民航气象自动观测系统数据传输方案设计研究

摘要：气象数据对于民航飞行安全至关重要，气象数据及时可靠的传输是保障安全的基础。文章通过对现有的气象数据传输方案进行分析，取长补短，研究出了一种基于RRPP、SNMP、Zabbix软件的环形网络传输方案，该方案在提高传输系统可靠性的同时还增加了系统监控模块，使民航气象自动观测系统更加趋于完整。

关键词：民航气象自动观测系统；环形网络；RRPP；SNMP；Zabbix软件

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.006

中图分类号：TN 91，TN 92，TP 3" " " " " " " "文献标示码：A" " " " " " " "文章编码：1672-7274（2023）04-00-04

Research and Design on Data Transmission Scheme of Civil Aviation Meteorological Automatic Observation System

ZHOU Yingliang

（Yunnan Airport Group Co.， Ltd. Dehong Mangshi Airport， Dehong 678400， China）

Abstract： Meteorological datas are very important to the safety flight， in order to ensure flight safety， the system transmission must be fast and reliable. Based on the analysis and study of the existing meteorological data transmission schemes， a ring network transmission scheme based on RRPP protocol， SNMP protocol and Zabbix software is developed in this paper. This scheme not only improves the reliability of the transmission system， but also adds a system monitoring module to make the automatic meteorological observation system of civil aviation more complete.

Key words： civil aviation meteorological automatic observation system; Ring network; RRPP agreement; SNMP protocol; Zabbix software

0" 引言

作为一种能够采集地面瞬时风速、风向、温湿度、气压、雨量、云高、能见度数据，并根据这些数据计算出业务需要的气象要素的民航气象自动观测系统，其运行状态、数据对航空飞行有着重要的意义。气象要素快速变化的时候往往是飞行非常危险的时候，及时地获得设备状态及相关数据也就成为了飞行风险管控的重中之重。所以民航气象自动观测系统对数据传输的及时性、稳定性有着极高的要求。民航气象自动观测系统中的传感器数据多采用单光纤线路传输，由于近年来民航产业发展迅速，机场范围内新建、改建、扩建工程不断，又或是部分地区室外通信井内虫、鼠、蛇、蚂蚁较多，施工及虫类破坏光纤导致数据传输中断的情况时有发生。为了更好地做好气象数据传输保障，多数机场采用了无线冗余传输方案以提高设备运行的可靠性，但无线冗余传输的方案同样也存在着一些缺陷。本文分析了现在使用的数据传输方案的利弊，结合使用需求，提出了新的冗余数据传输设计方案。

1" 现有的民航气象自动观测系统数据传

输方案

目前，传统民航气象自动观测系统数据传输方案主要有两种，分别是单光纤数据传输方案和单光纤+无线冗余数据传输方案。

1.1 单光纤数据传输方案

单光纤数据传输方案是常见的气象自动观测数据传输方案，所有设备的传输路径仅有1条，数据从气象传感器的串口传送到串口转光等协议转换设备，再通过光纤传送到航管机房协议转换设备，协议转换设备将数据传输到串口服务器，串口服务器将串口数据转为网络数据再传输到中央数据处理器进行计算处理。

1.2 单光纤+无线冗余数据传输方案

单光纤+无线冗余数据传输方案则是在单光纤传输方案的基础上增加了无线传输的备份链路。气象传感器的数据被分别送往协议转换设备和串口服务器，送至协议转换设备的数据通过光纤线路传输至航管机房的中央数据处理器，送至串口服务器的数据将被转换为网络数据，经无线网桥通过无线电信号传输至航管机房楼楼顶的无线网桥，无线网桥将数据传送至航管机房交换机，再送至中央数据处理器进行计算处理。

2" 现有方案分析

对于单光纤数据传输方案来说，其优点是：结构简单，维护便捷，成本低；光纤传输稳定，使用周期长，抗电磁干扰，信号传输遭雷击概率小。但其缺点也很明显：结构单一，传输系统可靠性差，传输主干线一旦断开，数据将全部丢失；所有气象传感器数据汇聚至串口服务器，串口服务器如果发生故障，全部数据将丢失。

而根据单光纤数据传输方案改进的单光纤+无线冗余数据传输方案的优点很突出：传输线路多样，串口服务器也不再成为单一汇聚节点，可靠性高。但此方案也有着不可忽视的缺点：机场内使用无线电发射设备较多，设备有被干扰的风险。同时，网桥之间有通视要求，设备安装难度大，成本较高，无线传输遭雷击概率较大。部分无线传输方案中使用4G数据传输模块代替无线网桥，可规避无线网桥安装复杂、造价高的缺点。4G数据传输模块安装方便简单，但数据传输时延比无线网桥传输方式大，易受运营商设备运行影响。在单光纤+无线冗余数据传输方案中，无论是使用无线网桥还是4G数据传输模块都有1个共同的缺点，那就是由于无线链路的加入，在中央数据处理端会收到两个链路送来的数据，在系统中需要增加数据比选软件。数据比选软件能够在主数据源接收超时或接收中断时，切换使用备用的数据源。在数据比选的过程中依然存在一些问题：①传输的数据出现诸如误码、校验等异常数据，但数据未出现中断，比选模块不会切换数据；②不同气象传感器发送数据间隔不同，比选模块判定数据超时的时间阈值较难设定；③中央数据处理器使用各个传感器数据进行平均值计算，在切换备用数据源时，备用数据源的数据延迟或提前都会造成数据误差。那么要解决比选模块的问题就需要加入数据质量控制环节，对数据进行校验[1]。这样就使系统过于复杂，同时，数据比选和数据校验增加了数据处理系统的算力负担，增大了系统卡顿的风险。

3" 环形网络数据传输+监控系统方案

为规避现有民航气象自动观测系统数据传输方案中存在的一些不足之处，本文提出了一种基于RRPP、SNMP、Zabbix软件的环形网络数据传输+监控方案。

3.1 环形网络

环形网络是由两个及以上的一组设备组成的环形拓扑网络，网络中一个设备连接一个设备成为一个设备链，链中最后一个设备与第一个设备连接。数据可以以顺时针方向传输也可以从逆时针方向传输[2]。

冗余数据传输方案的设计初衷就是为了增加传输的备份链路，而采用环形网络结构能够增加每个设备站点传输数据至中央处理器的路径。同时，整个网络中传输的都是同一份数据，所以对于中央处理器来说接收到的数据源都是同一个，数据源比选切换的问题自然也就不存在，环形网络结构的选择规避了传统数据传输方案的局限性。

3.2 RRPP（快速环网保护协议）

RRPP是一种解决环网中网络风暴问题的协议。在使用RRPP的环网内，数据传输在控制VLAN和数据VLAN两个网上，控制VLAN传输RRPP报文、数据VLAN传输数据报文；RRPP网络中有一个主节点，除主节点外的节点为传输节点。主节点有主端口和副端口，主节点的主端口负责持续地发送Hello检测报文，主节点的副端口负责控制冗余链路阻塞、转发状态。当环网工作正常时，主节点阻塞副端口上自己的数据VLAN组，避免网络风暴产生。主节点在主端口控制VLAN内发送Hello报文，报文经环网传输至副端口。当环网上出现节点或链路故障时，主节点副端口无法收到自身发送的Hello报文，同时传输节点监测到自身两个端口中的一个端口处于Down状态，然后立马通过另外一个处于Up状态的端口在控制VLAN内发送链路Down报文，向主节点报告并阻塞故障链路端口向数据VLAN组转发数据。当传输节点发送的Down报文被主节点接收后，或主节点检测到其直连链路Down时，主节点副端口数据VLAN组由阻塞状态变为转发状态，控制数据通过备用的冗余链路传输。当故障节点或链路恢复时，主节点在副端口收到自身发送的Hello报文，然后将副端口设为阻塞状态，禁止数据VLAN组数据通过副端口传输，避免网络风暴产生。

为了使用环形网络的拓扑结构，就要解决环形网络中广播风暴的问题[3]。RRPP收敛速度快，满足电信级可靠性，且配置较为简单，当链路发生故障时，50 ms即可完成保护倒换，迅速恢复业务，满足业务使用需求，选用RRPP可提高传输可靠性。

3.3 SNMP简单网络管理协议

SNMP是一种专门为管理IP网络中诸如交换机、路由器、服务器等设备设计的一种应用层协议，其主要功能是使用统一的方式来监控和管理不同的网络设备。当网络中出现设备故障、链路中断等情况时，在SNMP代理下的网络设备，可将信息传递给SNMP代理，SNMP代理又将消息传递至网络中的管理平台，网络管理员可通过管理平台及时发现问题，避免情况恶化[4]。

在传统的气象观测系统中，值班人员大多数由数据中断而感知到设备节点或链路故障。但是在环形网络中，设备节点、链路故障不会导致数据中断，设备节点、链路故障较难被及时发现，这时系统中就应当有用于监控的模块，发现故障并通知值班人员。SNMP是一种被广泛使用的网管协议，市面上大多数的网络设备都支持SNMP，可使用SNMP来进行设备监控管理。

3.4 Zabbix

Zabbix是一种企业级的开源软件，它主要采集监控各种网络数据；它基于Web界面，具有灵活的通知机制，确保管理员可及时收到故障信息。Zabbix监控软件支持OS X、Linux、AIX等多种平台，可使用SNMP、Ping、端口监视等方式实现对网络设备、网络状态的数据收集和监视等功能。Zabbix还支持条件触发、自动执行功能，在采集的监控数据变化达到设定的指标时，Zabbix可自动执行设定好的流程，如通知等动作[5]。

系统监控需要由监控管理平台软件来实现，市面上监控管理平台众多，Zabbix软件平台开源免费，且软件由C语言编码，速度快，资源占用率低，采用Web界面管理，学习上手快。Zabbix的实例运用众多，方便定制各类需求方案，非常适合网络设备监控管理。

3.5 传输方案

新的传输方案结合了光纤传输和无线传输的设计思路，为增加备用传输链路，避免数据源比选切换问题，引入了环网的概念，使用RRPP确保数据传输稳定可靠。但由于环网中发生设备节点或链路故障时，传输数据不会中断，故障情况不易被发现，所以方案中还加入了系统监控部分。通过SNMP和Zabbix软件的应用，完善系统自检功能，让整个系统更加趋于完整。

新传输方案中为避免使用集中式串口服务器，每个气象传感器将配备一个支持SNMP协议的单串口服务器，串口服务器将各气象传感器的数据转换为网络数据传送至站点交换机。为提高传输速率，减小时延，站点交换机使用带光口、支持RRPP和SNMP的网管型交换机。一个气象站的交换机通过光纤连接另一个气象站的交换机，形成一条交换机链，链中第一台交换机和最后一台交换机相连形成一个环。

当环形网络中所有设备正常工作时，气象传感器数据在传输节点交换机之间相互传送，航管机房内的主节点交换机的主端口负责接收气象数据，主节点的副端口阻塞数据VLAN，系统内所有气象传感器数据由主节点交换机的主端口接收，然后送往中央数据处理器。当环形网络中某条线路中断或节点发生故障时，故障点相邻的传输节点的端口会被该传输节点设为阻塞状态，同时，该传输节点发送报文通知航管机房内的主节点，此时主节点的副端口会被解除阻塞，进行数据传输，气象传感器数据可从向中断或故障点传输的反方向进行传输，通过主节点的主端口和副端口送往中央数据处理器。当Zabbix采集的信息达到设定的故障阈值后，故障信息将被及时地显示在Zabbix Web端，同时，Zabbix也会将故障信息及时地通过邮件、短信、企业微信等方式推送给值班人员[6]。

此方案优点是：系统较为完整，结构较单光纤+无线冗余数据传输方案简单，单一节点或线路故障不影响数据传输，可靠性高；无数据切换问题；引入Zabbix平台，可有效对气象自动观测系统中的串口服务器、交换机、中央数据处理器、NTP服务器、用户终端等设备进行集中监控；当系统发生故障时，Zabbix采集的告警信息可通过Web终端、邮件、企业微信或短信等多种渠道推送给值班人员，确保告警信息及时有效传递，极大地方便了值班人员对设备的监视。

此方案缺点是：串口服务器，交换机使用数量较多；光缆使用量大，对于无通信管道的机场使用此方案光纤铺设工程量大，成本较高。

4" 结束语

本文通过对现有的民航气象自动观测系统数据传输方案进行研究，对现有方案及其他行业设计、建设和使用经验进行改进，提出了新的传输+监控方案。该方案在实现气象传感器数据传输稳定可靠的基础上加入了系统监控模块，使民航气象自动观测系统更加趋于完整。对于民航空管设备来说，很多设备的传输建设方案是极为相似的，如导航设备、甚高频遥控台设备等，就如同气象传感器一般，只要将其传输的数据转换为网络数据，那么它们的数据传输同样可以使用该方案。开展该方案的研究对新建、改建、扩建各类民航空管设备有着积极重要的意义。■

参考文献

[1] 高宇．自动气象观测系统多数据源冗余传输设计思考[J]．民航管理，2019（10）：59-60.

[2] 毛新展．论工业以太环网在矿井安全监控系统中的应用[J]．内蒙古煤炭经济，2022（12）：109-111.

[3] 刘莎．以太环网保护技术研究[D]．南京：南京邮电大学，2016.

[4] 戴从群，王玉琦．通过IP+SNMP协议实现动环监控联网[J]．广播电视网络．2020，27（04）：110-112.

[5] 贾夫松．基于Zabbix的服务器监控平台的研究[D]．济南：山东师范大学，2018.

[6] 郭茜，刘国强，李从英，支亚京，彭宇翔，金石声．基于Zabbix气象信息业务监控告警方法实现[J]．中低纬山地气象，2022，46（05）：98-101.