胡光雄，易煥銀，黃建安，王傳志

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.廣東漢佳信息技術(shù)有限公司)

0 引言

5G 傳送網(wǎng)中無論是核心層、匯聚層還是接入層，光纜因其高性能、大帶寬的優(yōu)勢而被大量使用。以接入光纜為例，因5G更高密度組網(wǎng)的需求導(dǎo)致接入光纜纖芯消耗可能比以往增長三倍以上。中國今年采購光纜約447.05 萬皮長公里，折合約1.432 億芯公里，比2020 年提升20%，比2019 年提升36%，這反映了5G 規(guī)模建設(shè)與流量高增速驅(qū)動光纖光纜需求持續(xù)快速增長。因5G 擴(kuò)建光纜如此，歷史存量光纜亦然。

無論是架空光纜或管道光纜，其傳輸質(zhì)量均可能因沿途地震、臺風(fēng)、雷擊、舞動、覆冰、桿塔傾斜、偷盜、竊聽等外部因素而隨機(jī)受到影響。在現(xiàn)場負(fù)責(zé)光纜運(yùn)維和檢測的運(yùn)維人員很難全面準(zhǔn)確掌握光纜質(zhì)量，即使部分隱患被檢測到，其隱患信息往往無法及時(shí)傳送到在辦公環(huán)境下負(fù)責(zé)光路業(yè)務(wù)調(diào)度的調(diào)度員。因此，研究光纜運(yùn)行質(zhì)量圖形化分析系統(tǒng)，對于發(fā)現(xiàn)和修繕光纜運(yùn)行質(zhì)量隱患、提高上層業(yè)務(wù)運(yùn)行可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 主要研究內(nèi)容

光纜通信資源主要包括ODF、光纜段、纖芯、光交接箱、光接頭，以及承載光纜的管道、桿路等物理資源。光纜中的纖芯通過不斷接續(xù)或跳接，形成纖芯通路這樣的邏輯資源，在資源調(diào)度流程的支持下最終成為承載上層業(yè)務(wù)的邏輯光路。無論是通過工程施工后形成的光纜物理資源，還是通過施工后期跳接形成的光路等邏輯資源，都屬于“啞”資源，其通信質(zhì)量問題不會自發(fā)上報(bào)。因此，有必要研究光纜運(yùn)行質(zhì)量檢測感知設(shè)備、光纜運(yùn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法，進(jìn)而研發(fā)信息化、圖形化光纜運(yùn)行質(zhì)量分析系統(tǒng)。

1.1 應(yīng)用需求分析

無論手持式OTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）還是實(shí)時(shí)在線OTDR，其測試結(jié)果均具有信息孤島性，監(jiān)測出來的光纜質(zhì)量缺陷缺少屬地化位置措施，無法指引光纜搶修人員直接到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行搶通工作。文章建立一套手持式OTDR 測試結(jié)果的接口技術(shù)，提供一種能將其檢測結(jié)果采集、導(dǎo)出并解析其原始數(shù)據(jù)的技術(shù)手段；同時(shí)在研究一套能監(jiān)測更大范圍的實(shí)時(shí)在線OTDR 設(shè)備基礎(chǔ)上探索網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)對接接口，形成一套多種形態(tài)OTDR 設(shè)備的對接接口，完成光纜質(zhì)量監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對接工作，同時(shí)，建立基于GIS技術(shù)的質(zhì)量檢測、接口采集、結(jié)果存檔、數(shù)據(jù)分析、圖形化呈現(xiàn)、質(zhì)量缺陷定位等應(yīng)用于一體的光纜質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，提供光纜衰耗點(diǎn)大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)光纜斷點(diǎn)位置定位、大衰耗點(diǎn)分布等圖形化光纜健康度分析支持，為5G等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供智能化質(zhì)量檢測和健康性評價(jià)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于GIS的光纜運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要包括光纜數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集與解析、光纜質(zhì)量數(shù)據(jù)圖形化分析三層。一方面，光纜運(yùn)維人員根據(jù)年度或月度光纜巡檢指標(biāo)，指引巡檢員通過手持OTDR實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性、突發(fā)性或事故性的光纜質(zhì)量巡檢，檢測的光纜質(zhì)量結(jié)果用于指揮修繕缺陷，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中長期保存；另一方面，重要的主干光纜由在線OTDR輪詢進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)測，借用SOCKET 接口遠(yuǎn)程調(diào)用在線OTDR采集服務(wù)，并將測試結(jié)果返回到系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器將兩種形態(tài)的光纜檢測出來的無形光纜質(zhì)量數(shù)據(jù)與GIS 資源管理、光纜支撐資源及光纜等有形的資源對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)可視化的光纜運(yùn)行質(zhì)量分析目標(biāo)，確保上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)感知層

光時(shí)域反射儀OTDR是利用光在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射原理而制成光電一體化檢測儀器，可滿足光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等監(jiān)測需求，是通信企事業(yè)單位用于檢測光纜“啞”資源是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質(zhì)非均勻性等質(zhì)量缺陷一種常用工具。其主要包括巡檢員用的手持式OTDR和安裝于機(jī)房的24 小時(shí)實(shí)時(shí)在線的OTDR 設(shè)備兩大類，手持式OTDR主要用于光纜的日常巡檢和計(jì)劃性巡檢，實(shí)時(shí)在線的OTDR設(shè)備主要監(jiān)測固定范圍的若干條被測的光纜纖芯通路，實(shí)現(xiàn)重要光纜的常態(tài)化監(jiān)測。

1.4 網(wǎng)絡(luò)接口層

手持式OTDR 完成檢測后將測試結(jié)果自動生成SOR 格式文件，并保存在OTDR 的存儲器中，該文件支持USB 口或藍(lán)牙通信導(dǎo)出。由于SOR 數(shù)據(jù)文件內(nèi)數(shù)據(jù)量十分龐大，通過道格拉斯抽稀算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，提升后續(xù)數(shù)據(jù)分析和呈現(xiàn)的性能。圖2 為手持式OTDR 的數(shù)據(jù)解析基本流程，包括檢測、采集、手持式OTDR 測試儀中導(dǎo)出SOR 文件、將SOR 文件解析并抽稀，最終成為當(dāng)次光纜檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖2 手持式OTDR的數(shù)據(jù)解析流程

在傳統(tǒng)實(shí)時(shí)在線OTDR 設(shè)備基礎(chǔ)上，為了提升設(shè)備的利用率和性價(jià)比，同時(shí)也為了擴(kuò)大監(jiān)測面，在線實(shí)時(shí)在線型OTDR 設(shè)備上增加了光開關(guān)（OSW，Optical Switch），實(shí)現(xiàn)1：8、1：16、1：32等大范圍的輪詢監(jiān)測需求。其輪詢監(jiān)測基于TCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與主控卡進(jìn)行通信，主控卡根據(jù)指令控制光開關(guān)（OSW），光開關(guān)（OSW）最終與OTDR 模塊建立監(jiān)測鏈接，通過Socket與OTDR 模塊建立動態(tài)通信，發(fā)送相關(guān)測試指令到OTDR 模塊，并由OTDR 模塊完成光纜的當(dāng)次監(jiān)測。圖3 為在線OTDR 數(shù)據(jù)采集基本流程，在接口服務(wù)器與在線OTDR 設(shè)備之間建立SOCKET 網(wǎng)絡(luò)接口，通過OTDR設(shè)備專有的數(shù)據(jù)采集協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、自動化、遠(yuǎn)程的光纜運(yùn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法。

圖3 在線OTDR數(shù)據(jù)采集流程

2 光纜運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提升光纜承載上層業(yè)務(wù)可靠性要求，研發(fā)基于GIS的光纜運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 GIS資源管理模塊

提供功能標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、開放型的GIS(Generalized Information System)平臺，兼容在線地圖和自建地圖，以點(diǎn)（紅綠燈十字路口、房屋、銀行、樓宇、政府機(jī)構(gòu)、樹木等）、線（高速公路、城市交通路網(wǎng)、鄉(xiāng)道、河流等）和面（山脈、河湖、公園等）等為圖形化參考背景的地圖管理和呈現(xiàn)平臺，實(shí)現(xiàn)基于經(jīng)緯度的參照物定位功能。支持系統(tǒng)的多用戶并發(fā)訪問，并支持電腦端和移動終端的地圖呈現(xiàn)功能。

2.2 光纜支撐資源管理模塊

管道桿路資源管理提供光纜的支撐設(shè)施管理功能，將所有管道和桿路資源形成具有經(jīng)緯度位置信息的管理功能，在GIS平臺上實(shí)現(xiàn)以地圖為背景的管道、桿路圖形化呈現(xiàn)功能。在GIS 平臺上針對管道、桿路的點(diǎn)資源（管井、電桿、鐵塔、撐點(diǎn)、管孔等）提供經(jīng)緯度管理功能，根據(jù)這些經(jīng)緯度信息計(jì)算出兩點(diǎn)間管道或桿路線性資源（管道段、吊線段、引上管等）的長度信息，并在地圖上統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)地圖點(diǎn)對象的位置信息管理和線性地圖對象的長度信息管理。將被監(jiān)測光纜形成有起止點(diǎn)信息并按順序穿纜于所經(jīng)過的管道或桿路路的矢量化線形圖，實(shí)現(xiàn)以GIS地圖為背景、以管道桿路為支撐路徑的光纜網(wǎng)絡(luò)圖形化管理效果。

2.3 被測光纜資源管理模塊

被測光纜資源管理模塊提供光纜資源點(diǎn)（ODF、光交接箱、光接頭、融接點(diǎn)、光纜起點(diǎn)、光纜終點(diǎn)、光纜放大器等）、線（光纜段、纖芯、光路、纖芯通路、光纜通路、局向、中繼通路等）和面（光纜子網(wǎng)、光纜網(wǎng)、光纜拓?fù)鋱D等）的信息管理及其圖形化呈現(xiàn)功能，將每一條光纜形成有起止點(diǎn)信息與其實(shí)際的管道或桿路支撐點(diǎn)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)、將每一條光纜路過的桿路、管道段及其管孔路徑按順序進(jìn)行綁定，形成以GIS 地圖為背景、以管道桿路為支撐路徑的光纜對象圖形化管理效果。

根據(jù)支撐光纜的管道或桿路點(diǎn)地圖資源對象和線對象的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)化為光纜的路徑長度信息，并對光纜在管井或電桿上的盤留長度全程量化管理，在GIS 平臺上，實(shí)現(xiàn)被測光纜圖形化呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)：從被測光纜的起點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)纖芯通路的路由距離提供可定制化的光纜路徑定位分析功能，為后續(xù)的光纜質(zhì)量分析和缺陷屬地化分析提供堅(jiān)實(shí)的圖形化支撐。

2.4 光纜質(zhì)量分析模塊

GIS 平臺為光纜質(zhì)量可視化分析建立了應(yīng)用基礎(chǔ)。通過OTDR 接口采集到數(shù)據(jù)形成光纜的衰耗曲線，圖形中縱軸是光功率的衰減值，橫坐標(biāo)為光纜的距離，根據(jù)衰耗曲線的特征，通過光纜質(zhì)量曲線衰耗突變點(diǎn)A 取得其距離參數(shù)S，這個(gè)衰耗突變點(diǎn)很可能是異常天氣、光纖的熔接點(diǎn)或接頭耦合性不佳等因素造成的光纜纖芯裂紋。圖4 是一條32 芯光纜的運(yùn)行質(zhì)量分析結(jié)果圖，通過圖4 中大小不同的紅色圓餅可直觀的呈現(xiàn)每一條光纜的質(zhì)量隱患大小及其距離。

圖4 光纜質(zhì)量分析

2.5 光纜質(zhì)量屬地化定位分析

在進(jìn)行光纜質(zhì)量隱患修繕前首先通過衰耗曲線獲得質(zhì)量隱患距離S 來換算其在GIS 系統(tǒng)的具體經(jīng)緯度。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表中詳細(xì)記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)距離被測光纜起點(diǎn)的距離,因此隱患點(diǎn)必然會落在光纜經(jīng)過的某一管道段或吊線段區(qū)間中,若以S記為這段區(qū)間的開始位置，以S記為這段區(qū)間的結(jié)束位置，那么：

這個(gè)區(qū)間主要通過管道段或吊線段對應(yīng)的光纜用戶長度通過后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行求和查詢獲得。若S點(diǎn)的坐標(biāo)為(X,Y)，S點(diǎn)的坐標(biāo)為(X,Y)，根據(jù)平行截割定理,可得以下方程：

獲得坐標(biāo)(X,Y)后即可在GIS 平臺上將質(zhì)量隱患點(diǎn)在電子地圖上進(jìn)行定位，尋找對應(yīng)支撐設(shè)施的隱患點(diǎn)（譬如ODF、光交接箱、光接頭、融接點(diǎn)或光纜斷點(diǎn)）的具體位置及其參照物，指揮光纜運(yùn)維人員快速到達(dá)隱患點(diǎn)現(xiàn)場，形成一套快速找到光纜質(zhì)量缺陷及光纜缺陷具體位置的方法。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本系統(tǒng)將采集和分析的OTDR 數(shù)據(jù)存儲于SQLServer2012SP1 數(shù)據(jù)庫，并采用Java 開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)基于Web GIS 的系統(tǒng)界面，在某局一條39.84km 的32芯光纜中推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，通過本系統(tǒng)監(jiān)測到的纖芯衰耗曲線圖如圖4 所示（圖4 既是光纜質(zhì)量分析圖也是纖芯衰耗曲線圖）。從這些衰耗曲線圖中直觀的呈現(xiàn)了各纖芯通路的衰耗特征，并通過圖形化形式展現(xiàn)出同一條中繼光纜中不同纖芯通路的衰耗值存在不完全一致的情況，這為光路資源生產(chǎn)調(diào)度提供了直觀的篩選手段，即現(xiàn)場運(yùn)維監(jiān)測數(shù)據(jù)直接用于指引后臺資源調(diào)度員避開運(yùn)行質(zhì)量存在缺陷的纖芯通路，這樣不僅提升光纜承載業(yè)務(wù)的可靠性，也為后續(xù)光纜運(yùn)行質(zhì)量的修繕指明了方向。

4 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前關(guān)于光纜運(yùn)行質(zhì)量的圖形化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測和缺陷屬地化定位分析的研究實(shí)例并不多，當(dāng)光纜出現(xiàn)斷裂、接頭耦合性不佳、介質(zhì)非均勻性等缺陷時(shí)，嚴(yán)重影響5G等上層業(yè)務(wù)的應(yīng)用。本文提出一套采集OTDR 檢測結(jié)果的綜合接口方案，基于GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光纜質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。研究和應(yīng)用結(jié)果表明，此系統(tǒng)可覆蓋外圍光纜隨機(jī)性、計(jì)劃性光纜質(zhì)量檢測和重要光纜常態(tài)化的實(shí)時(shí)在線光纜質(zhì)量監(jiān)測，可遠(yuǎn)程感知光纜的運(yùn)行質(zhì)量，不僅實(shí)現(xiàn)了圖形化的光纜質(zhì)量呈現(xiàn)、分析手段，且提供了基于GIS的光纜缺陷屬地化地圖定位分析支持，有效促進(jìn)光纜質(zhì)量問題的搶修、搶通工作，很大程度上縮短了排障時(shí)間，提高了光纜故障的處置效率，提升了光纜承載上層應(yīng)用的可靠性。