高速公路光纜故障定位系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

譚小剛，于艷波

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京100097）

0 引 言

在日常使用過(guò)程中，光纜線路按照運(yùn)營(yíng)單位的計(jì)劃進(jìn)行定期維護(hù)，主要是通過(guò)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行光纜傳輸質(zhì)量的檢測(cè)，其中如何對(duì)光纜故障準(zhǔn)確定位是人們關(guān)注的重點(diǎn)［1－4］。目前主要的檢查方法包含以下幾種：人工逐段排查判斷；路面不便開(kāi)挖時(shí)，采用OTDR設(shè)備檢查；對(duì)特種光纜采用射頻探測(cè)法檢查；采用肉眼可見(jiàn)的紅光源對(duì)光纜進(jìn)行檢查［5－8］。然而，這些方式不是定位不準(zhǔn)確，就是要在對(duì)光纜進(jìn)行破壞的情況下才能開(kāi)展工作。日常生活中數(shù)據(jù)通信的連續(xù)性日益重要，這就要求在不中斷數(shù)據(jù)流量的情況下對(duì)光纜開(kāi)展排查，為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文尋找一種方便、快捷、準(zhǔn)確而且不影響正常通信業(yè)務(wù)的檢查方法。

1 系統(tǒng)框架分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及功能

維護(hù)人員使用OTDR 測(cè)量?jī)x等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量后，將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入客戶端軟件系統(tǒng)，客戶端軟件采用現(xiàn)有的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，在服務(wù)器上用MATLAB軟件進(jìn)行過(guò)程復(fù)雜、壓力負(fù)荷較大的小波變換等一系列計(jì)算分析工作，最后將計(jì)算結(jié)果再返回至現(xiàn)場(chǎng)筆記本電腦［9－12］。所以，光纜故障定位系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)可以清晰地劃分為3個(gè)層次：前端的光纜初檢數(shù)據(jù)采集客戶端；中間的數(shù)據(jù)處理中間件；后臺(tái)的光纜故障定位系統(tǒng)的智能運(yùn)算服務(wù)器［13－14］。在計(jì)算機(jī)軟件功能方面運(yùn)用功能模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)于前面介紹的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光纜故障定位系統(tǒng)也包含3部分：前端電腦上的數(shù)據(jù)采集軟件；基于TCP／IP協(xié)議的通信接口；服務(wù)器上安裝的數(shù)據(jù)處理軟件［15－16］。

1.2 VB與MATLAB接口設(shè)計(jì)

光纜故障定位系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理部分，通過(guò)對(duì)前端采集的OTDR測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取后，采用小波變換、小波包分析等相關(guān)數(shù)學(xué)處理工具提高對(duì)光纜故障定位的準(zhǔn)確度。由于計(jì)算過(guò)程中需要使用不同類型的數(shù)學(xué)分析方法，數(shù)據(jù)計(jì)算量大，對(duì)硬件要求高，一般需要在服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文采用的方法是，首先選擇一個(gè)自動(dòng)操作服務(wù)器，可以使用MATLAB程序語(yǔ)言來(lái)完成，數(shù)學(xué)分析服務(wù)器同樣使用MATLAB來(lái)進(jìn)行架構(gòu)，利用VB作為前端用戶界面的程序設(shè)計(jì)工具，為光纜故障定位系統(tǒng)客戶端編寫(xiě)出易用的數(shù)據(jù)采集頁(yè)面，最終將以上幾個(gè)部分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的建立。在建立MATLAB服務(wù)器程序的過(guò)程中，需要首先對(duì)MATLAB運(yùn)行的進(jìn)程進(jìn)行定義，本文選擇matlab.application作為進(jìn)程名稱，下一步需要建立容納進(jìn)程的數(shù)學(xué)分析服務(wù)器環(huán)境，本文選用MATLAB自帶程序包中的actxserver函數(shù)來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，最終得到的服務(wù)器還需要具有自動(dòng)計(jì)算功能。目前有2種方式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算功能，即共享式和專用式，經(jīng)過(guò)綜合考慮，本文最終選用共享式服務(wù)器。共享式服務(wù)器對(duì)所有用戶開(kāi)放，可提高服務(wù)器的使用效率，程序包中的actxserver函數(shù)可以設(shè)置一個(gè)Visible（是否可見(jiàn)）的屬性，根據(jù)其值設(shè)置為0或1，分別表示不可見(jiàn)和可見(jiàn)2種狀態(tài)。圖1所示的是進(jìn)程設(shè)置和服務(wù)器環(huán)境設(shè)置的界面。

前端數(shù)據(jù)采集部分將采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，在與服務(wù)器數(shù)據(jù)處理進(jìn)程進(jìn)行對(duì)接時(shí)，主要使用MATLAB內(nèi)置的語(yǔ)句GetObject獲取傳輸至數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)，將客戶端程序與服務(wù)器程序進(jìn)行連接，所得到的命令為：h＝GetObject（，“matlab.application”）

命令語(yǔ)句中h作為指針，指向服務(wù)器端中MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算程序，其中逗號(hào)前面的第一個(gè)參數(shù)是默認(rèn)參數(shù)，第二個(gè)參數(shù)必須要選擇“matlab.application”，用于與服務(wù)器程序進(jìn)行進(jìn)程對(duì)接。在命令指針h指向的數(shù)學(xué)計(jì)算服務(wù)器程序中，F(xiàn)eval過(guò)程執(zhí)行直接調(diào)用MATLAB自身函數(shù)構(gòu)成的functionname功能參數(shù)來(lái)確定，在調(diào)用服務(wù)器進(jìn)程計(jì)算完之后，從數(shù)學(xué)計(jì)算服務(wù)器程序中返回的計(jì)算結(jié)果將會(huì)由單元數(shù)組變量result輸出，單元數(shù)組變量result中的每一行將放置一個(gè)計(jì)算結(jié)果。為了進(jìn)一步控制數(shù)學(xué)計(jì)算服務(wù)器程序中返回的計(jì)算結(jié)果，可以運(yùn)用MATLAB自身函數(shù)Feval的另一個(gè)參數(shù)numout來(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，數(shù)學(xué)計(jì)算服務(wù)器程序回轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)量很可能少于預(yù)期，這是正常的。

由于客戶端程序采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，其中Get－FullMatrix函數(shù)是十分重要的一個(gè)組成部分，可以將其實(shí)現(xiàn)為：

圖1 服務(wù)器端調(diào)試過(guò)程

圖2 VB接口軟件設(shè)計(jì)過(guò)程

GetFullMatrix函數(shù)能夠返回服務(wù)器端MATLAB工作區(qū)workspace上的計(jì)算結(jié)果varname，varname包含xreal和ximag兩個(gè)部分，xreal代表復(fù)數(shù)實(shí)部，ximag代表復(fù)數(shù)虛部。圖2是主要的編寫(xiě)代碼流程。

1.3 光纜故障定位系統(tǒng)客戶端軟件界面設(shè)計(jì)

光纜故障定位系統(tǒng)客戶端軟件界面設(shè)計(jì)由4個(gè)部分組成：主界面客戶登陸管理設(shè)計(jì)；測(cè)試參數(shù)、傳輸通道設(shè)置界面設(shè)計(jì)；測(cè)試結(jié)果配置管理設(shè)置界面設(shè)計(jì)；性能管理設(shè)置界面設(shè)計(jì)。具體形式如圖3～5所示。

圖3 主界面布局

圖4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖5 配置管理設(shè)置界面

將光纜故障定位系統(tǒng)客戶端安裝在筆記本上，設(shè)置好服務(wù)器通信功能，便可以與數(shù)據(jù)處理中心建立起完整的數(shù)據(jù)連接，將測(cè)試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸入客戶端，客戶端與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換之后即可達(dá)到正常使用的要求，并得到圖6顯示的信息，從而便于現(xiàn)場(chǎng)用戶對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)詳細(xì)分析。

圖6 光纜故障定位測(cè)試結(jié)果

2 軟件測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 軟件測(cè)試

在進(jìn)行正式應(yīng)用之前，需要對(duì)光纜故障定位系統(tǒng)的總體兼容性、易用性、安全性、可靠性等方面進(jìn)行以下5個(gè)方面的測(cè)試。

（1）檢查軟件運(yùn)行在不同操作系統(tǒng)狀態(tài)下對(duì)硬件的要求，主要包括最低配置、推薦配置以及特殊要求。Windows操作系統(tǒng)一般最低配置為雙核處理器2.8GHz、內(nèi)存4GB、硬盤100GB。Linux操作系統(tǒng)一般最低配置為雙核處理器2.2GHz、內(nèi)存2 GB、硬盤100GB。

（2）檢驗(yàn)光纜故障定位系統(tǒng)安裝時(shí)的方便性，可以在筆記本電腦上安裝該系統(tǒng)，并對(duì)安裝界面上出現(xiàn)的默認(rèn)值和自定義功能進(jìn)行檢查，統(tǒng)計(jì)用戶干預(yù)的參數(shù)設(shè)置，最終對(duì)系統(tǒng)安裝的方便性進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）軟件安裝后，服務(wù)器端同時(shí)接收操作信息并進(jìn)行校核，當(dāng)用戶名和密碼輸入正確，則可以直接登錄成功，進(jìn)行規(guī)定權(quán)限內(nèi)的操作；如果輸入錯(cuò)誤，則會(huì)進(jìn)行賬號(hào)或密碼錯(cuò)誤的提示，判斷客戶端是否滿足光纜故障定位系統(tǒng)安全性的要求。

（4）為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的信息保存能力是否正常，將安裝了光纜故障定位系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)機(jī)操作，測(cè)試是否可以有效地保存關(guān)機(jī)前的內(nèi)容。

（5）為了檢驗(yàn)系統(tǒng)權(quán)限管理功能是否合格，需要對(duì)所有授權(quán)用戶的工作內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄分析，當(dāng)出現(xiàn)超越權(quán)限操作的情況時(shí)，服務(wù)器應(yīng)該記錄違規(guī)操作內(nèi)容并報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)應(yīng)斷開(kāi)通信鏈接。這樣可以保證軟件的整體安全性滿足要求。

測(cè)試方法和工具如表1所示。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)上述的5個(gè)測(cè)試步驟，對(duì)光纜故障定位系統(tǒng)軟件各方面測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合反饋，可知軟件系統(tǒng)能夠滿足兼容性、易用性、安全性、穩(wěn)定性、容錯(cuò)性相關(guān)的要求。將河北省涿州（京冀界）至石家莊公路改擴(kuò)建工程中得到的測(cè)試數(shù)據(jù)輸入到軟件系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)OTDR測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，可知經(jīng)過(guò)運(yùn)算分析得到的光纜故障點(diǎn)位置信息比僅用OTDR測(cè)試的結(jié)果更加精確。表2顯示了系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)勘察的對(duì)比，其實(shí)際位置與系統(tǒng)測(cè)量所顯示的位置誤差較小。

表1 測(cè)試方法和工具

表2 事件檢測(cè)結(jié)果

為了確保本文設(shè)計(jì)的光纜故障定位系統(tǒng)最終的運(yùn)行結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況能夠匹配，將軟件系統(tǒng)代入了多條光纖的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)OTDR測(cè)量數(shù)據(jù)處理后，可以更加精確地定位出曲線的故障信息所處位置，證明該軟件完全可以滿足光纜工程遷改QC小組的各種要求，并且也在河北省涿州（京冀界）至石家莊公路改擴(kuò)建工程中得到了驗(yàn)證。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以高速公路改擴(kuò)建工程對(duì)光纜檢測(cè)的實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，提出了一套基于復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的光纜故障定位系統(tǒng)軟件，在綜合運(yùn)用小波變換等數(shù)學(xué)處理工具的條件下，以噪聲濾除為提高精度的主要思路，取得了良好的應(yīng)用效果。

根據(jù)算法對(duì)硬件的需求，分析確定了光纜故障定位系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，按照分布式架設(shè)的原則，將壓力轉(zhuǎn)移到后端的服務(wù)器上；后端服務(wù)器采用開(kāi)放式的分享結(jié)構(gòu)提高利用效率，前端采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)采集部分，中間件采用VB與MATLAB接口通信設(shè)計(jì)。軟件在編寫(xiě)過(guò)程中同時(shí)包含了配置管理、安全管理、故障管理、性能管理等各項(xiàng)功能，確保相關(guān)使用性能的實(shí)現(xiàn)和便利性。文中給出了部分代碼編寫(xiě)的過(guò)程以及編譯之后的軟件界面，并進(jìn)行了光纜故障定位系統(tǒng)軟件工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試和對(duì)比分析。