通信光缆线路中故障点智能定位检测技术

高铸 田远男

【摘要】光缆线路是利用光导纤维构成的光缆作为传输线路，广泛应用于现代通信网络当中。随着通信光缆大规模敷设，光缆线路故障以及外力造成的破坏，会对通信传输造成巨大影响，因此，光缆线路的可靠性和安全性，成为人们关注的焦点。为快速准确的对光缆故障进行定位，本文对基于GIS与OTDR技术的光缆线路故障定位检测技术进行研究，试图为之提供行之有效的可行性建议。

【关键词】通信光缆;故障点;光时域反射仪;定位检测

中图分类号：TN94                 文献标识码：A               文章编号：1673-0348（2020）012-127-03

Abstract： The optical cable line is a transmission line made of optical fiber， which is widely used in modern communication networks. With the large-scale laying of communication optical cables， the failure of optical cable lines and the damage caused by external forces will have a great impact on communication transmission. Therefore， the reliability and safety of optical cable lines have become the focus of attention. In order to locate the optical cable fault quickly and accurately， this paper studies the optical cable fault location and detection technology based on GIS and OTDR technology， trying to provide effective feasible suggestions.

Keywords：Communication optical cable; Fault point; Optical time domain ： Positioning detection

通信光缆（Communication Optical Fiber Cable）是现代通信网络中的重要组成部分，也是电信运营商业务承载的主要平台。通信光缆得到大范围推广应用，主要依赖于其通信容量大、传输距离长、抗磁干扰能力强等优势，在有线传输领域已经成为首选。随着通信光缆的普及应用，光缆线路日常维护和故障处理成为确保通信传输质量的重要工作。通信光缆主要是由玻璃纤维制作而成，因此，在日常运行过程中，会受到多种因素的影响，导致通信光缆线路损坏，从而影响正常通信。近年来，我国通信光缆线路建设规模的不断扩大，通信光缆故障发生的概率也在逐年上升，严重影响了通信传输质量、设备运行效果等。由于传统的人工光缆故障检测技术，无法满足通信光缆故障快速准确定位需求，光缆线路维护质量和故障抢修效率达不到实际要求。因此，需要结合现代科学技术的优势，解决当前光缆线路故障无法精准定位、快速检修的问题。

1. 通信光缆的特性评价

隨着社会的不断发展进步，人们信息交换的需求量与日俱增，为了有效提升信息传输容量，需要通过更高的载体频率、更快的传输效率来满足现代社会信息交换的需求。光波就成为了研究重点，光纤通信具有很大的容量，如果多束不同波长的激光加注到同一根光纤中进行通信传输，其通信容量将获得无限扩展。通信光缆具有以下特性：

1.1 通信容量大，传输距离长

通信光缆使用的光波具有超高频率，通常为1014Hz，因此，通信光缆具有极大的通信容量。研究得知，一根光纤可以同时传输近100亿路电话和1000万路电视节目。由于光波衰减较低，能够实现长距离中继传输。现阶段，使用的通信光缆主要为石英光纤，在1.55μm波长区间内，石英光纤的衰减系数仅为0.2dB/km，远低于其他通信线路的衰减系数。由石英光纤组成的通信光缆最大中继距离可以达到200km以上，远高于其他通信线路系统中继距离。未来发展衰减系数更低的非石英系光纤，衰减系数低至10-5～10-3dB/km，通信光缆中继距离可达到数万千米，这样就可以在不设中继系统的情况下进行信息传输，有效地降低通信成本，提高信息传输的稳定性及可靠性。

1.2 抗电磁干扰能力强，传输质量优越

信息传输过程中需要具备一定的抗干扰能力，否则将会影响信息传输的质量。通信传输的主要干扰源包括：雷电、电离层变化、太阳黑子活动等自然因素，电动机、高压电力线以及无线电通信之间相互干扰。通信光缆使用光载波频率极高，不会受到以上因素的干扰，有效地提升了通信传输的质量。

1.3 信号串扰小，保密性良好

通信光缆具有较强的保密性。光波在光纤中传输，漏出光纤的光波十分微弱，如果在光纤或者光缆表面如上一层消光剂，光纤中的光波会得到有效保护。可以有效避免在日常通信中常见的线路之间的串扰现象，同时也不会干扰其他通信设备或者测试仪器。

1.4 原料来源丰富，节约资源

传统有线传输的线缆是由铜、铝、铅等金属材料制成，其中铜属于有限资源，通信光缆采用石英制作，其来源非常丰富。如果用光纤代替传统金属线缆，在保持同样的传输容量下，仅需要10kg石英。因此，通信光缆技术的推广应用可以有效节约有色金属材料，实现资源的有效利用。

1.5 重量轻，便于运输和敷设

光前的芯径很细，只有单管同轴光缆芯径的1%，利用通信光缆质量轻、尺寸小的特点，有效地解决了地下隧道拥挤的问题，节省了隧道的建设投资成本。此外，光缆适应性强，寿命长，可以广泛应用于测控、传感、自动化控制以及医疗卫生等方面。

2. 通信光缆常见故障及成因

通信光缆作为信息传输的基础设施，运行的安全性和可靠性将直接影响着整个通信网络的安全性。一旦通信光缆线路发生故障，将极大地影响各行业的生产和发展。因此，保障光缆通信畅通至关重要，需要通过科学有效的故障检修和维修技术，确保通信光缆的可靠运行。因此，下文对通信光缆常见故障进行分析：

2.1 通信光缆中断以及接头故障

通信光缆在敷设安装过程中，时常会因为施工操作不当引起中断或者接头故障。例如：通信光缆线路引线未按照国家规定的标准和流程进行接地处理，接地电阻过大，导致电流通过时，出现放电现象，致使钢绞线烧毁，严重时还会威胁到人们的生命安全。光缆线路接头故障也会对通信光缆的稳定运行造成影响。

2.2 通信光缆自身损伤

通信光缆是由缆芯、加强构件、保护层和填充物等部分组成，在线缆外部还有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。但是，线缆的缆芯强度和柔韧度较差，为了达到实际使用的要求，在光缆制造过程中，裸光纤从高温炉中拉出后进行涂覆。经过涂覆后光纤才能用来制造光缆满足通信传输的要求。在日常使用中以及施工中，如果通信光缆的覆盖保护套出现损伤，會在一定程度上影响通信光缆运行的稳定性。

2.3 电腐蚀引发的通信光缆故障

通信光缆的电化学腐蚀，主要是指线缆在发生氧腐蚀的表面会形成许多直径不等的小鼓包，次层是黑色粉末状溃疡腐蚀坑陷。通信光缆线路在敷设过程中，线路之间距离较近时，光缆线路发生接触，将会造成通信光缆线路电腐蚀作用，引发故障问题。通信光缆线路在使用过程中，随着时间的推移，会积累大量的灰尘，这些灰尘和杂质一旦受到空气湿度较高环境影响、静电作用，就发生放电现象，导致通信光缆线路的保护层发生脱落，通信光缆内部纤细也可能发生断裂情况，从而导致通信光缆线路出现故障。

3. 通信光缆故障定位检测的关键技术

通信光缆的维护工作可以有效确保光缆正常运行，降低故障发生概率。通信光缆故障可以分为两个部分，首先是光缆本身的损伤，例如：光缆接线头故障。光缆线内机能发生了变化、光缆纤芯传输性能发生了变化。随着通信光缆的大规模使用，光缆维护和故障检测工作越来越受到重视。早期的光缆维护和故障检测主要依靠人工进行，维护效率低而且故障检测准确性较差。随着通信光缆敷设范围扩大，光缆线路故障造成通信中断，会造成巨大的经济损失。人工巡检工作强度不断提升，故障响应速度由人而定，如果值班人员和维护人员之间配合不当，将直接影响光缆线路的抢修进度，人工巡检无法满足高质量通信传输的需要。因此，需要借助现代化的科学技术，提升通信光缆维护和检测效率。常见的故障检测系统和技术分为以下类型：

3.1 备纤检测

当通信光缆有空闲备纤的情况下，可以选用备纤检测方式。通信光缆检测系统主要是对光缆的光功率进行监控，判断是否存在故障。当出现异常时，检测系统将对通信光缆进行测试，以获取光缆的故障点所在位置。而通信光缆备纤监测主要针对无业务的备用纤芯进行监测。

3.2 在线检测技术

当通信光缆没有空闲备纤时，可以选择在线检测方式。通信光缆在在线检测系统主要是利用光时域反射仪（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）与光传输设备工作波长不同的测试进行实时在线检测，采用与光传输设备工作波长不同进行在线检测，利用波分复用器、滤光器和光开关、波分复用技术，可以实时对被检测光缆线路运行状况进行实时监控。

3.3 离线检测技术

当通信光缆空闲备纤资源紧张时，还可考虑选用离线检测方式。离线检测是指在通信光缆停止使用过程中，进行定期维护，更换或者剥离通信光缆线路，对被检测通信光缆运行状况进行维护检测。

3.4 跨段检测

通过配置有源设备和无源光器件，对通信光缆某段进行远程在线、离线检测。此外，在具备不同路由光缆的前提下，需要实现不同路由光纤自动切换保护功能时，还可采用保护监测方式或与其它监测方式相结合。

4. 智能定位检测技术的设计和实现

通信光缆线路通常采用光缆隧道进行敷设，长距离传输判定光缆线路需要维护和保养的范围较大。由于通信光缆主要是由玻璃纤维制成，通常外径为125μm，虽然，光缆本身利用PBT、加强芯、油膏和塑料外套进行保护，但是，由于人为搬运、大面积敷设易发生折断现象。再加上光缆接头盒变质、光缆线路老化等因素，会导致光缆线路传输故障。由于通信线路较长，周边环境的复杂性和自然因素的不确定性，给通信光缆线路的维护带来诸多不便。因此，需要通过引进现代化技术，提高通信光缆线路维护管理效率。因此，本文研究的通信光缆线路故障定位监测技术利用光时域反射仪（OTDR），通过智能链路可以进行智能OTDR分析，并且将测试结果以图像形式进行可视化显示，技术人员可直接读取光缆线路畅度、损耗情况，帮助技术人员及时发现通信光缆中的故障点。

4.1 智能故障定位检测系统架构设计

基于GIS和OTDR技术的通信光缆故障点智能定位系统，采用模块化设计，包括：地图管理模块、数据管理模块、通信光缆管理模块、应急保障模块四大部分，地图管理模块具备基础图形编辑、地图查询、格式转换以及图形输出功能;数据处理模块包括：数据库管理、数据获取、用户管理功能;通信光缆管理模块包括：光缆数据管理、光缆查询统计、光缆故障点定位功能;应急保障模块包括故障辅助决策以及空间分析功能，如图1所示。通信光缆线路故障点智能定位检测系统融合了现代通信技术、光学测量技术、地理信息系统以及全球卫星定位系统等先进技术。可以根据用户需求提供个性化的解决方案，借助强大的网络连接检，提供工作效率。

4.2 光时域反射仪的技术实现

基于GIS和OTDR技术的通信光缆线路故障点智能检测系统，融合了地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和光时域反射仪技术（optical time-domain reflectometer，OTDR）。其中GIS系統主要是采集、存储、管理通信光缆线路周围的空间和地理分布信息，为通信光缆维护和资源管理提供地理信息数据平台。光时域反射仪工作原理是将一束很窄的激光脉冲通过光纤耦合器以较小的角度传入光纤，该光线将在光纤中沿与入射方向一致的方向传播。光纤通常由石英晶体组成，并且光纤中各个点的折射率是不均匀的，因此，光线在光纤中传播时会连续的产生瑞利背向散射，部分光能量偏离原来的传播方向，此时光时域反射仪就能够收集这些反射光，并完成测量。入射激光脉冲反馈的光能量，用连接器接入射到光纤的激光脉冲与反射回来的信号分离后，输入到光电转换器把光信号转换成电信号，完成瑞利背向散射光信号接收和测试工作，转换后的电信号经过信号器进行处理，满足A/D采样信号的要求。模数转换器将输入的模拟信号转换成数字信号，并在DSP及逻辑控制的作用下对采样信号进行累加求和，最终将结果以波形的形式通过显示单元显示出来。

4.3 智能故障定位检测系统功能设计

基于GIS和OTDR技术的通信光缆故障点智能定位系统，可以提供精确的故障点定位功能。通信光缆常见故障为断路，当某段通信光缆发生断路时，光信号的衰减会在该断路处急剧增高，可以用通信光缆故障点智能定位系统检测光信号的衰减，从而得到OTDR测试曲线，用小波变换与BP算法结合分析OTDR曲线，准确的得到通信光缆某处断路点到机房的距离，然后利用通信线路属性表中的到机房距离字段，测量这个距离的数值。因此，该系统具备故障点周围情况监测功能。主要是检测通信光缆故障点周围是否有影响故障维修和到达故障点的因素。借助通信光缆故障点智能定位系统，查询通信光缆故障点周围情况。对于地理空间的数据空间查询实现，可以通过与通信光缆故障点周围被测距离的空间信息查询，从而得到测量距离范围内的地理数据信息。这种查询方式利用了地理信息系统空间信息与属性信息紧密结合的特点，能够更直观、更形象的实现通信光缆故障周围信息的查询。

此外，当通信光缆发生故障时，基于GIS和OTDR技术的通信光缆故障点智能定位系统可以进行迅速、准确的故障点定位，并且将通信光缆周围环境进行数字化显示，同时，在地图上迅速标明障碍地点，并通过可视化设备显示周围的地形地貌、障碍类型、障碍等级，缩短故障抢修时间，使网络在最短的时间内恢复，减少因故障持续时间长而带来的经济损失。实现了图像数据和属性数据的统一存储、管理和分析，并且存储到数据库中便于后期的使用。系统实现了智能化操作功能和数据自动化更新功能，包括：通信光缆功率、故障点告警、设备故障等数据的更新，采用批量数据录入的方式完成动态数据的更新，可以及时发现通信光缆的故障点，有效提升了故障的检修效率。

5. 总结

综上所述，通信光缆线路维护是指在保障光缆线路设备的传输能力而进行的生产活动，想要保证通信光缆的检修工作稳定开展，就要在通信光缆常见故障的基础上，分析故障产生的原因，采取针对性的故障维护策略，最大限度的降低通信光缆故障造成的损失。因此，本文研究的基于GIS和OTDR技术的通信光缆故障点智能定位系统，主要包括：基本操作平台、数据库平台、GIS平台、应用服务器平台。实现了对通信光缆线路的数字化管理，提高了智能化管理水平，减少人工操作带来的诸多不便，极大地提高了光缆线路维护的工作效率。

参考文献：

[1]李涛.通信光缆线路维护的问题与相关方法[J].数字技术与应用.2020（01）

[2]张洪彬.光缆通信线路维护管理中存在的问题及解决办法[J].科技创新导报. 2019（10）

[3]苗兴.通信光缆线路中的故障点定位和有效检测技术探讨[J].数字通信世界. 2019（07）

[4]蒋渊，杨金，葛纹伉.基于GIS的配网通信光缆自动监测管理系统[J].云南电力技术.2016（S2）

[5]白晓青.电力通信光缆典型故障分析及应对措施分析[J].信息通信.2019（01）

[6]周鸿喜，刘军，姜辉，彭珍，钟剑财. 通信光缆资源管理系统研究与开发[J].电力系统通信.2011（06）

[7]严仲宇.电力通信光缆典型故障分析及应对措施[J].通讯世界.2018（12）

[8]赵赟昌.基于布里渊散射的电力通信光缆故障点高精度定位技术研究[J].电子制作.2017（13）