管世珍，靳艷麗，謝廣東

（1.中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000；2.原陽水利局，河南 原陽 453000）

0 引 言

南水北調(diào)中線干線工程全長1 432 km，共建有5個分公司轄44個現(xiàn)地管理處。各級管理機(jī)構(gòu)之間及管理機(jī)構(gòu)與現(xiàn)地站之間為滿足輸水調(diào)度控制、閘站監(jiān)控管理、生產(chǎn)運(yùn)營維護(hù)管理、水資源管理、綜合辦公等功能，并實(shí)現(xiàn)語音、圖像信息及數(shù)據(jù)傳遞，通過干渠兩側(cè)的通信光纜線路，沿線規(guī)劃設(shè)計(jì)了高速、可靠、安全的通信網(wǎng)絡(luò)。

光纜自動監(jiān)測技術(shù)是科技和社會領(lǐng)域的一項(xiàng)重大變革。我國處于快速發(fā)展階段，在石油和天然氣、航天航空、生物醫(yī)學(xué)、交通、通信、電力、水利行業(yè)，光纜的長途傳輸與部署市場規(guī)模迅速擴(kuò)大。為保障光纜通信的可靠性，對出現(xiàn)的故障能夠迅速定位、快速做出反應(yīng)，光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)在各領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

南水北調(diào)中線工程運(yùn)行距離長，自動化程度、光纜使用及維護(hù)的要求高。受多種因素影響，光纜線路在使用過程中會出現(xiàn)未知故障而不能正常工作。文章設(shè)計(jì)了基于地理信息系統(tǒng)（GIS）和光時域反射儀（OTDR）的光纜在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)光在光纖中傳播時產(chǎn)生的后向散射獲取衰減的信息并分析故障原因，結(jié)合云平臺處理技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)光纜故障的精確定位和高效運(yùn)維管理提供技術(shù)保障，對實(shí)現(xiàn)智慧水利具有重大意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

南水北調(diào)中線干線光纜在線監(jiān)測項(xiàng)目分別在北京總公司和河南分公司設(shè)置2個監(jiān)測總中心；在北京市、天津市、石家莊市、鄭州市、南陽市設(shè)置5個省級監(jiān)測中心；44個現(xiàn)地站及6個監(jiān)測中心設(shè)置監(jiān)測管理客戶端，53套便攜式終端按需進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測站的點(diǎn)名測試， 形成三級管理的系統(tǒng)架構(gòu)（見圖1）?，F(xiàn)地站采用光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纜性能的周期性自動測試和性能對比，提前預(yù)測光纜參數(shù)的變化，自動測試出故障點(diǎn)位置。沿線共布置12個遠(yuǎn)程監(jiān)測站，將監(jiān)測到的光纜運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至所屬各分公司監(jiān)測中心；各分公司監(jiān)測中心負(fù)責(zé)所轄區(qū)段光纜監(jiān)測站信息的采集、匯總、存儲和上傳，并同時上傳至北京總公司監(jiān)測總中心存儲。

圖1 光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的原理與組成

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心、監(jiān)測主機(jī)、室內(nèi)外前站設(shè)備、感應(yīng)電壓泄放保護(hù)模塊、專用路徑探測儀、接地電阻在線監(jiān)測模塊等組成，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)測站設(shè)備、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和光標(biāo)記交換（OLS）設(shè)備整合實(shí)現(xiàn)的智能型監(jiān)控系統(tǒng)，安裝在各前端機(jī)房或分機(jī)房。

2.1 系統(tǒng)原理

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)在光纜出現(xiàn)傳輸故障時及時告警并分析故障原因，精確定位故障點(diǎn)距離，提高搶修效率。光功率監(jiān)測單位采集通信光功率，通過比較光功率門限值來分析光功率信息，并將信息傳送至監(jiān)測中心分析處理，實(shí)現(xiàn)動態(tài)告警監(jiān)測。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光纜網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)的全自動化，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行光纖實(shí)時關(guān)聯(lián)告警測試與周期性測試，可實(shí)現(xiàn)光纜損耗無人監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)測與管理、光纖特性分析與預(yù)測等多項(xiàng)功能。

監(jiān)測中心收到遠(yuǎn)程告警信息后，通過程控光開關(guān)選擇被測光纜，遠(yuǎn)程OTDR發(fā)生不同于光波長的檢測光，WDM監(jiān)測光傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測中心收到OTDR的測試信息后進(jìn)行分析，計(jì)算故障位置等信息，結(jié)合GIS定位和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過提示信息進(jìn)行光纜故障通知[1]。

2.2 系統(tǒng)組成

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)測站RTU、OLS穩(wěn)定光源、服務(wù)器、客戶端、光纜自動監(jiān)測軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)組成。

2.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測站RTU

遠(yuǎn)程監(jiān)測站RTU是OTDR、光開關(guān)、光功率等模塊通過工業(yè)控制技術(shù)集成的設(shè)備系統(tǒng)，可24 h監(jiān)測光芯，記錄監(jiān)測狀況并分析對比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)光纖異常時，可自動判斷和分析故障信息，做出準(zhǔn)確的故障定位。遠(yuǎn)端光源監(jiān)測方式見圖2。

圖2 遠(yuǎn)端光源監(jiān)測方式圖

2.2.2 OLS穩(wěn)定光源

穩(wěn)定光源安裝在測試區(qū)段末端，遠(yuǎn)程監(jiān)測站設(shè)備內(nèi)的光功率模塊實(shí)時監(jiān)測光源發(fā)光功率的變化情況，若發(fā)生故障，將告警并啟動OTDR對故障點(diǎn)定位。光源工作電源：每臺光源設(shè)備需要雙路DC -48 V輸入，輸入電壓為-72～-36 V，接至直流電源柜端子排。光源光路鏈接：遠(yuǎn)程監(jiān)測站RTU為起始端，通過各個閘站工作閘的光纖配線架（ODF）跳纖實(shí)現(xiàn)物理鏈路，光源為鏈路末端。

實(shí)時測試的同時，為滿足對安全性和監(jiān)測成本的考量，采用由監(jiān)測系統(tǒng)主動提供監(jiān)測光源的方式，在監(jiān)測芯線透過中繼串接后，將光源安裝于末端并設(shè)定好，由配套的光功率監(jiān)測模塊進(jìn)行監(jiān)測。平時可統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果，當(dāng)光功率低于預(yù)先設(shè)定的功率門檻時，立即激活OTDR對該芯線進(jìn)行測試，以較低成本實(shí)現(xiàn)實(shí)時告警。

2.2.3 服務(wù)器

服務(wù)器直接管理轄區(qū)內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)測站，實(shí)時監(jiān)測轄區(qū)內(nèi)的光芯狀態(tài)、運(yùn)行情況等。在數(shù)據(jù)庫分布式結(jié)構(gòu)下，對本區(qū)域光纜網(wǎng)絡(luò)的資源信息進(jìn)行管理，監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與傳遞、進(jìn)行數(shù)據(jù)同步傳遞等。

2.2.4 客戶端

系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，監(jiān)測終端、移動終端不需安裝任何軟件，均使用操作系統(tǒng)配置的IE瀏覽器即可登錄區(qū)域監(jiān)測中心服務(wù)器或監(jiān)測總中心服務(wù)器，服務(wù)器將根據(jù)登錄人員的級別和管理權(quán)限提供相應(yīng)的訪問服務(wù)。

2.2.5 光纜自動監(jiān)測軟件

光纜自動監(jiān)測軟件適用于部門級服務(wù)器至UNIX服務(wù)器，可應(yīng)用于UNIX、Windows操作系統(tǒng)對光纜自動實(shí)時監(jiān)測進(jìn)行操作、管理。

2.2.6 數(shù)據(jù)庫

光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)采用甲骨文的Oracle 11g企業(yè)版數(shù)據(jù)庫，適用硬件環(huán)境為中大型部門級服務(wù)器至UNIX服務(wù)器，適用操作系統(tǒng)為Linux、UNIX、Windows。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)利用目前流行的富網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序（RIA）開發(fā)技術(shù)之一的Flex，結(jié)合精確的GIS系統(tǒng)與實(shí)用性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，集光纜在線自動監(jiān)測、告警、故障分析、定位、線路保護(hù)于一體，為光纜的安全高效運(yùn)行提供保障，實(shí)現(xiàn)光纜物理網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)時智能監(jiān)控和維護(hù)管理。

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)遵循基本的設(shè)計(jì)理念，有監(jiān)測中心、監(jiān)測站、光功率測試單元和光源。遠(yuǎn)程監(jiān)測站中安裝光開關(guān)和光反射儀，能夠有效監(jiān)測運(yùn)行中光纜的光源數(shù)據(jù)，借助光時域反射儀將采集信號傳入監(jiān)測中心，傳輸信號經(jīng)過監(jiān)測中心判斷和分析，實(shí)現(xiàn)光纜實(shí)時監(jiān)測。

3.1.1 設(shè)計(jì)理念

廣義的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、通信和測量技術(shù)，通過信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、信息反饋、遠(yuǎn)程維護(hù)等，有效配置系統(tǒng)中的設(shè)備和地址信息，實(shí)現(xiàn)信息檢索、瀏覽及下載功能。現(xiàn)地監(jiān)測站根據(jù)設(shè)置好的監(jiān)測周期將實(shí)時信息反饋至監(jiān)測中心，當(dāng)某處光纜出現(xiàn)故障或者被破壞時，現(xiàn)地監(jiān)測站可準(zhǔn)確定位故障發(fā)生位置，及時上傳故障信息，實(shí)現(xiàn)快速維修[2]。

3.1.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

根據(jù)光纜系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)需要，設(shè)計(jì)點(diǎn)名測試、定期測試、故障測試和備纖測試等功能。點(diǎn)名測試是通過監(jiān)測中心對指定的一個或者多個現(xiàn)地監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行測試；定期測試是按周期對現(xiàn)地監(jiān)測站所轄光纜線路進(jìn)行必要的監(jiān)測；故障測試是光纜線路出現(xiàn)故障后，現(xiàn)地監(jiān)測站及時反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，根據(jù)報(bào)警信息確定故障原因；備纖測試是通過各種波長變化來判斷光纜線路是否正常運(yùn)行。現(xiàn)地監(jiān)測站與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心通過TCP/IP協(xié)議相互訪問，確保信息和數(shù)據(jù)共享，為光纜故障提供好的處置辦法[3]。

3.2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)圖

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)層面

遠(yuǎn)程監(jiān)測站RTU的OTDR模塊完成光纖的輪巡測試、點(diǎn)名測試、故障測試，每條光纖每次測試保存15 000個數(shù)據(jù)，發(fā)送至網(wǎng)管平臺保存與比對。MCU主控制模塊管理監(jiān)測站的各個板卡并與監(jiān)測中心服務(wù)器通信，將監(jiān)測站狀態(tài)上報(bào)給監(jiān)測中心，或執(zhí)行監(jiān)測中心下發(fā)的配置和操作指令[4]。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)層面

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)具有在線GIS定位、光纜線路管理、光纖運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測、設(shè)備管理、告警管理、點(diǎn)名測試、定期測試、障礙告警測試等功能，系統(tǒng)界面有用戶登陸、系統(tǒng)管理、資源管理、監(jiān)控管理、多曲線查看、故障定位等功能。

采用ORCALE數(shù)據(jù)庫，各監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)自動同步至監(jiān)測總中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，互為災(zāi)備。當(dāng)區(qū)域監(jiān)測中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫不可用時，監(jiān)測總中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫接管業(yè)務(wù)功能；區(qū)域監(jiān)測中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫修復(fù)后，將監(jiān)測總中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步至區(qū)域監(jiān)測中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。充分利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步的準(zhǔn)實(shí)時復(fù)制特點(diǎn)和雙向復(fù)制功能，通過命令行模擬網(wǎng)管主站對光纜監(jiān)測終端的管理功能[5]。光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面見圖4。

圖4 光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面圖

3.3 GIS故障點(diǎn)定位功能的實(shí)現(xiàn)

GIS系統(tǒng)依據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)和信息技術(shù)，收集光纜通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的地理數(shù)據(jù)信息、空間數(shù)據(jù)信息和光纜線路數(shù)據(jù)信息。當(dāng)光纜發(fā)生故障時，GIS系統(tǒng)會自動識別數(shù)據(jù)空間關(guān)系失衡的區(qū)域，管理龐大的數(shù)據(jù)信息，控制數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)并將故障位置及時傳輸給管理人員。

GIS技術(shù)在光纜監(jiān)測中有很大優(yōu)勢，具備數(shù)據(jù)管理、地圖管理、空間分析和通信光纜分析等方面的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形編輯、地理信息查詢、圖層管理、格式轉(zhuǎn)換和圖形輸出，最終將數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)為圖標(biāo)并自動打印，使得管理人員非常直觀地獲取光纜的運(yùn)行狀況和故障信息。此外，GIS系統(tǒng)還能增強(qiáng)系統(tǒng)儲存和管理數(shù)據(jù)信息。如果外在自然環(huán)境、光纜鋪設(shè)方式、光纜預(yù)留長度等信息發(fā)生改變，可根據(jù)實(shí)際的地理信息變化情況更新數(shù)據(jù)庫重點(diǎn)地圖元素[6]。

4 系統(tǒng)在南水北調(diào)工程中的實(shí)踐與效果

南水北調(diào)中線工程光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)通過3種監(jiān)測方式實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的功能，并在實(shí)踐中取得很好的效果。

4.1 監(jiān)測方式

4.1.1 光功率在線監(jiān)測

光功率在線監(jiān)測通過光譜儀將部分光傳輸設(shè)備的工作光傳送至預(yù)警單元，監(jiān)測部分工作光以判斷光纜運(yùn)行狀況和傳輸質(zhì)量。當(dāng)光纜受到破壞時，工作光信號立即斷開報(bào)警，系統(tǒng)收到報(bào)警后，通信光源和測試光源通過波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光傳輸。

4.1.2 光功率備纖監(jiān)測

使用光功率設(shè)備中的報(bào)警程序?qū)崿F(xiàn)備用光纖實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)傳輸設(shè)備無法傳輸和轉(zhuǎn)變光信號時，在1 220、1 360或1 750 nm波長選擇任何帶寬的光源，通過光源發(fā)射光信號，然后監(jiān)測測試端的工作狀態(tài)。一旦測試端出現(xiàn)故障光源，信號也會減弱，光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)光信號的強(qiáng)弱程度對故障發(fā)生的位置和狀況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷并及時修復(fù)[7]。

4.1.3 終端機(jī)報(bào)警離線監(jiān)測

終端報(bào)警離線監(jiān)測系統(tǒng)在通信業(yè)務(wù)中斷的情況下收集報(bào)警信息，對故障光纖進(jìn)行監(jiān)測分析，篩選出無用信息，保留有用信息以判別故障位置及原因并進(jìn)行修復(fù)。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

南水北調(diào)中線工程光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)采用三級拓?fù)涔芾韺?shí)現(xiàn)告警管理、報(bào)表管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)分析等功能，三級管理機(jī)構(gòu)都可以得到測試結(jié)果，隨時掌握光纖的傳輸特性?，F(xiàn)地站的維護(hù)人員可以預(yù)先設(shè)定測試周期自動完成測試，持續(xù)觀測光纜發(fā)生的變化。當(dāng)光纜發(fā)生故障時，現(xiàn)地站值班人員可以通過系統(tǒng)傳輸?shù)膱?bào)警信息，依據(jù)光功率告警功能實(shí)時監(jiān)測傳輸線路的損耗變化情況，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的各類隱患并采取相應(yīng)措施。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)用的效果

基于GIS和OTDR技術(shù)的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)與運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了南水北調(diào)中線工程光纜通信智能化維護(hù)，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)可視化。在電子地圖上以GIS坐標(biāo)形式清楚顯示線路故障點(diǎn)位置，精確到每一個光纜井和渠道樁號，為精準(zhǔn)排除光纜故障提供強(qiáng)有力的監(jiān)控手段，有效減少消除故障的時間，降低對輸水調(diào)度自動化控制的影響；還可以監(jiān)測光纜的優(yōu)劣狀況，預(yù)報(bào)潛在隱患，形成完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)鏈，有效預(yù)防和減少光纜故障，使光纜運(yùn)行維護(hù)更加主動，確保光纜高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

通過總公司和分公司的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)投入使用后，由光纜故障導(dǎo)致的中斷事故，其平均維護(hù)時間控制在2 h以內(nèi)；據(jù)2021年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，光纜中斷次數(shù)相比使用前降低60%，為中線工程安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障[8]。

5 結(jié) 語

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)在南水北調(diào)中線工程的應(yīng)用，是長距離調(diào)水工程通信技術(shù)的重大突破，對光纜線路故障狀態(tài)進(jìn)行全定位監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的專業(yè)化管理，相比傳統(tǒng)光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)有著顯著的優(yōu)勢。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡明，減少了故障源，具有監(jiān)測實(shí)時性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高、擴(kuò)容方便、便于引進(jìn)及更新技術(shù)、可添加其他監(jiān)測傳感器等諸多優(yōu)勢，是自動控制系統(tǒng)的一個重大創(chuàng)新，可運(yùn)用到多個領(lǐng)域，有廣闊的市場需求，在網(wǎng)絡(luò)安全和運(yùn)行維護(hù)中也發(fā)揮著積極的作用。