通信光纜故障定位中的GIS技術(shù)應(yīng)用

石剛 土偉政 雷錫連

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司酒泉供電公司 甘肅省酒泉市 735000）

對(duì)于通信光纜來(lái)說(shuō)，一旦線路出現(xiàn)故障不及時(shí)修復(fù)將會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果。GIS 技術(shù)在通信光纜中的應(yīng)用為通信光纜故障的快速搶修提供了客觀依據(jù)，為我國(guó)光纖通信事業(yè)發(fā)展提供了新的思路。

1 GIS與OTDR

1.1 GIS技術(shù)

GIS 技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，它結(jié)合了地理地圖學(xué)、遙感姿勢(shì)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等。GIS 作為一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分類、分析等工作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息的分析和處理。GIS 技術(shù)在很多領(lǐng)域運(yùn)用，尤其是在通信光纖行業(yè)中的運(yùn)用逐漸受到重視。GIS 技術(shù)的三大特性包括:

（1）空間可視化。GIS 技術(shù)可以將地理空間在屏幕上進(jìn)行演示，可以讓我們清楚看到光纜四周的地理情況。

（2）空間導(dǎo)向。GIS 技術(shù)所具有的定位功能，通過(guò)查詢，可以讓我們了解到城市所有光纜的分布情況。

（3）空間思維。在空間范圍內(nèi)，通過(guò)GIS 技術(shù)我們可以了解到多層次地理信息，運(yùn)用空間思維對(duì)環(huán)境治理、資源整合、人口等進(jìn)行綜合分析。

1.2 OTDR技術(shù)

OTDR 將電、光、計(jì)算機(jī)等技術(shù)進(jìn)行集成，其基本原理概括來(lái)講就是運(yùn)用光的反射原理，與雷達(dá)的工作原理比較相似。當(dāng)通信光纜中的某一位置因?yàn)橥饬Φ仍蚴沟闷渖⑸涮匦园l(fā)生了改變，當(dāng)有一束光脈沖通過(guò)該段光纜時(shí)，經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)之后會(huì)發(fā)生折射或者散射，這時(shí)候OTDR 就會(huì)在光纜的端口接收到返回來(lái)的信息，結(jié)合GIS技術(shù)，檢測(cè)人員便可以快速的定位到光纜的故障地點(diǎn)。OTDR 以其良好穩(wěn)定的光源，為故障點(diǎn)的精確定位和監(jiān)測(cè)提供了很好的保障，在通信光纜故障點(diǎn)定位系統(tǒng)中扮演這不可缺少的角色。

2 基于GIS技術(shù)的通信光纜故障定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)于通信光纜來(lái)說(shuō)，一旦出現(xiàn)故障如果不能快速及時(shí)的進(jìn)行搶修，勢(shì)必將會(huì)給造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而要想快速搶修，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的定位至關(guān)重要?；贕IS 技術(shù)的通信光纜故障點(diǎn)定位結(jié)合OTDR 為通行光纜故障點(diǎn)的快速、精準(zhǔn)定位提供了可能性。

2.1 總體設(shè)計(jì)思想

基于GIS 技術(shù)的通信光纜故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想應(yīng)該包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）通過(guò)地理定位功能與OTDR 技術(shù)，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出故障點(diǎn)到機(jī)房的距離，從而能夠精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)。

（2）精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)周邊的其他光纜，確定距離故障點(diǎn)最近的余纜桿點(diǎn)，提升光纜搶修速度。

（3）該系統(tǒng)要能夠滿足通過(guò)各種相關(guān)的關(guān)鍵詞能夠查詢到光纜信息，包括周圍的河流、房屋、街道等。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)地理信息轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入、交互、統(tǒng)一管理、操作等功能。

（5）除了上述功能之外，系統(tǒng)應(yīng)該還要具有靈活的地圖操管理功能，故障自動(dòng)報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備的日常管理等。

2.2 基本設(shè)計(jì)原則

圖1：數(shù)字化地圖

基于GIS 技術(shù)的通信光纜故障定位系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循整體性、結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性原則。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)整體性原則就是要從整體出發(fā)，在系統(tǒng)研發(fā)時(shí)要將各個(gè)階段進(jìn)行全局統(tǒng)一，始終貫穿系統(tǒng)工程；結(jié)構(gòu)性原則就是在設(shè)計(jì)時(shí)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)工具，使得系統(tǒng)層次分明，模塊功能清晰，便于分工協(xié)作，易于調(diào)試修改等；標(biāo)準(zhǔn)化原則體現(xiàn)的就是數(shù)據(jù)共享性，我們要將數(shù)據(jù)格式、軟硬件、設(shè)備等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互；最后開(kāi)放性原則就是面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)，可以更好的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及易維護(hù)性。

3 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

通信光纜故障檢修的難點(diǎn)在于故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。當(dāng)線纜線路發(fā)生故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)準(zhǔn)確并快速定位，同時(shí)檢修人員還可以直觀的看到故障點(diǎn)周圍的環(huán)境和其他情況，這是提高搶修效率的關(guān)鍵之處。接下來(lái)，筆者就基于GIS 技術(shù)的通信線纜故障點(diǎn)定位系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

3.1 地圖數(shù)字化處理

在整個(gè)系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)的內(nèi)容是數(shù)字化地圖，數(shù)字化地圖為系統(tǒng)提供了地理實(shí)體的空間和屬性信息，這些信息將成為系統(tǒng)后續(xù)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。從本質(zhì)上講，地圖數(shù)字化就是將地理實(shí)體轉(zhuǎn)換成為可計(jì)算的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、兼容、存儲(chǔ)等。在地圖數(shù)字化的過(guò)程中有以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

（1）地圖矢量化。紙質(zhì)地圖通過(guò)掃描實(shí)現(xiàn)矢量化，從而形成若干矢量化地圖，最后將這些矢量化地圖進(jìn)行拼接從而變成完整的矢量化地圖存入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）地圖矢量化后續(xù)處理。在紙質(zhì)地圖通過(guò)掃描轉(zhuǎn)化成為矢量化地圖與實(shí)際地圖之間存在一些誤差，那么接下來(lái)將存在誤差的矢量化地圖進(jìn)行糾正就非常重要，在GIS 中常用的糾正功能是仿射變換方法，通過(guò)該方法使得矢量化地圖精準(zhǔn)度更高。

（3）建立拓?fù)潢P(guān)系。建立拓?fù)潢P(guān)系就是要將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分層處理，建立網(wǎng)絡(luò)關(guān)系等。

（4）空間數(shù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。整個(gè)系統(tǒng)的核心內(nèi)容就是數(shù)據(jù)，沒(méi)有數(shù)據(jù)GIS 就無(wú)法實(shí)現(xiàn)它的功能。在GIS 中，地理空間數(shù)據(jù)有兩種展現(xiàn)形式，一種是空間地理位置信息，另外一種是地理圖形信息，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)是相輔相成的關(guān)系，將二者之間關(guān)聯(lián)起來(lái)這是GIS 能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的關(guān)鍵內(nèi)容。通過(guò)上述四個(gè)步驟我們可以得實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)字化，如圖1 所示。

圖2：曲線事件檢測(cè)流程

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)主要涉及到兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)是空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)是通過(guò)分層管理，通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速分類、分析、檢索。在設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)要遵循以下原則：

（1）同層數(shù)據(jù)類型要保持相同。

（2）同層數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。

（3）重點(diǎn)層中放高頻數(shù)據(jù)，次要層中方低頻數(shù)據(jù)。

對(duì)于屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，我們要滿足能夠?qū)€路情況（例如地形、河流、房屋等）了解詳細(xì)，所以屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)時(shí)要保證文本每一層對(duì)應(yīng)的一個(gè)屬性表。這里我們需要注意的是，SMID 是系統(tǒng)中具有唯一性的標(biāo)識(shí)碼，它與地理實(shí)體是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過(guò)這個(gè)唯一性標(biāo)識(shí)碼系統(tǒng)關(guān)聯(lián)到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，這樣我們就可以定位到故障點(diǎn)所處的空間位置信息。

4 OTDR功能實(shí)現(xiàn)

4.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范圍確定

要想更加準(zhǔn)確的判斷故障點(diǎn)的位置，就必須用到OTDR 技術(shù)，它主要的作用就是分析和檢測(cè)光纜的工作性能，判斷光纜是否出現(xiàn)了故障，通過(guò)OTDR 技術(shù)分析出故障點(diǎn)的位置與OTDR 測(cè)試波長(zhǎng)有關(guān)也與被監(jiān)測(cè)光纜的動(dòng)態(tài)范圍的選擇有關(guān)。首先，在進(jìn)行OTDR測(cè)試時(shí)，測(cè)試波長(zhǎng)的選擇至關(guān)重要。在通信光纜的傳輸過(guò)程中，多選擇波長(zhǎng)為1310nm 和1550nm 的傳輸波，根據(jù)兩種波長(zhǎng)的特性，我們?cè)贠TDR 測(cè)試波時(shí)應(yīng)該選擇1550nm 附近的波長(zhǎng)范圍才能夠得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。1625nm 波長(zhǎng)的對(duì)光纜變化敏感度最高，所以本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用了1625nm 的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試。其次，監(jiān)測(cè)距離和動(dòng)態(tài)范圍的確定。OTDR的監(jiān)測(cè)距離也被稱為RTU能夠監(jiān)測(cè)到的長(zhǎng)度，OTDR 監(jiān)測(cè)距離主要受到動(dòng)態(tài)范圍、傳輸損耗、接口損耗等因素決定，監(jiān)測(cè)距離計(jì)算公式如下：

公式中L 為所能夠監(jiān)測(cè)到的最長(zhǎng)距離；P 為動(dòng)態(tài)范圍；Ac為各種介質(zhì)損耗；通過(guò)上述公式我們可以確定OTDR 最長(zhǎng)監(jiān)測(cè)距離以及動(dòng)態(tài)范圍。最后，OTDR 曲線的獲得。當(dāng)通信光纜線路一旦出現(xiàn)中斷，光信號(hào)會(huì)在衰減出突然發(fā)生改變，通過(guò)OTDR 技術(shù)我們可以直接獲取到OTDR 曲線，通過(guò)對(duì)曲線進(jìn)行分析，便可以得到信號(hào)突變點(diǎn)距離機(jī)房的位置，結(jié)合GIS 技術(shù)檢修人員便可以迅速的了解到故障點(diǎn)的詳細(xì)情況。

4.2 OTDR曲線信號(hào)事件分析

OTDR 曲線上包含了4 項(xiàng)內(nèi)容即：盲區(qū)、非反射事件、反射事件、光纖末端，我們對(duì)OTDR 曲線進(jìn)行分析主要目的就是從OTDR曲線中找出熔接點(diǎn)、光纖斷電、光纖尾端等事件，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的定義文本類型來(lái)區(qū)分是哪種事件，然后采用回歸分析中的預(yù)測(cè)模型來(lái)對(duì)OTDR 曲線事件進(jìn)行定位，之后會(huì)在系統(tǒng)中生成一張事件圖表，將所分析出的事件通過(guò)圖表呈現(xiàn)出來(lái)。呈現(xiàn)事件的圖表主要包含了這幾項(xiàng)內(nèi)容：事件點(diǎn)具體位置也就是說(shuō)事件點(diǎn)到被測(cè)光纖的距離，事件點(diǎn)衰減，光纖線路上的每公里損耗以及Y 軸上的光功率強(qiáng)度。

為了能夠準(zhǔn)確的分析出曲線事件，我們必須要噪聲抑制，最大程度上突出有用信息。因此，我們要將高頻信息進(jìn)行過(guò)濾，減弱噪聲之后方可以進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。這樣曲線中的噪聲充分的得到了弱化，而有用信息得到了加強(qiáng)而更多的保留在了曲線中，非常有利于確定曲線事件點(diǎn)的具體位置，具體的曲線事件檢測(cè)流程如圖2 所示。

4.3 故障定位的算法

通信光纜故障點(diǎn)能否準(zhǔn)確進(jìn)行距離定位關(guān)鍵點(diǎn)在與算法的精準(zhǔn)性，因此簡(jiǎn)單、快速、精準(zhǔn)是通信光纜故障定位算法的特點(diǎn)。當(dāng)通信光纜出現(xiàn)故障時(shí)，我們借助OTDR 技術(shù)獲得相對(duì)應(yīng)的曲線，通過(guò)對(duì)曲線分析得到故障點(diǎn)到機(jī)房的距離，然后我們通過(guò)故障定位算法，可以更加準(zhǔn)確的知道故障點(diǎn)位于機(jī)房的哪里，然后通過(guò)GIS 定位找出故障點(diǎn)的具體地理位置，從而可以進(jìn)行快速的搶修。本系統(tǒng)中所采用的故障點(diǎn)定位算法公式如下所示：

公式中XF和YF分別是故障點(diǎn)的X 坐標(biāo)軸和Y 坐標(biāo)軸位置，XN是同RN相對(duì)應(yīng)的余纜桿點(diǎn)在X 軸上的位置，同理有XN-1，相對(duì)應(yīng)的有YN、YN-1等Y 軸坐標(biāo)位置。為RN對(duì)應(yīng)余纜桿點(diǎn)到機(jī)房的長(zhǎng)度，同理有D 為OTDR 的測(cè)試距離，也就是到中心機(jī)房的實(shí)際距離。

5 故障判斷

實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)由若干條完整曲線組成，這些曲線均采用相同的OTDR 測(cè)試儀器所獲得的，每條曲線由25001 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)組成，對(duì)所有檢測(cè)點(diǎn)從序號(hào)0 開(kāi)始編號(hào)直到25000（[0,25000]）。這些檢測(cè)點(diǎn)中，前一部分屬于噪音比較小，因此曲線信息非常明顯，正如上文所述，這一部分的事件的識(shí)別工作比較好實(shí)現(xiàn)。光纖故障判斷首先是通過(guò)OTDR 所采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)上述的事件判斷方法對(duì)事件點(diǎn)進(jìn)行判斷，將所得到的事件曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較，得出該點(diǎn)的事件屬于那種類型，然后產(chǎn)生相應(yīng)的警報(bào)。一旦發(fā)生了故障，之后GIS 系統(tǒng)會(huì)將事件點(diǎn)的地理信息以及其他相關(guān)信息進(jìn)行定位，檢修人員可以從屏幕上直觀的看到地理危害信息以及地圖圖形，確定具體是哪里出現(xiàn)了故障（誤差在5m 之內(nèi)），便可以直接到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搶修。

6 總結(jié)

通過(guò)本系統(tǒng)，實(shí)體地理轉(zhuǎn)化成為了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器中，操作人員可以隨時(shí)調(diào)取所需信息，一目了然。一旦通信光纜出現(xiàn)了故障，通過(guò)操作系統(tǒng)，搶修人員可以第一時(shí)間知道故障點(diǎn)的具體位置以及故障點(diǎn)相關(guān)的其他信息，為維修人員縮短搶修時(shí)間提供了保障。