基于GIS的電力系統(tǒng)光纜故障快速定位研究

胡圣青

摘要：文章從地理信息收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、方法實(shí)現(xiàn)等方面闡述了一種電力系統(tǒng)的光纜故障定位方法。這種方案能夠有效地提高光纜定位的精度，精簡(jiǎn)定位的操作過程，大大縮短定位所需的時(shí)間，從而提高光纜故障檢修的效率。另外，結(jié)合GIS技術(shù)和OTDR技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了一種不同于現(xiàn)有研究的故障定位算法，并編程實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；光纜故障；GIS；光時(shí)域反射儀；故障定位 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN818 文章編號(hào)：1009-2374（2016）35-0007-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.004

隨著電網(wǎng)自動(dòng)化和通信行業(yè)的不斷發(fā)展，電力專用通信系統(tǒng)在電網(wǎng)運(yùn)行中開始占據(jù)越來越重要的地位。眾多保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，都承載在電力通信網(wǎng)絡(luò)上。而在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，扮演著傳輸者這一重要角色的，便是連接各個(gè)骨干網(wǎng)和局域網(wǎng)的通信光纜。通信光纜由于自然或人為等多方原因，會(huì)遭受外力或內(nèi)損而造成損壞中斷，如不及時(shí)定位中斷點(diǎn)并進(jìn)行搶修，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成重大影響。然而，傳統(tǒng)的光纜故障定位方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、人工成本高等弊端，因此，如何快速、高效地定位光纜故障的中斷點(diǎn)便成為了電力通信人所面臨的一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。

1 基于GIS的光纜故障定位背景介紹

1.1 光時(shí)域反射儀（OTDR）

光時(shí)域反射儀（OTDR）是一個(gè)集光、電、計(jì)算機(jī)于一體的系統(tǒng)。它的工作方式與雷達(dá)相似，在原理和技術(shù)層面上，都依賴于瑞利散射和菲涅耳散射這兩種光學(xué)現(xiàn)象。常被用于光纜線路的施工、維護(hù)之中，可以進(jìn)行光纜長(zhǎng)度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和光纜故障定位等的測(cè)量。

在日常的光纜維護(hù)中，OTDR的使用一般分為三個(gè)步驟：首先是設(shè)置參數(shù)，一般是對(duì)波長(zhǎng)、脈沖和測(cè)量范圍進(jìn)行設(shè)置；接著是數(shù)據(jù)的獲取，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，必須等待設(shè)定的測(cè)試時(shí)間結(jié)束后才進(jìn)行儀表數(shù)據(jù)的讀??；最后是對(duì)曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，正常情況下，OTDR測(cè)試得到的光纖衰減曲線是緩慢下降的。

1.2 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一個(gè)用來捕捉、存儲(chǔ)、處理、分析、管理和提供所有類型空間或地理信息的系統(tǒng)。它被廣泛應(yīng)用在管理、運(yùn)輸、物流、保險(xiǎn)、電信、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域中，為用戶提供基礎(chǔ)的定位功能和可視化的地理信息分析服務(wù)。其應(yīng)用允許用戶創(chuàng)建互動(dòng)式查詢、分析空間信息、在數(shù)字地圖上編輯信息，并最終為用戶呈現(xiàn)所有這些操作的結(jié)果。

GIS系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成，分別是計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)軟件、地理數(shù)字化信息和管理操作人員。其中計(jì)算機(jī)軟件和地理數(shù)字化信息是最為重要的兩個(gè)部分。計(jì)算機(jī)軟件為用戶提供可視化的操作界面、決策分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)等多個(gè)功能模塊，而地理數(shù)字化信息則作為以上這些模塊的基礎(chǔ)操作元素。這四個(gè)部分有機(jī)結(jié)合而成的GIS系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)便是能為用戶提供更好的決策、改進(jìn)企業(yè)的數(shù)據(jù)綜合分析能力、數(shù)字化地圖的制作和高可操作性的數(shù)字地圖。

2 光纜沿線地圖數(shù)字化

GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字化的地理信息，這些地理信息可以包括GPS坐標(biāo)、海拔高度、環(huán)境要素、地貌輪廓等，而對(duì)于光纜地理信息，最重要的要素是其GPS坐標(biāo)及沿線走向。本文所研究的光纜故障快速定位方法，首先解決的便是如何把光纜沿線地圖數(shù)字化，這大致分為以下的兩個(gè)步驟：光纜地理信息的采樣、樣本數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.1 光纜地理信息采樣

地理空間數(shù)據(jù)是GIS系統(tǒng)的處理對(duì)象，其數(shù)量及質(zhì)量很大程度上決定了GIS系統(tǒng)顯示、分析、統(tǒng)計(jì)等功能的準(zhǔn)確性和使用性，因此使用正確并適合的地理信息采樣方法對(duì)基于GIS的應(yīng)用至關(guān)重要。本文要解決的問題是如何快速定位光纜故障點(diǎn)的地理位置，而地理位置與其GPS坐標(biāo)有著密切聯(lián)系，或者說，GPS坐標(biāo)是地理位置在數(shù)字化系統(tǒng)的表征。因此，為了解決所研究的問題，首先要對(duì)光纜沿線各點(diǎn)的GPS坐標(biāo)進(jìn)行采樣。然而，一條光纜由無數(shù)個(gè)點(diǎn)組成，為了經(jīng)濟(jì)性和可操作性，本文特選取固定長(zhǎng)度為間隔，對(duì)目標(biāo)光纜進(jìn)行分點(diǎn)采樣。采樣間隔的粒度選取在每隔d米對(duì)光纜進(jìn)行一次GPS坐標(biāo)的采樣。對(duì)于不足d米或者d米內(nèi)存在折點(diǎn)的光纜段，則對(duì)首、尾或者折點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指的是數(shù)據(jù)以某種組織形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部或者外部的存儲(chǔ)介質(zhì)中，以便系統(tǒng)根據(jù)自身需要來進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用。本文出于目標(biāo)數(shù)據(jù)的特性和經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，選用了常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫MY SQL作為存儲(chǔ)方案的基礎(chǔ)。MY SQL數(shù)據(jù)庫能夠通過長(zhǎng)二字節(jié)型和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，把圖形要素作為數(shù)據(jù)庫記錄的字段保存起來，結(jié)合空間結(jié)構(gòu)化查詢等技術(shù)，將圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無縫管理，使所有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的用戶、安全和共享管理。本文要解決的問題是對(duì)光纜故障點(diǎn)的定位，需提供故障點(diǎn)的GPS坐標(biāo)、路名、所屬光纜等信息。為了滿足需求，分別設(shè)計(jì)了光纜表、GPS坐標(biāo)表和光纜分段表三張表，構(gòu)成了數(shù)據(jù)庫主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3 光纜故障快速定位實(shí)現(xiàn)

3.1 基于GIS的光纜故障定位系統(tǒng)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光纜相關(guān)信息的查詢以及故障分析結(jié)果，以可視化的方式展現(xiàn)在用戶面前。因此系統(tǒng)應(yīng)具備以下四個(gè)功能：（1）光纜及其相關(guān)信息可視化展示；（2）實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)和光纜屬性的統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析；（3）光纜數(shù)據(jù)可更新及實(shí)時(shí)反映更新結(jié)果；（4）光纜故障定位自動(dòng)化、可視化。

系統(tǒng)的UML用例圖如圖1所示：

系統(tǒng)采用java編程，設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，在邏輯層次上分為三層：數(shù)據(jù)層、處理層和交互層。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，它與處理層有一個(gè)數(shù)據(jù)交互接口，處理層通過這個(gè)接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀、寫。處理層負(fù)責(zé)信息的運(yùn)算，最主要的功能定位光纜故障點(diǎn)的位置便在這層進(jìn)行運(yùn)算分析。交互層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的可視化和接受用戶的操作，交互層與處理層有若干接口，分別負(fù)責(zé)接受用戶的操作和信息的反饋。

3.2 故障定位算法

在搶修過程中，我們選擇光纜的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)所在的站點(diǎn)進(jìn)行OTDR距離測(cè)量，得出斷點(diǎn)離目前測(cè)量點(diǎn)的距離S。另外，在每條光纜節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)方案中，表Optical cable section table記錄了這個(gè)節(jié)點(diǎn)開始位置離光纜第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，因此斷點(diǎn)必然會(huì)落在某一分節(jié)區(qū)間中，記這段區(qū)間的開始位置至第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為S1，結(jié)束位置至第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為S2，那么必然有：

4 結(jié)語

本文提出了基于GIS系統(tǒng)的光纜故障快速定位方法，利用GIS系統(tǒng)將OTDR中測(cè)得的光纜故障點(diǎn)至測(cè)量點(diǎn)的距離，轉(zhuǎn)換成具體的可視化坐標(biāo)信息，為檢修人員提供了快速、可靠、準(zhǔn)確的光纜故障定位。相比起傳統(tǒng)的手工方法，這種定位將中間最為繁瑣的人工計(jì)算故障點(diǎn)和信息傳遞兩個(gè)部分交由系統(tǒng)自動(dòng)完成，效率由以往的幾十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)提高到短短的幾秒鐘內(nèi)完成，大大節(jié)約了人工成本，為光纜故障搶修爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。

5 展望

由于現(xiàn)代移動(dòng)智能設(shè)備的高速發(fā)展，以智能手機(jī)為首的智能移動(dòng)終端的計(jì)算性能已經(jīng)不斷逼近臺(tái)式PC端，并且其自身所具備的GPS定位等功能更是移動(dòng)終端的一大突破，基于該功能興起了許多LBS應(yīng)用，并受到廣泛歡迎。而鑒于光纜故障點(diǎn)的定位作業(yè)也是需要到站端中作業(yè)，無法在調(diào)度室完成，因此，在未來中可以結(jié)合智能終端的定位工作和計(jì)算性能開發(fā)基于GIS的光纜故障定位移動(dòng)作業(yè)應(yīng)用，提供更加便捷、使用的光纜故障定位服務(wù)。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）