基于GIS的光缆运行质量监测系统研究与应用＊

胡光雄，易焕银，黄建安，王传志

(1.广东交通职业技术学院机电工程学院，广东 广州 510800；2.广东汉佳信息技术有限公司)

0 引言

5G 传送网中无论是核心层、汇聚层还是接入层，光缆因其高性能、大带宽的优势而被大量使用。以接入光缆为例，因5G更高密度组网的需求导致接入光缆纤芯消耗可能比以往增长三倍以上。中国今年采购光缆约447.05 万皮长公里，折合约1.432 亿芯公里，比2020 年提升20%，比2019 年提升36%，这反映了5G 规模建设与流量高增速驱动光纤光缆需求持续快速增长。因5G 扩建光缆如此，历史存量光缆亦然。

无论是架空光缆或管道光缆，其传输质量均可能因沿途地震、台风、雷击、舞动、覆冰、杆塔倾斜、偷盗、窃听等外部因素而随机受到影响。在现场负责光缆运维和检测的运维人员很难全面准确掌握光缆质量，即使部分隐患被检测到，其隐患信息往往无法及时传送到在办公环境下负责光路业务调度的调度员。因此，研究光缆运行质量图形化分析系统，对于发现和修缮光缆运行质量隐患、提高上层业务运行可靠性具有现实意义。

1 主要研究内容

光缆通信资源主要包括ODF、光缆段、纤芯、光交接箱、光接头，以及承载光缆的管道、杆路等物理资源。光缆中的纤芯通过不断接续或跳接，形成纤芯通路这样的逻辑资源，在资源调度流程的支持下最终成为承载上层业务的逻辑光路。无论是通过工程施工后形成的光缆物理资源，还是通过施工后期跳接形成的光路等逻辑资源，都属于“哑”资源，其通信质量问题不会自发上报。因此，有必要研究光缆运行质量检测感知设备、光缆运行质量数据采集方法，进而研发信息化、图形化光缆运行质量分析系统。

1.1 应用需求分析

无论手持式OTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）还是实时在线OTDR，其测试结果均具有信息孤岛性，监测出来的光缆质量缺陷缺少属地化位置措施，无法指引光缆抢修人员直接到达现场进行抢通工作。文章建立一套手持式OTDR 测试结果的接口技术，提供一种能将其检测结果采集、导出并解析其原始数据的技术手段；同时在研究一套能监测更大范围的实时在线OTDR 设备基础上探索网络化的实时对接接口，形成一套多种形态OTDR 设备的对接接口，完成光缆质量监测的基础数据对接工作，同时，建立基于GIS技术的质量检测、接口采集、结果存档、数据分析、图形化呈现、质量缺陷定位等应用于一体的光缆质量监测系统，提供光缆衰耗点大数据分析，实现光缆断点位置定位、大衰耗点分布等图形化光缆健康度分析支持，为5G等业务应用提供智能化质量检测和健康性评价。

1.2 系统结构设计

基于GIS的光缆运行质量监测系统整体结构图如图1 所示，主要包括光缆数据感知、数据采集与解析、光缆质量数据图形化分析三层。一方面，光缆运维人员根据年度或月度光缆巡检指标，指引巡检员通过手持OTDR实现计划性、突发性或事故性的光缆质量巡检，检测的光缆质量结果用于指挥修缮缺陷，数据在系统中长期保存；另一方面，重要的主干光缆由在线OTDR轮询进行常态化监测，借用SOCKET 接口远程调用在线OTDR采集服务，并将测试结果返回到系统服务器。系统服务器将两种形态的光缆检测出来的无形光缆质量数据与GIS 资源管理、光缆支撑资源及光缆等有形的资源对象进行关联，最终实现可视化的光缆运行质量分析目标，确保上层网络应用的运行安全性与稳定性。

图1 系统整体结构图

1.3 系统感知层

光时域反射仪OTDR是利用光在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射原理而制成光电一体化检测仪器，可满足光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等监测需求，是通信企事业单位用于检测光缆“哑”资源是否存在断裂、接头耦合性不佳、介质非均匀性等质量缺陷一种常用工具。其主要包括巡检员用的手持式OTDR和安装于机房的24 小时实时在线的OTDR 设备两大类，手持式OTDR主要用于光缆的日常巡检和计划性巡检，实时在线的OTDR设备主要监测固定范围的若干条被测的光缆纤芯通路，实现重要光缆的常态化监测。

1.4 网络接口层

手持式OTDR 完成检测后将测试结果自动生成SOR 格式文件，并保存在OTDR 的存储器中，该文件支持USB 口或蓝牙通信导出。由于SOR 数据文件内数据量十分庞大，通过道格拉斯抽稀算法对数据进行压缩处理，提升后续数据分析和呈现的性能。图2 为手持式OTDR 的数据解析基本流程，包括检测、采集、手持式OTDR 测试仪中导出SOR 文件、将SOR 文件解析并抽稀，最终成为当次光缆检测的结果数据。

图2 手持式OTDR的数据解析流程

在传统实时在线OTDR 设备基础上，为了提升设备的利用率和性价比，同时也为了扩大监测面，在线实时在线型OTDR 设备上增加了光开关（OSW，Optical Switch），实现1：8、1：16、1：32等大范围的轮询监测需求。其轮询监测基于TCP 网络协议与主控卡进行通信，主控卡根据指令控制光开关（OSW），光开关（OSW）最终与OTDR 模块建立监测链接，通过Socket与OTDR 模块建立动态通信，发送相关测试指令到OTDR 模块，并由OTDR 模块完成光缆的当次监测。图3 为在线OTDR 数据采集基本流程，在接口服务器与在线OTDR 设备之间建立SOCKET 网络接口，通过OTDR设备专有的数据采集协议，实现网络化、自动化、远程的光缆运行质量数据采集方法。

图3 在线OTDR数据采集流程

2 光缆运行质量监测系统设计

为了提升光缆承载上层业务可靠性要求，研发基于GIS的光缆运行质量监测系统。

2.1 GIS资源管理模块

提供功能标准化、通用化、开放型的GIS(Generalized Information System)平台，兼容在线地图和自建地图，以点（红绿灯十字路口、房屋、银行、楼宇、政府机构、树木等）、线（高速公路、城市交通路网、乡道、河流等）和面（山脉、河湖、公园等）等为图形化参考背景的地图管理和呈现平台，实现基于经纬度的参照物定位功能。支持系统的多用户并发访问，并支持电脑端和移动终端的地图呈现功能。

2.2 光缆支撑资源管理模块

管道杆路资源管理提供光缆的支撑设施管理功能，将所有管道和杆路资源形成具有经纬度位置信息的管理功能，在GIS平台上实现以地图为背景的管道、杆路图形化呈现功能。在GIS 平台上针对管道、杆路的点资源（管井、电杆、铁塔、撑点、管孔等）提供经纬度管理功能，根据这些经纬度信息计算出两点间管道或杆路线性资源（管道段、吊线段、引上管等）的长度信息，并在地图上统一实现地图点对象的位置信息管理和线性地图对象的长度信息管理。将被监测光缆形成有起止点信息并按顺序穿缆于所经过的管道或杆路路的矢量化线形图，实现以GIS地图为背景、以管道杆路为支撑路径的光缆网络图形化管理效果。

2.3 被测光缆资源管理模块

被测光缆资源管理模块提供光缆资源点（ODF、光交接箱、光接头、融接点、光缆起点、光缆终点、光缆放大器等）、线（光缆段、纤芯、光路、纤芯通路、光缆通路、局向、中继通路等）和面（光缆子网、光缆网、光缆拓扑图等）的信息管理及其图形化呈现功能，将每一条光缆形成有起止点信息与其实际的管道或杆路支撑点信息进行关联、将每一条光缆路过的杆路、管道段及其管孔路径按顺序进行绑定，形成以GIS 地图为背景、以管道杆路为支撑路径的光缆对象图形化管理效果。

根据支撑光缆的管道或杆路点地图资源对象和线对象的经纬度信息转化为光缆的路径长度信息，并对光缆在管井或电杆上的盘留长度全程量化管理，在GIS 平台上，实现被测光缆图形化呈现，在此基础上进一步实现：从被测光缆的起点出发，根据纤芯通路的路由距离提供可定制化的光缆路径定位分析功能，为后续的光缆质量分析和缺陷属地化分析提供坚实的图形化支撑。

2.4 光缆质量分析模块

GIS 平台为光缆质量可视化分析建立了应用基础。通过OTDR 接口采集到数据形成光缆的衰耗曲线，图形中纵轴是光功率的衰减值，横坐标为光缆的距离，根据衰耗曲线的特征，通过光缆质量曲线衰耗突变点A 取得其距离参数S，这个衰耗突变点很可能是异常天气、光纤的熔接点或接头耦合性不佳等因素造成的光缆纤芯裂纹。图4 是一条32 芯光缆的运行质量分析结果图，通过图4 中大小不同的红色圆饼可直观的呈现每一条光缆的质量隐患大小及其距离。

图4 光缆质量分析

2.5 光缆质量属地化定位分析

在进行光缆质量隐患修缮前首先通过衰耗曲线获得质量隐患距离S 来换算其在GIS 系统的具体经纬度。在系统的数据表中详细记录每个节点距离被测光缆起点的距离,因此隐患点必然会落在光缆经过的某一管道段或吊线段区间中,若以S记为这段区间的开始位置，以S记为这段区间的结束位置，那么：

这个区间主要通过管道段或吊线段对应的光缆用户长度通过后台数据库进行求和查询获得。若S点的坐标为(X,Y)，S点的坐标为(X,Y)，根据平行截割定理,可得以下方程：

获得坐标(X,Y)后即可在GIS 平台上将质量隐患点在电子地图上进行定位，寻找对应支撑设施的隐患点（譬如ODF、光交接箱、光接头、融接点或光缆断点）的具体位置及其参照物，指挥光缆运维人员快速到达隐患点现场，形成一套快速找到光缆质量缺陷及光缆缺陷具体位置的方法。

3 系统实现与应用

本系统将采集和分析的OTDR 数据存储于SQLServer2012SP1 数据库，并采用Java 开发语言实现基于Web GIS 的系统界面，在某局一条39.84km 的32芯光缆中推进实际应用，通过本系统监测到的纤芯衰耗曲线图如图4 所示（图4 既是光缆质量分析图也是纤芯衰耗曲线图）。从这些衰耗曲线图中直观的呈现了各纤芯通路的衰耗特征，并通过图形化形式展现出同一条中继光缆中不同纤芯通路的衰耗值存在不完全一致的情况，这为光路资源生产调度提供了直观的筛选手段，即现场运维监测数据直接用于指引后台资源调度员避开运行质量存在缺陷的纤芯通路，这样不仅提升光缆承载业务的可靠性，也为后续光缆运行质量的修缮指明了方向。

4 结束语

综上所述，当前关于光缆运行质量的图形化、网络化监测和缺陷属地化定位分析的研究实例并不多，当光缆出现断裂、接头耦合性不佳、介质非均匀性等缺陷时，严重影响5G等上层业务的应用。本文提出一套采集OTDR 检测结果的综合接口方案，基于GIS 技术实现了光缆质量监测系统。研究和应用结果表明，此系统可覆盖外围光缆随机性、计划性光缆质量检测和重要光缆常态化的实时在线光缆质量监测，可远程感知光缆的运行质量，不仅实现了图形化的光缆质量呈现、分析手段，且提供了基于GIS的光缆缺陷属地化地图定位分析支持，有效促进光缆质量问题的抢修、抢通工作，很大程度上缩短了排障时间，提高了光缆故障的处置效率，提升了光缆承载上层应用的可靠性。