智能光纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用淺析

蔡權(quán)慧, 田 雷

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088;2.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230081)

1 系統(tǒng)建設(shè)背景

2019年全國取消高速公路省界收費(fèi)站項(xiàng)目的實(shí)施，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)方式的改變，使得收費(fèi)站、ETC門架系統(tǒng)車輛交易流水的生成對遠(yuǎn)程后臺數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時性要求更高，高速公路光傳輸網(wǎng)作為主用鏈路——承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾d體，其運(yùn)行的穩(wěn)定性，決定了整個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。雖然目前大部分省份采用電信/移動/聯(lián)通運(yùn)營商專線或物聯(lián)網(wǎng)作為備用鏈路，但是若主用鏈路可靠性和實(shí)時性得不到保證，這將造成備用鏈路流量的劇增，這無疑給各省經(jīng)營主體增加了運(yùn)營負(fù)擔(dān)。

因此，保證光傳輸網(wǎng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行就顯得非常的重要和必要。傳輸網(wǎng)是由光傳輸設(shè)備加光纜構(gòu)成的。隨著光傳輸網(wǎng)的大量建設(shè)，傳輸設(shè)備自身運(yùn)行情況的監(jiān)控和管理已經(jīng)完善且穩(wěn)定。但是，作為光傳輸 網(wǎng)的另一重要組成部分——光纜，其運(yùn)行情況一直沒有一套很好的監(jiān)測和維護(hù)方案。長期以來，光纜的維護(hù)一直靠建設(shè)單位的維護(hù)人員利用簡單的儀器加上自身多年累積的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行維護(hù)。很多時候由于外力破壞和自然環(huán)境的影響，光纜的維護(hù)依靠人工既艱難煩瑣又效率低下。維護(hù)人員 因此承受著很大的工作壓力和高負(fù)荷的工作量。因此，針對光纜建設(shè)一套智能分析、監(jiān) 測、保護(hù)、管理系統(tǒng)就顯得十分必要。

根據(jù)目前對光纜線路維護(hù)管理模式的調(diào)查，主要存在以下問題：

(1)光纜長途干線多，距離長，地形復(fù)雜，維護(hù)困難。

(2)道路主體工程養(yǎng)護(hù)臨時施工、交通事故、人為破壞等，容易造成光纜中斷。

(3)無法判斷光纜衰耗進(jìn)程，難以解決信號質(zhì)量下降及光纜中斷的潛在風(fēng)險。

(4)人為接線錯誤或光纜接頭松動導(dǎo)致的故障排查困難。

(5)無法對業(yè)務(wù)光纜進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。

(6)故障定位不準(zhǔn)確，監(jiān)測精度差。

(7)光纜使用隨意性較大，每次新增業(yè)務(wù)需要對光纜現(xiàn)狀進(jìn)行摸底，耗時耗力。

對光纜線路的實(shí)時監(jiān)測，動態(tài)地觀察光纜線路傳輸性能的劣化情況，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)報光纜隱患，提高光纜監(jiān)測的全局化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時化、數(shù)據(jù)化網(wǎng)絡(luò)管理，以降低光纜阻斷的發(fā)生率，縮短光纜的故障時間顯得至關(guān)重要。

智能光纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)人力監(jiān)測相比，有以下優(yōu)勢：

(1)大幅降低運(yùn)維成本：通過在光傳輸網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分布式部署智能光纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于云服務(wù)、大數(shù)據(jù)的光纖在線監(jiān)測運(yùn)維管理模式，大幅度降低通信光纜運(yùn)維的設(shè)備成本、培訓(xùn)成本、人力成本、檢修成本。

(2)提前預(yù)知故障風(fēng)險：通過在光傳輸網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分布式部署智能光纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長時間光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)的精細(xì)化分析，根據(jù)衰耗數(shù)據(jù)曲線、時間數(shù)據(jù)曲線、季節(jié)數(shù)據(jù)曲線、環(huán)境數(shù)據(jù)曲線等多維度預(yù)先判斷可能存在的光纜故障風(fēng)險，提前防范與處理。

(3)提高運(yùn)維服務(wù)質(zhì)量：通過在光傳輸網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分布式部署智能光纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)，在光纜故障出現(xiàn)后能夠快速準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)并提供故障分析，大幅度提高故障處理效率；同時在光纜故障出現(xiàn)前提供風(fēng)險告警，防患于未然，為提高運(yùn)維服務(wù)質(zhì)量提供有力的技術(shù)與數(shù)據(jù)支撐平臺。

2 技術(shù)簡介

2.1 OTDR

現(xiàn)階段，國內(nèi)外在光纖傳感技術(shù)中較為普遍的應(yīng)用是光時域反射儀(optical time-domain reflectometer,OTDR)，OTDR在精準(zhǔn)時鐘電路的控制之下，按照設(shè)定的參數(shù)向光口發(fā)射光脈沖信號，之后OTDR不斷地按照一定的時間間隔從光口接收從光纖中反射回的光信號，分別按照瑞利背向散射(測試光纜的損耗)和菲涅爾反射(測試光纜的反射)的原理對光纖進(jìn)行相應(yīng)的測試(圖1)。

圖1 測試原理圖

瑞利散射是由于光信號沿著光纖產(chǎn)生無規(guī)律的散射而形成，光纜測試單元測量回到發(fā)射端口的一部分散射光，這些背向散射信號表明了由光纖而導(dǎo)致的衰減(損耗/距離)程度，形成的軌跡是一條向下的曲線，它說明了背向散射的功率不斷減小，這是由于經(jīng)過一段距離的傳輸后發(fā)射和背向散射的信號都有所損耗。另一方面，菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個別點(diǎn)而引起的，這些點(diǎn)是由造成反向系數(shù)改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙。在這些點(diǎn)上，會有很強(qiáng)的背向散射光被反射回來。

根據(jù)不同的曲線、時間點(diǎn)，判斷出光纖問題所在。如焊接點(diǎn)、過度彎曲點(diǎn)和斷裂點(diǎn)等。根據(jù)分析出來的問題點(diǎn)及時定位、搶修、恢復(fù)等操作?？刹樵?nèi)」饫|空余纖芯的剩余情況，當(dāng)空余纖芯被使用時，系統(tǒng)可發(fā)出報警，并顯示出具體的路段位置及纖芯編號。

決定OTDR的性能參數(shù)主要有：動態(tài)范圍、盲區(qū)、脈寬寬度。

動態(tài)范圍：動態(tài)范圍是一個重要的 OTDR 參數(shù)。此參數(shù)揭示了從 OTDR 端口的背向散射級別下降到特定噪聲級別時 OTDR 所能分析的最大光損耗，是最長的脈沖所能到達(dá)的最大光纖長度。因此，動態(tài)范圍(單位為 dB)越大，所能到達(dá)的距離越長。顯然，最大距離在不同的應(yīng)用場合是不同的，因?yàn)楸粶y鏈路的損耗不同。連接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大長度的因素。因此，在一個較長時段內(nèi)進(jìn)行平均并使用適當(dāng)?shù)木嚯x范圍是增加最大可測量距離的關(guān)鍵。大多數(shù)動態(tài)范圍規(guī)格是使用最長脈沖寬度的三分鐘平均值、信噪比 (SNR)=1(均方根 (RMS) 噪聲值的平均級別)而給定。

事件盲區(qū)：是指菲涅耳反射發(fā)生后OTDR可檢測到另一個連續(xù)反射事件的最短距離。根據(jù)Telcordia系列標(biāo)準(zhǔn)，事件盲區(qū)是反射級別從其峰值下降到-1.5 dB處的距離， OTDR 的事件盲區(qū)盡可能短非常重要，這樣才可以在鏈路上檢測相距很近的事件。例如，在建筑物網(wǎng)絡(luò)中的測試要求 OTDR 的事件盲區(qū)很短，因?yàn)檫B接各種數(shù)據(jù)中心的光纖跳線非常短。如果盲區(qū)過長，一些連接器可能會被漏掉，技術(shù)人員無法識別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難。

衰減盲區(qū)：OTDR衰減盲區(qū)是指菲涅耳反射發(fā)生后OTDR能精確測量連續(xù)非反射事件損耗的最小距離。根據(jù)Telcordia系列標(biāo)準(zhǔn)，衰減盲區(qū)是從反射事件發(fā)生時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的0.5 dB。因此，衰減盲區(qū)通常比事件盲區(qū)要長(圖2)。

圖2 盲區(qū)示意圖

脈沖寬度：在光功率大小恒定的情況下，脈沖寬度的大小直接影響著光的能量的大小，光脈沖越長光的能量就越大。同時脈沖寬度的大小也直接影響著測試盲區(qū)的大小，也就決定了兩個可辨別事件之間的最短距離，即分辨率。如下圖所示，測量同一條光纜時，由于采用不同的脈沖寬度，測量結(jié)果中的盲區(qū)范圍、信噪比、分辨率都不相同。最短的脈沖寬度得到了最小的盲區(qū)，但是信噪比最大；最長的脈沖寬度獲得了最小的信噪比(平滑曲線)，但盲區(qū)達(dá)到1 km以上。

2.2 Coherent-OTDR

Coherent-OTDR采用相干探測技術(shù)，將瑞利背向散射(測試光纜的損耗)和菲涅爾反射(測試光纜的反射)信號的功率集中在一個外差中頻上，通過解調(diào)中頻信號的功率即可獲得實(shí)際信號功率的大小。通過在中頻信號處設(shè)置一個帶通濾波器，從而濾除大部分噪聲功率，維持Coherent-OTDR較高的動態(tài)范圍。同時，采用FSK(移頻鍵控)技術(shù)消除因?yàn)榻?jīng)過EDFA(摻餌光纖放大器)時的光浪涌。

Coherent-OTDR技術(shù)，不是使用單脈沖技術(shù)，而是使用了低功率數(shù)字編碼激光器，不僅產(chǎn)生少量單脈沖，并且產(chǎn)生大量連續(xù)不間斷的調(diào)制脈沖，都注入被監(jiān)測光纖中。反射信號被收集，解調(diào)，通過獨(dú)特的算法運(yùn)算，得到光鏈路的長度、損耗、接頭、故障位置等。采用Coherent-OTDR技術(shù)，光鏈路的長度計算不是基于脈沖的寬度，因此可以精確定位任何超過閾值的反射點(diǎn)，并且可以在整個光鏈路的范圍內(nèi)精度達(dá)到1米。由于該技術(shù)采用了低功耗激光器，光電檢測器的恢復(fù)時間可以忽略不計，因此不存在盲區(qū)。與OTDR相比，Coherent-OTDR技術(shù)有如下優(yōu)勢：

(1)OTDR是強(qiáng)光監(jiān)測，有盲區(qū)。Coherent-OTDR是弱光監(jiān)測，沒有盲區(qū)，事件是有很多個弱光脈沖累積的監(jiān)測結(jié)果。

(2)在50～80km的范圍，由于OTDR是單個脈沖，監(jiān)測距離越遠(yuǎn)，光能量越弱，需要增大脈寬，這時候會導(dǎo)致監(jiān)測精度大大下降，而Coherent-OTDR沒有降低，它通過調(diào)整脈沖序列和數(shù)量和波形，獲取累積結(jié)果，一樣保證精度。

(3)Coherent-OTDR有快速模式和高精度模式，這是自動處理的。通常光纜斷纖的事件監(jiān)測上報是10多秒的時間，然后系統(tǒng)立刻啟動高精度模式(1 m精度)，通過5 min左右，給出斷點(diǎn)的精確位置。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)組成

智能光纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)由光網(wǎng)絡(luò)信息管理軟件，檢測中心和遠(yuǎn)端監(jiān)測站(RTU)組成(圖3)。RTU 設(shè)置應(yīng)結(jié)合本工程光纜維護(hù)分區(qū)和維護(hù)方式來確定。

圖3 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖

監(jiān)測中心設(shè)置在中心機(jī)房(可根據(jù)需求設(shè)置)，安裝監(jiān)控系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)光纜監(jiān)測信 息的采集、匯總和存儲。各 RTU 監(jiān)測信息需同時上傳到監(jiān)測中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理以及存儲。

監(jiān)控站配置 RTU 單元，每個 RTU 單元配置實(shí)時監(jiān)測模塊，每個模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測光纖線路。

監(jiān)控中心配置監(jiān)控服務(wù)器并安裝監(jiān)控軟件系統(tǒng)，可擴(kuò)展磁盤陣列及備用服務(wù)器等系統(tǒng)加固 設(shè)備，還可以擴(kuò)展監(jiān)控網(wǎng)元，接入更多 RTU 設(shè)備。各區(qū)管理人員可通過安裝了客戶端軟件的內(nèi) 網(wǎng)計算機(jī)直接訪問監(jiān)控系統(tǒng)平臺，也可以通過安裝了客戶端軟件的外網(wǎng)計算機(jī)通過防火墻訪問 監(jiān)控系統(tǒng)平臺。

3.2 監(jiān)測方式

按監(jiān)測光路的連接方式，智能光纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)可分為業(yè)務(wù)纖芯監(jiān)測和備用纖芯監(jiān)測兩種方式。在告警反映實(shí)時性上，在線監(jiān)測方式要優(yōu)于備纖監(jiān)測方式；在系統(tǒng)的可靠性上，備纖監(jiān)測方式由 于不介入通信設(shè)備與線路，因此其系統(tǒng)可靠性最高；在實(shí)施上，備纖監(jiān)測方式難度最小。

3.2.1 業(yè)務(wù)纖芯監(jiān)測方式

業(yè)務(wù)纖芯監(jiān)測是把監(jiān)測信號與通信信號共同注入同一根光纖，通過業(yè)務(wù)纖芯來觀察光纖的損耗情況(圖4)。

圖4 業(yè)務(wù)纖芯監(jiān)測示意圖

由于監(jiān)測信號與通信信號在同一根光纖，因此能直接客觀地反映通信光纖的損耗情況。而且可以在不中斷通信設(shè)備工作的情況下進(jìn)行光纖損耗的測量，但需要增加相應(yīng)的濾波器等相關(guān)光無源器件，同時由于濾波器與合波器的引入會造成相應(yīng)的插入損耗，會造成通信信號相應(yīng)的衰減，因此對通信光纖與通信設(shè)備有一定門限要求。

業(yè)務(wù)纖芯監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)：① 可以實(shí)時直接監(jiān)測業(yè)務(wù)纖芯的損耗；② 具有發(fā)現(xiàn)彎曲光纖漏光竊聽的功能。

業(yè)務(wù)纖芯監(jiān)測的缺點(diǎn)：① 在系統(tǒng)安裝調(diào)試時需要中斷業(yè)務(wù)纖芯的通信；② 需要串入合波器與濾波，會增加系統(tǒng)的損耗。

3.2.2 備用纖芯監(jiān)測方式

光纖備纖監(jiān)測是把監(jiān)測信號注入備用光纖，通過監(jiān)測備纖的損耗情況來間接觀察光纜的損耗情況，同樣可以判斷光纜中斷情況，及時定位斷點(diǎn)位置信息(圖5)。

圖5 備用纖芯監(jiān)測示意圖

由于監(jiān)測信號在備用光纖，因此不需要濾波器等光無源器件，可以有效地減少系統(tǒng)成本，并且不會帶來相應(yīng)的插入損耗問題。

備纖監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)：① 系統(tǒng)的安裝調(diào)試不影響原有業(yè)務(wù)的通信；② 不會給系統(tǒng)增加額外的損耗與故障點(diǎn)；③ 系統(tǒng)安裝簡單，不需要合波器與濾器；④ 只需在一端安裝設(shè)備，遠(yuǎn)端無須施工，節(jié)省了大量的施工時間和工作量。

4 結(jié)束語

光纜監(jiān)測系統(tǒng)在通信、交通、電力等行業(yè)都有應(yīng)用，經(jīng)調(diào)查，大部分實(shí)施的光纜監(jiān)測系統(tǒng)，從經(jīng)濟(jì)性考慮，目前普遍做法是通過檢測光纜中某幾芯備用光纖來綜合評價整根光纜的情況，但是卻無法了解整根光纜使用情況，若對整根光纜纖芯均進(jìn)行監(jiān)測，則存在以下問題：

(1)受激光器件的影響，一臺設(shè)備同時進(jìn)行監(jiān)測的光纖芯數(shù)不超過5芯，想要利用一臺設(shè)備實(shí)現(xiàn)對更多光纜的監(jiān)測，只能靠輪詢，考慮時間及實(shí)用性問題，一臺OTDR設(shè)備最多能監(jiān)測的極限芯數(shù)為168芯，超過此規(guī)模需要增加監(jiān)測設(shè)備。一臺Coherent-OTDR設(shè)備能監(jiān)測的芯數(shù)相較就要少些。

(2)如果對業(yè)務(wù)纖芯進(jìn)行監(jiān)測，不僅引入系統(tǒng)的損耗，如OTN等對光路要求較高的系統(tǒng)，因此，而且也會增加投資一般不建議采用。

(3)對備用纖芯均進(jìn)行監(jiān)測，投資較大，但是對于高速公

路，其成帶狀分布，收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)分布較為密集，而高速公路通信專網(wǎng)通信設(shè)備以其為單位進(jìn)行布設(shè)，且沿線外場監(jiān)控設(shè)備較多，對光纜的切割較為頻繁，同時光纜的局部使用較多，由于缺乏有效的制度，使用隨意性也較大，因此從全局很難了解整個光纜的使用情況，若進(jìn)行光纜規(guī)模使用需進(jìn)行人工摸查，不僅耗時耗力，且搜集的資料往往跟現(xiàn)場情況差異較大。

因此實(shí)施光纜監(jiān)測系統(tǒng)，不僅要綜合考慮造價問題，還要從實(shí)際需求方面出發(fā)，選擇合理的方案。