電子標(biāo)識(shí)技術(shù)在光纜網(wǎng)中的應(yīng)用探索與研究

原恩育

（63887 部隊(duì) 河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著光纖通信傳輸網(wǎng)業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，全國(guó)光纜線路總長(zhǎng)度已達(dá)5958 萬km，僅2022 年新建光纜線路長(zhǎng)度就達(dá)477.2 萬km，光纜線路已然成為我國(guó)構(gòu)建信息化現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的重要組成部分。 在光纜網(wǎng)快速發(fā)展的過程中，光纜網(wǎng)故障判定與搶修成為全網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在光纖通信傳輸網(wǎng)的故障中，光纜線路類故障約占故障總量的80%，從當(dāng)前光纜故障修復(fù)過程來看，光纜型號(hào)標(biāo)碼與識(shí)別牌模糊，無法準(zhǔn)確指示出故障光纜，是制約故障阻斷修復(fù)的重要原因之一，因而設(shè)計(jì)一種全新的光纜標(biāo)簽識(shí)別碼，增強(qiáng)光纜網(wǎng)巡查維護(hù)智能化管理水平，指示故障光纜，縮短故障歷時(shí)就顯得迫在眉睫。

1 當(dāng)前光纜網(wǎng)中標(biāo)識(shí)應(yīng)用現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中，國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union- Telecommunication standardization sector，ITU-T）提出了G.651-G.655 等多種標(biāo)準(zhǔn)光纖的建議，對(duì)光纜的規(guī)格型號(hào)、派生代號(hào)等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范。 但在實(shí)際應(yīng)用過程中，各廠商生產(chǎn)的光纜外形結(jié)構(gòu)相似，各運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的光纜路由重合，光纜標(biāo)識(shí)牌就成為識(shí)別各類網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。 而維護(hù)中常因維護(hù)人員緊缺、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)分布散、線路距離長(zhǎng)、路由環(huán)境復(fù)雜等因素造成標(biāo)識(shí)牌缺損嚴(yán)重，光纜無法準(zhǔn)確分別，為光纜阻斷搶修帶來了巨大挑戰(zhàn)［1］。 通過光纜線路故障案例分析，當(dāng)前光纜網(wǎng)中標(biāo)識(shí)應(yīng)用存在的問題主要有：

（1）巡檢手段單一。 傳統(tǒng)巡檢方法主要依靠人工對(duì)線路情況進(jìn)行目測(cè)巡查，無法客觀準(zhǔn)確地掌握巡查人員的巡檢情況，也無法有效地保證巡檢人員巡檢質(zhì)量。

（2）標(biāo)識(shí)技術(shù)落后。 當(dāng)前的光纜標(biāo)識(shí)牌是在相應(yīng)規(guī)格的PVC 板上印刷光纜線路的通達(dá)臺(tái)站等信息，存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)，且易受自然風(fēng)化脫落，無法在關(guān)鍵時(shí)刻為故障修復(fù)提供有效參考。

（3）人為參與度高。 隨著光纜網(wǎng)的日趨龐大，當(dāng)前的維護(hù)需要大量的維護(hù)人員參與到線路維護(hù)的工作中，特別是光纜標(biāo)識(shí)牌以及標(biāo)識(shí)的更換維護(hù)等，維護(hù)成本高，效率較低。

（4）技術(shù)支持不夠。 光纜標(biāo)識(shí)牌不僅是光纜網(wǎng)的重要組成部分，還包括光纜網(wǎng)的重要標(biāo)識(shí)信息。 當(dāng)前光纜標(biāo)識(shí)牌僅能辨別確定光纜，無法提供該條光纜上承載的業(yè)務(wù)信息，技術(shù)支持不夠。

根據(jù)光纜標(biāo)識(shí)應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種全新的光纜電子標(biāo)識(shí)牌，將光纜線路信息、光纖業(yè)務(wù)信息完美融合，全面提升光纜網(wǎng)的管理手段和智能化維護(hù)水平，為光纜阻斷搶修提供可靠的技術(shù)支持與參考，從而提高光纖通信傳輸網(wǎng)的安全性能，有著十分重要的意義。

2 標(biāo)識(shí)識(shí)別碼技術(shù)構(gòu)成及應(yīng)用

光纜電子標(biāo)識(shí)識(shí)別技術(shù)由電子標(biāo)識(shí)碼、電子標(biāo)識(shí)感應(yīng)器、電子標(biāo)識(shí)識(shí)別器、管理服務(wù)器四部分構(gòu)成。 電子標(biāo)識(shí)碼為可修改的光纜信息、光纖業(yè)務(wù)信息、通達(dá)方向以及網(wǎng)絡(luò)級(jí)別等基本信息的二維碼構(gòu)成。 電子標(biāo)識(shí)感應(yīng)器由內(nèi)嵌于標(biāo)識(shí)牌中用于標(biāo)識(shí)識(shí)別器感應(yīng)的迷你芯片構(gòu)成。 電子標(biāo)識(shí)識(shí)別器為手持式掌上終端，包括標(biāo)識(shí)感應(yīng)識(shí)別器（用于感應(yīng)接收電子標(biāo)識(shí)牌中感應(yīng)器）、二維碼識(shí)別器（能夠識(shí)別出標(biāo)識(shí)牌中二維碼信息，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行修改保存）、感應(yīng)提示裝置（在與電子標(biāo)識(shí)建立連接后能夠發(fā)出提示音及燈光，用于提示維護(hù)人員完成電子標(biāo)識(shí)的識(shí)別）、標(biāo)識(shí)定位功能以及可視化操作界面［2］。 管理服務(wù)器能與電子標(biāo)識(shí)識(shí)別器相連，導(dǎo)出標(biāo)識(shí)識(shí)別器記錄的電子標(biāo)識(shí)信息，同時(shí)分離出標(biāo)識(shí)定位信息與光纜智能巡檢系統(tǒng)相連（如圖1 所示），進(jìn)一步對(duì)光纜網(wǎng)進(jìn)行有效管理。

圖1 電子標(biāo)識(shí)技術(shù)構(gòu)成模式示意圖

2.1 電子標(biāo)識(shí)牌識(shí)別技術(shù)構(gòu)成

2.1.1 標(biāo)識(shí)信息識(shí)別碼

電子標(biāo)識(shí)牌組成中的光纜信息記錄采用目前應(yīng)用廣泛的QR（quick response）Code 矩陣二維碼，它比傳統(tǒng)的Bar Code 條形碼存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力更強(qiáng)，能通過某種特定的幾何圖形，即按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的、黑白相間的、記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的圖形，在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”“1”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。 每種碼制有其特定的字符集，每個(gè)字符占有一定的寬度，具有一定的校驗(yàn)功能等。

2.1.2 標(biāo)識(shí)牌感應(yīng)芯片

電子標(biāo)識(shí)牌區(qū)別于傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)牌的最顯著的特點(diǎn)，就是在標(biāo)識(shí)牌內(nèi)部嵌入了感應(yīng)芯片，用于與電子標(biāo)識(shí)識(shí)別器相互感應(yīng)，其功能相當(dāng)于微型信號(hào)發(fā)射器［3］。 當(dāng)線路巡檢人員手持電子標(biāo)識(shí)識(shí)別終端進(jìn)入標(biāo)識(shí)識(shí)別器的感應(yīng)區(qū)域后，識(shí)別終端會(huì)自動(dòng)識(shí)別出感應(yīng)裝置，從而完成電子識(shí)別。

2.1.3 電子標(biāo)識(shí)識(shí)別器

電子標(biāo)識(shí)識(shí)別器采用傳統(tǒng)的掌上型手持終端，內(nèi)置感應(yīng)識(shí)別器，用于識(shí)別電子標(biāo)識(shí)牌中的感應(yīng)芯片。 終端中內(nèi)置定位模塊，可同步生成地理定位信息并記錄保存。 識(shí)別器對(duì)于電子標(biāo)識(shí)牌上的光纜信息二維碼有掃描識(shí)別并修改數(shù)據(jù)信息的功能，并通過保存記錄上傳于管理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜接頭、光纜通達(dá)方向、纖芯業(yè)務(wù)變更等信息的有效管理。 識(shí)別器內(nèi)置聲光提示模塊，在識(shí)別器識(shí)別出電子標(biāo)簽感應(yīng)器后同步產(chǎn)生聲光提示信號(hào)，提醒維護(hù)人員。

2.2 電子標(biāo)識(shí)牌在光纜網(wǎng)中的應(yīng)用

每塊電子標(biāo)識(shí)牌都有一個(gè)獨(dú)立的身份信息，該信息包括：標(biāo)識(shí)牌的編號(hào)、應(yīng)用場(chǎng)景（對(duì)光纜線路敷設(shè)方式進(jìn)行說明，如架空、直埋等），以及外形上的標(biāo)志信息。 該標(biāo)識(shí)牌在光纜線路建設(shè)完成后，按照竣工要求于架空光纜的桿路、人井、直埋光纜的巡檢標(biāo)識(shí)、光纜接頭等位置，同時(shí)生成光纜電子標(biāo)識(shí)檔案數(shù)據(jù)庫，記錄于管理服務(wù)器中。 在使用時(shí)對(duì)光纜線路的日常巡護(hù)、路由改造、光纜阻斷搶修、業(yè)務(wù)割接等產(chǎn)生的信息，通過電子識(shí)別手持終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄并更改保存，通過管理服務(wù)器完成數(shù)據(jù)信息更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜線路的數(shù)據(jù)化管理。 此外，該標(biāo)識(shí)牌最重要的功能是提供光纜信息，從根本上解決現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員因光纜信息掌握不全導(dǎo)致的故障修復(fù)歷時(shí)過長(zhǎng)問題，有效提升線路故障修復(fù)手段。

3 光纜網(wǎng)標(biāo)識(shí)識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)與管理

3.1 電子標(biāo)識(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)

光纜電子標(biāo)識(shí)技術(shù)主要由電子標(biāo)識(shí)牌和識(shí)別管理終端兩部分組成：電子標(biāo)識(shí)牌主體選擇耐磨損抗氧化的聚乙烯材料，將感應(yīng)芯片內(nèi)嵌于標(biāo)識(shí)牌中，用于產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。標(biāo)簽識(shí)別碼在制作初期是根據(jù)光纜網(wǎng)信息內(nèi)容、應(yīng)用的功能等需求生成表層QR 二維碼，但該碼存在明顯弊端，即：信息不能修改編輯、僅限簡(jiǎn)單內(nèi)容、不能交互信息、無加密等。 而應(yīng)用于光纜網(wǎng)電子標(biāo)識(shí)牌的二維碼需充分考慮后期管理與信息的更改、保密安全等應(yīng)用，因此，就必須開發(fā)QR 二維碼的深層應(yīng)用。 經(jīng)深層改進(jìn)后的二維碼應(yīng)具備：使用專業(yè)解碼軟件、加密機(jī)制不被破解、內(nèi)容更加豐富、能系統(tǒng)管理、可編輯修改、與用戶交互信息、更多擴(kuò)展功能，這也是QR 二維碼真正的價(jià)值所在［4］。 同時(shí)還可根據(jù)不同需求對(duì)二維碼進(jìn)行定制，變換顏色圖案，以及不同造型等進(jìn)行更深層次的管理與應(yīng)用。

3.2 光纜網(wǎng)中的電子標(biāo)識(shí)管理

在光纜網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)識(shí)管理主要通過電子標(biāo)識(shí)識(shí)別器進(jìn)行管理。 打開識(shí)別器手持終端，登錄電子標(biāo)識(shí)管理操作軟件界面，打開感應(yīng)識(shí)別模塊感應(yīng)掃描功能，此時(shí)感應(yīng)模塊開始搜索識(shí)別區(qū)域內(nèi)的電子標(biāo)識(shí)牌中的感應(yīng)芯片，感應(yīng)芯片與感應(yīng)模塊的感應(yīng)距離應(yīng)充分考慮光纜線路路由情況，設(shè)計(jì)應(yīng)不少于20m 范圍。 感應(yīng)到電子標(biāo)簽的同時(shí)觸發(fā)識(shí)別器中的聲光提示模塊，通過聲光提示完成電子標(biāo)識(shí)牌的識(shí)別［5］。 此時(shí)按下終端中的定位信息記錄按鍵，通過內(nèi)置的定位模塊，完成定位信息的記錄。 應(yīng)用中的識(shí)別器一般有兩種應(yīng)用場(chǎng)景：其一為光纜線路巡查維護(hù)中電子標(biāo)識(shí)的感應(yīng)及光纜信息的普查；其二是在光纜阻斷或需要業(yè)務(wù)割接、路由改造施工等需要更改標(biāo)識(shí)信息時(shí)。 在信息更改場(chǎng)景下，須打開手持終端掃描器，對(duì)電子標(biāo)識(shí)牌上的光纜信息二維碼進(jìn)行掃描識(shí)別，開啟修改數(shù)據(jù)信息的功能，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的記錄與修改并保存。 電子標(biāo)識(shí)的管理還應(yīng)充分考慮同路由上多條光纜并行的情況，因此電子標(biāo)識(shí)在應(yīng)用中，對(duì)應(yīng)不同中繼段或者承載不同業(yè)務(wù)的光纜，就要設(shè)計(jì)不同的電子標(biāo)識(shí)牌，不同標(biāo)識(shí)牌中的感應(yīng)芯片應(yīng)有不同的感應(yīng)頻率，識(shí)別器在識(shí)別時(shí)可在感應(yīng)識(shí)別模塊設(shè)置中選擇其中的一個(gè)頻率，即可完成相同路由上不同光纜的巡檢維護(hù)以及信息采集。

4 光纜網(wǎng)中識(shí)別碼信息加密技術(shù)

相較于傳統(tǒng)的標(biāo)識(shí)牌，電子標(biāo)識(shí)牌能夠存儲(chǔ)更多的光纜線路的信息，這也為光纜網(wǎng)的標(biāo)識(shí)管理提出了一個(gè)新的課題，即光纜標(biāo)識(shí)牌的信息保密問題。 電子標(biāo)識(shí)牌上的信息二維碼應(yīng)區(qū)別于普通掃描識(shí)別的二維碼，應(yīng)為加密二維碼［6］。 為實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)識(shí)碼加密功能，識(shí)別碼加密技術(shù)從以下幾個(gè)方向進(jìn)行探索。

4.1 二維碼碼型結(jié)構(gòu)加密

從碼型的結(jié)構(gòu)來看，二維碼可以分為堆疊、行排式二維碼（如圖2 所示）和矩陣式二維碼（如圖3 所示）。 堆疊、行排式二維碼形態(tài)上是由多行一維條碼堆疊而成；矩陣式二維條碼以矩陣的形式組成，在矩陣相應(yīng)元素位置上用“點(diǎn)”表示二進(jìn)制“1”，用“空”表示二進(jìn)制“0”，“點(diǎn)”和“空”的排列組成代碼。

圖2 堆疊式／行排式二維碼

圖3 矩陣式二維碼

堆疊、行排式二維碼其編碼原理是建立在一維條碼基礎(chǔ)之上，按需要堆積成二行或多行。 它在編碼設(shè)計(jì)、校驗(yàn)原理、識(shí)讀方式等方面繼承了一維條碼的特點(diǎn)，識(shí)讀設(shè)備與條碼印刷與一維條碼技術(shù)兼容。 但由于行數(shù)的增加，需要對(duì)行進(jìn)行判定，其譯碼算法與軟件也不完全相同于一維條碼。 有代表性的行排式二維條碼有：Code 16K、Code 49、PDF417、MicroPDF417 等。

矩陣式二維碼（又稱棋盤式二維條碼）它是在一個(gè)矩形空間通過黑、白像素的不同分布進(jìn)行編碼。 在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點(diǎn)（方點(diǎn)、圓點(diǎn)或其他形狀）的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“1”，點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制的“0”，點(diǎn)的排列組合確定了矩陣式二維碼所代表的意義。 矩陣式二維碼是建立在計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、組合編碼原理等基礎(chǔ)上的一種新型圖形符號(hào)自動(dòng)識(shí)讀處理碼制。 具有代表性的矩陣式二維條碼有：Code One、MaxiCode、QR Code、 Data Matrix、Han Xin Code、Grid Matrix 等。

以上兩種編碼技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)普通層面的信息加密，通過對(duì)二維碼技術(shù)的深度編碼設(shè)計(jì)，從而生成更不易于普通掃描器識(shí)別的二維碼［7］。 在加密二維碼設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)加密的二維碼識(shí)別模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過更為隱蔽及復(fù)雜的算法進(jìn)行加密二維碼的掃描識(shí)別，該解碼算法與加密算法伴生使用。

4.2 隱形加密識(shí)別碼

隱形加密識(shí)別碼是對(duì)加密碼的另一種思考，該碼型區(qū)別于可見碼型的算法加密以及編碼信息加密技術(shù)。 該技術(shù)是從二維碼的外形設(shè)計(jì)以及物理加密技術(shù)上進(jìn)行思考，有效避開人眼可識(shí)別的波長(zhǎng)范圍，將人眼不可見的隱形二維碼刻在電子標(biāo)識(shí)牌上，從而達(dá)到碼圖直接加密。 該加密碼區(qū)別于常規(guī)的可見二維碼，為人眼不可見碼，同時(shí)設(shè)計(jì)能夠識(shí)別該段波長(zhǎng)的二維碼掃描儀實(shí)現(xiàn)信息碼的加密，利用該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理加密。

5 結(jié)語

電子標(biāo)識(shí)牌的設(shè)計(jì)初衷，是在當(dāng)前光纜標(biāo)識(shí)牌存在突出問題的情況下，對(duì)新一代電子標(biāo)識(shí)牌技術(shù)進(jìn)行的探索與思考。 新一代電子標(biāo)識(shí)牌通過將二維碼技術(shù)和感應(yīng)技術(shù)的充分融合，通過感應(yīng)識(shí)別、信息存儲(chǔ)、定位管理、巡護(hù)數(shù)據(jù)管理等功能，為維護(hù)人員提供光纜線路詳細(xì)信息，在故障發(fā)生時(shí)鎖定故障光纜，提供解決光纜標(biāo)識(shí)牌問題的有效方案，對(duì)提升光纜網(wǎng)維護(hù)水平、加快智能化建設(shè)、提高光纜網(wǎng)的安全性能有著十分重要的意義。