基于GIS的光纜運行質量監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用＊

胡光雄，易煥銀，黃建安，王傳志

(1.廣東交通職業(yè)技術學院機電工程學院，廣東 廣州 510800；2.廣東漢佳信息技術有限公司)

0 引言

5G 傳送網中無論是核心層、匯聚層還是接入層，光纜因其高性能、大帶寬的優(yōu)勢而被大量使用。以接入光纜為例，因5G更高密度組網的需求導致接入光纜纖芯消耗可能比以往增長三倍以上。中國今年采購光纜約447.05 萬皮長公里，折合約1.432 億芯公里，比2020 年提升20%，比2019 年提升36%，這反映了5G 規(guī)模建設與流量高增速驅動光纖光纜需求持續(xù)快速增長。因5G 擴建光纜如此，歷史存量光纜亦然。

無論是架空光纜或管道光纜，其傳輸質量均可能因沿途地震、臺風、雷擊、舞動、覆冰、桿塔傾斜、偷盜、竊聽等外部因素而隨機受到影響。在現場負責光纜運維和檢測的運維人員很難全面準確掌握光纜質量，即使部分隱患被檢測到，其隱患信息往往無法及時傳送到在辦公環(huán)境下負責光路業(yè)務調度的調度員。因此，研究光纜運行質量圖形化分析系統(tǒng)，對于發(fā)現和修繕光纜運行質量隱患、提高上層業(yè)務運行可靠性具有現實意義。

1 主要研究內容

光纜通信資源主要包括ODF、光纜段、纖芯、光交接箱、光接頭，以及承載光纜的管道、桿路等物理資源。光纜中的纖芯通過不斷接續(xù)或跳接，形成纖芯通路這樣的邏輯資源，在資源調度流程的支持下最終成為承載上層業(yè)務的邏輯光路。無論是通過工程施工后形成的光纜物理資源，還是通過施工后期跳接形成的光路等邏輯資源，都屬于“啞”資源，其通信質量問題不會自發(fā)上報。因此，有必要研究光纜運行質量檢測感知設備、光纜運行質量數據采集方法，進而研發(fā)信息化、圖形化光纜運行質量分析系統(tǒng)。

1.1 應用需求分析

無論手持式OTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）還是實時在線OTDR，其測試結果均具有信息孤島性，監(jiān)測出來的光纜質量缺陷缺少屬地化位置措施，無法指引光纜搶修人員直接到達現場進行搶通工作。文章建立一套手持式OTDR 測試結果的接口技術，提供一種能將其檢測結果采集、導出并解析其原始數據的技術手段；同時在研究一套能監(jiān)測更大范圍的實時在線OTDR 設備基礎上探索網絡化的實時對接接口，形成一套多種形態(tài)OTDR 設備的對接接口，完成光纜質量監(jiān)測的基礎數據對接工作，同時，建立基于GIS技術的質量檢測、接口采集、結果存檔、數據分析、圖形化呈現、質量缺陷定位等應用于一體的光纜質量監(jiān)測系統(tǒng)，提供光纜衰耗點大數據分析，實現光纜斷點位置定位、大衰耗點分布等圖形化光纜健康度分析支持，為5G等業(yè)務應用提供智能化質量檢測和健康性評價。

1.2 系統(tǒng)結構設計

基于GIS的光纜運行質量監(jiān)測系統(tǒng)整體結構圖如圖1 所示，主要包括光纜數據感知、數據采集與解析、光纜質量數據圖形化分析三層。一方面，光纜運維人員根據年度或月度光纜巡檢指標，指引巡檢員通過手持OTDR實現計劃性、突發(fā)性或事故性的光纜質量巡檢，檢測的光纜質量結果用于指揮修繕缺陷，數據在系統(tǒng)中長期保存；另一方面，重要的主干光纜由在線OTDR輪詢進行常態(tài)化監(jiān)測，借用SOCKET 接口遠程調用在線OTDR采集服務，并將測試結果返回到系統(tǒng)服務器。系統(tǒng)服務器將兩種形態(tài)的光纜檢測出來的無形光纜質量數據與GIS 資源管理、光纜支撐資源及光纜等有形的資源對象進行關聯(lián)，最終實現可視化的光纜運行質量分析目標，確保上層網絡應用的運行安全性與穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

1.3 系統(tǒng)感知層

光時域反射儀OTDR是利用光在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射原理而制成光電一體化檢測儀器，可滿足光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等監(jiān)測需求，是通信企事業(yè)單位用于檢測光纜“啞”資源是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質非均勻性等質量缺陷一種常用工具。其主要包括巡檢員用的手持式OTDR和安裝于機房的24 小時實時在線的OTDR 設備兩大類，手持式OTDR主要用于光纜的日常巡檢和計劃性巡檢，實時在線的OTDR設備主要監(jiān)測固定范圍的若干條被測的光纜纖芯通路，實現重要光纜的常態(tài)化監(jiān)測。

1.4 網絡接口層

手持式OTDR 完成檢測后將測試結果自動生成SOR 格式文件，并保存在OTDR 的存儲器中，該文件支持USB 口或藍牙通信導出。由于SOR 數據文件內數據量十分龐大，通過道格拉斯抽稀算法對數據進行壓縮處理，提升后續(xù)數據分析和呈現的性能。圖2 為手持式OTDR 的數據解析基本流程，包括檢測、采集、手持式OTDR 測試儀中導出SOR 文件、將SOR 文件解析并抽稀，最終成為當次光纜檢測的結果數據。

圖2 手持式OTDR的數據解析流程

在傳統(tǒng)實時在線OTDR 設備基礎上，為了提升設備的利用率和性價比，同時也為了擴大監(jiān)測面，在線實時在線型OTDR 設備上增加了光開關（OSW，Optical Switch），實現1：8、1：16、1：32等大范圍的輪詢監(jiān)測需求。其輪詢監(jiān)測基于TCP 網絡協(xié)議與主控卡進行通信，主控卡根據指令控制光開關（OSW），光開關（OSW）最終與OTDR 模塊建立監(jiān)測鏈接，通過Socket與OTDR 模塊建立動態(tài)通信，發(fā)送相關測試指令到OTDR 模塊，并由OTDR 模塊完成光纜的當次監(jiān)測。圖3 為在線OTDR 數據采集基本流程，在接口服務器與在線OTDR 設備之間建立SOCKET 網絡接口，通過OTDR設備專有的數據采集協(xié)議，實現網絡化、自動化、遠程的光纜運行質量數據采集方法。

圖3 在線OTDR數據采集流程

2 光纜運行質量監(jiān)測系統(tǒng)設計

為了提升光纜承載上層業(yè)務可靠性要求，研發(fā)基于GIS的光纜運行質量監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 GIS資源管理模塊

提供功能標準化、通用化、開放型的GIS(Generalized Information System)平臺，兼容在線地圖和自建地圖，以點（紅綠燈十字路口、房屋、銀行、樓宇、政府機構、樹木等）、線（高速公路、城市交通路網、鄉(xiāng)道、河流等）和面（山脈、河湖、公園等）等為圖形化參考背景的地圖管理和呈現平臺，實現基于經緯度的參照物定位功能。支持系統(tǒng)的多用戶并發(fā)訪問，并支持電腦端和移動終端的地圖呈現功能。

2.2 光纜支撐資源管理模塊

管道桿路資源管理提供光纜的支撐設施管理功能，將所有管道和桿路資源形成具有經緯度位置信息的管理功能，在GIS平臺上實現以地圖為背景的管道、桿路圖形化呈現功能。在GIS 平臺上針對管道、桿路的點資源（管井、電桿、鐵塔、撐點、管孔等）提供經緯度管理功能，根據這些經緯度信息計算出兩點間管道或桿路線性資源（管道段、吊線段、引上管等）的長度信息，并在地圖上統(tǒng)一實現地圖點對象的位置信息管理和線性地圖對象的長度信息管理。將被監(jiān)測光纜形成有起止點信息并按順序穿纜于所經過的管道或桿路路的矢量化線形圖，實現以GIS地圖為背景、以管道桿路為支撐路徑的光纜網絡圖形化管理效果。

2.3 被測光纜資源管理模塊

被測光纜資源管理模塊提供光纜資源點（ODF、光交接箱、光接頭、融接點、光纜起點、光纜終點、光纜放大器等）、線（光纜段、纖芯、光路、纖芯通路、光纜通路、局向、中繼通路等）和面（光纜子網、光纜網、光纜拓撲圖等）的信息管理及其圖形化呈現功能，將每一條光纜形成有起止點信息與其實際的管道或桿路支撐點信息進行關聯(lián)、將每一條光纜路過的桿路、管道段及其管孔路徑按順序進行綁定，形成以GIS 地圖為背景、以管道桿路為支撐路徑的光纜對象圖形化管理效果。

根據支撐光纜的管道或桿路點地圖資源對象和線對象的經緯度信息轉化為光纜的路徑長度信息，并對光纜在管井或電桿上的盤留長度全程量化管理，在GIS 平臺上，實現被測光纜圖形化呈現，在此基礎上進一步實現：從被測光纜的起點出發(fā)，根據纖芯通路的路由距離提供可定制化的光纜路徑定位分析功能，為后續(xù)的光纜質量分析和缺陷屬地化分析提供堅實的圖形化支撐。

2.4 光纜質量分析模塊

GIS 平臺為光纜質量可視化分析建立了應用基礎。通過OTDR 接口采集到數據形成光纜的衰耗曲線，圖形中縱軸是光功率的衰減值，橫坐標為光纜的距離，根據衰耗曲線的特征，通過光纜質量曲線衰耗突變點A 取得其距離參數S，這個衰耗突變點很可能是異常天氣、光纖的熔接點或接頭耦合性不佳等因素造成的光纜纖芯裂紋。圖4 是一條32 芯光纜的運行質量分析結果圖，通過圖4 中大小不同的紅色圓餅可直觀的呈現每一條光纜的質量隱患大小及其距離。

圖4 光纜質量分析

2.5 光纜質量屬地化定位分析

在進行光纜質量隱患修繕前首先通過衰耗曲線獲得質量隱患距離S 來換算其在GIS 系統(tǒng)的具體經緯度。在系統(tǒng)的數據表中詳細記錄每個節(jié)點距離被測光纜起點的距離,因此隱患點必然會落在光纜經過的某一管道段或吊線段區(qū)間中,若以S記為這段區(qū)間的開始位置，以S記為這段區(qū)間的結束位置，那么：

這個區(qū)間主要通過管道段或吊線段對應的光纜用戶長度通過后臺數據庫進行求和查詢獲得。若S點的坐標為(X,Y)，S點的坐標為(X,Y)，根據平行截割定理,可得以下方程：

獲得坐標(X,Y)后即可在GIS 平臺上將質量隱患點在電子地圖上進行定位，尋找對應支撐設施的隱患點（譬如ODF、光交接箱、光接頭、融接點或光纜斷點）的具體位置及其參照物，指揮光纜運維人員快速到達隱患點現場，形成一套快速找到光纜質量缺陷及光纜缺陷具體位置的方法。

3 系統(tǒng)實現與應用

本系統(tǒng)將采集和分析的OTDR 數據存儲于SQLServer2012SP1 數據庫，并采用Java 開發(fā)語言實現基于Web GIS 的系統(tǒng)界面，在某局一條39.84km 的32芯光纜中推進實際應用，通過本系統(tǒng)監(jiān)測到的纖芯衰耗曲線圖如圖4 所示（圖4 既是光纜質量分析圖也是纖芯衰耗曲線圖）。從這些衰耗曲線圖中直觀的呈現了各纖芯通路的衰耗特征，并通過圖形化形式展現出同一條中繼光纜中不同纖芯通路的衰耗值存在不完全一致的情況，這為光路資源生產調度提供了直觀的篩選手段，即現場運維監(jiān)測數據直接用于指引后臺資源調度員避開運行質量存在缺陷的纖芯通路，這樣不僅提升光纜承載業(yè)務的可靠性，也為后續(xù)光纜運行質量的修繕指明了方向。

4 結束語

綜上所述，當前關于光纜運行質量的圖形化、網絡化監(jiān)測和缺陷屬地化定位分析的研究實例并不多，當光纜出現斷裂、接頭耦合性不佳、介質非均勻性等缺陷時，嚴重影響5G等上層業(yè)務的應用。本文提出一套采集OTDR 檢測結果的綜合接口方案，基于GIS 技術實現了光纜質量監(jiān)測系統(tǒng)。研究和應用結果表明，此系統(tǒng)可覆蓋外圍光纜隨機性、計劃性光纜質量檢測和重要光纜常態(tài)化的實時在線光纜質量監(jiān)測，可遠程感知光纜的運行質量，不僅實現了圖形化的光纜質量呈現、分析手段，且提供了基于GIS的光纜缺陷屬地化地圖定位分析支持，有效促進光纜質量問題的搶修、搶通工作，很大程度上縮短了排障時間，提高了光纜故障的處置效率，提升了光纜承載上層應用的可靠性。