曹明

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司，廣東廣州 510235）

0 引言

隨著現(xiàn)代化社會的不斷發(fā)展，在光線通信工程中，光纜線路的故障檢測與維護(hù)問題備受矚目。光纖通信工程師對線路故障進(jìn)行實時檢測和判斷，不僅可以及時處理故障，還可以提升光纖通信的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。運用故障排查設(shè)備檢測光纖線路，對光纖毀損、斷纖、老化、受潮、彎曲等故障信息進(jìn)行整合，減少附加損耗的產(chǎn)生。同時，可以結(jié)合光傳感技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在線監(jiān)測光纖網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對光纖故障的準(zhǔn)確定位和實時預(yù)警，提高光纖通信質(zhì)量，提升通信工程管理的數(shù)字化、智能化水平及光纜兼容性［1］。近年來，隨著光纜數(shù)量不斷增加，早期的故障檢測設(shè)備更新緩慢，導(dǎo)致線路中的故障問題越來越頻繁地出現(xiàn)。在光纜線路維護(hù)工作中，存在尋找故障難，排查故障用時久的問題，嚴(yán)重影響光纖通信過程中的通信質(zhì)量，還會造成較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和人身財產(chǎn)等損失［2］。因此，應(yīng)用光纜線路故障告警技術(shù)對光纜線路進(jìn)行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并處理光纜線路中存在的各種安全問題和線路老化問題，以降低光纜隱患、減少光纜阻斷的概率，對提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要的作用。為最大限度地消除故障告警冗余，本文以光纖通信工程中的光纖故障為研究對象，結(jié)合工程項目的實際運行情況進(jìn)行分析與實驗。

1 光纜線路故障告警技術(shù)

1.1 OTDR測試判斷斷點位置

動態(tài)分析光纜故障位置，利用OTDR接收和發(fā)射光的功能，將光的脈沖發(fā)射至光纜線路中，當(dāng)脈沖的光遇到光的斷裂點時，部分光被反射，就能得到OTDR 的曲線中的斷點位置信息。OTDR 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 OTDR結(jié)構(gòu)示意圖

脈沖光信號由起始端進(jìn)入光纜，設(shè)定存在反向散射光回到起始點的時間為t，光纜線路長度為L，從發(fā)射到接收的距離可由公式（1）計算得出：

公式（1）中：光信號從發(fā)射到接收的時間設(shè)定為g；光的傳播速度為b；光在光纜中的傳播折射率為n。根據(jù)光信號的發(fā)射時間得到對應(yīng)的光纖長度。當(dāng)光纖中存在脈沖Q0達(dá)到某個點時的距離為H，散射光返回到發(fā)射端的功率P(a)表達(dá)如下：

公式（2）中：P0為注入脈沖的光功率；S為光纖散射系數(shù)；a為常數(shù)。光纖注入脈沖時，收集散射信號完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將得到的結(jié)果繪制成散射曲線。利用小波變換法對OTDR曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到具體的斷點位置，提取故障點特征，并對故障點位置的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。利用正交性原理，通過觀察和分析光纖通信信號的不同成分之間的關(guān)系，提取具有異常特征或異常正交關(guān)系的故障點［3］，設(shè)在光纖通信工程中，光纜發(fā)生故障的測量數(shù)據(jù)為(xi,yi)，在保持xi值相同的情況下，測量值yi與對應(yīng)曲線上的點n+mxi存在的偏差值為δ，具體表示如下：

在發(fā)生光纜故障的過程中，對信號進(jìn)行測量，去除其中的噪聲信號。對于測量中的直線上的測量值，取最小值為(d12+d22+ ... +dn2)，運用最小二乘法得到偏差值如下：

小波變換公式中的比例參數(shù)為整數(shù)，光纜故障信號的小波變換根據(jù)時間的變化不斷改變，存在函數(shù)的平滑點為x，x即F中的局部最大值。對光纜線路故障信號進(jìn)行預(yù)處理，使信號小波變換完成不同程度的分解，測量信號的特征和小波變換多尺度分解結(jié)果，選取小波基分解層次，得到小波分解系數(shù)ζ。通過公式運算得到ζ的模量平方，同時設(shè)定閾值為η，使閾值η的小波變換模極大值保持不變，如果存在小于閾值的數(shù)據(jù)，則重新計算。最后得到的數(shù)值為測量故障信號的最大值點，進(jìn)而找到故障發(fā)生的位置點。小波在函數(shù)空間L(R)中符合對應(yīng)函數(shù)條件如下：

公式（7）中：a為延長參數(shù)；b為減小參數(shù)。通過對連續(xù)小波變換的信號進(jìn)行逆變換，在緩變程度部分，通過小連續(xù)對小波進(jìn)行分解，獲得變換系數(shù)的極大值位置與幅值，分析噪聲出現(xiàn)的原因，并重構(gòu)信號完成去噪［4］。

1.2 GIS故障定位

將光纜通過OTDR測試得光纜線路斷點，并通過電子地圖顯示位置將故障段定位。同時，引入GIS（Geographic Information System）系統(tǒng)，結(jié)合管線資源系統(tǒng)的GIS 圖層，在光纜線路中建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到故障點位置［5］。在加權(quán)有向圖中，利用GIS 系統(tǒng)尋找從起點到終點的最優(yōu)路徑，設(shè)定d(j)為路徑中的點存在從起始點t開始到終點j之間的最短路徑的長度，p(j)為路徑中的點存在從起始點t開始到路徑中的上一個點，使得從點t開始到點j之間的連線距離如下：

公式（8）中：j為標(biāo)記點；l為兩點之間的距離。選取故障特征提取結(jié)果，選定特征向量的取值范圍，同時設(shè)定特征集向量為{Q=q1,q2,...,qn}，訓(xùn)練樣本數(shù)設(shè)定為n，訓(xùn)練中的最大值與最小值分別設(shè)定為gmax和gmin。在測試樣本中，根據(jù)故障分類生成膨脹積，通過脈沖得到第p類故障的采樣信號，并得到對應(yīng)的信噪比h。選擇信號中的特征向量集合進(jìn)行特征提取，同時構(gòu)建監(jiān)測空間，在特征空間中設(shè)定C構(gòu)成樣本的集合，不同樣本中存在的集合為c，滿足以下條件：

公式（9）中：c為故障點存在的集合，故障特征向量在特征空間中存在映射，在部分空間中構(gòu)成一種判定事務(wù)分類V，用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述如下：

1.3 消除故障信息冗余

在正常情況下采集的光纖傳感信號進(jìn)行預(yù)處理后，根據(jù)光纜線路故障位置振動產(chǎn)生的光纖傳感信號，選取5 s 作為樣本，計算振動持續(xù)時間的平均值，乘以相應(yīng)的系數(shù)作為振動持續(xù)時間的閾值。依次遍歷每個采樣點的幀信號，計算該采樣點的短時過雙電平率，若短時過雙電平率大于短時過雙電平率的閾值［8］，表示光纜線路故障發(fā)生的頻率超過預(yù)期或接受的范圍。設(shè)定時間窗口寬度為r，時間窗口在時間段中從起始時間點滑動到最終時間點。窗口滑動長度為T，同時設(shè)定告警事務(wù)提取事件為，根據(jù)時間序列相似性進(jìn)行計算，得到總告警集合為{A，A1，B，B1，C，C1}，將其劃分為不同的合適時間段告警序列［9］。選擇合適的窗口寬度值和滑動長度，利用時間滑動窗口對每個時間段的告警序列進(jìn)行告警事件信息提取，并記錄預(yù)定時間內(nèi)的告警，得到具體的告警時間。依次遍歷每個采樣點的幀信號，計算該采樣點的小波能量方差，若小波能量方差大于小波能量方差的閾值，得到發(fā)生光纜線路故障位置的振動，進(jìn)一步對光纜線路故障位置的振動進(jìn)行分類。設(shè)定數(shù)據(jù)樣本為{xi,yi}，對其進(jìn)行樣本分離，得到如下函數(shù)：

公式（11）中：wx為平面。完成對故障信息的預(yù)處理后，由于故障信息中還存在冗余、不同步傳輸?shù)痊F(xiàn)象，按照時間序列劃定與滑動窗口組合的方式對故障信息進(jìn)行提取。通過故障相似性得到時間間隔公式如下：

根據(jù)公式（12）得到對應(yīng)的時間間隔，從不同時間內(nèi)的中點極端時間間隔的平方和得到的相似函數(shù)如下：

公式（13）中：A(t)為相似函數(shù)；t為中點的時間間隔。以此作為目標(biāo)函數(shù)劃分窗口的指標(biāo)，得到計算公式如下：

公式（14）中：ti為初始時間間隔。通過不斷進(jìn)行時間分段，對每個時間段內(nèi)的故障信息實現(xiàn)時間同步，去除時間冗余，獲得新的故障告警事務(wù)［10］。同時，將不同窗口中出現(xiàn)的故障位置設(shè)定為并發(fā)告警，并被提取到同一個定位信息中。與此同時，如果在對應(yīng)時間間隔內(nèi)不斷出現(xiàn)故障告警，則在對應(yīng)時間窗口中只統(tǒng)計一次，防止出現(xiàn)冗余定位現(xiàn)象。

2 實驗測試與分析

2.1 搭建實驗環(huán)境

實驗測試功能點是否正常，對光纖通信工程中的光纜線路斷點進(jìn)行測試，根據(jù)不同的光纖長度，設(shè)置不同的測試點。所用到的系統(tǒng)軟硬件測試環(huán)境如表1所示。

表1 系統(tǒng)軟硬件測試環(huán)境

系統(tǒng)采集對應(yīng)告警圖像，建立數(shù)據(jù)收集庫，統(tǒng)計光纖通信工程中運行段、維修段和光纜線路全程的數(shù)據(jù)，并與規(guī)定線路網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)實時接入。獲得的數(shù)據(jù)通過運行的TDCS/CTC 進(jìn)行運算，并通過T/D 結(jié)合服務(wù)器接入，記錄故障點的定位，描述故障點的定位效果，采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 實驗結(jié)果與分析

測試故障信號，忽略在信號測試中點直到曲線末端的損耗門限值后出現(xiàn)的噪聲干擾，設(shè)置3 個小組，本文所提方法設(shè)定為實驗組，對照1 組和對照2組運用傳統(tǒng)方法，設(shè)置5 個線路測試點，在每個測試點安裝故障檢測設(shè)備并使其能夠?qū)崟r進(jìn)行故障告警。統(tǒng)計整理運算得到光纜線路中的實時告警次數(shù)，經(jīng)過運算繪制得到實時告警率，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)位于線路測試點5時，對照1組和對照2組中的故障實時告警率均低于實驗組，而運用本文所提方法的實驗組的實時告警率高達(dá)95%，說明告警數(shù)據(jù)與實際故障數(shù)據(jù)相關(guān)性知識相匹配，描述故障中的告警項存在同步性，對線路中的故障監(jiān)測效果明顯，能及時告警并解決光纜線路中存在的安全問題，緩解光纜線路中的冗余現(xiàn)象，同時提升預(yù)警時效性，實現(xiàn)對光纖通信工程中光纜線路故障的有效告警。

3 結(jié)語

本文從光纖通信工程中的光纜線路入手，深入研究線路故障告警的問題，探究光纖通信工程中的光纜線路故障告警技術(shù)。但是，本文所提方法還存不足，如故障定位的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性有待提高、互聯(lián)網(wǎng)軟件的系統(tǒng)更新待優(yōu)化等。在以后的研究中，筆者將研究人員應(yīng)及時從光纖通信工程的安全性出發(fā)，合并多種故障數(shù)據(jù)集，搭建具有較高安全性的云數(shù)據(jù)技術(shù)處理平臺，提升告警速度。