智能光纜運維預警系統應用淺析

蔡權慧, 田 雷

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088;2.中國移動通信集團設計院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230081)

1 系統建設背景

2019年全國取消高速公路省界收費站項目的實施，聯網收費方式的改變，使得收費站、ETC門架系統車輛交易流水的生成對遠程后臺數據獲取的實時性要求更高，高速公路光傳輸網作為主用鏈路——承載數據傳輸的重要載體，其運行的穩定性，決定了整個網絡運行的穩定性。雖然目前大部分省份采用電信/移動/聯通運營商專線或物聯網作為備用鏈路，但是若主用鏈路可靠性和實時性得不到保證，這將造成備用鏈路流量的劇增，這無疑給各省經營主體增加了運營負擔。

因此，保證光傳輸網可靠穩定的運行就顯得非常的重要和必要。傳輸網是由光傳輸設備加光纜構成的。隨著光傳輸網的大量建設，傳輸設備自身運行情況的監控和管理已經完善且穩定。但是，作為光傳輸 網的另一重要組成部分——光纜，其運行情況一直沒有一套很好的監測和維護方案。長期以來，光纜的維護一直靠建設單位的維護人員利用簡單的儀器加上自身多年累積的經驗進行維護。很多時候由于外力破壞和自然環境的影響，光纜的維護依靠人工既艱難煩瑣又效率低下。維護人員 因此承受著很大的工作壓力和高負荷的工作量。因此，針對光纜建設一套智能分析、監 測、保護、管理系統就顯得十分必要。

根據目前對光纜線路維護管理模式的調查，主要存在以下問題：

(1)光纜長途干線多，距離長，地形復雜，維護困難。

(2)道路主體工程養護臨時施工、交通事故、人為破壞等，容易造成光纜中斷。

(3)無法判斷光纜衰耗進程，難以解決信號質量下降及光纜中斷的潛在風險。

(4)人為接線錯誤或光纜接頭松動導致的故障排查困難。

(5)無法對業務光纜進行實時在線監測。

(6)故障定位不準確，監測精度差。

(7)光纜使用隨意性較大，每次新增業務需要對光纜現狀進行摸底，耗時耗力。

對光纜線路的實時監測，動態地觀察光纜線路傳輸性能的劣化情況，及時發現和預報光纜隱患，提高光纜監測的全局化、網絡化、實時化、數據化網絡管理，以降低光纜阻斷的發生率，縮短光纜的故障時間顯得至關重要。

智能光纜運維預警系統與傳統人力監測相比，有以下優勢：

(1)大幅降低運維成本：通過在光傳輸網絡站點分布式部署智能光纜運維預警系統，實現基于云服務、大數據的光纖在線監測運維管理模式，大幅度降低通信光纜運維的設備成本、培訓成本、人力成本、檢修成本。

(2)提前預知故障風險：通過在光傳輸網絡站點分布式部署智能光纜運維預警系統，實現長時間光纜監測數據的精細化分析，根據衰耗數據曲線、時間數據曲線、季節數據曲線、環境數據曲線等多維度預先判斷可能存在的光纜故障風險，提前防范與處理。

(3)提高運維服務質量：通過在光傳輸網絡站點分布式部署智能光纜運維預警系統，在光纜故障出現后能夠快速準確定位故障點并提供故障分析，大幅度提高故障處理效率；同時在光纜故障出現前提供風險告警，防患于未然，為提高運維服務質量提供有力的技術與數據支撐平臺。

2 技術簡介

2.1 OTDR

現階段，國內外在光纖傳感技術中較為普遍的應用是光時域反射儀(optical time-domain reflectometer,OTDR)，OTDR在精準時鐘電路的控制之下，按照設定的參數向光口發射光脈沖信號，之后OTDR不斷地按照一定的時間間隔從光口接收從光纖中反射回的光信號，分別按照瑞利背向散射(測試光纜的損耗)和菲涅爾反射(測試光纜的反射)的原理對光纖進行相應的測試(圖1)。

圖1 測試原理圖

瑞利散射是由于光信號沿著光纖產生無規律的散射而形成，光纜測試單元測量回到發射端口的一部分散射光，這些背向散射信號表明了由光纖而導致的衰減(損耗/距離)程度，形成的軌跡是一條向下的曲線，它說明了背向散射的功率不斷減小，這是由于經過一段距離的傳輸后發射和背向散射的信號都有所損耗。另一方面，菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個別點而引起的，這些點是由造成反向系數改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙。在這些點上，會有很強的背向散射光被反射回來。

根據不同的曲線、時間點，判斷出光纖問題所在。如焊接點、過度彎曲點和斷裂點等。根據分析出來的問題點及時定位、搶修、恢復等操作。可查詢全省光纜空余纖芯的剩余情況，當空余纖芯被使用時，系統可發出報警，并顯示出具體的路段位置及纖芯編號。

決定OTDR的性能參數主要有：動態范圍、盲區、脈寬寬度。

動態范圍：動態范圍是一個重要的 OTDR 參數。此參數揭示了從 OTDR 端口的背向散射級別下降到特定噪聲級別時 OTDR 所能分析的最大光損耗，是最長的脈沖所能到達的最大光纖長度。因此，動態范圍(單位為 dB)越大，所能到達的距離越長。顯然，最大距離在不同的應用場合是不同的，因為被測鏈路的損耗不同。連接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大長度的因素。因此，在一個較長時段內進行平均并使用適當的距離范圍是增加最大可測量距離的關鍵。大多數動態范圍規格是使用最長脈沖寬度的三分鐘平均值、信噪比 (SNR)=1(均方根 (RMS) 噪聲值的平均級別)而給定。

事件盲區：是指菲涅耳反射發生后OTDR可檢測到另一個連續反射事件的最短距離。根據Telcordia系列標準，事件盲區是反射級別從其峰值下降到-1.5 dB處的距離， OTDR 的事件盲區盡可能短非常重要，這樣才可以在鏈路上檢測相距很近的事件。例如，在建筑物網絡中的測試要求 OTDR 的事件盲區很短，因為連接各種數據中心的光纖跳線非常短。如果盲區過長，一些連接器可能會被漏掉，技術人員無法識別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難。

衰減盲區：OTDR衰減盲區是指菲涅耳反射發生后OTDR能精確測量連續非反射事件損耗的最小距離。根據Telcordia系列標準，衰減盲區是從反射事件發生時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的0.5 dB。因此，衰減盲區通常比事件盲區要長(圖2)。

圖2 盲區示意圖

脈沖寬度：在光功率大小恒定的情況下，脈沖寬度的大小直接影響著光的能量的大小，光脈沖越長光的能量就越大。同時脈沖寬度的大小也直接影響著測試盲區的大小，也就決定了兩個可辨別事件之間的最短距離，即分辨率。如下圖所示，測量同一條光纜時，由于采用不同的脈沖寬度，測量結果中的盲區范圍、信噪比、分辨率都不相同。最短的脈沖寬度得到了最小的盲區，但是信噪比最大；最長的脈沖寬度獲得了最小的信噪比(平滑曲線)，但盲區達到1 km以上。

2.2 Coherent-OTDR

Coherent-OTDR采用相干探測技術，將瑞利背向散射(測試光纜的損耗)和菲涅爾反射(測試光纜的反射)信號的功率集中在一個外差中頻上，通過解調中頻信號的功率即可獲得實際信號功率的大小。通過在中頻信號處設置一個帶通濾波器，從而濾除大部分噪聲功率，維持Coherent-OTDR較高的動態范圍。同時，采用FSK(移頻鍵控)技術消除因為經過EDFA(摻餌光纖放大器)時的光浪涌。

Coherent-OTDR技術，不是使用單脈沖技術，而是使用了低功率數字編碼激光器，不僅產生少量單脈沖，并且產生大量連續不間斷的調制脈沖，都注入被監測光纖中。反射信號被收集，解調，通過獨特的算法運算，得到光鏈路的長度、損耗、接頭、故障位置等。采用Coherent-OTDR技術，光鏈路的長度計算不是基于脈沖的寬度，因此可以精確定位任何超過閾值的反射點，并且可以在整個光鏈路的范圍內精度達到1米。由于該技術采用了低功耗激光器，光電檢測器的恢復時間可以忽略不計，因此不存在盲區。與OTDR相比，Coherent-OTDR技術有如下優勢：

(1)OTDR是強光監測，有盲區。Coherent-OTDR是弱光監測，沒有盲區，事件是有很多個弱光脈沖累積的監測結果。

(2)在50～80km的范圍，由于OTDR是單個脈沖，監測距離越遠，光能量越弱，需要增大脈寬，這時候會導致監測精度大大下降，而Coherent-OTDR沒有降低，它通過調整脈沖序列和數量和波形，獲取累積結果，一樣保證精度。

(3)Coherent-OTDR有快速模式和高精度模式，這是自動處理的。通常光纜斷纖的事件監測上報是10多秒的時間，然后系統立刻啟動高精度模式(1 m精度)，通過5 min左右，給出斷點的精確位置。

3 系統方案

3.1 系統組成

智能光纜運維預警系統由光網絡信息管理軟件，檢測中心和遠端監測站(RTU)組成(圖3)。RTU 設置應結合本工程光纜維護分區和維護方式來確定。

圖3 監控網絡示意圖

監測中心設置在中心機房(可根據需求設置)，安裝監控系統軟件，負責光纜監測信 息的采集、匯總和存儲。各 RTU 監測信息需同時上傳到監測中心，進行數據的處理以及存儲。

監控站配置 RTU 單元，每個 RTU 單元配置實時監測模塊，每個模塊負責監測光纖線路。

監控中心配置監控服務器并安裝監控軟件系統，可擴展磁盤陣列及備用服務器等系統加固 設備，還可以擴展監控網元，接入更多 RTU 設備。各區管理人員可通過安裝了客戶端軟件的內 網計算機直接訪問監控系統平臺，也可以通過安裝了客戶端軟件的外網計算機通過防火墻訪問 監控系統平臺。

3.2 監測方式

按監測光路的連接方式，智能光纜運維預警系統可分為業務纖芯監測和備用纖芯監測兩種方式。在告警反映實時性上，在線監測方式要優于備纖監測方式；在系統的可靠性上，備纖監測方式由 于不介入通信設備與線路，因此其系統可靠性最高；在實施上，備纖監測方式難度最小。

3.2.1 業務纖芯監測方式

業務纖芯監測是把監測信號與通信信號共同注入同一根光纖，通過業務纖芯來觀察光纖的損耗情況(圖4)。

圖4 業務纖芯監測示意圖

由于監測信號與通信信號在同一根光纖，因此能直接客觀地反映通信光纖的損耗情況。而且可以在不中斷通信設備工作的情況下進行光纖損耗的測量，但需要增加相應的濾波器等相關光無源器件，同時由于濾波器與合波器的引入會造成相應的插入損耗，會造成通信信號相應的衰減，因此對通信光纖與通信設備有一定門限要求。

業務纖芯監測的優點：① 可以實時直接監測業務纖芯的損耗；② 具有發現彎曲光纖漏光竊聽的功能。

業務纖芯監測的缺點：① 在系統安裝調試時需要中斷業務纖芯的通信；② 需要串入合波器與濾波，會增加系統的損耗。

3.2.2 備用纖芯監測方式

光纖備纖監測是把監測信號注入備用光纖，通過監測備纖的損耗情況來間接觀察光纜的損耗情況，同樣可以判斷光纜中斷情況，及時定位斷點位置信息(圖5)。

圖5 備用纖芯監測示意圖

由于監測信號在備用光纖，因此不需要濾波器等光無源器件，可以有效地減少系統成本，并且不會帶來相應的插入損耗問題。

備纖監測的優點：① 系統的安裝調試不影響原有業務的通信；② 不會給系統增加額外的損耗與故障點；③ 系統安裝簡單，不需要合波器與濾器；④ 只需在一端安裝設備，遠端無須施工，節省了大量的施工時間和工作量。

4 結束語

光纜監測系統在通信、交通、電力等行業都有應用，經調查，大部分實施的光纜監測系統，從經濟性考慮，目前普遍做法是通過檢測光纜中某幾芯備用光纖來綜合評價整根光纜的情況，但是卻無法了解整根光纜使用情況，若對整根光纜纖芯均進行監測，則存在以下問題：

(1)受激光器件的影響，一臺設備同時進行監測的光纖芯數不超過5芯，想要利用一臺設備實現對更多光纜的監測，只能靠輪詢，考慮時間及實用性問題，一臺OTDR設備最多能監測的極限芯數為168芯，超過此規模需要增加監測設備。一臺Coherent-OTDR設備能監測的芯數相較就要少些。

(2)如果對業務纖芯進行監測，不僅引入系統的損耗，如OTN等對光路要求較高的系統，因此，而且也會增加投資一般不建議采用。

(3)對備用纖芯均進行監測，投資較大，但是對于高速公

路，其成帶狀分布，收費站、服務區分布較為密集，而高速公路通信專網通信設備以其為單位進行布設，且沿線外場監控設備較多，對光纜的切割較為頻繁，同時光纜的局部使用較多，由于缺乏有效的制度，使用隨意性也較大，因此從全局很難了解整個光纜的使用情況，若進行光纜規模使用需進行人工摸查，不僅耗時耗力，且搜集的資料往往跟現場情況差異較大。

因此實施光纜監測系統，不僅要綜合考慮造價問題，還要從實際需求方面出發，選擇合理的方案。