三維圖形技術在電網通信光纜監測系統中的應用?

張煥域 林 密 陳 明 洪 杰

（海南電網有限責任公司 海口 570100）

1 引言

光纖通信技術在近十年中飛速發展，并在電力通信等領域得到廣泛的應用，不僅具有信息容量大、傳輸穩定、不受電磁影響、耐腐蝕等特點，而且在長距離通信方面更具有難以比擬的優勢。但不可否認的是，光纜極易受到外力等因素的破壞，從而導致通信質量下降。針對這個問題，需要構建一套能夠有效監測光纜情況的系統，而目前我國已構建的該類系統中，絕大多數都僅適用于某一特定地區，并且在監測數據、地理位置等信息的顯示方面并不理想。對此，本文在現有電網通信光纜監測系統的基礎上進行優化設計，通過加入程控光開關來對光時域反射儀進行控制，以此實現電網通信光纜的周期測試以及點名測試，并且能夠根據電網通信光纜的長度、平均損耗、反射損耗以及地理分布情況等信息，準確診斷出電網通信光纜故障點的地理位置。同時通過三維圖形技術展示故障點定位，進而更為直觀地為電力部門提供數據借鑒參考。

2 三維可視化技術

可視化技術的主要作用是將數據信息以各種刺激人類視覺神經的方式表達出來，同時能夠支持豐富的交互手段，以此幫助用戶更加直觀深入地查看、掌握數據信息。與文字、圖標等傳統的數據信息表現方式相比，可視化技術結合使用形態、色彩、體積、明暗、位移等眾多表現手段，因此能夠表達大量的信息內容。可視化技術最早被應用與科學計算可視化，即通過圖形或圖表等方式，將科學測量及計算相關數據進行直觀地可視化展示，使人們更加容易發現和理解各個科學測量數據及計算數據之間的深層聯系。

電力領域同樣包含了海量測量、試驗及計算數據的統計、分析工作。如采用傳統的技術不僅不能直觀地展示電力數據，同時還在一定程度上影響了電力工作的效率。對此，可視化技術在電力領域無疑具有著巨大的應用潛力。利用可視化技術不僅能夠實時顯示圖形、地圖及監測數據，還可以生成統計圖表、圖形模型等，顯著增強數據分析、處理能力，從而有效提升電力系統的工作效率。

3 總體設計框架

本文所設計的電網通信光纜自動監測系統的主要硬件包括三個部分：光時域反射儀、程控光開關以及計算機，該系統的整體框架結構如圖1所示。

圖1 系統硬件部分設計

從圖1中可以看到：計算機負責對光時域反射儀和程控光開關進行控制，光纜監測數據的接收、分析、處理，生成數據結果報表等。其中，控制方面主要包括對程控光開關端口與光時域反射儀的連接控制，光時域反射儀的運行控制以及光時域反射儀的參數、標記點設置等。同時，通過計算機對數據的采集，將采集到的數據結果通過三維圖形等方式展示給電力部門。

4 系統設計

根據系統整體框架設計方案，進一步對其硬件部分與軟件部分進行設計。其中，硬件部分主要包括光纜故障測量選型、工作原理、程控光開關選型等，軟件部分主要包括程控光開關的控制、光時域反射儀的控制。

4.1 硬件部分設計

4.1.1 光纜故障測量選型

光時域反射儀的作用是對電網通信光纜的物理特性與損耗分布曲線進行測量，主要包括光纖長度、衰減系數、接頭損耗等項。光時域反射儀不僅具有便捷、精確等優點，還能與計算機監控技術以及地理信息平臺進行有機結合，構成整個電網通信光纜監測系統，實現電網通信光纜的故障監測與分析、報警與預警、故障定位與管理、線路維護與管理等關鍵功能。通過電網通信光纜監測系統能夠提前發現電網通信光纜故障隱患，并及時做好預防處理措施，顯著降低線路問題的發生概率，提升電力企業對電網通信光纜的維護力度，從而保障電網通信光纜能夠高效、安全、穩定地工作，有效避免因監測、維護以及管理工作不到位而導致的損失。

4.1.2 工作原理

電網通信光纜監測系統的主要工作原理是電網通信光纜在運行時，光纖折射率的細微變化會產生光的瑞利散射，而當光纖發生斷裂等故障時，此處的折射率變化將導致菲尼爾反射的發生。利用上述原理，就可以根據所監測到的瑞利散射光強度情況，來診斷出損耗分布以及溶解損耗等；而根據所監測到的菲尼爾反射情況，就能定位出電網通信光纜的故障點。

光時域反射儀的工作原理是通過激光二極管來制造出光脈沖信號，該信號由定向耦合器送入電網通信光纜。當出現瑞利散射或者菲尼爾反射時，散射光或者發射光會經過定向耦合器送入光電二極管，由APD將其轉變為電脈沖信號，在放大、濾波等處理后被轉變為數字信號，再通過數字平均等處理手段增強該數字信號的信噪比，最終由顯示裝置向管理者展示波形與結果。

4.1.3 程控光開關選型

程控光開關由多種型號，本文中所選的程控光開關為FSW1×4-SM-B型單模光開關。在電網通信光纜監測系統中，程控光開關主要用于對電網通信光纜進行多路光監控、自動換接若干光源以及光器件的安裝調試等。

4.2 軟件控制設計

4.2.1 程控光開關的控制

本文在電網通信光纜自動監測系統的整體框架設計中，對程控光開關的控制進行了簡單的闡述，程控光開關能夠控制光時域反射儀實現周期測試以及點名測試，具體過程如下：

1）周期測試

將設備的電源線接好，然后開啟設備電源開關使其進入工作運行狀態，程控光開關此時位于第一通道，顯示器上以數字“01”進行顯示。接下來，計算機會向程控光開關發送十六進制的指令，指令的發送頻率具有周期性，其內容為02、03、04、01依次輪詢，分別對應相應光通道的切換操作，顯示器會在命令被執行時顯示對應的光通道數字。需要設備復位時，可通過計算機向程控光開關發送FF指令來使其處于復位狀態，此時光通道關閉，顯示為數字“00”。

2）點名測試

點名測試的準備工作與周期測試相同，首先將設備通電，此時程控光開關位于第一通道，顯示為數字“01”。然后，計算機向程控光開關發送指令，使設備切換至對應的光通道。計算機向程控光開關發送FF指令可以使設備復位，此時光通道關閉。

4.2.2 光時域反射儀的控制

1）手動測試流程

以手動方式進行光時域反射儀的控制測試時，首先對測試波長、測試量程等各項參數進行手動設置，接著開始測試并記錄數據。手動測試流程如圖2所示。

圖2 手動測試流程

2）自動測試

以自動方式進行光時域反射儀的控制測試時，首先由光時域反射儀對測試波長、測試量程等各項參數進行自動設置，接著通過測試得到軌跡曲線以及最終測試結果，整個流程如圖3所示。

3）自動分析流程

事件點詳細信息需要對測試所得數據結果進行分析才能得出，其流程如圖4所示。

圖3 自動測試流程

圖4 流程圖

5 關鍵技術問題

5.1 自動測試和手動測試的選取

相比自動測試而言，手動測試較為繁瑣，需要對測試波長、測試量程等參數進行手動設置，但就靈活性與測試的精度而言，手動測試要優于自動測試，因此在實際操作時應當根據具體情況進行選擇。本文主要對以下幾種情況進行分析：在確定光纖長度，而對測試波長等其他參數現場有要求的情況下，適宜選擇手動測試；若對測試波長等其他參數現場無要求，則適宜選擇自動測試。而在不確定光纖長度，而對測試波長等其他參數現場有要求的情況下，則適宜先采用自動測試來設置測試量程，接著由手動測試來完成其他流程。

5.2 故障點地理位置精確定位

5.2.1 電網通信光纜的實際光纖長度

在電網通信光纜的實際施工過程中，通常會預留一部分光纜以備斷纜熔接或者光纜遷移時所需。因此，測試光纖長度一般超出了實際的地理距離，使得測試路由與實際路由不符。

針對此問題，若以L來表示電網通信光纜實際光纖長度，以L1來表示光時域反射儀測試光纖長度，以L2來表示預留光纜的長度，以L3來表示光纜敷設增加的長度，則可通過以下公式來計算出電網通信光纜的實際光纖長度L：式中，a為光纜自然彎曲率，P為光纖在光纜中的絞縮率。

5.2.2 故障點地理位置

計算出電網通信光纜的實際光纖長度后，可以與地理信息系統有機結合，以此進一步得出具體的故障點地理坐標。為了能夠準確地對電網通信光纜故障點進行定位，地理信息系統（GIS）需要具備詳細的電網通信光纜地理信息，如電網通信光纜的地理坐標、形態以及彼此間的地理關系等信息。

5.3 可視化展示

在三維可視化實現中，讓結果更加立體和直觀地展示給廣大的客戶。對此，結合當前主流的三維圖形處理軟件，選擇OpenGL軟件對三維可視化模型進行搭建。OpenGL通常被認為是一個開放式的圖形工具，其主要包括三維建模、紋理映射、圖像增強等。本文針對光纖的監測，主要運用其圖形繪制、光照和材質設置、三維變換。具體的處理流程則如圖5所示。

圖5 光纜監測處理流程

在圖5中，一方面運用OpenGL對光纜建模方法，另一方面將監測的數據網格化處理，然后根據模型繪制出光纜的布置方案，以及監測區域的空間配準。根據獲取的信息進行模型的總體繪制并在計算機上顯示，最后通過鼠標和鍵盤的操作實現人機交互，實現對模型的全局信息觀察和局部細節觀察，最終完成對光纜的可視化。

圖6 可視化下的光纜故障監測圖

5.4 設計效果展示

由此，通過上述的設計，可以得到如圖6所示的光纜故障定位圖。

6 結語

通過上述的設計看出，在對該系統的實現中，一方面要考慮對光纜故障的定位方法。對此為實現故障定位，引入光時域反射儀對故障光纜進行定位；另一方面，通過OpenGL三維建模軟件對可視化系統進行設計，進而通過設計可直觀地展示光纜故障的位置。由此，通過設計為當前光纜的可視化應用提供了借鑒。