張洪波，余志強，謝 偉，肖志杰，黃文勇，王 允，蘇 暢

（1.中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.四川西南交大鐵路發(fā)展有限公司，成都610000；3.桂林聚聯(lián)科技有限公司，廣西 桂林 541004）

基于無源光網(wǎng)絡的高速公路邊破裂縫監(jiān)測系統(tǒng)

張洪波1，余志強1，謝 偉2，肖志杰2，黃文勇2，王 允3，蘇 暢3

（1.中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.四川西南交大鐵路發(fā)展有限公司，成都610000；3.桂林聚聯(lián)科技有限公司，廣西 桂林 541004）

提出一種基于無源光網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)思路，利用現(xiàn)有通信傳輸網(wǎng)的光纖作為傳感器，采用成熟的光時域反射儀（O TD R）模塊和無源光網(wǎng)絡（PO N）相結(jié)合，可運用在高速公路的邊坡斷裂、垮塌監(jiān)測中，并可以構(gòu)成基于高速公路網(wǎng)的光傳感監(jiān)測網(wǎng)絡。

無源光網(wǎng)絡；O TD R；瑞利散射；菲涅爾反射

0 引言

隨著國家經(jīng)濟迅猛發(fā)展，交通承載壓力越來越大。國家對高速公路建設速度加快，高速公路的信息系統(tǒng)也日益成熟，但對于高速公路的一些自然災害卻不能準確地預防和處理。目前我國高速公路邊坡情況監(jiān)測方法主要有：①通過人工巡視檢查和對觀測數(shù)據(jù)進行整理、分析，評估和判斷高邊坡的穩(wěn)定狀況。這種方法不能實現(xiàn)實時狀態(tài)，對人力要求比較高[1,2]。②利用各種儀表、儀器監(jiān)測，這種方式的難點是為位于邊坡表面或者埋于地下的監(jiān)測儀器儀表供電。在現(xiàn)有高速信息化建設中，公路的旁邊或者附近都敷設了通信光纜；如果利用通信光纜位于高速附近這一有利條件，將無源光網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和原理運用于邊坡監(jiān)測的系統(tǒng)，在邊坡發(fā)生裂縫時就能實現(xiàn)預警，這將有效防止和預警邊坡災害的發(fā)生[3,4]。

1 基于無源光網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 光時域反射（OTDR）技術(shù)及運用

OTDR技術(shù)是利用瑞利散射原理和菲涅爾反射原理來反映光纖傳輸質(zhì)量的技術(shù)，主要用在光纜的工程施工和檢修過程中，完成對傳輸光纜的損耗、連接頭、斷點位置的判斷，通過對OTDR曲線的分析和對比，能夠斷定這些事件點的具體位置，為光纜工程維護帶來方便。

1.2 PON技術(shù)的結(jié)構(gòu)和監(jiān)測

PON是一種接入網(wǎng)，局端設備（OLT）與多個用戶端設備（ONU/ONT）之間通過無源光纜、光分/合路器等組成的光分配網(wǎng)（ODN）連接的網(wǎng)絡，如圖1所示。監(jiān)測方案的實質(zhì)是運用OTDR技術(shù)監(jiān)測PON網(wǎng)絡中ONU的距離長度。ONU的位置全部以OTDR曲線反射峰位置呈現(xiàn)，如圖2所示。

圖1 PON結(jié)構(gòu)

圖2 OUN的反射峰

1.3 實現(xiàn)方案及方法探討

本文將現(xiàn)有的PON光纖監(jiān)測方式植入現(xiàn)有的公路信息系統(tǒng)中，利用光學中全反射原理，使其在不同的位置形成一個對應的反射峰，通過對反射峰的監(jiān)測實現(xiàn)對整個邊坡群進行監(jiān)測的作用。針對邊坡的監(jiān)測就無需用ONU，可直接用反射器來取代它。反射器又名光纖光柵終端濾波器，當OTDR測量光 （1625nm± 5nm）通過位于光纖末端的光纖光柵終端濾波器后，光纖光柵將光柵固有的反射波長（1625nm±5nm）反射回來，在OTDR曲線上形成一個反射峰，證明該路光纖連接正常，沒有發(fā)生光纖損壞和斷裂。在監(jiān)測站通過OTDR的測試光經(jīng)傳輸光纜到布置在邊坡節(jié)點的分光器上，邊坡上的每個臺階對應一個反射器，邊坡的臺階數(shù)量對應分光器的路數(shù)。反射器用于替代ONU，作用在于穩(wěn)定每條光路的反射值。光分路器到反射器之間的光纖預埋至需要監(jiān)測的邊坡位置上，這時邊坡的監(jiān)測點就相當于接在光纖尾端的反射器位置，監(jiān)測該反射器的反射峰出現(xiàn)的位置變化就能反映出該邊坡是否出現(xiàn)裂縫。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖

目前的PON光纖監(jiān)測系統(tǒng)觸發(fā)OTDR測試的信號來源于OLT設備端的告警，然而在邊坡監(jiān)測中不具備這樣的條件。本文提出一種周期性主動測試方案，實現(xiàn)對邊坡的周期性測試。一條高速公路存在很多個邊坡，為了把這些邊坡群都監(jiān)測起來，我們提出OTDR加光開關的監(jiān)測方式，將OTDR的發(fā)射光脈沖經(jīng)過光開關的切換分配到各個光路中，一個這樣的OTDR模塊就能針對多個邊坡進行監(jiān)測。每個邊坡都會得到一條OTDR測試曲線，比較測試曲線和原始標準曲線，然后對反射峰進行對比，就能反映出位置變化和反射值的高低變化。

系統(tǒng)采用光開關切換的方式對價格昂貴的OTDR模塊進行共享使用，從而避免使用多臺OTDR，在系統(tǒng)價格上比傳統(tǒng)的光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。實施對邊坡監(jiān)測，首先要對邊坡的位置進行勘測，從而進行合理的布線，達到一個完美的監(jiān)測效果。我們利用沿途已有光纜或者重新埋設專用邊坡光纜，在需要檢測的邊坡，放置一個光交換箱，光交換箱主要作用是將光纜分出一條或者兩條纖芯用于該邊坡監(jiān)測，每一級的邊坡長度用光纖長度來反映。

監(jiān)測的實現(xiàn)方式：對邊坡光纜布置完成后，讓每一個邊坡的總長線路相距20m（邊坡光纜總長為從OTDR出發(fā)，到邊坡布放光纜的長度），從而使每一個邊坡的每一個臺階在OTDR測試曲線上均形成一個反射峰。

為了直觀地了解如何使用光纜監(jiān)測來實現(xiàn)邊坡監(jiān)測，我們做了一個簡單的測試描述邊坡告警的實現(xiàn)。環(huán)境搭建描述：選擇線路中的某一個邊坡群，邊坡個數(shù)為2個，相隔217m。OTDR到邊坡群前端（光分路器1×8）距離為60146m。

從圖4可看出，末端噪聲處形成2個很明顯的反射峰，從而達到對邊坡實現(xiàn)檢測。當其中一個邊坡發(fā)生偏移時，此邊坡處形成的反射峰消失，從而實現(xiàn)對邊坡進行監(jiān)測。

圖4 監(jiān)測末端放大效果圖

2 軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)軟件基于Windows平臺，采用C/S結(jié)構(gòu)，即客戶端和服務端結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由配置模塊，點名測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、告警處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、GIS模塊、測量曲線顯示模塊、報表系統(tǒng)模塊和用戶權(quán)限管理模塊等組成。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的電學監(jiān)測系統(tǒng)，基于無源光網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)具備以下技術(shù)優(yōu)勢：

①監(jiān)測系統(tǒng)與GIS系統(tǒng)有效結(jié)合，實現(xiàn)光纜阻斷時準確自動的故障定位；

②測量的實時性強。這種方法是將每條線路掛上OTDR進行測試，比傳統(tǒng)的方法實時性要強，不存在通過光開關進行輪詢的問題；

③由于系統(tǒng)實時性高，因此可以獲得邊坡光路長度的實時信息，并進行保存和分析。

4 結(jié)束語

本文提出的基于多通道OTDR的PON網(wǎng)絡監(jiān)測運用于高速公路的邊坡監(jiān)測，經(jīng)過實驗驗證，表明能夠?qū)崟r地監(jiān)測邊坡裂縫，保障了高速交通的安全有效的運營，也開創(chuàng)了PON網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在新領域的運用的先河。

[1]郭利超,馬朝霞,周云鋒,等.通信光纜監(jiān)測管理一體化平臺設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2012,20(8):2213-2216.

[2]梁爽，王懷江.OTDR事件分析和故障判斷的研究與實現(xiàn)[J].光通信技術(shù)，2007，31(1):49-51.

[3]虞振華，鄭錚，李寧.光接收機均衡技術(shù)的自適應優(yōu)化方法 [J].光通信技術(shù)，2007，31(12):42-45.

[4]張一帆,何浩,董毅,等.新型光時域反射計在無源光網(wǎng)絡中的應用[J].光通信技術(shù),2009,33(4):25-28．

Highway slope crack monitoring system based on the passive optical network

ZHANG Hong-bo1,YU Zhi-qiang2，XIE Wei2, XIAO Zhi-jie2,HUANG Wen-yong2,WANG Yun3,SU Chang3
(1.No.34 Research Institute of CETE,Guilin Guangxi 541004,China; 2.Southwest Jiaotong University Railway Development Co.,Ltd，Chengdu，610000 China; 3.Guilin Julian Technology Co.,Ltd.,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper presents a passive optical network(PON)monitoring system,using the existing transmission network of optical fiber as a sensor,using sophisticated Optical Time Domain Reflectometer(OTDR) module and PON combination can be used in slope fracture highway,on the collapse of the monitoring,and the highway network can be constructed based on optical sensors monitoring network.

passive optical network,OTDR,rayleigh scattering,fresnel reflection

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0020-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.006

2015-10-22。

張洪波(1981－)，男，工程師，主要從事光通信技術(shù)及應用方面的研究工作。