（光学专业论文）基于web+gis的光缆监测系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着光通信的大力发展，铺设光缆总长度的迅速增加，光缆的维护与管理问 题也日渐突出。传统光缆线路维护管理模式查找故障困难，排障时间长，影响通 信网的正常工作，造成的经济损失巨大。因此，实施对光缆线路的实时监测与管 理，及时发现和预报光缆隐患，缩短光缆的故障时间显得至关重要。 本课题是由中国电力科学研究院通信所在对光缆进行监测时提出立项的。本 课题采用国内外的光缆监测的先进技术，设计一个基于w e bg i s 的光缆监测系统。 系统结构采用浏览器服务器( b s ) 模式开发，采用三级结构：将光缆监测系统划 分为监测站、区域监测中心、总监测中心三个级别。通过监控专用的多路光功率 计、o t d r 设备、光开关结合，实现对光缆的监测。本系统支持备纤监测和在线 监测。软件上利用6 i s 的地图数据库s u p e r m a p i s 和a s p ，煳l 进行系统的开发。 该系统利用告警、测试、数据库、和网络地理信息系统等技术，将光纤测试、 告警与维护体制全面结合起来，对光缆的实时自动监视能在出现传输故障前及时 预警，定位故障( 在光缆的哪个位置) ，大大压缩了查找故障的时间。 系统的实现功能包括：基站信息的采集，实现专题地图的制作与打印，基站 告警状态的实时显示，基站数据分析，对问题基站的统计与分析。总之，系统既 解决了当前光缆监测系统存在的不足又方便了用户，必将对光缆监测系统的发展 起到积极的作用。 关键词：光缆监测，g i s ，a s p ，x m l ，s u p e r m a p a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f o p t i cc o m m u n i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h el e n g t h o ff i b e rc a b l ei n c r e a s e sq u i c k l ys ot h ep r o b l e m so fm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n to f t h ef i b e rc a b l ei n c r e a s e t o o t h ec o n v e n t i o n a lm o d a lo fm a i n t a i n i n gf i b e rc a b 】e c a n n o th e l pe n g i n e e r se a s i l yf i n dt h et r o u b l eo ft h ef i b e rc a b l e ，a n dn o te a s i l ys o l v e t h ep r o b l e m ，w h i c ha f f e c t st h en o r m a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ee c o n o m yi sd a m a g e d g r e a t l y s o ，t h ef i b e rc a b l es h o u l db em o n i t o r e da n di n s p e c t e di n s t a n t l y i ti si m p o r t a n t t op r e d i c to rf i n dt h eh i d d e nt r o u b l e ，s h o r t e nt h et i m eo fa b n o r m a ls t a t eo f f i b e rc a b l e t h i sp r o j e c ti sf o u n d e db yc h i n e s ee l e c t r i cr e s e a r c hi n s t i t u t et om o n i t o rt h ef i b e r c a b l ei n s t a n t l yt h i sp r o j e c ta d o p t st h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo f m o n i t o r i n gf i b e rc a b l e i nt h ew o r l d ，a n dd e s i g n saf i b e rc a b l em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw e bg i s t h i ss y s t e ma d o p t st h em o d eo fb r o w s e r s e r v e r , a n dt h et h r e el a y e r sm o d e 、i nw h i c h t h ew h o l es y s t e m i s d e s i g n e d a s f o l l o w i n g ：m o n i t o r i n gs t a t i o n ( m s ) ，l o c a l m o n i t o r i n gc e n t e r ( l m c ) a n dg e n e r a lm o n i t o r i n gc e n t e r ( g m c ) i tu s e s t h e e q u i p m e n t s ，s u c h a s m u l t i p l eo p t i c a lp o w e rm e t e r s ，o p t i c a l t i m ed o m a i n r _ e f l e c t o m e t e r ( o t d r ) ，o p t i c a ls w i t c ht o m o n i t o rt h ef i b e rc a b l ea n di t s u p p o r t s s p a r ef i b e rm o n i t o r i n gs y s t e ma n do n l i n e f i b e r m o n i t o r i n gs y s t e m i ta d o p t st h e g e o g r a p h i c d a t a b a s eo fg i ss u p e r m a p l s a s pa n dx m lt od e s i g nt h es y s t e m t h es y s t e me m p l o y ss o m ef i r s t c l a s sg i st e c h n o l o g y , i n c l u d i n gg i v i n ga l a r m ，t e s t i n g ， c o n t r o l l i n g d a t a b a s ea n d o p e r a t i o n ，a n d c o m b i n e st h e m o n i t o r i n g ，a l a r m a n d m a i n t e n a n c ec o m p r e h e n 8 i v e l y b ym o n i t o r i n gt h ef i b e rc a b l ei n s t a n t l y , t h es y s t e mc a n p r e d i c tt h ep r o b l e mo f f i b e r c a b l ei nt i m e ，c a no r i e n t a t et h ep o s i t i o no f t h ep r o b l e m ( i n f i b e rc a b l e ) ，a n dc a l ls h o r t e nt h et i m eo fs o l v i n gt h et r o u b l e t h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ef o l l o w i n gf u n c t i o n ：c o l l e c t i n gi n f o r m a t i o nf r o mb a s e s t a t i o n ，d i s p l a y i n ga n dp r i n t i n gt h es p e c i a lm a p s ，a n a l y z i n g t h ei n f o r m a t i o nf r o mb a s e s t a t i o ni naw o r d ，t h i ss y s t e ma v o i d st h ed e f e c to fo l ds y s t e m ，a sw e l la si sp r o p i t i o u s t ot h eu s e r si ta c t i v e l ya c c e l e r a t e st h ed e v e l o p m e n to f f i b e rc a b l em o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：f i b e r c a b l em o n i t o r i n g ，a s p , x m l ，s u p e r m a p 独创一陛声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇稚眺蕴。纽6 ，圹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 由于光纤通信具有容量大、传送信息质量高、传输距离远、性能稳定、防电 磁干扰、抗腐蚀能力强等优点，在近十年里，随着人们对宽带业务需求的不断提 高，光纤通信得到了大力发展。 目前中国铺设光缆总长度已超过1 5 0 万公里，其中：我国在“八五”期间己建 成了2 6 条国家一级干线( 共3 7 万公里) ，“九五”期间又完成了“八纵八横”骨干 光缆网的建设，全国长途一、二级通信光缆干线己达3 0 多万公里；光纤本地网 也得到了迅速的发展，本地网的光缆中继线，农话线遍布全国1 0 0 0 多个市县， 总长度达1 0 0 万公里；再加上有线电视网、各专用网所用的光缆，估计全国光缆 的总长度达1 6 8 万公里，光纤总长度达2 2 4 0 万公里，已形成了一个遍布全国的 复杂的通信线路网络。 早期敷设光缆的老化，光缆线路的故障次数在不断增加。实际统计数据表明， 光缆通信的线路故障要比设备故障远为突出，约为不可用时间的9 5 ，因此， 如果只采用设备自带的监测系统，难以保证高速、宽带、大容量光缆传输线路的 畅通而传统的光缆线路维护管理模式，故障查找困难，排障时间长，影响通信 网的正常工作，每年因通信光缆故障而造成的经济损失巨大。因此，实施对光缆 线路的实时监测与管理，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，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。 1 2 光缆监测发展的历程、现状 光缆监测技术发展经历了三个历史阶段： 第一阶段在2 0 世纪8 0 年代，当时光纤刚刚大规模应用，由于都是新上的光 纤网络，出现问题的机率不是很多，大部分光缆故障和隐患是人为故障和破坏。 因此，当时光缆监测系统刚刚提出理论，方式还比较原始，只能依靠光端机的事 后无光告警，采用手提光时域反射仪( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ， 简称o t d r ) 或采用o t ) r 巡检的技术来进行光缆监测。其主要缺点是0 1 d r 的磨损 北京工业大学理学硕士学位论文 太快。 第二阶段在2 0 世纪8 0 年代末到2 0 世纪9 0 年代末，随着光纤技术的飞速发 展和大规模应用，这几年光缆用量以3 0 的速度递增，与此同时，原来较早的 部分光纤由于劣化以及人为故障等原因，光缆故障开始变得比较突出。这时，光 纤监测技术开始成熟，采用光功率计( o p t i c a lp o w e rm e t e r ，简称o p m ) 实时 监控+ o t d r 测试方式，实现了实时监控。但缺乏在线、跨段测试能力。 第三阶段在2 0 世纪末到2 1 世纪初期，随着全光网络设备与技术的发展，尤 其是现在世界范围内的光纤通信和光电子产业进入了一个新的时期，基于先进光 器件和光信号处理技术的全光通信网络技术与设备，彻底改变了整个有线通信网 络的面貌。这时，采用波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称w d m ) 和密集波分复用( g e n s i o aw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称d w d m ) 等 技术与o t d r 技术相结合对光纤进行监控，它克服了前二代的缺点。在经历了这 三个阶段后，光缆监测技术逐渐成熟。 目前国内外的光缆监测几乎都是采用网络技术、数据库技术、地理信息技术 来实现对光纤网络的集中监控及资源管理。 在体系结构上，一般采用三级结构，将光缆监测系统划分为监测站、区域监 测中心、总监测中心三个级别。 在光缆监测管理中，通过监控专用的多路光功率计、o t d r 设备、光开关结 合，实现对光缆的监测。 监测方式有各纤监测和在线监测两种：一是利用光缆中的备用光纤对光缆进 行监测，其原理是通过自备的激光光源及分光器将激光分别送入不同光缆的监控 备用光纤中，在光缆的另外一端使用专用光功率计实时检测光纤中光功率的变化 情况，当光缆发生劣化或断裂时光功率会随之变化，由此实现对光缆的监控。二 是使用光缆中的业务纤进行在线监测的方式。系统采用先进的光时域反射仪 ( ( ) t d r ) 将测试光通过波分复用器( w d m ) 和光开关耦合到业务纤中对光纤进行 测试。 国内外光缆自动监测系统主要技术特点是：快速故障定位：告警工作流程 第1 章绪论 管理；具有多种测试种类：点名测试、定期测试等。光缆自动监测系统经过长时 间的开发、应用和不断的完善，已经成为我国干线光缆维护工作中重要的故障定 位手段，在全国的干线网的维护中发挥着巨大的作用，但由于技术及其他原因， 系统本身还存在一定的局限性，主要就是光缆的监测没有和网络相结合，监测系 统虽然能提供自动告警，但只能被本地的监测站接收，而监测中心无法实时获知， 造成检修的延误。另外监测系统没法实时提供详细的监测站报告，都需要人工的 处理。所以，光缆监测系统尚待完善。 1 3 课题的提出 本课题是由中国电力科学研究院通信所在对光缆进行监测时提出立项的。目 前的光缆监测，仍采用人工方法，需要手提o t d r 仪器去检测，不符合光缆检测 系统自动化的要求。 随着网络技术的发展，各种数据信息的网络化成为地理信息科学、技术研究 的热点和挑战。而其中，网络化的光缆监测管理是光缆监测系统的发展趋势。为 此我们提出了一套基于w e bg i s 的光缆监测解决方案。 1 4 课题研究的目的和意义 课题研究的目的是要设计一个基于w e bg i s 的光缆监测系统，该系统主要采 用先进的告警、测试、数据库、业务流程控制和网络地理信息系统等技术，将光 纤测试、告警与维护体制全面结合起来，通过对光缆的实时自动监视能在出现传 输故障前及时预警，出现故障时及时分析故障的原因，并能精确定位故障( 在光 缆的哪个位置) ，立即通知维护人员，从而压缩障碍历时，把用户的损失降到最 低。这既解决了当前光缆监测系统存在的不足又方便了用户，必将对光缆监测系 统的发展起到积极的作用。 1 5 主要的工作 本文作者主要完成了w e b g i s 系统中，地图数据库，网络地图的信息处理等 开发工作，并参与了系统的整体功能设计，参加了部分系统的组装与调试。现在 整套系统已经可以初步运行，进一步的安装调试后，将用于生产实践中，此套光 缆监测系统对光通信网络的良好运行将提供充分的保证。 第2 章光缆监测技术 2 1 光纤简介 2 ，1 1 光纤结构 第2 章光缆监测技术 光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯( 芯径一般为单模的8 - l o p m ， 多模的5 0 或6 2 5 p m ) ，中间为低折射率硅玻璃包层( 直径一般为i 2 s n a ) ，最外是 加强用的树脂涂层。 2 1 2 光纤种类 按光在光纤中的传输模式可分为：单摸光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻 璃芯比较细( 芯径一般为9 或1 0 p m ) ，只能传一种模式的光，适用于远程通讯。 多模光纤：中心玻璃芯教粗( s o 或6 2 5 p m ) ，可传多种模式的光。但其模间色散 较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重，多模光 纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 按最佳传输频率窗口分：g 6 5 2 单模光纤( 非色散位移光纤) 、g 6 5 3 单模光 纤( 色散位移单模光纤) 、g 6 5 5 单模光纤( 非零色散位移单模光纤) 和l e a f 光 纤( 非零色散位移光纤) 。 按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤。 2 1 3 光纤规格 单模：8 1 2 5 1 a m ；9 1 2 5 b m ；1 0 1 2 5 b m ； 多模：5 0 1 2 5 1 a m ：欧洲标准；6 2 5 1 2 5 “m ：美国标准； 2 1 4 光纤衰减 通常，造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和 对接等。其中： 本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。 北京工业大学理学硕士学位论文 弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。 挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。 不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。 对接：光纤对接时产生的损耗。 2 2 光缆监测技术原理 2 2 1 监测技术分类 2 2 1 ，1 光端机架告警 传统光缆监测系统中的告警监测般采用光端机架告警方式，而光端机架告 警信号受光端机中很多系统的控制，这些系统任一损坏都会引起光端机架告警灯 亮，从而启动光缆监测系统报警。 但光端机告警功能有限，无法准确报告系统的损坏点，造成光缆监测系统瀑 告警情况比较多的现象，严重影响了监测效果，并且多次的误报警降低了监测系 统测试模块的使用寿命。 另外，一个故障点会引起多个局的光端机告警，造成检修困难。一般城市的 本地光缆网，是由几十个局间，上百段光缆的所有光纤问串接组合而成的上千个 光纤机盘的传输系统组成，也可以洗传输光端机的光缆光纤串接槽路，是由多段 光纤光缆串接组合而成，所以某一段光缆中的数十芯光纤会通过这种方式终接到 许多局的传输光端机盘上。当某一段光缆阻断后，一般不仅仅引起所连接的二个 局的传输光端机盘告警，而且会出现若干局的多个传输光端机盘同时告警的现 象，这就大大增加了维护人员从告警信息中迅速判断真正故障光缆段的难度。 2212 光功率监测模块告警 光功率监测模块( o p t i c a lp o w e r m e t e r ，简称o p m ) 在光缆自动监测系统中 是一个独立的模块，该模块能够实时在线监测出全网每时每刻数百套传输光端机 盘的收光功率的变化，对超过门限值的告警信息自动向光缆监测设备报告，引导 6 第2 章光缆监测技术 光缆自动监测系统对突发性的光缆故障进行故障精确位置点测试，以达到及时发 现光缆阻段地点、通知抢修、大幅度降低光缆障碍时间、减少损失的目的，并解 决了目前光缆监测系统中由于采用光端机架告警方式而产生过多的误告警现象， 能显著提高监测的准确率，延长系统的使用寿命。为此，我们在本系统中采用光 功率监测模块进行监测告警。 2 2 2o t d r 测试技术 2 221o t d r 测试原理 由于光纤材料密度不均匀、光纤本身的缺陷和掺杂成分的不均匀性，所以， 当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的各点均会引起瑞利散射。当然，如果 光纤有几何缺陷或断裂面，也会产生菲涅尔反射。 瑞利散射的强弱与通过该处的光功率成正比。由于散射是向四面八方的，因 此这些散射光和反射光总有一部分( 哪怕是极小的一部分) 能够进入光纤的孔径 角而反向传输到输入端。由于各点的散射光和反射强弱与传输到该点的光功率有 关，而后者又与光纤的损耗有直接关系，因此返回到输入端的反射和散射光的强 ，弱也就反映了各点的衰耗大小。同时，如果传输通道完全中断，则从中断点以后 的背向散射的光功率也降到零。因此，根据传输回来的散射光的情况可以判断出 光纤的断点位置以及这段光纤的长度。进彳亍这种背向散射光功率测试的设备，我 们称之为光时域反射仪( o 砸c a ld o m a i nr e f l e c t o m e t e r ) ，简称o t d r 。 o t d r 测试是利用返回的有用信息，绘制光纤内不同位置上的反射和散射光 功率曲线，从而获知光纤的长度，断点位置，中间的连接器位置等等信息。 从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以 计算出距离。以下的公式( 2 一1 ) 就说明了o t d r 是如何测量距离的。 d = ( c t ) 2 ( i o r ) ( 2 - - 1 ) 在这个公式里，c 是光在真空中的速度，而t 是信号发射后到接收到信号( 双 。程) 的总时间( 两值相乘除以2 后就是单程的距离) 。因为光在玻璃中要比在真 空中的速度慢，所以为了精确地测量距离，被测的光纤必须要指明折射率( i o r ) 。 北京工业大学理学硕士学位论文 i o r 是由光纤生产商来标明。 2 2 2 1 背向散射曲线分析 o t d r 使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。 ( 1 ) 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。o t d r 就 测量回到o t d r 端口的一部分散射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导 致的衰减( 损耗星巨离) 程度。 给定了光纤参数后，瑞利散射的功率就可以标明出来，如果波长已知，它就 与信号的脉冲宽度成比例：脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。瑞利散射的功 率还与发射信号的波长有关，波长较短则功率较强。也就是说用1 3 1 0 n m 信号产 生的轨避会比1 5 5 0 n m 信号所产生的轨迹的瑞利背向散射要高。 在高波长区( 超过1 5 0 0 t a m ) ，瑞利散射会持续减小，但另外一个叫红外线 衰减( 或吸收) 的现象会出现增加并导致了全部衰减值的增大。因此，1 5 5 0 r m l 是最低的衰减波长；这也说明了为什么它是作为长距离通信的波长。很自然，这 些现象也会影响到o t d r 。作为1 5 5 0 n m 波长的o t d r ，它也具有低的衰减性能 因此可以进行长距离的测试。而作为高衰减的1 3 1 0 n m 或1 6 2 5 n m 波长，o t d r 的测试距离就必然受到限制，因为测试设备需要在o t d r 轨迹中测出个尖锋， 而且这个尖锋的尾端会快速地落入到噪音中。 ( 2 ) 而菲涅尔反射则是由整条光纤中的个别点引起的离散反射，这些点是 由造成反向系数改变的因素组成的，例如玻璃与空气的问隙。在这些点上，会有 很强的背向散射光被反射回来。因此，o t d r 就是利用菲涅尔反射的信息来定位 连接点，光纤终端或断点。 下面是一个o t d r 测试曲线的图例( 图2 一1 ) ： 第2 章光缆监测技术 一j 带畦援蕊i 私 ij + 夔蟪文t 瓤 叫 r 鼢 慵粥2k ：峰t h 针 = k 对 、 撇鞘龆艇鲥 f 譬f ，磊 叫 t h ，l 乳- ， 甜 匕 一一， 。一也 u ，。l j 阿端箍韩孵g瓤蛀段 r 聊1 l 。阴 e 桀-每，r 托 哦翻 图2 - 1 背向散射曲线图例 它所形成的轨迹是一条向下的曲线，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。 被测试光纤的背向散射曲线不仅反映了在光纤中传输的光波因为折射而造 成的正常衰减，而且还把光纤中的物理接头、溶接头、裂缝、光纤弯曲等在背向 散射曲线中有曲线特性的突变所造成的事件反映出来，如上图2 1 中所示。 - 而本系统就利用了o t d r 卡，在监测基站实时监测反射和散射光功率的变 f 化，和己知的正常曲线比较，当差异超过一定的门限后，就启动报警装置，从而 迅速得知光缆的故障情况和故障点的位置。为迅速检修故障提供了硬件保证。 2 3 小结 本章首先简介了光纤的结构随后介绍了光缆监测的原理，主要是监测系统 的分类和o t d r 的测试原理。 9 第3 章光网络的在线监测解决方案 ! _ _ i i i i i i i i i 目i e ! 自目 第3 章光网络的在线监测解决方案 3 1 传统监测方式存在的不足 传统的光缆维护方式存在很多不足，首先对故障的反应速度由人而定，如果 值班人员和维护人员没有及时配合和行动，将大大耽误抢修的进程：其次，故障 的告警由传输系统光设备来提供，其故障是出现在整个光传输系统中的，光 设备可能故障，各种连接设备也存在接触不良故障，更主要的是分布于户外的光 缆被损坏。因此光设备告警无法正确预知传输系统的质量改变，也就不能起到合 理的预警作用。 光通信系统要求保证通信的稳定行和可靠性，因此要求对于光纤通信系统必 须做到快速准确地发现故障、及时通知线路维护人员、高质量地对故障点进行维 修。针对上述的通信要求的实际情况，提出了一套光纤通信网管理与维护的在线 监测解决方案。 3 2 光缆实时监测系统的优点 光纤在线监测系统利用先进的光检测技术，结合当前的信息处理与通信技术 手段，可以对通信光缆进行全方位不问断的实时监测。该系统主要具有以下的特 点： 1 系统采用开放式的组网方式，系统结构简单，扩展灵活，可以根据用户的耍求 和工程项目的规划进度灵活地组网，系统的后续工程无需新的中心站设备和软件 系统加入，只需要在基站增加相应的硬件设备即可； 2 在资源管理功髓上，系统提供包括光设备、o d f 架( 光配线架) 端口、光纤、接 头盒内的熔接点等设备和资源的全面管理； 3 在性能管理上，系统提供包括光纤性能分析、劣化和故障预警、故障的监测和 定位、线路资源的管理； 4 管理信息可以通过d c n ( 数据通信网络) 、d d n ( 数字数据网) 实现共享； 5 测试方式灵活，具有定时测试、点名测试和光信号自动告警测试等测试功能； 北京工业大学理学硕士学位论文 6 监测的内容广泛，涉及光纤衰减常数、熔接点损耗、连接点衰耗、全程传输损 耗以及光设备的告警； 7 监控方式采用标准的监测站或相关的监测工作站实现： 8 提供实时的声音、光、语言告警手段： 3 3 系统总体组成结构及工作流程 3 3 1 总体组成结构 系统的基本结构是由监测中心、监测站和通信网络三个部分组成的，一个 监测中心可以控制管理多个监测站，以实现分散量测、集中管理的思想，它们通 过局域网或广域网进行联结通信。两部分又相对独立，在通信中断时，监测站可 根据配置的数据独立完成测试任务。监测系统的总体组成与相互关系如图3 一l 所 7 r 。 监测中心 t c p i p 7 j、 。 f1 ) ck od 、 ps1n 等 1 1 、厂 、一 pip t c p i p t c p i p 监测站1监测站2监测站n 图3 一l 光缆监测系统的组成示意图 监测系统各个部分分别完成不同的功能，各个部分的功能如下 监测中心：监测中心对本管区的监测站进行管理，各个终端的命令通过服务 第3 章光网络的在线监测解决方案 控制中心下发到相应的监测站，不同级别的监测站之间、相同级别的监测中心之 间可以根据需要将命令和结果转发到其他监测中心，增强系统的可靠性； 监测站：监测站对光纤网络中的被监测光纤进行监测，对光纤网络的运行情 况进行监视与控制，并将告警及时向中心上报； 通信网络：连接各个监测站和监测中心，提供数据的传输通道。 网络图如下图3 2 图3 2 光纤在线监测系统的网络拓扑结构图 3 3 2 系统工作流程 监测站( m s ) 的光功率监测模块的采集单元( m u ) 对被测光纤的光功率进 行监测采集，并将采集的数据传报到光功率控制单元( a c u ) ，光功率控制单元 对监测的光功率数据进行分析比较，将超过告警门限的光功率数据及时传报给监 测站( m s ) ，监测站对各光功率控制单元传报的数据进行分析、统计，对发生超 。门限值的光功率变化进行告警，统计、判断出发生故障的光缆段，自动快速地启 动监测站的光时域反射测试仪( o d t r ) 和程控光开关( o s w ) 对故障光缆段进行 北京工业大学理学硬士学位论文 测试，确定故障点的位置，测试后所得的曲线数据上传监测中心( m c ) ，监测中心 将故障的类型和告警级别存入数据库，并在w e b g i s 上显示，同时进行告警通知、 填写维护日志。 系统的工作流程如图3 - 3 所示： 收光 监测站 光功率告警模块卜一1筷篡芬菥 u 一1 收光功率告警 o t d r 模块卜叫测试与分析卜叫故障定位 监删中心卜 故障记录 3 4 监测中心 告警通知卜_ 维护日志 图3 - 3 系统工作流程示意图 监测中心实现光纤通信网络的集中监测与管理，具有完善的文档管理信息。 监测中心的设计采用c l l e n t s e r v e r 体系结构，用户图形工作站( g u i ) 的设计充 分考虑维护人员操作的便利性，用户可以在其上完成所有的网络管理操作工作。 监测中心中的数据库服务器可采取双机热备份，也可以对整个监测中心进行 主各处理。主备中心对所有配置和管理信息随时保持同步联系，以维持资料之一 致。芷常情况下监测站m s 只与主系统进行通信，在主中心上进行资料收集与分 析，加以处理并储存；主系统障碍时，m s 所有信息送到备份中心进行分析处理。 监测中心除了可以进行主备处理，也可以根据管理区域和权限不同进行分级 处理：本地监测中心( 1 。m c ) 和总监测中心( g m c ) 。本地监测中心只对本区域监 测站进行管理，总监测中心对所有区域的监测中心和监测站进行管理，同时也起 了备份本地监测中心l m c 的功能。 各监测中心采用统标准的数据结构和网络设计原则，可通过t c p i p 互联。 第3 章光网络的在线监测解决方案 采用i n t e r n e t 的w w w 技术，可以使各种网络计算机接入设备( 移动式、便携式、 台式计算机等) 即时查询和管理监测信息。通过互联网络的技术，各级m c 在连 接上是透明的，使设计、管理和操作上灵活，系统开放性好，扩展性强。 3 4 1 监测中心组成结构 监测中心( m o n i t o r i n gc e n t e r ，简称m c ) 是由监测中心应用服务器、w e h g i s 服务器、系统资源维护工作站、接口模块和语音卡等几部分构成。组成结构见图 3 - 4 。 益涮中心 m # ”“ 。 t j ? j 零单， 孵。：，一* h * 栅戮鳓谶瀚窭黼s 篑鞘黝撇瓤翰 南 宰； 占占矗占占卤 图3 - 4 监测中心组成示意图 3 4 2 监测中心各部分功能 1m c 对光功率的变化采用多级设置，以实现不同的告警响应等级。 2m c 对o t d r 实施定期测试和点名测试、障碍告警测试等，以记录相关的光缆运 。 行状态数据作为历史资料保存。 3m c 对监测网络进行集中配置，由大型网络数据库进行数据管理，当监测站结 构和传输系统的路由发生变化，监测中心m c 可自动配置监测站m s ，使监测系统 北京工业大学理学硕士学位论文 的维护管理十分灵活。 4 m c 提供监测管理日志、数据记录、打印和各种监测上报功能。 5 监测中心m c 利用w i n d o w s 、s e r v e r 等超强的网络服务器实现安全的网络管理 和系统纠错，使监测网络能够长期运行无故障。 3 5 监测站 光缆在线监测系统把不同监测模块组合组成功能不同的监测站( m s ： m o n it o t i n gs t a t i o n ) ，通过w d m 传入传输线路，但不影响在用的光传输系统的 传输性能。多个监测站组成一个监测网。m s 也称r t u ( r e m o t et e s tu n i t ) 。 监测站主要由光功率告警监测模块( o p m ) 和o t d r 测试模块组成。为了实现 o p m 告警和o d t r 测试这两个功能，需要一些模块的配合如：分光器、光开关模 块( o s w ) 、波分复用器( w d m ) 等。系统通过告警监测单元实时从光端机上提取 告警信号，触发系统进行进一步的告警处理工作。 在监测站，主要可以完成以下功能： 1 按规定的周期，对光缆线路的被监测光纤进行测试，及时发现光缆线路中出 现的重大故障，确定重要故障的性质和位置，通知相关维护人员。 2 自动收集光缆线路的各种告警信息 当光缆线路发生故障时，o p m 告警模块采集光缆线路收无光告警信号，主控 模块通过读取o p m 端口的光功率，自动分析、过滤光功率告警级别，并向监测中 心报告；当故障修复后，告警自动启动监测站对光缆线路的测量，并将修复结果 自动向监测中心报告。 3 定期或按照要求提供所管范围内光缆线路的各种数据报告 光缆自动监测站可以根据用户要求对每一条光缆线路按照小时、同、周的时 l 剐间隔进行测试，并将测试结果上报监测中心。监测中心对这些特征数据进行统 计分析可以得出每一条光缆线路的全程损耗及其每一个接头的接头损耗、每条 光缆线路的平均衰减随时问变化的统计报告，并根据变化曲线预测光缆线路的故 第3 章光网络的在线监测解决方案 ! = ! ! ! ! ! ! ! e 自0 自e s s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! 自! ! 自l ! ! e ! ! j ! | e ! ! s j ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 障等。 4 测试单元按远程下装的控制功能指令自动进行定期测试，以及按人工指令实 时地进行点名测试。 3 5 1 监测站组成结构 监测站的组成示意图3 5 如下所示： 图3 - 5 光缆监测系统监测站组成结构示意图 监测站设备连接图 从上面的示意图，我们可以清楚地看到，光纤在线监测系统监测站由以下的 几个功能模块组成：主控模块、通信模块、o t d r 模块、光功率监测模块分光器 模块、光开关波分复用器模块。 监测站设备包括监控主机，程控光开关，光功率监测模块，多串口设备等。 这些设备都放置在1 9 ”标准机柜中。 北京工业大学理学硕士学位论文 3 5 2 监测站各部分功能 3 52 1 主控模块 监测站的主控单元，控制监测站各个模块完成对光缆线路的性能采集、故障 监测及与监测中心m c 的通信。 3 522 通信模块 包括调制解调器、路由器等，提供监测站与监测中心、监测站与远端设备之 间的通信通道。 352 3o t d r 模块 o t d r 模块是监测站的核心测量模块，通过发射窄的激光脉冲并检测光纤的 后向散射信号，采集被监测光纤的性能数据，并以轨迹的形式来显示，这个轨迹 描绘了在整段光纤内信号的强弱，也就反映了光纤的状态，从而发现故障并确定 故障的性质和位置。 在本系统中我们采用插卡式的o t d r 测试仪。插卡式光时域反射仪( o t d t o 由计算机控制，它连接到个程控多路光开关箱上，通过多路光开关箱接入和测 试网络中的光纤。o t d r 发出的测试光波与光端机发出的通信光波波长不同，两 种光波通过波分复用器( w d m ) 复用成混合光波在光纤上传输。为不影响光端机 的正常通信，必须确保o t d r 发出的测试光波在进入此端对端光端机接收端前被 过滤掉或者被转接到其他光纤上去。 3524 光功率监测模块以及分光器模块 启动o t d r 和光开关都是有机械磨损和热损的，任何o m r 和光开关箱寿命都 是有限的，现有光缆监测系统中均采用了每2 4 小时启动一次监测系统对所有光 路进行周期测试的工作模式，大大的加速了o t d r 和光开关的磨损。 延长( ) t d r 和光开关寿命的最好解决办法是尽量减少o t d r 测试次数，即最好 要求能不靠启动o t d r 测试而预知可能发生故障的光缆，然后才有针对性地启动 ( j t d r 对可能发生故障的光缆进行测试。对在用光纤进行光功率监测可以实现这 个要求，因为光纤的任何物理损坏都会引起光功率值变化，通过实时监测在用光 第3 章光网络的在线监溯解决方案 纤的光功率值变化情况可以有效预测出可能发生故障的光缆。 要对在用光纤进行光功率采集而又不影响其通信活动，可以使用分光器模块 及光功率计在光端机收光瑞光纤上采集光功率，分光比在3 9 7 5 9 5 的分光 器的介入褒耗一般在5 一 2 d b ，已完全满足光功率监测系统监测功率范围( 2 6 5 d b ) 的要求。 光功率监测模块采集3 的接收光，监测被监测光纤中光功率的变化，以此 来分析光信号及传输设备告警，并把测试结果通过r s 2 3 2 接口传送给主控模块。 光功率告警采集单元对光缆上的光功率进行实时的监测，及时发现传输过程中传 输设备的故障和光缆上出现的断纤，衰耗增大等故障。 光功率监测模块可以对4 路、8 路、1 6 路进行任意组合，超过1 6 路需增加 模块，对于监测站m s 主控程序无需更改，只要从监测中心m c 下发增加光功率告 警监测模块o p m 模块的配置命令，监测站m s 增加一个r 5 2 3 2 接口连接至新增光 功率告警监测模块0 p m 就完成0 p m 的扩容。 35 25 光开关模块 光开关控制模块：每个单元可选择8p o r t 1 6p o r t 3 2p o r t 的光开关，当 f 光开关端v i 数超过3 2 时，需要增加光开关控制模块，在监测站m s 中增加与新增 光开关控制模块的r s - 2 3 2 串口接口，在监测中心m c 中下发增加光开关模块的配 置，则监测站m s 开始检测新增模块。 3 526 波分复用器模块 波分复用器主要用于为光缆线路的在线监测，提供多条光纤测试路由的接入 满足各种情况下系统的组网要求。 3 5 3 监测站测试原理 在监测站，监测系统可以远程、实时、在线地对光缆线路中被监测光纤运行 状况进行监测，在故障前预防光缆线路的障碍隐患，故障后分析故障原因定位故 障位置。 监测站测试原理如图3 - 6 所示： 1 9 北京工业大学理学硕士学位论文 詈皇毫曼! 鲁墨詈曼詈皇皇舞墨邕鲁寰鼍皇皇墨鼍_ 墨毫冀皇；皇；! 詈皇 曼自! ! ! ! ! ! 曼 图3 - 6 监测站测试原理示意图 具体测试原理为：在光端机收光端光纤上使用分光器及光功率计采集光功 率t 为减少光功率损耗，我们一般采用分光比3 9 7 的分光器，再利用光功率监 测模块，以3 ( 】秒为周期对全网光端机盘的接收端在线光纤的光功率值进行采集。 主控模块将光功率监测模块采集到的光功率值与每个光功率监测点的历史参考 值进行比较，超过门限则光功率监测系统自动告警，并自动启动o t d r 对可能发 生故障的光缆进行测试。 监测站为每一条光缆线路保存其背向散射曲线以及测量这条背向散射曲线 的参数，这条背向散射曲线称为光缆线路的参考曲线。通过实际测试曲线与对应 此测试参数的参考曲线比较，可以分析光纤当前的性能品质。如图3 - 6 所示。系 统可以保存多种测试参数的参考曲线，以满足不同性能分析的需求。 第3 章光网络的在线监测解决方案 图3 - 6 参考曲线与测试曲线的对比分析 再通过编写的o t d r 事件分析工具程序，对o t d r 的采样进行审查并创建一个 事件表。这个事件表显示了所有与测试轨迹有关的数据，如故障类型，到故障点 的距离，衰减，回损和熔接损耗，从而实现了故障的分析与定位。o t d r 事件分 析界面如图3 7 所示。 图3 7o t d r 事件分析 这样一来可以在光缆传输网上设置大量的分光器及光功率计采集光端机的 收端光纤3 的光功率，实现对多路光纤的监测。f f , j 女, n 可以对光传输网上的每套 传输系统的莱一端光端机的收端光纤设置一套分光器及光功率计，一般可以使用 一个8 路或1 6 路的光功率采集单元，同时可以采集8 套t 6 套传输系统的某一 端的收光光功率。这种多路的光功率采集模块市场有售，其数据输出接口为标准 北京工业大学理学硕士学位论文 串口r s 2 3 2 ，如果采用多串口卡的级联( 各多串口卡可以分散在各个传输机房， 与上级串口卡之间采用光m o d e m 连接) ，一台工控机可以同时采集多达1 0 2 4 个 传输系统的收光功率。 3 5 4 监测站组成模块 主控模块和通信模块是每个监测站的必备模块，通过选择配置o t d r 模块、 光功率告警监测模块o p m 、光开关模块o s w ，系统可以组成不同功能的监测站， 满足系统全方位的测试需求。根据用户不同的监测需求，配置不同的硬件模块设 备可以构建不同组态的光纤在线监测系统的监测站。总体来说，监测站可以分为 以下几种类型： 1