基于多技術(shù)融合的智慧交通傳輸數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究和應(yīng)用

引言

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，交通行業(yè)正經(jīng)歷著深刻變革，建設(shè)交通強(qiáng)國和數(shù)字中國已成為國家重要戰(zhàn)略目標(biāo)。高速公路智能光纖調(diào)度研究由基于人工智能技術(shù)的光纖智能調(diào)度終端和基于數(shù)字孿生技術(shù)的軟件平臺兩部分組成。光纖智能調(diào)度終端可通過有線網(wǎng)絡(luò)直接由軟件平臺進(jìn)行管理與維護(hù)，自動(dòng)執(zhí)行光纖交叉連接、記憶連接動(dòng)作并反饋交叉連接結(jié)果；軟件平臺以強(qiáng)大的建模和仿真能力孿生出所有光纜纖芯的物理狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)據(jù)大模型，可以實(shí)現(xiàn)智能路由推薦、光纖應(yīng)急調(diào)度、故障精確定位等智慧化功能。

1.關(guān)鍵技術(shù)融合基礎(chǔ)剖析

1.1人工智能技術(shù)賦能

人工智能技術(shù)將會為高速公路智能光纖調(diào)度帶來智能決策與優(yōu)化能力，在光纖應(yīng)急調(diào)度的過程中，強(qiáng)大的算法可以快速分析故障點(diǎn)周邊的光纖資源分布情況。當(dāng)光纖出現(xiàn)故障之后，人工智能算法可以按照衰減最小、用時(shí)最短、跳接點(diǎn)最少等原則，計(jì)算并且推薦高質(zhì)量的備用光纖線路，實(shí)現(xiàn)智能跳纖[1]。

1.2數(shù)字孿生技術(shù)支撐

數(shù)字孿生技術(shù)在高速公路智能光纖調(diào)度中構(gòu)建了與現(xiàn)實(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)高度一致的虛擬模型，這個(gè)虛擬模型如同真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的“克隆體”，精確復(fù)刻了每一根光纖、每一個(gè)節(jié)點(diǎn)以及它們之間的連接關(guān)系，并且能實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，如信號傳輸情況、端口使用狀態(tài)等信息[2]。借助數(shù)字孿生模型，在進(jìn)行光纖調(diào)度操作前，可模擬各種場景。

1.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力

在光纖調(diào)度系統(tǒng)中，分布在各個(gè)位置的光纖檢測設(shè)備、光纖智能調(diào)度終端（multi-functional fiber dispatch，MFD）設(shè)備、其他相關(guān)設(shè)施可以使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接成為一個(gè)整體，進(jìn)而實(shí)時(shí)采集光纖的狀態(tài)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)焦芾砥脚_。通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，管理平臺可以對光纖設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測與控制管理。表1為MFD與傳統(tǒng)ODF性能對比，可以看出MFD除最大容量外，均有較大的性能提升[3]。

1.4光纜故障精準(zhǔn)定位方法與實(shí)踐

光纜故障精準(zhǔn)定位方法是構(gòu)建智能化光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維體系的核心環(huán)節(jié)，旨在通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)的高效管理與快速響應(yīng)。通過集成光時(shí)域反射儀（optical time-domainreflectometer，OTDR）模塊的智能調(diào)度終端，結(jié)合高精度數(shù)字底圖與GIS地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的快速定位與精準(zhǔn)匹配，自動(dòng)關(guān)聯(lián)高度樁號、經(jīng)緯度信息以及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，直觀展示故障點(diǎn)位置4。

1.5大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)

光纖網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行的過程中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，包括光纖性能數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)使用數(shù)據(jù)等信息，大數(shù)據(jù)技術(shù)會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率地存儲、管理、深度挖掘與分析5。通過對光纖性能數(shù)據(jù)做好分析，可以評估光纖的健康狀況，從而預(yù)測光纖故障的發(fā)生概率，提前安排好維護(hù)計(jì)劃，降低故障發(fā)生概率[]。

表1MFD與傳統(tǒng)ODF性能對比

2.關(guān)鍵核心技術(shù)突破點(diǎn)

2.1光纖應(yīng)急調(diào)度時(shí)效性提升

傳統(tǒng)的光纖應(yīng)急調(diào)度依靠人工操作，整體效率相對較低，業(yè)務(wù)搶通需要數(shù)個(gè)小時(shí)才能完成。為了更好地提升時(shí)效性，在基于跳纖機(jī)器人的高速公路智能光纖調(diào)度項(xiàng)目中，需要重點(diǎn)研究光纖自動(dòng)跳接策略算法與基于規(guī)則的多源動(dòng)態(tài)最短路徑算法。算法將光纖通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為站點(diǎn)-網(wǎng)段模型和業(yè)務(wù)通道模型，光纖自動(dòng)跳接策略算法依據(jù)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接和實(shí)時(shí)狀態(tài)，基于站點(diǎn)-網(wǎng)段模型計(jì)算出業(yè)務(wù)開通站點(diǎn)間的可選路由集合；基于規(guī)則的多源動(dòng)態(tài)最短路徑算法則是根據(jù)指定或全網(wǎng)段路由、經(jīng)由節(jié)點(diǎn)數(shù)、鏈路長度、總鏈路損耗、移動(dòng)纖芯端口時(shí)長等不同規(guī)則，計(jì)算出兩點(diǎn)之間的最佳傳輸纖芯路徑。

2.2復(fù)雜線性分層防纏繞技術(shù)更新

跳纖機(jī)器人需部署在狹小的光纖配線結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，光纖分布密集，機(jī)械手帶著光纖進(jìn)行拔纖、穿越、插入等作業(yè)時(shí)極易纏繞，這是智能光纖調(diào)度面臨的一大難題。本文深人研究基于“空間異面直線空間關(guān)系的無纏繞交叉連接算法”，賦予設(shè)備“大腦”，從根本上解決這一問題。該算法確保任意兩根光纖交叉跳接不纏繞，且任意次數(shù)地跳纖都不會出現(xiàn)纏繞情況[8。通過模擬測試，在高密度光纖配線環(huán)境中，經(jīng)過上千次跳纖操作，均未出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化、大容量化提供了可能，有效提升了光纖配線的效率和可靠性，保障了光纖調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3電機(jī)誤差消除與精準(zhǔn)定位技術(shù)

跳纖機(jī)器人電機(jī)在長期、多次的配線操作中，由于精度限制將會產(chǎn)生一些累積誤差，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械手行進(jìn)位置偏離，影響光纖接頭的抓取以及插入的精確度。為了改善這一問題，需要在機(jī)械手行進(jìn)的路徑上增加定標(biāo)傳感器，實(shí)時(shí)預(yù)測機(jī)械手的位置，消除步進(jìn)電機(jī)的累積誤差問題。同時(shí)，積極研究機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)與反饋閉環(huán)控制機(jī)制，結(jié)合基于位置的絕對值脈沖控制算法，構(gòu)建整體的智能控制系統(tǒng)。

2.4分段緩沖技術(shù)孿生展示技術(shù)優(yōu)化

傳統(tǒng)的數(shù)字孿生展示對于網(wǎng)絡(luò)帶寬和硬件資源要求比較高，極大地限制其在實(shí)際中的應(yīng)用，而最佳帶寬與硬件資源占用的分段緩沖技術(shù)，能夠結(jié)合3D建模、路由動(dòng)態(tài)規(guī)劃、設(shè)備機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特征，從而優(yōu)化數(shù)字孿生展示的實(shí)際效果。通過分段緩沖技術(shù)，系統(tǒng)將復(fù)雜的3D模型與動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)展示內(nèi)容，并且做好分段處理。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和用戶需求，逐步加載并展示數(shù)據(jù)，降低對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求[]。

2.5光纜故障精確定位技術(shù)升級

傳統(tǒng)的光纜故障定位方式精度較低、效率較差，很難滿足高速公路通信保障的基本需求，而纖芯自動(dòng)檢測功能能夠在精準(zhǔn)管理光纖資源的基礎(chǔ)上，結(jié)合精準(zhǔn)定位算法，實(shí)現(xiàn)光纜故障的準(zhǔn)確定位。OTDR模塊定期對光纖進(jìn)行檢測，將測試結(jié)果接入光纜故障定位，如圖1所示，系統(tǒng)通過AI技術(shù)對光纜起點(diǎn)機(jī)房、途徑管徑、光纜段等信息進(jìn)行智能化的管理，構(gòu)建出詳細(xì)光纜路由。

3.技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范

3.1技術(shù)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)技術(shù)驗(yàn)證的主要目的在于確保多技術(shù)融合的高速公路智能光纖調(diào)度技術(shù)切實(shí)可行，并且保障性能達(dá)標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)使用數(shù)學(xué)建模——計(jì)算仿真——樣機(jī)研制—聯(lián)調(diào)測試—試點(diǎn)驗(yàn)證的技術(shù)路線。首先，跳纖機(jī)器人基于繩結(jié)理論構(gòu)建大容量光纖配線無纏繞數(shù)學(xué)模型，將結(jié)交叉點(diǎn)有向投影圖抽象為三維空間異面直線，降低樣機(jī)的設(shè)計(jì)難度。其次，構(gòu)造虛擬樣機(jī)，模擬光纖配線過程，將其拆分成空間異面防纏繞算法在各個(gè)模塊之間的操作，驗(yàn)證算法可行性。再次，設(shè)計(jì)仿真模擬機(jī)和展示模擬系統(tǒng)，搭建出基于分段緩沖技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)，從而展示仿真網(wǎng)絡(luò)，在不同網(wǎng)絡(luò)條件下驗(yàn)證技術(shù)實(shí)時(shí)性和流暢性。最后，開展軟硬件研制、樣機(jī)調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，在實(shí)驗(yàn)室完成集成測試與系統(tǒng)測試，為試點(diǎn)驗(yàn)證打下全面基礎(chǔ)，全方位驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)的有效性與可實(shí)施性[]。

3.2試點(diǎn)應(yīng)用實(shí)踐

選取廣珠西線高速公路特定路段作為試點(diǎn)，筆者作為試點(diǎn)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人提供技術(shù)支持，參與項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)測、應(yīng)用評估等工作。在對路段光纜資源狀況進(jìn)行詳細(xì)摸查后，依據(jù)調(diào)研結(jié)果制定系統(tǒng)實(shí)施方案，依照方案在SD、RG等5個(gè)機(jī)房分別部署一臺MFD-384型設(shè)備，在RG機(jī)房增設(shè)服務(wù)器進(jìn)行管控，各機(jī)房增加交流轉(zhuǎn)直流電源模塊和機(jī)柜。同時(shí)，接入5個(gè)站點(diǎn)間的主、輔、新3條60芯光纜，實(shí)現(xiàn)光纜及業(yè)務(wù)接入部署，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，為技術(shù)應(yīng)用提供實(shí)踐場景。軟件平臺部署在RG監(jiān)控中心。各站MFD通過萬兆環(huán)網(wǎng)提供FE口，匯聚至RG機(jī)房，連接至服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1光纖故障定位示意圖

3.3應(yīng)用效果評估與分析

基于機(jī)器人跳纖與智能規(guī)劃算法的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，運(yùn)用VR-AFS跳纖機(jī)器人、OTDR周期采集分析、Dijskra算法規(guī)劃、Yen算法風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避等技術(shù)手段，有效提升了通信故障修復(fù)效率，降低了通信故障發(fā)生概率。分析了新方法實(shí)施前后廣珠西高速公路的通信故障時(shí)長，情況如表2所示。

項(xiàng)目建設(shè)前幾個(gè)月，廣珠西高速月均中斷次數(shù)為4次，單次中斷時(shí)長平均33.33分鐘，項(xiàng)目建設(shè)后8～10月，月均中斷次數(shù)為3.33次，單次通信故障時(shí)長為1.55分鐘。

從運(yùn)維成本的角度看，新系統(tǒng)搭配跳纖機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)光纜故障的精準(zhǔn)定位，減少人工排查和修復(fù)的時(shí)間，通過自動(dòng)化資源管理降低人工失誤導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問題，降低運(yùn)維成本。在資源利用率方面，可盤活冗余備份資源，重新利用閑置的纖芯，避免過度投入性資源建設(shè)，節(jié)省硬件采購與部署的成本。在應(yīng)急調(diào)度能力方面，系統(tǒng)可自動(dòng)識別推薦備用纖芯并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跳纖，快速恢復(fù)中斷服務(wù)，減少業(yè)務(wù)停滯造成的經(jīng)濟(jì)損失。綜合來看，多技術(shù)融合的高速公路智能光纖調(diào)度系統(tǒng)可以在試點(diǎn)應(yīng)用中表現(xiàn)更加出色，顯著提高高速公路光纖調(diào)度管理的水平，為大規(guī)模推廣與應(yīng)用提供有力支持與幫助。

結(jié)語

本研究聚焦基于多技術(shù)融合的高速公路智能光纖調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)突破，從人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合基礎(chǔ)搭建，再到光纖應(yīng)急調(diào)度器件的時(shí)效性提升、復(fù)雜線性分層防纏繞技術(shù)更新等關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，再到技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范，構(gòu)建出一整套較為完善的高速公路智能光纖調(diào)度體系。未來，隨著通信技術(shù)與交通行業(yè)需求的不斷推進(jìn)，仍然有諸多方面需要探索與優(yōu)化。一方面，持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，提升算法的精確度與效率，進(jìn)一步降低系統(tǒng)對硬件資源的依賴性，提高系統(tǒng)適應(yīng)性與拓展性。另一方面，積極探索新技術(shù)與現(xiàn)有系統(tǒng)的融合，如引入更加先進(jìn)的傳感器技術(shù)提升光纖狀態(tài)監(jiān)測的精確度與實(shí)時(shí)性。 □

圖2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

表2使用跳纖機(jī)器人前后通信故障情況

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作者簡介：王文江，本科，高級工程師，2694769306@qq.com，研究方向：信息與通信工程技術(shù)研究及管理工作；陳春誼，本科，工程師，研究方向：高速公路信息通信及機(jī)電工程。