鐵路智能配線系統(tǒng)研究與應用

周建楠，秦海超

（1.中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州通信段，甘肅 蘭州 730000；2.天津瑞利通科技有限公司，天津 300392）

1 研究背景

隨著我國鐵路建設的不斷發(fā)展，也產(chǎn)生了越來越多的鐵路通信網(wǎng)，這些通信網(wǎng)承載著大量業(yè)務信息，信息網(wǎng)絡運行是否穩(wěn)定，關系著鐵路運輸生產(chǎn)安全。鐵路通信機械室的業(yè)務量覆蓋范圍廣，而且日趨多樣化，如果運維不當將帶來嚴重安全隱患，對人身和財產(chǎn)造成極大損失［1］。當前光纖和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡存在的問題如下：

（1）線路管理混亂。新建時線路比較清晰，但隨著設備的增加、線路的變更、運維工程師的人員變動和機柜空間的限制，新增線路在既有的基礎上越加越多，使線路越來越混亂。

（2）紙質標簽、臺賬維護難度大。紙質標簽或臺賬變更時操作復雜、錯誤率高、端口不易管理［2］。

（3）排查故障時間長，運維工作效率低。出現(xiàn)故障時，不能準確定位，需要人工梳理鏈路，翻閱臺賬。有時臺賬因沒有及時更新而不準確，不僅維護效率低，維護成本也大大增加。

（4）資源利用率低，存在安全隱患。由于線路過多且混亂，存在大量僵尸線路，設備端口被無效占用，設備資源利用率低下，有時可能會導致網(wǎng)絡風暴。同時，過多的線路不易散熱、影響送風，容易誘發(fā)火災等事故，存在重大安全隱患［3］。

針對上述問題，研發(fā)一套智能配線系統(tǒng)，實現(xiàn)光纜資源的電子化管理和監(jiān)測，同時做到對端口的實時監(jiān)測，符合以人類智能與經(jīng)驗為指導，以信號和信息的數(shù)字化處理和采集感知為基礎的建設要求，可使維護人員對線纜資源具有更深入的智能化處理能力。

2 智能配線系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成

智能配線系統(tǒng)（見圖1）由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分主要包括智能采集單元、智能管理單元、智能維護終端和智能網(wǎng)管終端，其中智能采集單元包括光纖配線架（ODF）和數(shù)據(jù)配線架（EDF）。軟件部分則是網(wǎng)管系統(tǒng)［4］。

圖1 智能配線系統(tǒng)構成

智能采集單元是在傳統(tǒng)配線架端口下方增設紅外感應裝置，通過紅外反射探測是否有線纜連接，并把采集的數(shù)據(jù)匯聚到管理單元。

2.2 系統(tǒng)功能

（1）電子標簽和臺賬。將電子臺賬錄入網(wǎng)管系統(tǒng)后，點擊端口可以查看端口信息，點擊鏈路可以查看光纜路徑和光纜信息。當現(xiàn)場有數(shù)據(jù)更新時，直接在網(wǎng)管系統(tǒng)上進行修改即可。

（2）實時監(jiān)測功能。系統(tǒng)自動監(jiān)測設備端口狀態(tài)（如空閑、占用、故障等），自動采集光纖或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的傳輸路序信息（如設備、端口、路由鏈路等），能夠做到實時監(jiān)測，實時更新并告警，及時發(fā)現(xiàn)非法接入或非法斷開［5］。

（3）提高維護效率。對配線架進行數(shù)字化管理，實現(xiàn)故障精準定位，以減少排查故障時間?；酉掳l(fā)工單，LED指示燈閃，現(xiàn)場人員根據(jù)指示燈操作，工單完成則指示燈熄滅，可減少誤差、提高效率。

（4）安全可靠的智能化管理。智能配線系統(tǒng)使網(wǎng)絡結構的增減更加方便、準確。提供Web Server管理方式，對配線架進行分配管理，同時可提供標準的SNMP網(wǎng)管，綁定IP和MAC地址，可有效防止非法入侵，提高網(wǎng)絡的安全性［6］。

（5）綠色環(huán)保理念。智能配線系統(tǒng)在提升信息記錄準確性的同時，節(jié)省了大量人力和維護成本，減少了紙質標簽的使用，切實符合數(shù)據(jù)中心“綠色化”的環(huán)保理念。

（6）不同角色的權限劃分。針對鐵路行業(yè)，對不同角色可以劃分不同的權限，以保證每個賬號能且僅能查看、修改其所在部門轄區(qū)內的線纜、接口等資源。級別由高到低分為系統(tǒng)管理員、段級、車間、工區(qū)等4級。

（7）便攜式維護終端。智能配線系統(tǒng)的維護終端是指手持或固定在站房中的手機或平板電腦等設備，安裝相應的APP軟件系統(tǒng)，通過無線或藍牙連接管理單元，可進行線纜、接口資源的查看和工單的接收等操作。如果涉及網(wǎng)絡安全，可以選擇關閉無線功能。

（8）可擴功能：光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)光纖信息參數(shù)實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括發(fā)光功率、光衰耗、光纜長度等，能夠實時監(jiān)測光纜是否阻斷并進行快速故障點分析及準確GIS地理定位，具有聲、光、短信、電話等多種告警方式；能夠實時監(jiān)測主備光纖插損及設備光功率，并對光纜質量進行長期性能監(jiān)測。

3 關鍵技術

3.1 硬件部分

（1）智能采集單元每個端口的下方配有LED指示燈和智能紅外感應裝置，LED指示燈可用于跳線的引導指示，智能感應裝置同時檢測跳線是否處于連線狀態(tài)，并將其傳輸?shù)焦芾韱卧?。每個智能采集單元均配有信息采集端口，該端口采用標準RJ45接口，直接連接智能管理單元。管理單元負責收集管理采集單元的信息，并將其上傳到網(wǎng)管系統(tǒng)［7］。

智能光纖配線架（見圖2）使用的光纖跳線為普通光纖跳線。智能光纖配線架內部配置有熔纖盤，輔助施工人員進行光纜的熔接和內部走線。前面板提供走線槽，輔助理線、方便整潔。智能數(shù)據(jù)配線架是在傳統(tǒng)配線架基礎上外設采集感應裝置，在不改變原有施工和使用標準的基礎上實現(xiàn)了智能化。而且智能采集裝置獨立組網(wǎng)，不接入既有光纖網(wǎng)線，對其線路內傳輸?shù)臉I(yè)務沒有任何影響，可以保證業(yè)務信息持續(xù)穩(wěn)定傳輸。

圖2 智能光纖配線架

（2）智能管理單元是該系統(tǒng)信息管理和傳輸?shù)闹薪?，采?U機架式設計，RJ45控制端口，通過TCP/IP協(xié)議管理。其單臺設備可連接管理24個智能采集單元，采用普通8芯雙絞線連接（RJ45接口）。管理單元提供設備信息的上聯(lián)端口，連接網(wǎng)管終端（筆記本電腦、臺式電腦等）。管理單元具有藍牙和Wi-Fi功能，用來連接智能iODN維護終端（平板電腦、手機等）。管理單元為有源管理設備，-48 V供電，能收集智能iODN采集單元中每個端口的信息和工作狀態(tài)。管理單元提供1個CON串口、2個百兆管理電口（ETH1、ETH2）和2個百兆管理光口（OP1、OP2）。其中CON串口負責設備電路板的升級及版本轉換等操作，管理口負責連接到智能網(wǎng)管系統(tǒng)以及管理單元間的級聯(lián)操作。同時，可通過管理口設置IP和MAC地址。

（3）可擴功能需要增加光纜監(jiān)測設備，嵌入到智能配線系統(tǒng)中，實現(xiàn)對光纜的實時監(jiān)測。

3.2 軟件部分

智能配線系統(tǒng)網(wǎng)管使用Tomcat、JDK1.8開發(fā)工具，MySql5.5數(shù)據(jù)庫，支持WindowsXP、Windows2003、Win7、Win10及當前主流系統(tǒng)等多種操作系統(tǒng)。采用全圖形化操作界面，主要用于綜合布線系統(tǒng)的實時狀態(tài)反饋，引導跳線操作，并提供告警信息、光纜信息等查詢功能，完成工單下達、工單完成等功能［8］。

數(shù)據(jù)庫設計采用MySQL關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，優(yōu)點是體積小、成本低、速度快。數(shù)據(jù)庫涵蓋角色、權限、資源信息等。

網(wǎng)管系統(tǒng)能自動識別配線架類別并監(jiān)測設備端口狀態(tài)，實時采集端口信息，生成機柜盤面圖，圖形化展示更加直觀。端口“綠色”代表已連接，“灰色”代表未連接，“紅色”為告警，“黃色”為工單。主頁會顯示告警數(shù)量和工單數(shù)量，方便查找。點擊某個ODF盤，顯示該盤各個端口狀態(tài)。點擊某個端口，顯示該端口所屬機房、光纜和業(yè)務等信息。智能配線系統(tǒng)詳細信息見圖3。

圖3 智能配線系統(tǒng)詳細信息

另外，系統(tǒng)維護終端可以是手持或固定在站房中的手機或平板電腦等設備，其中安裝相應的APP軟件系統(tǒng)，也可進行線纜、接口資源的查看和工單的接收等操作。輸入用戶名、密碼、登錄IP即可登錄網(wǎng)管中心，根據(jù)賬號權限的不同進行不同區(qū)域多個機房相關信息的查看和簡單操作。

4 智能配線系統(tǒng)在鐵路中的應用

4.1 實施方案

在鐵路通信機房ODF柜中安裝智能ODF，每個機柜配1個管理單元。在網(wǎng)絡配線柜中安裝智能EDF，配1個管理單元，2臺管理單元可根據(jù)實際網(wǎng)管通道的需要進行級聯(lián)。每個智能配線系統(tǒng)結構均配有信息采集端口，該端口采用標準RJ45接口，按照從上到下的順序，依次排序做網(wǎng)線連接到智能管理單元。管理單元前端可選用電口或者光口上聯(lián)網(wǎng)管系統(tǒng)。管理單元分布在各個車站，可以通過傳輸或者數(shù)據(jù)網(wǎng)電口通道，匯聚到網(wǎng)管中心。實際應用場景見圖4。

圖4 智能配線系統(tǒng)在鐵路中的應用

熔接光纖操作與傳統(tǒng)光纖配線架相同，在智能光纖配線架背側進行熔纖，同時后面要做采集單元到管理單元的網(wǎng)線，網(wǎng)線要預留完美弧度，保證后期維護時可以抽拉ODF。前面板進行光纖的跳接。智能數(shù)據(jù)配線架背部配置有卡線槽，輔助施工人員進行線纜的卡線。配線架下方配置理線架，輔助理線，方便整潔。指示燈存在3種狀態(tài)，在剛剛加電的初始狀態(tài)，所有燈巡檢1遍，然后熄滅，此時狀態(tài)正常；燈亮情況代表接線狀態(tài)與初始不同；燈閃代表該接口是工單指定的端口。如果非法插入、拔出光纖或者網(wǎng)線，指示燈亮，網(wǎng)管告警。網(wǎng)管通過IP訪問管理單元，會實時刷新管理單元連接配線架的端口狀態(tài)（見圖5）。

圖5 實際應用中的網(wǎng)管端口信息界面

4.2 功能應用

在機柜盤面圖中點擊端口，可以查看該端口的業(yè)務信息。電子臺賬支持批量導入和導出。導入完整的光纜臺賬也在首頁地圖上生成光纜路徑。網(wǎng)管告警數(shù)量顯示在主界面右上角，能夠更直觀快捷地查詢告警。電子臺賬界面見圖6。

圖6 電子臺賬界面

在日常維護操作或施工過程中，需要插拔光纖或網(wǎng)線，需要提前向網(wǎng)管中心申請工單。網(wǎng)管新增工單后，對應端口LED指示燈閃爍，此時進行插拔動作不會上報告警，待施工完成后，網(wǎng)管確認工單完成，指示燈熄滅。

現(xiàn)場維護人員使用手持維護終端接收、查詢工單。APP工單界面見圖7。維護終端可以訪問網(wǎng)管IP登錄，也可點擊登錄界面掃碼按鈕進入“掃一掃”界面，掃描智能管理單元上的二維碼，直接進入該管理單元下所連接的采集單元列表界面，并查看其下連的端口詳情。

圖7 APP工單界面

4.3 光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)

如果增加光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，在網(wǎng)管實時監(jiān)測板塊可對光纜進行實時監(jiān)測（見圖8）。將初次監(jiān)測生成的波形圖作為標準，設置光時域反射儀（OTDR）輪巡的時間間隔，實時監(jiān)測光纜衰耗，并與初始波形圖對比。如與初始圖形相比有較大波峰出現(xiàn)，即有較大衰耗，則上報告警及故障點的公里標。也可設置短信提醒，如出現(xiàn)告警會向填寫的指定手機號發(fā)送短信［9］，節(jié)省了大量人力、物力和時間，提高了維護效率。

圖8 光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)界面

5 結束語

智能配線系統(tǒng)的應用使鐵路配線系統(tǒng)更加綠色化、智能化、精細化，運維管理更加嚴格規(guī)范［10］。隨著系統(tǒng)的不斷完善和改進，配線系統(tǒng)會朝著可視化、自動化方向發(fā)展。目前智能配線系統(tǒng)已在鐵路行業(yè)廣泛應用，實踐證明該系統(tǒng)能有效加強網(wǎng)絡安全性，提高資源利用率，降低維護成本，對布線系統(tǒng)的施工和維護都具有深遠意義。