通信光纜線路中故障點智能定位檢測技術(shù)

高鑄 田遠男

【摘要】光纜線路是利用光導纖維構(gòu)成的光纜作為傳輸線路，廣泛應用于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡當中。隨著通信光纜大規(guī)模敷設(shè)，光纜線路故障以及外力造成的破壞，會對通信傳輸造成巨大影響，因此，光纜線路的可靠性和安全性，成為人們關(guān)注的焦點。為快速準確的對光纜故障進行定位，本文對基于GIS與OTDR技術(shù)的光纜線路故障定位檢測技術(shù)進行研究，試圖為之提供行之有效的可行性建議。

【關(guān)鍵詞】通信光纜;故障點;光時域反射儀;定位檢測

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）012-127-03

Abstract： The optical cable line is a transmission line made of optical fiber， which is widely used in modern communication networks. With the large-scale laying of communication optical cables， the failure of optical cable lines and the damage caused by external forces will have a great impact on communication transmission. Therefore， the reliability and safety of optical cable lines have become the focus of attention. In order to locate the optical cable fault quickly and accurately， this paper studies the optical cable fault location and detection technology based on GIS and OTDR technology， trying to provide effective feasible suggestions.

Keywords：Communication optical cable; Fault point; Optical time domain ： Positioning detection

通信光纜（Communication Optical Fiber Cable）是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡中的重要組成部分，也是電信運營商業(yè)務承載的主要平臺。通信光纜得到大范圍推廣應用，主要依賴于其通信容量大、傳輸距離長、抗磁干擾能力強等優(yōu)勢，在有線傳輸領(lǐng)域已經(jīng)成為首選。隨著通信光纜的普及應用，光纜線路日常維護和故障處理成為確保通信傳輸質(zhì)量的重要工作。通信光纜主要是由玻璃纖維制作而成，因此，在日常運行過程中，會受到多種因素的影響，導致通信光纜線路損壞，從而影響正常通信。近年來，我國通信光纜線路建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，通信光纜故障發(fā)生的概率也在逐年上升，嚴重影響了通信傳輸質(zhì)量、設(shè)備運行效果等。由于傳統(tǒng)的人工光纜故障檢測技術(shù)，無法滿足通信光纜故障快速準確定位需求，光纜線路維護質(zhì)量和故障搶修效率達不到實際要求。因此，需要結(jié)合現(xiàn)代科學技術(shù)的優(yōu)勢，解決當前光纜線路故障無法精準定位、快速檢修的問題。

1. 通信光纜的特性評價

隨著社會的不斷發(fā)展進步，人們信息交換的需求量與日俱增，為了有效提升信息傳輸容量，需要通過更高的載體頻率、更快的傳輸效率來滿足現(xiàn)代社會信息交換的需求。光波就成為了研究重點，光纖通信具有很大的容量，如果多束不同波長的激光加注到同一根光纖中進行通信傳輸，其通信容量將獲得無限擴展。通信光纜具有以下特性：

1.1 通信容量大，傳輸距離長

通信光纜使用的光波具有超高頻率，通常為1014Hz，因此，通信光纜具有極大的通信容量。研究得知，一根光纖可以同時傳輸近100億路電話和1000萬路電視節(jié)目。由于光波衰減較低，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離中繼傳輸?，F(xiàn)階段，使用的通信光纜主要為石英光纖，在1.55μm波長區(qū)間內(nèi)，石英光纖的衰減系數(shù)僅為0.2dB/km，遠低于其他通信線路的衰減系數(shù)。由石英光纖組成的通信光纜最大中繼距離可以達到200km以上，遠高于其他通信線路系統(tǒng)中繼距離。未來發(fā)展衰減系數(shù)更低的非石英系光纖，衰減系數(shù)低至10-5～10-3dB/km，通信光纜中繼距離可達到數(shù)萬千米，這樣就可以在不設(shè)中繼系統(tǒng)的情況下進行信息傳輸，有效地降低通信成本，提高信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性及可靠性。

1.2 抗電磁干擾能力強，傳輸質(zhì)量優(yōu)越

信息傳輸過程中需要具備一定的抗干擾能力，否則將會影響信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。通信傳輸?shù)闹饕蓴_源包括：雷電、電離層變化、太陽黑子活動等自然因素，電動機、高壓電力線以及無線電通信之間相互干擾。通信光纜使用光載波頻率極高，不會受到以上因素的干擾，有效地提升了通信傳輸?shù)馁|(zhì)量。

1.3 信號串擾小，保密性良好

通信光纜具有較強的保密性。光波在光纖中傳輸，漏出光纖的光波十分微弱，如果在光纖或者光纜表面如上一層消光劑，光纖中的光波會得到有效保護?？梢杂行П苊庠谌粘Ｍㄐ胖谐Ｒ姷木€路之間的串擾現(xiàn)象，同時也不會干擾其他通信設(shè)備或者測試儀器。

1.4 原料來源豐富，節(jié)約資源

傳統(tǒng)有線傳輸?shù)木€纜是由銅、鋁、鉛等金屬材料制成，其中銅屬于有限資源，通信光纜采用石英制作，其來源非常豐富。如果用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬線纜，在保持同樣的傳輸容量下，僅需要10kg石英。因此，通信光纜技術(shù)的推廣應用可以有效節(jié)約有色金屬材料，實現(xiàn)資源的有效利用。

1.5 重量輕，便于運輸和敷設(shè)

光前的芯徑很細，只有單管同軸光纜芯徑的1%，利用通信光纜質(zhì)量輕、尺寸小的特點，有效地解決了地下隧道擁擠的問題，節(jié)省了隧道的建設(shè)投資成本。此外，光纜適應性強，壽命長，可以廣泛應用于測控、傳感、自動化控制以及醫(yī)療衛(wèi)生等方面。

2. 通信光纜常見故障及成因

通信光纜作為信息傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，運行的安全性和可靠性將直接影響著整個通信網(wǎng)絡的安全性。一旦通信光纜線路發(fā)生故障，將極大地影響各行業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。因此，保障光纜通信暢通至關(guān)重要，需要通過科學有效的故障檢修和維修技術(shù)，確保通信光纜的可靠運行。因此，下文對通信光纜常見故障進行分析：

2.1 通信光纜中斷以及接頭故障

通信光纜在敷設(shè)安裝過程中，時常會因為施工操作不當引起中斷或者接頭故障。例如：通信光纜線路引線未按照國家規(guī)定的標準和流程進行接地處理，接地電阻過大，導致電流通過時，出現(xiàn)放電現(xiàn)象，致使鋼絞線燒毀，嚴重時還會威脅到人們的生命安全。光纜線路接頭故障也會對通信光纜的穩(wěn)定運行造成影響。

2.2 通信光纜自身損傷

通信光纜是由纜芯、加強構(gòu)件、保護層和填充物等部分組成，在線纜外部還有防水層、緩沖層、絕緣金屬導線等構(gòu)件。但是，線纜的纜芯強度和柔韌度較差，為了達到實際使用的要求，在光纜制造過程中，裸光纖從高溫爐中拉出后進行涂覆。經(jīng)過涂覆后光纖才能用來制造光纜滿足通信傳輸?shù)囊?。在日常使用中以及施工中，如果通信光纜的覆蓋保護套出現(xiàn)損傷，會在一定程度上影響通信光纜運行的穩(wěn)定性。

2.3 電腐蝕引發(fā)的通信光纜故障

通信光纜的電化學腐蝕，主要是指線纜在發(fā)生氧腐蝕的表面會形成許多直徑不等的小鼓包，次層是黑色粉末狀潰瘍腐蝕坑陷。通信光纜線路在敷設(shè)過程中，線路之間距離較近時，光纜線路發(fā)生接觸，將會造成通信光纜線路電腐蝕作用，引發(fā)故障問題。通信光纜線路在使用過程中，隨著時間的推移，會積累大量的灰塵，這些灰塵和雜質(zhì)一旦受到空氣濕度較高環(huán)境影響、靜電作用，就發(fā)生放電現(xiàn)象，導致通信光纜線路的保護層發(fā)生脫落，通信光纜內(nèi)部纖細也可能發(fā)生斷裂情況，從而導致通信光纜線路出現(xiàn)故障。

3. 通信光纜故障定位檢測的關(guān)鍵技術(shù)

通信光纜的維護工作可以有效確保光纜正常運行，降低故障發(fā)生概率。通信光纜故障可以分為兩個部分，首先是光纜本身的損傷，例如：光纜接線頭故障。光纜線內(nèi)機能發(fā)生了變化、光纜纖芯傳輸性能發(fā)生了變化。隨著通信光纜的大規(guī)模使用，光纜維護和故障檢測工作越來越受到重視。早期的光纜維護和故障檢測主要依靠人工進行，維護效率低而且故障檢測準確性較差。隨著通信光纜敷設(shè)范圍擴大，光纜線路故障造成通信中斷，會造成巨大的經(jīng)濟損失。人工巡檢工作強度不斷提升，故障響應速度由人而定，如果值班人員和維護人員之間配合不當，將直接影響光纜線路的搶修進度，人工巡檢無法滿足高質(zhì)量通信傳輸?shù)男枰?。因此，需要借助現(xiàn)代化的科學技術(shù)，提升通信光纜維護和檢測效率。常見的故障檢測系統(tǒng)和技術(shù)分為以下類型：

3.1 備纖檢測

當通信光纜有空閑備纖的情況下，可以選用備纖檢測方式。通信光纜檢測系統(tǒng)主要是對光纜的光功率進行監(jiān)控，判斷是否存在故障。當出現(xiàn)異常時，檢測系統(tǒng)將對通信光纜進行測試，以獲取光纜的故障點所在位置。而通信光纜備纖監(jiān)測主要針對無業(yè)務的備用纖芯進行監(jiān)測。

3.2 在線檢測技術(shù)

當通信光纜沒有空閑備纖時，可以選擇在線檢測方式。通信光纜在在線檢測系統(tǒng)主要是利用光時域反射儀（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）與光傳輸設(shè)備工作波長不同的測試進行實時在線檢測，采用與光傳輸設(shè)備工作波長不同進行在線檢測，利用波分復用器、濾光器和光開關(guān)、波分復用技術(shù)，可以實時對被檢測光纜線路運行狀況進行實時監(jiān)控。

3.3 離線檢測技術(shù)

當通信光纜空閑備纖資源緊張時，還可考慮選用離線檢測方式。離線檢測是指在通信光纜停止使用過程中，進行定期維護，更換或者剝離通信光纜線路，對被檢測通信光纜運行狀況進行維護檢測。

3.4 跨段檢測

通過配置有源設(shè)備和無源光器件，對通信光纜某段進行遠程在線、離線檢測。此外，在具備不同路由光纜的前提下，需要實現(xiàn)不同路由光纖自動切換保護功能時，還可采用保護監(jiān)測方式或與其它監(jiān)測方式相結(jié)合。

4. 智能定位檢測技術(shù)的設(shè)計和實現(xiàn)

通信光纜線路通常采用光纜隧道進行敷設(shè)，長距離傳輸判定光纜線路需要維護和保養(yǎng)的范圍較大。由于通信光纜主要是由玻璃纖維制成，通常外徑為125μm，雖然，光纜本身利用PBT、加強芯、油膏和塑料外套進行保護，但是，由于人為搬運、大面積敷設(shè)易發(fā)生折斷現(xiàn)象。再加上光纜接頭盒變質(zhì)、光纜線路老化等因素，會導致光纜線路傳輸故障。由于通信線路較長，周邊環(huán)境的復雜性和自然因素的不確定性，給通信光纜線路的維護帶來諸多不便。因此，需要通過引進現(xiàn)代化技術(shù)，提高通信光纜線路維護管理效率。因此，本文研究的通信光纜線路故障定位監(jiān)測技術(shù)利用光時域反射儀（OTDR），通過智能鏈路可以進行智能OTDR分析，并且將測試結(jié)果以圖像形式進行可視化顯示，技術(shù)人員可直接讀取光纜線路暢度、損耗情況，幫助技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)通信光纜中的故障點。

4.1 智能故障定位檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于GIS和OTDR技術(shù)的通信光纜故障點智能定位系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，包括：地圖管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、通信光纜管理模塊、應急保障模塊四大部分，地圖管理模塊具備基礎(chǔ)圖形編輯、地圖查詢、格式轉(zhuǎn)換以及圖形輸出功能;數(shù)據(jù)處理模塊包括：數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)獲取、用戶管理功能;通信光纜管理模塊包括：光纜數(shù)據(jù)管理、光纜查詢統(tǒng)計、光纜故障點定位功能;應急保障模塊包括故障輔助決策以及空間分析功能，如圖1所示。通信光纜線路故障點智能定位檢測系統(tǒng)融合了現(xiàn)代通信技術(shù)、光學測量技術(shù)、地理信息系統(tǒng)以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等先進技術(shù)?？梢愿鶕?jù)用戶需求提供個性化的解決方案，借助強大的網(wǎng)絡連接檢，提供工作效率。

4.2 光時域反射儀的技術(shù)實現(xiàn)

基于GIS和OTDR技術(shù)的通信光纜線路故障點智能檢測系統(tǒng)，融合了地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和光時域反射儀技術(shù)（optical time-domain reflectometer，OTDR）。其中GIS系統(tǒng)主要是采集、存儲、管理通信光纜線路周圍的空間和地理分布信息，為通信光纜維護和資源管理提供地理信息數(shù)據(jù)平臺。光時域反射儀工作原理是將一束很窄的激光脈沖通過光纖耦合器以較小的角度傳入光纖，該光線將在光纖中沿與入射方向一致的方向傳播。光纖通常由石英晶體組成，并且光纖中各個點的折射率是不均勻的，因此，光線在光纖中傳播時會連續(xù)的產(chǎn)生瑞利背向散射，部分光能量偏離原來的傳播方向，此時光時域反射儀就能夠收集這些反射光，并完成測量。入射激光脈沖反饋的光能量，用連接器接入射到光纖的激光脈沖與反射回來的信號分離后，輸入到光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，完成瑞利背向散射光信號接收和測試工作，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過信號器進行處理，滿足A/D采樣信號的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在DSP及邏輯控制的作用下對采樣信號進行累加求和，最終將結(jié)果以波形的形式通過顯示單元顯示出來。

4.3 智能故障定位檢測系統(tǒng)功能設(shè)計

基于GIS和OTDR技術(shù)的通信光纜故障點智能定位系統(tǒng)，可以提供精確的故障點定位功能。通信光纜常見故障為斷路，當某段通信光纜發(fā)生斷路時，光信號的衰減會在該斷路處急劇增高，可以用通信光纜故障點智能定位系統(tǒng)檢測光信號的衰減，從而得到OTDR測試曲線，用小波變換與BP算法結(jié)合分析OTDR曲線，準確的得到通信光纜某處斷路點到機房的距離，然后利用通信線路屬性表中的到機房距離字段，測量這個距離的數(shù)值。因此，該系統(tǒng)具備故障點周圍情況監(jiān)測功能。主要是檢測通信光纜故障點周圍是否有影響故障維修和到達故障點的因素。借助通信光纜故障點智能定位系統(tǒng)，查詢通信光纜故障點周圍情況。對于地理空間的數(shù)據(jù)空間查詢實現(xiàn)，可以通過與通信光纜故障點周圍被測距離的空間信息查詢，從而得到測量距離范圍內(nèi)的地理數(shù)據(jù)信息。這種查詢方式利用了地理信息系統(tǒng)空間信息與屬性信息緊密結(jié)合的特點，能夠更直觀、更形象的實現(xiàn)通信光纜故障周圍信息的查詢。

此外，當通信光纜發(fā)生故障時，基于GIS和OTDR技術(shù)的通信光纜故障點智能定位系統(tǒng)可以進行迅速、準確的故障點定位，并且將通信光纜周圍環(huán)境進行數(shù)字化顯示，同時，在地圖上迅速標明障礙地點，并通過可視化設(shè)備顯示周圍的地形地貌、障礙類型、障礙等級，縮短故障搶修時間，使網(wǎng)絡在最短的時間內(nèi)恢復，減少因故障持續(xù)時間長而帶來的經(jīng)濟損失。實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、管理和分析，并且存儲到數(shù)據(jù)庫中便于后期的使用。系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化操作功能和數(shù)據(jù)自動化更新功能，包括：通信光纜功率、故障點告警、設(shè)備故障等數(shù)據(jù)的更新，采用批量數(shù)據(jù)錄入的方式完成動態(tài)數(shù)據(jù)的更新，可以及時發(fā)現(xiàn)通信光纜的故障點，有效提升了故障的檢修效率。

5. 總結(jié)

綜上所述，通信光纜線路維護是指在保障光纜線路設(shè)備的傳輸能力而進行的生產(chǎn)活動，想要保證通信光纜的檢修工作穩(wěn)定開展，就要在通信光纜常見故障的基礎(chǔ)上，分析故障產(chǎn)生的原因，采取針對性的故障維護策略，最大限度的降低通信光纜故障造成的損失。因此，本文研究的基于GIS和OTDR技術(shù)的通信光纜故障點智能定位系統(tǒng)，主要包括：基本操作平臺、數(shù)據(jù)庫平臺、GIS平臺、應用服務器平臺。實現(xiàn)了對通信光纜線路的數(shù)字化管理，提高了智能化管理水平，減少人工操作帶來的諸多不便，極大地提高了光纜線路維護的工作效率。

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