電力光傳輸系統(tǒng)自動巡檢工具的設(shè)計與實現(xiàn)

曾小輝，陳小惠，朱慶，李明娟，杜沐恩

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司信息通信分公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

電力光傳輸系統(tǒng)承載電網(wǎng)安全生產(chǎn)和發(fā)展運營等業(yè)務(wù)通道，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，一方面電力光傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)日趨復(fù)雜，系統(tǒng)運行故障處置復(fù)雜度增加；另一方面，電力光傳輸系統(tǒng)承載的電網(wǎng)業(yè)務(wù)日益增長，系統(tǒng)運行故障的影響范圍增大，對電力光傳輸系統(tǒng)的運維方式方法提出了挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)電力光傳輸系統(tǒng)主要采用設(shè)備廠商專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)進行運維管理，該類網(wǎng)管架構(gòu)主要參照電信管理網(wǎng)的分層管理結(jié)構(gòu)，從上到下包含網(wǎng)絡(luò)管理層、網(wǎng)元管理層和網(wǎng)元層[1]，其強大的操作維護管理功能是通過SDH網(wǎng)元之間的嵌入控制通道(Embedded Control Channel，ECC)協(xié)議來傳遞其豐富的D1-D12再生段和復(fù)用段開銷字節(jié)，包括帶內(nèi)和帶外兩種數(shù)據(jù)通信通道(Data Communication Channel，DCC)物理通道[2]。設(shè)備廠商專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)主要用戶仍為設(shè)備廠商技術(shù)支持人員和電力光傳輸系統(tǒng)運維的高級維護人員，對電力光傳輸系統(tǒng)的智能運維支持程度不高。另一方面，電力光傳輸系統(tǒng)運維人員也只能使用設(shè)備廠商專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)進行實時告警監(jiān)控，缺乏對系統(tǒng)性能的預(yù)警，難以支持系統(tǒng)運維從被動故障搶修轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)警處置。

電力光傳輸系統(tǒng)設(shè)備公共核心板件多采用主備冗余配置，因此主要影響業(yè)務(wù)的系統(tǒng)故障和缺陷為光路中斷。除采用設(shè)備廠商專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)實現(xiàn)光路性能實時告警的監(jiān)視外，另一種具備提前預(yù)警效果的智能運維方法為光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用[3]。為盡量減小對在線業(yè)務(wù)造成的影響，光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)通常對光纜的剩余纖芯進行性能監(jiān)測[4]，繼而對光纜上承載的光傳輸系統(tǒng)光路等性能進行一定程度的監(jiān)視和預(yù)警。然而，光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)通常以光纜為監(jiān)測主體，輔助光傳輸系統(tǒng)性能分析存在以下問題:一是光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測纖芯的性能數(shù)值未與光傳輸系統(tǒng)光路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行映射綁定，運維人員需要從光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)中獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)后，采用線下臺賬比對方式確定應(yīng)分析的光傳輸系統(tǒng)光路，智能程度較低；二是光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測性能主體為光纜的空閑纖芯，同一條光纜的多根纖芯本身就存在性能差異，難以準(zhǔn)確反應(yīng)光傳輸系統(tǒng)光路的真實性能；三是大部分光傳輸系統(tǒng)光路需要由多段光纜的跳接承載，而光纜資源極其寶貴，為光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)分配大量纖芯資料不切實際[5]。此外，光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴，難以形成規(guī)模應(yīng)用。

綜上分析，傳統(tǒng)的電力光傳輸系統(tǒng)運維方式在光路性能的預(yù)警及時性、性能準(zhǔn)確性和應(yīng)用推廣等方面存在不足。本文以電力光傳輸系統(tǒng)主動預(yù)警處置為目標(biāo)，基于專業(yè)網(wǎng)管開放接口設(shè)計和開發(fā)電力光傳輸系統(tǒng)自動巡檢工具，實現(xiàn)電力光傳輸系統(tǒng)光路性能數(shù)據(jù)的采集、分析和預(yù)警，提升電力光傳輸系統(tǒng)運維效率。

1 電力光傳輸系統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)架構(gòu)

通信網(wǎng)管系統(tǒng)除各類別廠商獨立的專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)，還有同樣基于電信管理網(wǎng)的綜合管理系統(tǒng)[6]，一般指各行業(yè)根據(jù)行業(yè)需求，基于專業(yè)網(wǎng)管的北向開放接口進行定制功能的開發(fā)，構(gòu)建適合行業(yè)應(yīng)用的運維支撐系統(tǒng)。如國家電網(wǎng)有限公司統(tǒng)一開發(fā)的電力通信管理系統(tǒng)[7]，接入了多廠家的傳輸、交換、電源、動環(huán)等不同類別通信設(shè)備的專業(yè)網(wǎng)管，有實時監(jiān)視、資源管理、運行管理和專業(yè)管理四大功能模塊，其采集體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

圖1 綜合網(wǎng)管系統(tǒng)采集體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)上北下南規(guī)則，專業(yè)網(wǎng)管通過北向接口向上提供數(shù)據(jù)調(diào)用接口，綜合網(wǎng)管系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集功能。專業(yè)網(wǎng)管再通過南向接口直接連接到網(wǎng)關(guān)網(wǎng)元進而與網(wǎng)元設(shè)備交互[8]，從而采集網(wǎng)元的告警、配置、性能等數(shù)據(jù)信息，以提供告警展示和性能查詢、業(yè)務(wù)配置等功能。

由于廠商專業(yè)網(wǎng)管面向多行業(yè)的專業(yè)運維工程師，通常不支持定制功能開發(fā)，涉及產(chǎn)品專利等方面的要求，第三方也難以對專業(yè)網(wǎng)管進行升級開發(fā)。而電力綜合管理系統(tǒng)為統(tǒng)一開發(fā)的系統(tǒng)，面向全國“總部分地”多層級單位，定制化需求開發(fā)時間長。因而本文借鑒綜合網(wǎng)管的開發(fā)方式，基于專業(yè)網(wǎng)管的北向開放接口對自動巡檢工具進行開發(fā)。

2 巡檢性能參數(shù)需求及接口選擇

2.1 巡檢性能參數(shù)需求

對電力光傳輸系統(tǒng)的光路性能進行巡檢，如圖2所示，一條光路的完整信息包括傳輸段名稱、源宿網(wǎng)元名稱、光板槽位端口、收發(fā)光功率值、光模塊類型。

圖2 光路組成示意圖

光模塊主要用于獲取光功率門限值，因為北向接口不直接提供讀取門限值。光路兩端使用的模塊類型是必須從專業(yè)網(wǎng)管中采集的參數(shù)，原因是光模塊包含傳輸速率、波長、適用距離等關(guān)鍵參數(shù)，即使傳輸速率相同，其光路的性能閾值也存在較大差異，以某一2.5G光模塊為例，見表1。

表1 2.5G光模塊的光功率閾值

其中光接收靈敏度和最小過載點為俗稱的收端光功率的下門限值和上門限值。

2.2 采集接口選擇

從圖1可見，廠商傳送域?qū)I(yè)網(wǎng)管通過北向接口為運行支撐系統(tǒng)(Operation Support Systems，OSS)提供豐富的告警、性能、存量等網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控信息，同時支持配置、測試診斷等網(wǎng)絡(luò)管理、控制分析功能，如電力通信管理系統(tǒng)采集專業(yè)網(wǎng)管的告警、配置和性能等數(shù)據(jù)[9]。其中存量包含網(wǎng)元、槽位、單板端口、交叉、路徑等物理和邏輯存量信息；告警包含告警查詢和確認(rèn)等功能；配置表示對業(yè)務(wù)通道進行創(chuàng)建、刪除、修改等操作；性能包含當(dāng)前和歷史的收發(fā)光功率、工作溫度、誤碼等性能參數(shù)數(shù)據(jù)。

為滿足不同的OSS系統(tǒng)集成需求，專業(yè)網(wǎng)管的北向接口通常分為公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)(Common Object Request Broker Architecture，CORBA)、可擴展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language，XML)、簡單網(wǎng)絡(luò) 管 理 協(xié)議(Simple Network Management Protocol，SNMP)、文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)和描述性狀態(tài)遷移(Representational State Transfer，REST)。

CORBA是由國際標(biāo)準(zhǔn)組織對象管理組(Object Management Group，OMG)定義的一種標(biāo)準(zhǔn)的面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)化建模接口，因其開放性、平臺和語言的無關(guān)性可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)與不同網(wǎng)元管理系統(tǒng)的通信，廣泛應(yīng)用在傳輸網(wǎng)北向接口中，此時采用的是TMF814協(xié)議[10]。

XML是一種可以自描述的標(biāo)記語言，因其固有的靈活性和可擴展性，被廣泛應(yīng)用于跨系統(tǒng)跨平臺的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)共享[11]，XML接口適合綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。

SNMP是管理進程和代理進程之間的通信協(xié)議，是一種應(yīng)用層協(xié)議，能管理支持代理進程的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[12]。在此，管理進程特指綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，代理進程指專業(yè)網(wǎng)管。

FTP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議組的協(xié)議之一，采集程序以定期輪詢方式通過FTP協(xié)議登陸網(wǎng)管服務(wù)器采集數(shù)據(jù)，不滿足數(shù)據(jù)采集實時性要求[13]。

REST描述了一個架構(gòu)樣式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用REST架構(gòu)的服務(wù)被稱為RESTful服務(wù)，建立在HTTP協(xié)議基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)傳輸采用明文方式，數(shù)據(jù)安全性不能完全保證[9]，是目前主流的一種Web服務(wù)交互方案。

除接口性能、參考標(biāo)準(zhǔn)的不同，各種接口開放數(shù)據(jù)類型方面也存在一定差異，某傳送域的各北向接口開放的數(shù)據(jù)類型對比見表2。其中，RESTful僅支持OTN和WDM設(shè)備的存量查詢、配置管理功能。

表2 北向接口開放數(shù)據(jù)

綜合巡檢工具開發(fā)目的及對設(shè)備廠商北向接口文檔的對比，選擇CORBA和XML兩類采集接口，其中CORBA接口采集傳輸段、源端和宿端的傳輸網(wǎng)元、傳輸網(wǎng)元端口、收發(fā)光功率等性能數(shù)據(jù)；而XML接口采集端口光模塊類型，用于光路性能閾值的準(zhǔn)確匹配。

3 巡檢工具功能模塊設(shè)計

電力光傳輸系統(tǒng)自動巡檢工具包含4個模塊，分別為權(quán)限管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、性能分析模塊和輸出展示模塊。

3.1 權(quán)限管理模塊

為減少部署成本，光傳輸系統(tǒng)的專業(yè)網(wǎng)管多采用集中化部署，即多級多域設(shè)備均采用同一套專業(yè)網(wǎng)管進行維護管理，其中級包含總部、分部、省、地四級，域包括SDH、PTN、OTN。如湖南地區(qū)電力NCE光傳輸網(wǎng)管共管轄了湖南省和所有地市的SDH、PTN和OTN網(wǎng)絡(luò)。由于各級傳輸設(shè)備的運維主體不同，集中部署模式要求自動巡檢工具具備分權(quán)分域的設(shè)計，與設(shè)備的運維主體保持一致，不同運維主體應(yīng)分配不同的管理權(quán)限，保證用戶數(shù)據(jù)的安全性。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊除簡單地從北向接口采集巡檢所需字段信息，還包括數(shù)據(jù)加工，如按照適配協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析和根據(jù)開發(fā)目的設(shè)計合并數(shù)據(jù)對象[13]。由于傳輸段名稱包含源宿端網(wǎng)元和端口信息，以傳輸段為中心遍歷所有傳輸段，解析出所有源宿兩端的網(wǎng)元名稱和端口，并將網(wǎng)元名稱和端口綁定，進而采集該端口的收發(fā)光功率性能參數(shù)和光模塊類型，并根據(jù)廠家模塊工具書定義該端口的收發(fā)光上下門限值。最后以傳輸段為維度，將傳輸段、速率、源宿兩端的網(wǎng)元、端口、性能數(shù)據(jù)、門限關(guān)聯(lián)成一個完整的光路對象數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理流程

3.3 性能分析模塊

性能分析模塊是巡檢工具的核心，主要通過光路劣化規(guī)則來判斷光路狀態(tài)，以及異常嚴(yán)重程度、持續(xù)周期。其中劣化規(guī)則包括收端光功率與門限值和設(shè)定值的判斷、收端光功率與上一周期的巡檢結(jié)果對比，比設(shè)備廠商專業(yè)網(wǎng)管的只與門限值判斷更精準(zhǔn)；光路狀態(tài)包括光路中斷、光路異常、光路正常；嚴(yán)重程度包括嚴(yán)重、一般；更精準(zhǔn)多周期地衡量光路性能，具體如圖4所示。超出門限值，或在門限設(shè)定值內(nèi)但連續(xù)與上一周期光功率浮動超過2 dBm，都被判定為嚴(yán)重的光路異常。只有當(dāng)收端光功率處于門限設(shè)定值內(nèi)，且與上一周期的光功率浮動未超過2 dBm，才認(rèn)為是光路正常。

圖4 光路性能分析流程

其中根據(jù)運維經(jīng)驗，設(shè)定值為“+3/-5”[14]，即下門限加3 dBm，上門限減5 dBm，也是工程實施對光功率余量需滿足“高3低5”的原則。

3.4 輸出展示模塊

將光路對象數(shù)據(jù)中的網(wǎng)元、傳輸段、收發(fā)光功率和分析結(jié)果中的光路狀態(tài)、異常嚴(yán)重程度、持續(xù)周期合并為一條光路的完整輸出信息。并根據(jù)異常嚴(yán)重程度顯示為不同顏色，代表需干預(yù)的緊急程度，“嚴(yán)重”顯示為紅色，“一般”為“黃色”，分別督促運維人員立即和盡快處理來實現(xiàn)自動預(yù)警，化被動消缺為主動進行隱患治理。

4 巡檢工具的開發(fā)實現(xiàn)

開發(fā)工具類程序主流的開發(fā)語言有Java、C++、Python等。Java是一門面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，因其優(yōu)越的跨平臺可移植性，在Web開發(fā)中是主流語言，且簡單易用、語法規(guī)范、開源軟件多。C++是一種最廣泛支持范式的編程語言，擅長面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的同時，還可以進行基于過程的程序設(shè)計。Python是動態(tài)形的靈活的解釋性語言，從軟件開發(fā)到Web開發(fā)，Python都有被使用，因其解釋性，適合輕量級開發(fā)。

根據(jù)本項目需求綜合分析，采用Java語言開發(fā)，使用springboot框架，重點介紹數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)。

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)

4.1.1 CORBA采集接口的實現(xiàn)

CORBA接口開發(fā)通常采用對象請求代理(Object Request Broker，ORB)實現(xiàn)，商業(yè)ORB主要包 括Orbix、VisiBroker，開 源ORB主 要 包 括JacORB、TAO。考慮實現(xiàn)工具較為簡單，開源ORB即可支持，選擇JacORB作為中間件進行開發(fā)。利用JacORB對專業(yè)網(wǎng)管的接口描述語言(Interface description language，IDL)進行編譯，形成了Java編程語言可使用的庫文件，各參數(shù)獲取方法如下:

1)獲取網(wǎng)元列表，用ManagedElementMgr＿I數(shù)據(jù)接口類的getAllManagedElements方法；

2)獲取網(wǎng)元命名，用ManagedElementMgr＿I數(shù)據(jù)接口類的getAllManagedElementNames方法；

3)獲取網(wǎng)元端口信息，調(diào)用ManagedElement Mgr＿I數(shù)據(jù)接口類的getAllPTPNames方法；

4)獲取光路拓?fù)淞斜?，調(diào)用EMSMgr＿I數(shù)據(jù)接口類的getAllTopologicalLinks方法；

5)獲取光路拓?fù)渚唧w名稱，調(diào)用EMSMgr＿I接口類的getAllTopLevelSubnetworkNames方法；

6)獲取光路所在端口的性能信息，調(diào)用PerformanceManagementMgr＿I數(shù)據(jù)接 口 類 的getAll CurrentPMData方法。

4.1.2 XML接口的實現(xiàn)

XML接口開發(fā)通常采用簡單對象訪問協(xié)議(Simple Object Access Protocol，SOAP)中間件實現(xiàn)，商 業(yè)ORB主 要 包 括IBM Websphere、IBM Weblogic，開 源ORB主 要 包 括Apache CXF、Apache AXIS?？紤]實現(xiàn)工具較為簡單，開源SOAP即可支持，選擇Apache CXF中間件進行開發(fā)。利用Apache CXF對專業(yè)網(wǎng)管的Web服務(wù)描述語言(Web Services Description Language，WSDL)進行編譯，形成了Java編程語言可使用的庫文件，并通過調(diào)用EquipmentInventoryRetrievalRPC數(shù)據(jù)接口類的getAllEquipment方法來獲取端口光模塊類型。

4.2 展示效果

利用該工具對省網(wǎng)某SDH光傳輸系統(tǒng)所有光路進行自動巡檢，部分光路段的巡檢結(jié)果見表3。

表3 SDH光傳輸系統(tǒng)部分光路段巡檢結(jié)果

表3中，SW-黔城＃15-1至SW-飛山＃14-1速率為STM4的光路，源宿兩端收入光功率分別是-23.5 dBm和-25.7 dBm，雖然都在門限(上門限-5，下門限+3，即-13/-5 dBm，-34/+3 dBm)以內(nèi)，但由于宿端SW-飛山＃14-1的收光功率比上一巡檢周期的結(jié)果降低了2.5 dBm，因而光路狀態(tài)是異常，因為是第一次出現(xiàn)，所以是黃色預(yù)警。

而SW-紫霞2＃12-1至SW-瑤都＃8-1段速率為STM16的光路，源宿兩端收入光功率分別是-18.1 dBm和-23.8 dBm，雖然都在設(shè)定門限以內(nèi)(上門限-5，下門限+3，即-9/-5 dBm，-28/+3 dBm)以內(nèi)，但由于宿端SW-瑤都＃8-1的收光功率比上一巡檢周期的結(jié)果降低了5.7 dBm，因而光路狀態(tài)是異常；且第二次收光功率降低超過2 dBm，即持續(xù)惡化，是紅色預(yù)警。

監(jiān)控人員復(fù)核專業(yè)網(wǎng)管的當(dāng)前收光功率值和歷史記錄的收光功率值，發(fā)現(xiàn)巡檢工具的分析結(jié)果正確，及時通知運維人員進行處理，發(fā)現(xiàn)故障原因是SW-紫霞2＃12-1至SW-瑤都＃8-1光路所經(jīng)過的光纜段在紫霞站內(nèi)受鼠咬導(dǎo)致部分纖芯受損，將有鼠泛的光纜提前進行業(yè)務(wù)迂回；而SW-黔城＃15-1至SW-飛山＃14-1所承載的光纜纖芯是因為某次檢修調(diào)整時未將飛山側(cè)纖芯擦拭干凈。

5 結(jié)語

通過分析電力光傳輸系統(tǒng)現(xiàn)有運維方式的不足，基于專業(yè)網(wǎng)管北向接口和光路異常預(yù)判規(guī)則設(shè)計電力光傳輸系統(tǒng)自動巡檢工具，并應(yīng)用到實際生產(chǎn)運行的電力光傳輸系統(tǒng)。實用效果表明該工具能夠準(zhǔn)確高效地巡檢光路性能而降低人工巡檢的成本，并依據(jù)實際運維要求進行合理分析預(yù)警，避免電力光傳輸系統(tǒng)光路的非計劃中斷，提升自主化運維水平。