基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的高速公路邊破裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張洪波，余志強(qiáng)，謝 偉，肖志杰，黃文勇，王 允，蘇 暢

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.四川西南交大鐵路發(fā)展有限公司，成都610000；3.桂林聚聯(lián)科技有限公司，廣西 桂林 541004）

基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的高速公路邊破裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張洪波1，余志強(qiáng)1，謝 偉2，肖志杰2，黃文勇2，王 允3，蘇 暢3

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.四川西南交大鐵路發(fā)展有限公司，成都610000；3.桂林聚聯(lián)科技有限公司，廣西 桂林 541004）

提出一種基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)思路，利用現(xiàn)有通信傳輸網(wǎng)的光纖作為傳感器，采用成熟的光時(shí)域反射儀（O TD R）模塊和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PO N）相結(jié)合，可運(yùn)用在高速公路的邊坡斷裂、垮塌監(jiān)測(cè)中，并可以構(gòu)成基于高速公路網(wǎng)的光傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；O TD R；瑞利散射；菲涅爾反射

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，交通承載壓力越來(lái)越大。國(guó)家對(duì)高速公路建設(shè)速度加快，高速公路的信息系統(tǒng)也日益成熟，但對(duì)于高速公路的一些自然災(zāi)害卻不能準(zhǔn)確地預(yù)防和處理。目前我國(guó)高速公路邊坡情況監(jiān)測(cè)方法主要有：①通過(guò)人工巡視檢查和對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，評(píng)估和判斷高邊坡的穩(wěn)定狀況。這種方法不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)人力要求比較高[1,2]。②利用各種儀表、儀器監(jiān)測(cè)，這種方式的難點(diǎn)是為位于邊坡表面或者埋于地下的監(jiān)測(cè)儀器儀表供電。在現(xiàn)有高速信息化建設(shè)中，公路的旁邊或者附近都敷設(shè)了通信光纜；如果利用通信光纜位于高速附近這一有利條件，將無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和原理運(yùn)用于邊坡監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，在邊坡發(fā)生裂縫時(shí)就能實(shí)現(xiàn)預(yù)警，這將有效防止和預(yù)警邊坡災(zāi)害的發(fā)生[3,4]。

1 基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)及運(yùn)用

OTDR技術(shù)是利用瑞利散射原理和菲涅爾反射原理來(lái)反映光纖傳輸質(zhì)量的技術(shù)，主要用在光纜的工程施工和檢修過(guò)程中，完成對(duì)傳輸光纜的損耗、連接頭、斷點(diǎn)位置的判斷，通過(guò)對(duì)OTDR曲線的分析和對(duì)比，能夠斷定這些事件點(diǎn)的具體位置，為光纜工程維護(hù)帶來(lái)方便。

1.2 PON技術(shù)的結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)

PON是一種接入網(wǎng)，局端設(shè)備（OLT）與多個(gè)用戶端設(shè)備（ONU/ONT）之間通過(guò)無(wú)源光纜、光分/合路器等組成的光分配網(wǎng)（ODN）連接的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。監(jiān)測(cè)方案的實(shí)質(zhì)是運(yùn)用OTDR技術(shù)監(jiān)測(cè)PON網(wǎng)絡(luò)中ONU的距離長(zhǎng)度。ONU的位置全部以O(shè)TDR曲線反射峰位置呈現(xiàn)，如圖2所示。

圖1 PON結(jié)構(gòu)

圖2 OUN的反射峰

1.3 實(shí)現(xiàn)方案及方法探討

本文將現(xiàn)有的PON光纖監(jiān)測(cè)方式植入現(xiàn)有的公路信息系統(tǒng)中，利用光學(xué)中全反射原理，使其在不同的位置形成一個(gè)對(duì)應(yīng)的反射峰，通過(guò)對(duì)反射峰的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)邊坡群進(jìn)行監(jiān)測(cè)的作用。針對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)就無(wú)需用ONU，可直接用反射器來(lái)取代它。反射器又名光纖光柵終端濾波器，當(dāng)OTDR測(cè)量光 （1625nm± 5nm）通過(guò)位于光纖末端的光纖光柵終端濾波器后，光纖光柵將光柵固有的反射波長(zhǎng)（1625nm±5nm）反射回來(lái)，在OTDR曲線上形成一個(gè)反射峰，證明該路光纖連接正常，沒(méi)有發(fā)生光纖損壞和斷裂。在監(jiān)測(cè)站通過(guò)OTDR的測(cè)試光經(jīng)傳輸光纜到布置在邊坡節(jié)點(diǎn)的分光器上，邊坡上的每個(gè)臺(tái)階對(duì)應(yīng)一個(gè)反射器，邊坡的臺(tái)階數(shù)量對(duì)應(yīng)分光器的路數(shù)。反射器用于替代ONU，作用在于穩(wěn)定每條光路的反射值。光分路器到反射器之間的光纖預(yù)埋至需要監(jiān)測(cè)的邊坡位置上，這時(shí)邊坡的監(jiān)測(cè)點(diǎn)就相當(dāng)于接在光纖尾端的反射器位置，監(jiān)測(cè)該反射器的反射峰出現(xiàn)的位置變化就能反映出該邊坡是否出現(xiàn)裂縫。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖

目前的PON光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)OTDR測(cè)試的信號(hào)來(lái)源于OLT設(shè)備端的告警，然而在邊坡監(jiān)測(cè)中不具備這樣的條件。本文提出一種周期性主動(dòng)測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的周期性測(cè)試。一條高速公路存在很多個(gè)邊坡，為了把這些邊坡群都監(jiān)測(cè)起來(lái)，我們提出OTDR加光開(kāi)關(guān)的監(jiān)測(cè)方式，將OTDR的發(fā)射光脈沖經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)的切換分配到各個(gè)光路中，一個(gè)這樣的OTDR模塊就能針對(duì)多個(gè)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每個(gè)邊坡都會(huì)得到一條OTDR測(cè)試曲線，比較測(cè)試曲線和原始標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后對(duì)反射峰進(jìn)行對(duì)比，就能反映出位置變化和反射值的高低變化。

系統(tǒng)采用光開(kāi)關(guān)切換的方式對(duì)價(jià)格昂貴的OTDR模塊進(jìn)行共享使用，從而避免使用多臺(tái)OTDR，在系統(tǒng)價(jià)格上比傳統(tǒng)的光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。實(shí)施對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)，首先要對(duì)邊坡的位置進(jìn)行勘測(cè)，從而進(jìn)行合理的布線，達(dá)到一個(gè)完美的監(jiān)測(cè)效果。我們利用沿途已有光纜或者重新埋設(shè)專用邊坡光纜，在需要檢測(cè)的邊坡，放置一個(gè)光交換箱，光交換箱主要作用是將光纜分出一條或者兩條纖芯用于該邊坡監(jiān)測(cè)，每一級(jí)的邊坡長(zhǎng)度用光纖長(zhǎng)度來(lái)反映。

監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式：對(duì)邊坡光纜布置完成后，讓每一個(gè)邊坡的總長(zhǎng)線路相距20m（邊坡光纜總長(zhǎng)為從OTDR出發(fā)，到邊坡布放光纜的長(zhǎng)度），從而使每一個(gè)邊坡的每一個(gè)臺(tái)階在OTDR測(cè)試曲線上均形成一個(gè)反射峰。

為了直觀地了解如何使用光纜監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)，我們做了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試描述邊坡告警的實(shí)現(xiàn)。環(huán)境搭建描述：選擇線路中的某一個(gè)邊坡群，邊坡個(gè)數(shù)為2個(gè)，相隔217m。OTDR到邊坡群前端（光分路器1×8）距離為60146m。

從圖4可看出，末端噪聲處形成2個(gè)很明顯的反射峰，從而達(dá)到對(duì)邊坡實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。當(dāng)其中一個(gè)邊坡發(fā)生偏移時(shí)，此邊坡處形成的反射峰消失，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖4 監(jiān)測(cè)末端放大效果圖

2 軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)軟件基于Windows平臺(tái)，采用C/S結(jié)構(gòu)，即客戶端和服務(wù)端結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由配置模塊，點(diǎn)名測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、告警處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、GIS模塊、測(cè)量曲線顯示模塊、報(bào)表系統(tǒng)模塊和用戶權(quán)限管理模塊等組成。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)的電學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

①監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與GIS系統(tǒng)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光纜阻斷時(shí)準(zhǔn)確自動(dòng)的故障定位；

②測(cè)量的實(shí)時(shí)性強(qiáng)。這種方法是將每條線路掛上OTDR進(jìn)行測(cè)試，比傳統(tǒng)的方法實(shí)時(shí)性要強(qiáng)，不存在通過(guò)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行輪詢的問(wèn)題；

③由于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高，因此可以獲得邊坡光路長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)信息，并進(jìn)行保存和分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于多通道OTDR的PON網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)運(yùn)用于高速公路的邊坡監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)邊坡裂縫，保障了高速交通的安全有效的運(yùn)營(yíng)，也開(kāi)創(chuàng)了PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在新領(lǐng)域的運(yùn)用的先河。

[1]郭利超,馬朝霞,周云鋒,等.通信光纜監(jiān)測(cè)管理一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(8):2213-2216.

[2]梁爽，王懷江.OTDR事件分析和故障判斷的研究與實(shí)現(xiàn)[J].光通信技術(shù)，2007，31(1):49-51.

[3]虞振華，鄭錚，李寧.光接收機(jī)均衡技術(shù)的自適應(yīng)優(yōu)化方法 [J].光通信技術(shù)，2007，31(12):42-45.

[4]張一帆,何浩,董毅,等.新型光時(shí)域反射計(jì)在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].光通信技術(shù),2009,33(4):25-28．

Highway slope crack monitoring system based on the passive optical network

ZHANG Hong-bo1,YU Zhi-qiang2，XIE Wei2, XIAO Zhi-jie2,HUANG Wen-yong2,WANG Yun3,SU Chang3
(1.No.34 Research Institute of CETE,Guilin Guangxi 541004,China; 2.Southwest Jiaotong University Railway Development Co.,Ltd，Chengdu，610000 China; 3.Guilin Julian Technology Co.,Ltd.,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper presents a passive optical network(PON)monitoring system,using the existing transmission network of optical fiber as a sensor,using sophisticated Optical Time Domain Reflectometer(OTDR) module and PON combination can be used in slope fracture highway,on the collapse of the monitoring,and the highway network can be constructed based on optical sensors monitoring network.

passive optical network,OTDR,rayleigh scattering,fresnel reflection

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0020-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.006

2015-10-22。

張洪波(1981－)，男，工程師，主要從事光通信技術(shù)及應(yīng)用方面的研究工作。