基于GIS和OTDR的光纖智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

張　娜

(西昌學(xué)院 汽車與電子工程學(xué)院，四川 西昌　615013)

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基于GIS和OTDR的光纖智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

張娜

(西昌學(xué)院 汽車與電子工程學(xué)院，四川 西昌615013)

摘要：為了提高光纖故障處置效率，設(shè)計了一種基于GIS和OTDR的光纖智能監(jiān)控系統(tǒng);介紹了系統(tǒng)的總體技術(shù)架構(gòu)和軟件功能框架;采用小波分析技術(shù)，提取OTDR曲線中的事件信息，找出故障點(diǎn)位置;將故障點(diǎn)的光纖長度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并結(jié)合光纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和GIS系統(tǒng)，將故障點(diǎn)在電子地圖上實(shí)時顯示并告警;經(jīng)過系統(tǒng)測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)的OTDR損耗分辨率達(dá)到0.01 dB，動態(tài)范圍為34~45 dB，監(jiān)測響應(yīng)時間為5 ms；故障定位誤差小于10 m，告警時間為2 ms，完全滿足光纜應(yīng)急處置要求。

關(guān)鍵詞：光纖智能監(jiān)測；OTDR曲線；故障定位；GIS

0引言

航天發(fā)射場的光纖網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)承載層，在整個航天發(fā)射任務(wù)的數(shù)據(jù)、語音、圖像的傳輸過程中發(fā)揮著重要的作用。隨著發(fā)射場各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展，場區(qū)鋪設(shè)的光纖線路也越來越多，管理難度也越來越大，一旦有光纖線路發(fā)生故障而不能及時排除，這將給航天發(fā)射任務(wù)帶來不可估量的損失。目前，發(fā)射場光纖維護(hù)和故障排查采用專業(yè)人員到現(xiàn)場手持光時域反射儀OTDR[1](optical time domain reflecting-meter, OTDR)進(jìn)行離線測量和故障定位，這種方式存在故障排查時間長、故障定位不準(zhǔn)、易人為誤判等缺點(diǎn)，不能及時、快速地恢復(fù)光纖網(wǎng)絡(luò)的正常通信。為了提高航天發(fā)射場光纖線路的維護(hù)效率，設(shè)計了一種基于GIS和OTDR的光纖智監(jiān)測系統(tǒng)，通過OTDR監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)對發(fā)射場光纖線路的實(shí)時智能監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和定位光纖線路的故障點(diǎn)，并發(fā)出報警，然后通過地理信息系統(tǒng)GIS[2](geographic information system, GIS)在地圖上將故障點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時定位顯示，方便人員快速查找并修復(fù)故障。同時，系統(tǒng)還可對光纖性能劣化情況進(jìn)行分析，對性能的劣化嚴(yán)重的光纖線路進(jìn)行預(yù)警，為光纖網(wǎng)絡(luò)的預(yù)防性維修提供參考，從而大大提高了發(fā)射場光纖線路維護(hù)的效率，增強(qiáng)了故障應(yīng)急處置的能力。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖1所示，主要由一個監(jiān)測中心、多個遠(yuǎn)程監(jiān)測站、試驗任務(wù)IP網(wǎng)、光配線架等組成。其中，監(jiān)測中心包括光纖測試數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、地理信息GIS服務(wù)器、便攜式終端和網(wǎng)管客戶端等，負(fù)責(zé)向?qū)Ω鱾€遠(yuǎn)程監(jiān)測站下達(dá)指令，接收和處理各監(jiān)測站上報的光纖測試數(shù)據(jù)，完成故障點(diǎn)的分析和定位，并將故障點(diǎn)的地理位置在地圖上實(shí)時顯示；通過分析光纖測試的歷史數(shù)據(jù)，完成光纖劣化性能分析，對性能低于門限條件的光纖進(jìn)行預(yù)警。各遠(yuǎn)程監(jiān)測站由光功率測試模塊、OTDR數(shù)據(jù)采集模塊、核心控制模塊、多路選擇光開關(guān)、電源模塊和自動保護(hù)模塊等組成，按照監(jiān)測中心的指令，完成被測光纖的光功率測試、光纖性能測試和故障光纖的監(jiān)測，并將光纖測試結(jié)果上報監(jiān)測中心進(jìn)行處理、定位和顯示。

圖1　系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

圖2　系統(tǒng)軟件功能

1.2系統(tǒng)軟件功能框架

系統(tǒng)軟件功能如圖2所示。在監(jiān)測中心的網(wǎng)管客戶端上部署監(jiān)測軟件，主要完成光纖的OTDR曲線測試、故障定位分析、光纖劣化分析、系統(tǒng)管理和告警管理等功能。其中，OTDR曲線測試模塊可實(shí)現(xiàn)對發(fā)射場光纖的點(diǎn)名測試和輪詢測試，并對測試曲線進(jìn)行處理和分析，找出光纖的故障點(diǎn)；故障定位分析模塊采用故障定位算法，結(jié)合光纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和地理信息系統(tǒng)，將光纖故障點(diǎn)進(jìn)行直觀顯示，并進(jìn)行報警；光纖劣化分析模塊對光纖整個光路的光功率損耗、平均損耗等參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中測得的光功率歷史數(shù)據(jù)，對光纖的性能劣化趨勢進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)置的性能劣化門限，及時發(fā)出告警，以便對光纖進(jìn)行預(yù)防性維修；系統(tǒng)管理模塊對不同的用戶分配信息查詢和管理權(quán)限，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)日志、數(shù)據(jù)庫等的查詢和維護(hù)管理；告警管理模塊提供光功率告警、設(shè)備故障告警、OTDR曲線告警、故障點(diǎn)告警的顯示、查詢和刪除功能，并將告警信息以聲音、短信和郵件等形式發(fā)送給用戶，確保工作人員在第一時間處理這些告警信息。

在各個監(jiān)測站部署的監(jiān)測軟件主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)采集管理和測點(diǎn)的配置管理等功能。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時采集被測光纖的光功率和OTDR曲線數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測中心進(jìn)行分析和處理；測點(diǎn)配置管理模塊完成對監(jiān)測站設(shè)備的前端接口參數(shù)的配置管理，并配好監(jiān)測設(shè)備與監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫的接口參數(shù)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫存儲的可靠性。

2關(guān)鍵模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測站按照監(jiān)測中心的指令，對發(fā)射場光纖線路進(jìn)行點(diǎn)名測試或輪詢測試，當(dāng)被測試光纖的光功率低于系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，監(jiān)測站的主控單元立即通過光切換開關(guān)，將該光纖切換到OTDR模塊，并啟動OTDR模塊對該路光纖進(jìn)行測試，獲取該路光纖的OTDR曲線數(shù)據(jù)，上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行處理和分析，找出故障點(diǎn)的光纖長度，判斷故障的類型和告警級別。然后，調(diào)用地理信息系統(tǒng)，結(jié)合光纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將OTDR測得的故障點(diǎn)在光纖中的長度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在光纜拓?fù)鋱D上進(jìn)行標(biāo)識和報警，并以短信、電子郵件的形式，將故障點(diǎn)的地理位置信息發(fā)送給光纖維護(hù)人員。故障排除后，維修人員上報相關(guān)維修報表，系統(tǒng)自動更新光纖數(shù)據(jù)庫中的信息，以方便人員查詢。

2.1OTDR曲線測試

2.1.1OTDR曲線的獲取

在對被測光纖監(jiān)測時，監(jiān)測站的OTDR板產(chǎn)生波長為1 625nm的光脈沖，經(jīng)耦合后發(fā)送到被測光纖，由于光纖材料中的不均勻粒子引起的瑞利散射[3]以及在連接處、斷裂處或者尾部引起的菲涅爾反射[4]將該光脈沖的部分信號反射回OTDR板的接收端，經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換、放大、去噪等處理后，得到被測光纖的OTDR曲線。

設(shè)OTDR板入射被測光纖的1 625nm光脈沖的功率為P0，光纖傳輸損耗系數(shù)為β，光纖反射系數(shù)為δ，則光纖在距離監(jiān)測站L處的反射光功率Pf為：

(1)

光纖長度L處的反射光返回到OTDR板接收端時的反射功率Prf為：

(2)

(3)

將(3)式轉(zhuǎn)換為分貝形式，用POTDR表示為：

(4)

從公式(4)可以看出，由于光纖反射系數(shù)δ是常數(shù)，OTDR板接收到的反射光相對功率與光纖長度L呈線性關(guān)系。在實(shí)際測量中，設(shè)光纖的折射率為γ，OTDR板從發(fā)射光脈沖到接收到反射光功率所用的時間為t，光在真空中的傳播速度為c，則光纖長度L可表示為：

(5)

從公式(4)和(5)可以看出，OTDR板以一定的時間間隔對返回的反射光功率進(jìn)行采樣，就可以得到反射光相對功率與光纖長度的線性關(guān)系曲線，即OTDR測試曲線。

2.1.2OTDR信號的處理

在實(shí)際的光纖工作中，由于光纖接頭的散射衰減、光纖斷裂處和光纖尾部產(chǎn)生的菲涅爾反射的影響，造成OTDR測試曲線不是標(biāo)準(zhǔn)的線性直線，會有局部突變的現(xiàn)象，這些突變點(diǎn)在OTDR曲線中被稱為事件。在OTDR曲線中表征的事件有：盲區(qū)、非反射事件、反射事件、光纖末端等[5]。由于這些事件在OTDR曲線中具有高頻特性，且包含了噪聲，因此，為了更好地提取出OTDR曲線中包含的事件信息，首先必須對OTDR曲線進(jìn)行預(yù)處理，濾除OTDR曲線中的低頻部分；其次，采用小波變換[6]的方法，將事件信息的高頻部分與噪聲的高頻部分分離，準(zhǔn)確提取出事件發(fā)生點(diǎn)。

對OTDR信號進(jìn)行小波變換的過程分為小波分解、小波系數(shù)估計和信號重構(gòu)等3個步驟。

1)小波分解：用SN(i)表示獲得帶噪聲的OTDR信號，N(i)表示方差為σ2的高斯白噪聲，SOTDR(i)為真實(shí)的OTDR信號，其中，i表示被測光纖上等距的采樣點(diǎn)，i=1,2,…,n，則SN(i)可用下面的公式表示：

(6)

將SN(i)以小波基函數(shù)ψ(t)進(jìn)行離散小波變換，得到小波系數(shù)w(j,k)為：

(7)

式中，▽(·)為離散小波變換算子，w(j,k)表示在尺度j上的第k個小波系數(shù)。在工程應(yīng)用時，小波系數(shù)w(j,k)采用如下的遞推方法實(shí)現(xiàn)：

(8)

(9)

式中，h(·)和g(·)分別表示尺度函數(shù)和小波函數(shù)對應(yīng)的低通濾波器和高通濾波器的階躍響應(yīng)函數(shù)，S(j,k)為尺度系數(shù)，其中，S(0,k)表示原始OTDR信號。

2)小波系數(shù)估計：采用小波閾值去噪法進(jìn)行OTDR事件的提取。若小波系數(shù)w(j,k)小于規(guī)定的閾值時，認(rèn)為這部分信號是噪聲，則將其棄掉；若小波系數(shù)w(j,k)大于規(guī)定的閾值時，認(rèn)為這部分信號是有用信號，則將其保留。因此，在進(jìn)行小波系數(shù)估計時，閾值的計算顯得非常重要。按照Donoho等人給出的閾值計算方法[7]，可得尺度j上的閾值Tj為：

(10)

式中，σj為尺度j上的噪聲標(biāo)準(zhǔn)方差，通常σj通過尺度j上的小波系數(shù)w(j,k)取中值得到，σj的計算方法為：

(11)

其中：middle表示對尺度j上的k個小波系數(shù)取中值。

(12)

式中，sgn(·)為取符號函數(shù)，保持尺度j上小波系數(shù)的符號保持不變。

(13)

圖3　OTDR曲線測得的各類事件

2.2故障定位分析

經(jīng)過對得到的各類事件特征點(diǎn)的篩查，找到光纖故障點(diǎn)和故障點(diǎn)距離OTDR測試點(diǎn)的光纖長度，將故障點(diǎn)的光纖長度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為故障點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，并結(jié)合光纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和GIS地理信息系統(tǒng)，將故障點(diǎn)在電子地圖上實(shí)時顯示并告警。故障定位的業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4　故障定位的業(yè)務(wù)流程

2.2.1數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

在光纜測試中，一條測試路由包括部站ID、光纜箱ID、槽位號、通道號等，這些信息一旦確定，則光纜的路由就唯一確定。同時，在一條光纜路由中，包含一段或者多段光纜；每段光纜由人井、電桿、手控、接頭盒、標(biāo)石等若干個點(diǎn)資源組成，通過GPS技術(shù)[8]，采集每個點(diǎn)資源的地理經(jīng)緯度信息，并保存到數(shù)據(jù)庫。因此，建立每條光纜的點(diǎn)資源信息數(shù)據(jù)庫，通過讀取這些點(diǎn)資源的地理經(jīng)緯度信息就能表示出每條光纜及走向；建立光纜段信息數(shù)據(jù)庫，通過讀取每段編號和每段光纜的點(diǎn)資源信息，就能區(qū)分出不同的光纜；建立路由信息數(shù)據(jù)庫，通過讀取部站ID、光纜箱ID、槽位號、通道號、光纜段信息，就能在GIS地圖上顯示出所有路由信息和各條光纜的位置及走向。

在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中用到的點(diǎn)資源屬性表如表1所示。

表1　點(diǎn)資源屬性表

2.2.2故障定位算法

由于光纜在敷設(shè)過程中，采用熔接方法進(jìn)行連接。在OTDR測試曲線中，熔接點(diǎn)會以一個信號尖峰的形式表現(xiàn)為反射事件。因此，這里提出一個基于熔接點(diǎn)的故障定位算法，具體定位過程如下：

第一步，通過OTDR曲線測試，得到故障點(diǎn)距離測試端的光纖長度df，以及每個機(jī)房距離測試端的距離。

第二步，將故障點(diǎn)定位到兩個機(jī)房之間的光纜段上。設(shè)機(jī)房A距離測試端的距離為dA，機(jī)房B距離測試端的距離為dB，且dA

第三步，將故障點(diǎn)定位到兩個光纜接頭盒之間的光纜上。調(diào)用該光纜段的數(shù)據(jù)庫信息，找到該光纜段中所有的接頭盒距離測試端的距離。通過比較，將故障點(diǎn)定位到兩個接頭盒之間，進(jìn)一步縮小故障點(diǎn)的計算區(qū)間。

第四步，故障點(diǎn)的精確定位。設(shè)上一步將故障點(diǎn)定位到接頭盒A與B之間，接頭盒A的緯度為xA、經(jīng)度為yA，距離測試端光纜的長度為djA，預(yù)留光纜的長度為LpA；接頭盒B的緯度為xB、經(jīng)度為yB，距離測試端光纜的長度為djB，預(yù)留光纜的長度為LpB。

首先，計算接頭盒A與B的緯度差Δx、經(jīng)度差Δy分別為：

(14)

(15)

其次，計算兩個接頭盒之間的空間距離SAB和光纜長度LAB：

(16)

式中，R為地球半徑，取值為6378.137 km。

(17)

最后，按比例計算出故障點(diǎn)距離接頭盒A的光纜長度Lf：

(20)

分3種情況進(jìn)行故障點(diǎn)精確定位：

1)當(dāng)Lf

2)當(dāng)LpA

(21)

(22)

3)當(dāng)Lf>LpA+SAB時，則故障點(diǎn)發(fā)生在接頭盒B處，接頭盒B的經(jīng)緯度坐標(biāo)即為故障點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

3系統(tǒng)集成與運(yùn)行

系統(tǒng)通過GIS的Maps API接口調(diào)用地圖信息，結(jié)合資源數(shù)據(jù)庫中的光纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由信息和點(diǎn)資源信息，可以在地圖上詳細(xì)顯示光纜的分布與走向。選用的OTDR工作波長為1 625 nm，光脈沖寬度為10 ns，事件盲區(qū)小于5 m。以發(fā)射場光纜承載網(wǎng)為基礎(chǔ)，經(jīng)過系統(tǒng)測試，系統(tǒng)的OTDR損耗分辨率達(dá)到0.01 dB，動態(tài)范圍為34~45 dB；光纜的光功率探測范圍為-65~0 dBm，監(jiān)測響應(yīng)時間為5 ms；故障定位誤差小于10 m，告警時間為2 ms，完全滿足發(fā)射場光纜應(yīng)急處置要求。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)運(yùn)行界面

4結(jié)束語

本文將GIS與OTDR技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一種基于GIS和OTDR的光纖智能監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件框架，對OTDR曲線測試、故障定位分析等關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。最后，通過系統(tǒng)集成和測試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光纖故障的快速定位，并對故障位置和告警信息提供實(shí)時查詢和顯示服務(wù)，大大提高了發(fā)射場光纖通信的保障效率。在后續(xù)的研究中，將把小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)動態(tài)計算小波去噪、濾波的最佳閾值和尺度，進(jìn)一步提高故障定位的精度。

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Research on Fiber Intelligence Monitor System Based on GIS and OTDR

Zhang Na

(School of Automotive and Electronic Engineering, Xichang College, Xichang615013, China)

Abstract:In order to improve the disposition efficiency of fiber fault, a fiber intelligence monitor system based on GIS and OTDR is designed. The total technology framework and software function structure are introduced. The incident information in OTDR curve is distilled by adopting wavelet analysis technology, and the position of fault point is found out. Then the fiber length data of fault point is transformed into longitude and latitude data, and by combining the fiber topology structure and GIS system, the fault point is duly displayed on the electronic map and an alarm is throw out. Through the system testing, the results demonstrate that the wastage resolving ratio of OTDR is 0.01 dB, the dynamic scope is 34~45 dB, the measure response time is 5 ms, the orientation error of fault is less than 10 meter, and the alarm time is 2 ms, which fully meets the demand of fiber emergency treatment.

Keywords：fiber intelligence monitor; OTDR curve; fault orientation; GIS (geography information system)

文章編號：1671-4598(2016)02-0099-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.027

中圖分類號：TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張娜(1974-)，女，副教授，碩士，主要從事光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方向的研究。

基金項目：四川省教育廳青年基金項目(11ZB115)。

收稿日期：2015-08-29；修回日期：2015-09-16。