智能光缆运维预警系统应用浅析

蔡权慧, 田 雷

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088;2.中国移动通信集团设计院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230081)

1 系统建设背景

2019年全国取消高速公路省界收费站项目的实施，联网收费方式的改变，使得收费站、ETC门架系统车辆交易流水的生成对远程后台数据获取的实时性要求更高，高速公路光传输网作为主用链路——承载数据传输的重要载体，其运行的稳定性，决定了整个网络运行的稳定性。虽然目前大部分省份采用电信/移动/联通运营商专线或物联网作为备用链路，但是若主用链路可靠性和实时性得不到保证，这将造成备用链路流量的剧增，这无疑给各省经营主体增加了运营负担。

因此，保证光传输网可靠稳定的运行就显得非常的重要和必要。传输网是由光传输设备加光缆构成的。随着光传输网的大量建设，传输设备自身运行情况的监控和管理已经完善且稳定。但是，作为光传输 网的另一重要组成部分——光缆，其运行情况一直没有一套很好的监测和维护方案。长期以来，光缆的维护一直靠建设单位的维护人员利用简单的仪器加上自身多年累积的经验进行维护。很多时候由于外力破坏和自然环境的影响，光缆的维护依靠人工既艰难烦琐又效率低下。维护人员 因此承受着很大的工作压力和高负荷的工作量。因此，针对光缆建设一套智能分析、监 测、保护、管理系统就显得十分必要。

根据目前对光缆线路维护管理模式的调查，主要存在以下问题：

(1)光缆长途干线多，距离长，地形复杂，维护困难。

(2)道路主体工程养护临时施工、交通事故、人为破坏等，容易造成光缆中断。

(3)无法判断光缆衰耗进程，难以解决信号质量下降及光缆中断的潜在风险。

(4)人为接线错误或光缆接头松动导致的故障排查困难。

(5)无法对业务光缆进行实时在线监测。

(6)故障定位不准确，监测精度差。

(7)光缆使用随意性较大，每次新增业务需要对光缆现状进行摸底，耗时耗力。

对光缆线路的实时监测，动态地观察光缆线路传输性能的劣化情况，及时发现和预报光缆隐患，提高光缆监测的全局化、网络化、实时化、数据化网络管理，以降低光缆阻断的发生率，缩短光缆的故障时间显得至关重要。

智能光缆运维预警系统与传统人力监测相比，有以下优势：

(1)大幅降低运维成本：通过在光传输网络站点分布式部署智能光缆运维预警系统，实现基于云服务、大数据的光纤在线监测运维管理模式，大幅度降低通信光缆运维的设备成本、培训成本、人力成本、检修成本。

(2)提前预知故障风险：通过在光传输网络站点分布式部署智能光缆运维预警系统，实现长时间光缆监测数据的精细化分析，根据衰耗数据曲线、时间数据曲线、季节数据曲线、环境数据曲线等多维度预先判断可能存在的光缆故障风险，提前防范与处理。

(3)提高运维服务质量：通过在光传输网络站点分布式部署智能光缆运维预警系统，在光缆故障出现后能够快速准确定位故障点并提供故障分析，大幅度提高故障处理效率；同时在光缆故障出现前提供风险告警，防患于未然，为提高运维服务质量提供有力的技术与数据支撑平台。

2 技术简介

2.1 OTDR

现阶段，国内外在光纤传感技术中较为普遍的应用是光时域反射仪(optical time-domain reflectometer,OTDR)，OTDR在精准时钟电路的控制之下，按照设定的参数向光口发射光脉冲信号，之后OTDR不断地按照一定的时间间隔从光口接收从光纤中反射回的光信号，分别按照瑞利背向散射(测试光缆的损耗)和菲涅尔反射(测试光缆的反射)的原理对光纤进行相应的测试(图1)。

图1 测试原理图

瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成，光缆测试单元测量回到发射端口的一部分散射光，这些背向散射信号表明了由光纤而导致的衰减(损耗/距离)程度，形成的轨迹是一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断减小，这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。另一方面，菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很强的背向散射光被反射回来。

根据不同的曲线、时间点，判断出光纤问题所在。如焊接点、过度弯曲点和断裂点等。根据分析出来的问题点及时定位、抢修、恢复等操作。可查询全省光缆空余纤芯的剩余情况，当空余纤芯被使用时，系统可发出报警，并显示出具体的路段位置及纤芯编号。

决定OTDR的性能参数主要有：动态范围、盲区、脉宽宽度。

动态范围：动态范围是一个重要的 OTDR 参数。此参数揭示了从 OTDR 端口的背向散射级别下降到特定噪声级别时 OTDR 所能分析的最大光损耗，是最长的脉冲所能到达的最大光纤长度。因此，动态范围(单位为 dB)越大，所能到达的距离越长。显然，最大距离在不同的应用场合是不同的，因为被测链路的损耗不同。连接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大长度的因素。因此，在一个较长时段内进行平均并使用适当的距离范围是增加最大可测量距离的关键。大多数动态范围规格是使用最长脉冲宽度的三分钟平均值、信噪比 (SNR)=1(均方根 (RMS) 噪声值的平均级别)而给定。

事件盲区：是指菲涅耳反射发生后OTDR可检测到另一个连续反射事件的最短距离。根据Telcordia系列标准，事件盲区是反射级别从其峰值下降到-1.5 dB处的距离， OTDR 的事件盲区尽可能短非常重要，这样才可以在链路上检测相距很近的事件。例如，在建筑物网络中的测试要求 OTDR 的事件盲区很短，因为连接各种数据中心的光纤跳线非常短。如果盲区过长，一些连接器可能会被漏掉，技术人员无法识别它们，这使得定位潜在问题的工作更加困难。

衰减盲区：OTDR衰减盲区是指菲涅耳反射发生后OTDR能精确测量连续非反射事件损耗的最小距离。根据Telcordia系列标准，衰减盲区是从反射事件发生时开始，直到反射降低到光纤的背向散射级别的0.5 dB。因此，衰减盲区通常比事件盲区要长(图2)。

图2 盲区示意图

脉冲宽度：在光功率大小恒定的情况下，脉冲宽度的大小直接影响着光的能量的大小，光脉冲越长光的能量就越大。同时脉冲宽度的大小也直接影响着测试盲区的大小，也就决定了两个可辨别事件之间的最短距离，即分辨率。如下图所示，测量同一条光缆时，由于采用不同的脉冲宽度，测量结果中的盲区范围、信噪比、分辨率都不相同。最短的脉冲宽度得到了最小的盲区，但是信噪比最大；最长的脉冲宽度获得了最小的信噪比(平滑曲线)，但盲区达到1 km以上。

2.2 Coherent-OTDR

Coherent-OTDR采用相干探测技术，将瑞利背向散射(测试光缆的损耗)和菲涅尔反射(测试光缆的反射)信号的功率集中在一个外差中频上，通过解调中频信号的功率即可获得实际信号功率的大小。通过在中频信号处设置一个带通滤波器，从而滤除大部分噪声功率，维持Coherent-OTDR较高的动态范围。同时，采用FSK(移频键控)技术消除因为经过EDFA(掺饵光纤放大器)时的光浪涌。

Coherent-OTDR技术，不是使用单脉冲技术，而是使用了低功率数字编码激光器，不仅产生少量单脉冲，并且产生大量连续不间断的调制脉冲，都注入被监测光纤中。反射信号被收集，解调，通过独特的算法运算，得到光链路的长度、损耗、接头、故障位置等。采用Coherent-OTDR技术，光链路的长度计算不是基于脉冲的宽度，因此可以精确定位任何超过阈值的反射点，并且可以在整个光链路的范围内精度达到1米。由于该技术采用了低功耗激光器，光电检测器的恢复时间可以忽略不计，因此不存在盲区。与OTDR相比，Coherent-OTDR技术有如下优势：

(1)OTDR是强光监测，有盲区。Coherent-OTDR是弱光监测，没有盲区，事件是有很多个弱光脉冲累积的监测结果。

(2)在50～80km的范围，由于OTDR是单个脉冲，监测距离越远，光能量越弱，需要增大脉宽，这时候会导致监测精度大大下降，而Coherent-OTDR没有降低，它通过调整脉冲序列和数量和波形，获取累积结果，一样保证精度。

(3)Coherent-OTDR有快速模式和高精度模式，这是自动处理的。通常光缆断纤的事件监测上报是10多秒的时间，然后系统立刻启动高精度模式(1 m精度)，通过5 min左右，给出断点的精确位置。

3 系统方案

3.1 系统组成

智能光缆运维预警系统由光网络信息管理软件，检测中心和远端监测站(RTU)组成(图3)。RTU 设置应结合本工程光缆维护分区和维护方式来确定。

图3 监控网络示意图

监测中心设置在中心机房(可根据需求设置)，安装监控系统软件，负责光缆监测信 息的采集、汇总和存储。各 RTU 监测信息需同时上传到监测中心，进行数据的处理以及存储。

监控站配置 RTU 单元，每个 RTU 单元配置实时监测模块，每个模块负责监测光纤线路。

监控中心配置监控服务器并安装监控软件系统，可扩展磁盘阵列及备用服务器等系统加固 设备，还可以扩展监控网元，接入更多 RTU 设备。各区管理人员可通过安装了客户端软件的内 网计算机直接访问监控系统平台，也可以通过安装了客户端软件的外网计算机通过防火墙访问 监控系统平台。

3.2 监测方式

按监测光路的连接方式，智能光缆运维预警系统可分为业务纤芯监测和备用纤芯监测两种方式。在告警反映实时性上，在线监测方式要优于备纤监测方式；在系统的可靠性上，备纤监测方式由 于不介入通信设备与线路，因此其系统可靠性最高；在实施上，备纤监测方式难度最小。

3.2.1 业务纤芯监测方式

业务纤芯监测是把监测信号与通信信号共同注入同一根光纤，通过业务纤芯来观察光纤的损耗情况(图4)。

图4 业务纤芯监测示意图

由于监测信号与通信信号在同一根光纤，因此能直接客观地反映通信光纤的损耗情况。而且可以在不中断通信设备工作的情况下进行光纤损耗的测量，但需要增加相应的滤波器等相关光无源器件，同时由于滤波器与合波器的引入会造成相应的插入损耗，会造成通信信号相应的衰减，因此对通信光纤与通信设备有一定门限要求。

业务纤芯监测的优点：① 可以实时直接监测业务纤芯的损耗；② 具有发现弯曲光纤漏光窃听的功能。

业务纤芯监测的缺点：① 在系统安装调试时需要中断业务纤芯的通信；② 需要串入合波器与滤波，会增加系统的损耗。

3.2.2 备用纤芯监测方式

光纤备纤监测是把监测信号注入备用光纤，通过监测备纤的损耗情况来间接观察光缆的损耗情况，同样可以判断光缆中断情况，及时定位断点位置信息(图5)。

图5 备用纤芯监测示意图

由于监测信号在备用光纤，因此不需要滤波器等光无源器件，可以有效地减少系统成本，并且不会带来相应的插入损耗问题。

备纤监测的优点：① 系统的安装调试不影响原有业务的通信；② 不会给系统增加额外的损耗与故障点；③ 系统安装简单，不需要合波器与滤器；④ 只需在一端安装设备，远端无须施工，节省了大量的施工时间和工作量。

4 结束语

光缆监测系统在通信、交通、电力等行业都有应用，经调查，大部分实施的光缆监测系统，从经济性考虑，目前普遍做法是通过检测光缆中某几芯备用光纤来综合评价整根光缆的情况，但是却无法了解整根光缆使用情况，若对整根光缆纤芯均进行监测，则存在以下问题：

(1)受激光器件的影响，一台设备同时进行监测的光纤芯数不超过5芯，想要利用一台设备实现对更多光缆的监测，只能靠轮询，考虑时间及实用性问题，一台OTDR设备最多能监测的极限芯数为168芯，超过此规模需要增加监测设备。一台Coherent-OTDR设备能监测的芯数相较就要少些。

(2)如果对业务纤芯进行监测，不仅引入系统的损耗，如OTN等对光路要求较高的系统，因此，而且也会增加投资一般不建议采用。

(3)对备用纤芯均进行监测，投资较大，但是对于高速公

路，其成带状分布，收费站、服务区分布较为密集，而高速公路通信专网通信设备以其为单位进行布设，且沿线外场监控设备较多，对光缆的切割较为频繁，同时光缆的局部使用较多，由于缺乏有效的制度，使用随意性也较大，因此从全局很难了解整个光缆的使用情况，若进行光缆规模使用需进行人工摸查，不仅耗时耗力，且搜集的资料往往跟现场情况差异较大。

因此实施光缆监测系统，不仅要综合考虑造价问题，还要从实际需求方面出发，选择合理的方案。