的通信参数，并设置网络参数及推送地址后，恢复正常。
5. 原因分析
5.1. 用户界面数据不中断的分析
上文已从对历史数据的分析，解释了自观界面上数据能正常显示的原因。这里再从本系统通信设置的机制上来验证历史数据的完整性和界面数据显示正常的情况。因受雷击影响，有线MOXA6450的P1端口故障，不能接收和传输自动站数据；所以自观系统软件在判断自动站有线通信中断后，自动切换至备用线路(无线MOXA6450)来接收数据，自观系统的接口程序将错误的信息(乱码)过滤后保留下了正常的数据信息并向后台转发处理，所以自观界面的数据暂时未发生中断。
5.2. 产生乱码的原因分析
因发生雷击，感应雷电流经室外线缆传输至室内，导致有线MOXA6450的P1端口内部保护电阻被击穿(如图6中红圈所示)，发生短路现象，产生了大量干扰信息(乱码)；乱码经分线器反向传输至无线MOXA6450的P1端口，叠加上室外采集器输出的正常探测的数据被自观系统接收。
Figure 6. MOXA6450 P1 port protection resistor is broken down (at the red circle)
图6. MOXA6450 P1端口保护电阻被击穿(红圈位置)
6. 改进措施
6.1. 有线、无线信号独立接入
为避免单个通信线路受雷击或其他情况发生故障，而影响备用线路的情况，可对各站点通信线路进行技术改造。这里以介绍自动气象站通信改造为例，具体如下。
在室外自动站采集箱内将输出的通信线路一分为二，并增设信号隔离模块后，输出两路一样的RS-485信号。两路信号进入下滑台机房通信箱后再分别增加浪涌保护器及信号隔离模块，这样就可以使有线和无线两路通信保持相对独立，互不干扰。改造后的通信传输如图7所示。
Figure 7. Wired and wireless independent transmission
图7. 有线、无线独立传输
6.2. 防雷措施的优化或改造
6.2.1. 通信线缆的改造
将室外自动气象站至下滑台机房的双绞线缆改造成光纤线缆，可以避免因室外长距离双绞线缆接受感应雷击电流的可能性，避免了室内通信设备(如MOXA6450)受雷击的影响[2]，改造线路如图8所示。此类改造需要重新牵拉光缆，要综合考虑施工难度、机箱空间余度、增加传输节点等实际情况而定。
Figure 8. Communication line diagram of twisted pair cable converted into optical cable
图8. 双绞线缆改造成光缆的通信线路图
6.2.2. 浪涌保护器的选择
本站外场设备间采用RS-485通信传输方式，其工作电压较低，为5 V左右，耐压能力也较低(−7 V~+12 V)，因此在雷雨天气中容易受到过电压和静电干扰。为了保护RS-485芯片和传输总线，需要采取适当的防护措施。本次故障中，原RS-485通信线路上已设置信号浪涌保护器(信号SPD)，但未有效起到防雷限压泄流的作用，导致后端的通信设备端口(P1口)保护电阻过电压击穿。这也提醒我们，在选择信号SPD时，应当充分考虑适应场景，选对类型和型号[3] [4]。对于过电压较为敏感的终端设备，需要信号SPD有更快的响应时间和更好的限压能力，通常选择复合型的信号SPD来满足终端设备的保护要求。
图9是典型的信号SPD电路图[5] [6]。图中，气体放电管(GDT)为第1级保护；瞬态抑制二极管(TVS)为第2级保护，可以提供更低的限制电压和更快的响应时间，从而更好地保护终端设备。
1) 工作电压的选择
对信号SPD最高工作电压的选择由通信线路的工作电压来定。通常SPD的最高电压需大于通信电压的1.2倍。例如RS-485线路的工作电压一般为5 V左右，那么信号SPD的工作电压应选择6 V左右。
2) 保护能力的选择
SPD的保护能力主要考虑限制电压和放电电流这两个参数。限制电压应不大于保护对象的耐压等级；标称放电电流应大于装设部位预期的最大电涌电流。表1中列举了几种信号线路SPD参数选择。
Figure 9. Typical signal SPD circuit (G1 and G2 are gas discharge tubes)
图9. 典型信号SPD电路(G1、G2为气体放电管)
Table 1. Example of signal SPD parameter selection
表1. 信号SPD参数选择举例
| 参数 |
非屏蔽双绞线 |
屏蔽双绞线 |
同轴电缆 |
| 标称导通电压 |
≥1.2 Um |
≥1.2 Um |
≥1.2 Um |
| 测试波形 |
(1.2/50 μs, 8/20 μs)混合波 |
(1.2/50 μs, 8/20 μs)混合波 |
(1.2/50 μs, 8/20 μs)混合波 |
| 标称放电电流/kA |
≥1 |
≥0.5 |
≥3 |
注：Um为最大工作电压。
3) 多级防雷的设置
受线路的感应电压影响，当一级信号SPD与被保护设备的间距大于30 m时，应在被保护设备前端设置二级SPD进行防护[7]。
6.3. 提高MOXA6450串口RS-485通信的可靠性
在MOXA6450串口P1~P4中，我们用的是RS-485通信方式，其内部设有上下拉电阻(图6中蓝色方框开关1和2)，用以提升RS-485通信的可靠性[8]-[12]。
上拉电阻：在某信号线上，通过电阻与一个固定的高电平VCC相接，使其电压在空闲状态保持在VCC电平，同时起限流作用，如图10中的RU。
Figure 10. Pull-up resistor RU and pull-down resistor RD
图10. 上拉电阻RU和下拉电阻RD
下拉电阻：将某信号线通过电阻接在固定的低电平GND上，使其空闲状态保持GND电平，同时起限流作用，如图10中的RD。
上下拉电阻在RS-485通信线路中主要有以下几处作用[13] [14]：
1) 维持输入管脚的稳定态：防止输入管脚悬空时出现不定态，引起输出振荡；通过上下拉电阻，可以使输入管脚处于确定的高电平或低电平状态。
2) 提高驱动能力：当输出电平因后续电路影响而无法达到预定的高电平或低电平时，上下拉电阻可以帮助提高输出电平值。
3) 钳位作用：将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平或低电平，确保电路有一个稳定的电平状态。
4) 抗干扰作用：如提高总线的抗电磁干扰能力、抑制长线传输中的反射波干扰，以及为集电极开路或漏极开路输出提供必要的工作条件。
MOXA6450串口开关1和2默认位于非“on”状态，数值为150 kΩ；当拨动开关1和2至“on”状态时，其值为1 kΩ。为提升MOXA6450串口RS-485通信的稳定性，可将上下拉电阻调整至1 kΩ，以更好地抗干扰和提高驱动能力。
7. 结论
针对贵阳机场APOS300型自动气象站数据出现异常情况，文章根据本场自动气象观测系统的工作机制、通信配置等详细分析了异常情况产生的原因，并从通信独立传输、防雷、提高RS-485通信可靠性方面提出了改进措施，具有实际应用及参考价值。