（机械电子工程专业论文）光缆检测系统的远程控制及分布式实现技术.pdf

摘要 随着宽带数据通信的快速发展，对光缆的性能要求和依赖性也越来越高，因 此需要有效的测试手段来检测光缆的机械性能。本文首先对光纤光缆的机械性能 试验设备和测试技术的发展作了介绍，然后介绍了一些新型光缆的特点、测试项 目以及新的测试标准。然后提出了分布式的光缆检测系统设想和实现过程。 介绍了分布式应用系统的实现技术的特点和实际的分布式光缆检测系统的 实现结构。对分布式光缆检测系统的软件实现做了比较详细的分析。检测系统的 软件结构分下位机软件和上位机软件两部分，下位机负责试验控制和数据的采集 工作，新的下位机软件能够模拟光缆敷设及使用中的各种状态，完成多种试验项 目的全自动测试：并对试验过程进行更精确的控制，保证了试验结果的准确性。 上位机主要用来做数据处理和图形显示，以及分布式的应用实现，软件分为测试 点、服务器和客户端几部分。它可以从网络上监视试验过程的进行，使得客户从 远端观察试验，随时掌握最新的结果。实现了试验结果的共享。不同地点的用户， 可以同时观察到正在进行的试验的数据变化和数据曲线，并在一定程度上控制试 验进行。文中分别就系统下位机和上位机软件开发中用到的相关技术以及的一些 关键问题做了阐述。最后，提出了一种利用n e t m e e t i n g 远程控制实验的构想。 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e b r o a db a n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo fo p t i c a l f i b e rc a b l eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i tn e e d sa s u f f i c i e n tm e t h o dt ot e s tt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fo p f i c a lf i b e ra n df i b e rc a b l e t h i s p a p e r i n t r o d u c e dt h ee v o l u t i o no ft e s t e q u i p m e n t a n dt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e t e s t st e c h n o l o g y a n di n t r o d u c e ds o m en e wd e v e l o p e df i b e rc a b l et y p e s ， a n dt h e i rn e wt e s ti t e m sa n dt h en e wi n t e r n a t i o n a lt e s ts t a n d a r d sf o rt h e m t h e n ，p u t f o r w a r da ni d e ao f d i s t r i b u t e df i b e rc a b l em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e t e s ts y s t e m a f t e ri n t r o d u c e dt h en o r m a lt e c h n o l o g yf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o ns y s t e m s ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h er e a l i z a t i o n s t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e d f i b e rc a b l em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c et e s ts y s t e m t h i ss y s t e ma d o p t st h ec l i e n t s e r v e r m o d e t h e n ，e x p l a i n s t h es o f t w a r er e a l i z a t i o no ft h ed i s t r i b u t e df i b e rc a b l e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c et e s ts y s t e m t h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t ot w om a i np a r t s ，t h e p cs o f t w a r ei sc a l l e du p p e r p a r t ，a n dt h es i n g l eb o a r dc o m p u t e rs o f t w a r ei sc a l l e d l o w e rp a r t t h el o w e rp a r tt a k e sc h a r g eo ft e s tc o n t r o la n dd a t ag a t h e r i n g i tc a n e m u l a t et h es t a t e so fl a ya n du s i n go ff i b e rc a b l e ，a c h i e v e m u l t i p l et e s t i t e m s a u t o m a t i c a l l y i tc a na l s oc o n t r o lt h et e s tm o r ep r e c i s e l y , t h u se n s u r e st h ev e r a c i t yo f t h et e s tr e s u l t t h eu p p e r p a r ti sr e s p o n s i b l eo fd a t ap r o c e s sa n df i g u r ed i s p l a ya n d d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n ，i ti sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，t e s ts i t e ，s e r v e r , a n dc l i e n t i t e n a b l e su s e r st om o n i t o rt h et e s tp r o c e s s t h r o u g hi m e r n e t ，o b t a i nt h en e w l yt e s tr e s u l t a n ds h a r ei t u s e r sf r o md i f i e r e n ts i t e sc a nm o n i t o rt h ep r o c e s so ft e s ta tar e m o t e c o m p u t e rt h r o u g hi n t e m e ta n de v e nc o n t r o li ti ns o m ed e g r e e t h e ns e t sf o r t hs o m e k e yp o i n t so f t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t a tl a s t ，a ni d e ao f r e m o t et e s tc o n t r o li sp u t f o r w a r d u s i n gn e t m e e t i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e d ，c l i e n t s e r v e r , r e m o t ec o n t r o l ，f i b e rc a b l et e s t 些塞堕皇查堂堡主兰竺丝壅 第1 章序论 光纤通信技术的诞生为信息技术发展带来了质的飞跃。光纤通信以它所具有 的传统传输介质无法比拟的巨大优势，在高容量的数据通信方面，几乎完全取代 了传统的传输介质。目前光纤干线已经形成了多个遍布全国的网络，而在接入网 方面，宽带接入在许多地方已经实现了光纤到路边、光纤到大楼、光纤到住户， 并且正朝着光纤到桌面发展。 随着d w d m 技术的发展，单根光纤中的传输容量也成倍地飞速增长，目前已 经可以达到惊人的tb i t 数量级。可以看出，通信业务对光纤传输的依赖性不断 增加，对光纤光缆本身的质量也提出了更高的要求。这就需要有相应的方法和测 试设备来，对光纤光缆的性能进行更严格的检测，从而确定光纤的长期使用性能。 1 1 光缆测试设备简介 传输数据用的光纤是放置在光缆中敷设的，光缆产品在运输、施工和长期使 用过程中要受到各种外力作用，在这些外机械力作用下，很可能会因为外力的影 响，使其传输性能发生变化，使用寿命有所缩短，甚至出现光纤断裂的现象。这 种情况对通信的影响是很大的。所以有必要对光缆的机械性能提前给予测试评 估。光缆机械性能试验机就是检验光缆机械性能的专用检测设备。通过考虑各种 可能出现的情况，相关的光缆试验标准规定光缆产品一般至少要检测拉伸、压扁、 冲击、反复弯曲、扭转、曲挠、卷绕和振动等多种典型试验。这些试验基本上概 括了光缆的受力状态。本试验设备就是专用于检验光缆上述机械性能的设备。 通过定期按国家标准或其它相关的标准对光缆做这种常规试验，可以及时判 断光缆产品质量及质量控制系统是否存在问题。 1 2 总体框架设计 从机械力的施加方式上，光缆试验机可以分为静态加力和动态加力两种。静 态加力就是在利用重物的重量来给光缆施加静态的机械力，动态加力则是利用电 机的扭矩来给光缆加力。前者的技术比较简单，所施加力的稳定性好，但试验灵 活性比较差，不利于操作，自动化程度低；后者的实现技术比较复杂，尤其是对 控制部分要求较高，但力的大小可以灵活控制，并且可以把多种试验设备集成在 北京邮电大学硕士学位论文 一起，一套设备能完成多种类型的试验，自动化程度高。我们开发研制的光缆试 验机采用的就是后一种加力技术。 本光缆试验机是套自动化的光缆机械性能试验设备，采用了微机闭环伺服 控制，光机电一体化和光纤应变检测及光缆应变检测等新技术。试验全部过程由 微机控制，微机根据操作人员输入指令，控制相应的试验机自动进行光缆的拉 伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、卷绕、曲挠和振动等多项光缆机械性能试验。 它的控制部分由一个上位机( 微机) 和若干个下位机( m c s 5 1 单片机) 构成， 不同的试验则由不同的下位机控制。它可以自动对待测光缆旅加规定大小的机械 力，并自动对力的大小进行控制和调整，使之维持在规定的范围内。同时它可以 自动完成数据的记录和处理，并实时在显示屏幕上画出试验曲线。另外，它可以 和专用的光纤传输特性测试仪表连接起来，测试光缆中的光纤在受力状态下的传 输特性的变化。在试验中，下位机完成数据的采集和硬件设备的控制与调整工作， 上位机完成数据的记录、处理和绘制曲线工作。本试验机能够完成光缆的上述机 械性能试验项目。全套试验机是按试验项目功能和技术要求组合设计而成的。 1 _ 3 测试设备的发展 光缆的机械性能试验，尤其是一些新型的光缆的试验，在国内一直没有相应 的试验设备，有的甚至连试验标准都处于空白。因为有的试验项目，没有适当的 设备，无法对试验过程做出比较精确的控制，试验的结果也就难以令人信服。 众所周知，光纤是一种玻璃纤维，延弹性很差。光纤在受到外界应力时，传 输性能会有明显的劣化，应力大时甚至会断裂。所以在光缆中，要保证光纤不受 到拉力或仅受到轻微的拉力作用。这就对试验设备的精确性提出了严格的要求。 目前的v 型光缆机械性能试验机可以做中心管式、层绞式或骨架式光缆、带 状光纤光缆等通信光缆的拉伸、压扁、弯曲、扭转、冲击、振动、曲挠及卷绕等 机械性能试验。 新的型光缆机械性能试验机不但具有v 型机功能，而且还可以做a d s s 光 缆及o p g w 光缆的拉伸、应力应变、蠕变试验和单芯光缆及其它软光缆的机械性 能试验。 最初的测试是半自动化的，数据的采集和记录都是手工完成的。在新的试验 机上，全部试验由微机来控制，数据的采集、记录、处理和画图，光纤的传输性 北京邮电大学硕士学位论文 能测试都可自动完成。已经由过去的手工测试进入了自动化的测试。 1 4本课题的目的和解决的问题 光缆试验的下一步发展方向，一方面是改进和编写下位机软件，使之能对试 验进行更精确更有效的控制，从而保证试验结果的权威性和可信度，同时要适应 新的光缆品种的发展要求，实现新的功能，完成新的实验项目的测试。另一方面 是分布式的测试和远程试验控制。就是客户可以利用网络来从远端来监视试验的 执行过程，看到现场的试验结果，在一定程度上对试验进行控制。最终形成一个 分布式的试验网络。网络技术与其它控制技术结合，是目前的技术发展方向之一。 这也正是本课题的目的和需要解决的问题。 1 5 光缆机械性能测试的试验项目设计 传统光缆标准规定了很多关于机械性能的检测项目，比如：扭转，渗水，冲 击等，每批光缆在出厂时必须严格经过测试，测试数据必须符合相关的项目规定。 而有些新型光缆，如a d s s 光缆、o p g w 光缆等特殊的光缆，它的工作环境和传统 光缆不一样，所以必须通过调查研究其工作环境特性，来确定它的测试项目。 光缆的敷设方式有直埋、穿管、和架空等几种方式。目前，由于a d s s 光缆、 o p g w 光缆可以利用现成的电力传输线路，省去了架设杆塔的麻烦，成为光缆发 展的重点方向。通过研究，和传统光缆相比，就机械性能的质量检测来看，这些 光缆至少要考虑以下几个应用环境因素： 安装架空光缆时必须预紧，这时光缆承受很大的拉力； 一盘光缆在安装时，有些地方可能反复受到预紧拉力多次； 长期工作在预紧拉力之下： 在空中可能受到风吹、雨淋、冰凌等气象条件的影响； 工作在高压电场中，彼此间隔必须保证； 其他因素还有待于继续研究，目的只有一个：最大限度的找出实际的工作中 的影响因素，并抽象分离出独立的机械作用，在实验室( 工厂) 中模拟这种机械 作用，检测光纤的传送性能，达到质量检测的目的。 1 5 1 拉伸 拉伸主要测试的是光缆的抗拉强度，架空光缆的力学分析，有下面几个环境 考虑因素： ! ! 室塑皇查堂堡主兰堡丝苎 1 气象条件与组合 架空光缆的机械强度乃至缆内光纤的传输性能必须能适应自然界的气象变 化。因此必须了解和掌握沿线的气象资料，例如，最高气温、最低气温、年平均 气温、最大风速和最大覆冰等。 当风速、覆冰、气温都取极值计算时，光缆将表现极大的受力。但实际上， 这三个条件的极值不会同时发生。因此，必须要根据气象条件的重现期和线路的 重要性及实际情况概括出合理的“气象条件组合”。 架空光缆线路通常都不是新建线路，而是利用现有的线路来架设，所以架空 光缆在选型时用的气象条件组合是取决于原线路设计条件的。 2 架空光缆的静态受力 相邻杆塔两端架空线或光缆悬挂点连线的中点与架空线的垂直距离称为中 点弛度，也称弧垂、垂度、弛度。当两端悬挂点等高时，弧垂与应力的关系为： = 筹 1 ：档距( 也称杆距、塔距、跨距) ，( m ) 60 ：架空线最低点应力，( n r a m 2 ) g ：架空线比载( n m m m 2 ) ，与自重和气象条件相关 f ：架空线弧垂( m ) 3 光缆的机械参数 1 5 2 压扁 压扁指的是当光缆处于被夹持状态下的受力特性。光缆架设在杆塔上，需要 依靠相应的夹具来固定，必然会受到一定的夹持力，反映在受力上就是一种压扁 作用。压扁时的受力也是由加强件来承受的，光缆在受到压扁力时会发生一定的 变形，外护套及传输性能因此会受到影晌。压扁试验就是模拟这种情况的。 4 北京邮电大学硕士学位论文 1 5 3 弯曲及扭转 光缆是绕在圆桶形的成品盘上的，弯曲和扭转都是很常见的受力情况，另外 在架设中或架设以后，如果有可移动的部分，弯曲和扭转也经常发生。这两种试 验就是反应了这些情况下的光缆受力性能。 1 5 4 冲击 光缆也可能受到猛烈的外力击打或撞击，这种持续时间很短、但力量很大的 冲击有可能对光缆的外护套及传输性能造成损害，而这种意外情况往往是不可预 知的。这就是冲击试验的目的。 1 5 5 曲挠及卷绕 光缆可能被卷绕在一个直径比较小的圆桶上，或者被反复地弯曲成各种形 状，这两种试验就是模拟了这些实际状态下的光缆性能。 1 5 6 应力应变 应力应变是对于在处于长期允许拉力的情况下，光缆的抗拉疲劳性。实际应 用中，光缆的安装跨度一般几百米，一盘光缆安装时会跨越很多杆塔，所以部分 光缆可能受到多次的预拉放松预拉这种过程。而应力应变试验就是模拟这种情 况下光缆的质量状况。 1 5 7 蠕变 蠕变测试的动机比较明显：光缆架在空中，常年工作在很大的拉力状态下， 如果蠕变性能不合格，可能就会使光缆逐渐松弛，造成机械或则传输性能的下降。 1 5 8 风振 当有平稳的风吹到张紧的缆绳或导体时，风振就发生了。风吹到缆上，对缆 产生交替的垂直的力。如果这个交替的频率与跨度的自然频率相应，于是风振就 开始了。 一般而言，这种振动的形式是离散的驻波或环。在中等跨度的缆绳上，由于 这种振动环引起的应变是可以忽略的，然而，在悬挂点和支撑点上，那些地方限 制了缆的自由运动，应力可能是很大的，以至在该点上疲劳而断裂。 振动频率随风速的增加和光缆的直径减小而增加其关系如下列方程所示： f = 1 8 5 v d 其中f = 频率( h z ) 1 8 5 = 经验常数 v = 风速( m s ) d = 直径( m ) 振动的程度也随张力的变化而变化。 1 5 9 舞动 从线路的舞动情况分析得知，线路上有覆冰是舞动的必要条件，当天气由雨 转雪，气温由零上转为零下时，并有强风横吹过线路时，此时冻雨态的雨点凝聚 在线路的迎风面的偏上方，形成线路单侧覆冰在5 咖以上，并形成月牙形如图示： 图1 2 受力分析图 由于线路单侧覆冰成月牙形，改变了线路呈圆形的几何形状，使线路的一侧 形成一个突出面，当强风横向吹过时，原来的空气动力特性有所改变，风在线路 的上部通过的气流速度增大而压力减小，而在下部通过的气流速度减小，而压力 增大，因此线路受到一个向上的张力如图所示。同时也受到一个水平力d 。这两 个力与线路的重力共同作用，使线路受到一个偏心载荷g ，因此线路就发生转动， 在档距中间，转动角度最大。同时产生扭转力矩m ，由于雨雪下落在线路上的角 度时有变化，这种扭转力矩也时有变化，扭转的不稳定性使线路产生了扭转振荡， 当线路的垂直振荡与扭转振荡的频率相耦合时，就会产生舞动，而且随着风速的 增加，舞动的趋势会越来越大，因此可以说舞动是在特殊气温条件下的特殊现象。 由上面的分析可知，舞动是在垂直振荡与扭转振荡相耦合时才产生，除了特 定的气象条件以外还要受到线路自身条件的限制，从光缆舞动的情况分析可知， 6 北京邮电大学硕士学位论文 与光缆的规格、品种有关，大截面的容易产生舞动，小截面可能性要小一些。与 光缆受到的应力状态也有关，应力低的状态易产生舞动，而光缆的垂直振荡的基 本频率与安装时的垂度有关，因此是一种非常复杂的关系。光缆做舞动试验，主 要评估的是光缆的疲劳性能、光学传输性能的稳定性以及光缆与金具之间的磨损 情况。检验光缆能否承受得了这种大能量的运动。 l 。6 小结 光缆试验机是光缆机械性能测试的专用设备，用来在实验室模拟光缆在架设 和使用中可能遇到的各种情况，对光缆的受力特性进行测试和预测。随着光缆制 造工艺的不断进步和通信工程对光缆性能要求的提高，光缆性能测试设备需要不 断升级，而网络技术的发展，为分布式网络测试提供了可能，并且也是一个技术 发展方向。 7 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章新型光缆及其试验标准 2 1a d s s 光缆 2 1 1a d s s 光缆简介 a d s s 是a l ld i e l e c t r i cs e l f s u p p o r t i n g 的缩写，a d s s 光缆即全介质自承 式架空光缆。由于该光缆不含金属元件，具有很好的抗雷击、抗电磁干扰性 能。特剐适合电力系统迸行专用网通信。此外，a d s s 光缆以其强度高、重量 轻、截面小、便于架设施工等特点，也被应用于需要跨越江河、峡谷等复杂 地形区域的线路架设。 a d s s 光缆主要架设在大跨距( 2 0 0 、6 0 0 m ，最远可达1 0 0 0 m 和超高压 ( 1 1 0 5 5 0 k v ) ) 的输电塔之间，它除了满足常规光缆的全部传输性能外，它 还满足下列要求： 1 光缆内不含任何金属元件； 2 具有优异的抗拉性能，可以承受数百米距离的自重和风力，冰凌的附加 载荷： 3 在超过1 5 0 k v 的高压的电磁场作用下，护套材料不应产生降解而导致加 速老化： 4 具有防枪击的性能； 5 易于敷设和固定： 为了满足上述性能的要求，a d s s 光缆的缆芯结构中心有加强件，缆芯外再包 复层或两层芳纶纱。其结构有骨架式、层绞式和中心束管式。它典型的基本结 构如图1 1 所示： ! ! 壅塑皇查堂堡主兰竺丝苎 非金属加强芯 松套管 全色谱单模光纤 纤膏 阻水油膏填充 包层带 聚乙烯内护套 芳纶加强层 聚乙烯外护套 图2 1a d s s 结构图 2 1 2 a d s s 光缆的测试标准 i e e ep 1 2 2 2 草案 国际上光纤分委员会光纤标准工作组编写的 p 1 2 2 2i e e e 用于架空线的全介 质自承式光缆( a d s s ) 标准草案，包括了用于架空线的全介质非金属自承式光 缆的结构、机械、电气、和光学性能、安装，指导方针、验收准则、测量必的要 条件、环境考虑，和涉及架空线a d s s 光缆的附属设备。 标准既提供了以确保标准的实现所需要的结构，也提供了和确保标准的实现 所需要性能；也提供了a d s s 光缆维护方便和光传输的优良特性所应达到的指标。 以下是该标准对5 个试验的描述。 2 1 2 1 拉伸试验 当光缆加上最大标称张力时，对于单模光纤的最大衰耗增加值不大于 0 1 d b k m ，对多模光纤最大衰耗增加值不大于0 2 0 d b k m 。 2 1 2 2 应力应变试验 最大标称负载( m r c l ) ，最大标称应变( m r c s ) ，和最大轴向张力由制造商规 定，随光缆的设计而变。任何一种可见的损坏或对1 5 5 0 h m 单模光纤引起永久 暂时的光损耗增加0 i d b k m 的为不合格。对1 3 0 0 h m 多模光纤引起永久暂时的 光损耗增加0 2 d b k m 的也不合格。 首先，张力测试用以求得应力应变曲线。一步一步加力，一直加到制造商 的提出的最大标称负载值。 北京邮电大学硕士学位论文 在开始拉伸测试之后，要对光纤执行周期性加载，以测量光缆动态性能。从o ( 1 0 ) 的m r c l ( 最大标称负载值) 升到1 0 0 1 0 ，及以卜3 分的速率，反复5 0 次。在头两个周期和最后两个周期时，记录处在最大和最小负载时的测量数据。 2 1 2 3 蠕变试验 光缆蠕变测试，应该在一根1 0 米长的a d s s 光缆进行。两端加张力，至少加 到最大标称负载的5 0 ，加载时间至少1 0 0 0 小时。每隔一段时间，记录延伸值， 画出“延伸一时间”曲线。 2 1 2 4 风振试验 本测试目的是评估a d s s 光缆的疲劳性能和光缆在典型风振下的光学特性。 为了得到测试结果的重复性，最小实际有效跨度应该是2 0 米左右或更长， 在两个固定点之间，可以有一个适当的吊挂装置， 它位于约2 3 该两个固定点 之间距离。 光缆在垂直平面上的震动是用电控震动器激发的。震动块牢固地扣住光缆， 所以震动是在与光缆正交的垂直平面上。震动激发器位于跨度上，在吊挂装置和 震动激发器之间至少有六个震动环。 光缆至少要经受1 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 ( 一亿) 次震动周期。测试跨度的频率应该等 于和保持在由1 6 i k m h r ( 公里小时) 的风产生的谐振频率( 即：谐振频率 。8 2 9 2 缆的直径( c m ) ) 的最附近处。自由环的峰一峰振幅的幅度应该保持在缆直 径一半的水平。 初始阶段需要不断地注意与记录测试跨度，每隔约1 5 分钟记录一次，直至 测试跨度稳定。跨度稳定之后，至少每天读两次。典型的记录时间是每天的上班 后和下班前。 任何造成光缆的机械性能的损坏的，或对1 5 5 0 n m 单模光纤，1 3 0 0 n m 多模光 纤引起永久暂时的光损耗增加值大于l d b k m 的，都不合格。 2 1 2 5 舞动试验 测试的目的是评估a d s s 光缆的疲劳性能和光缆在典型的舞动情况下的光学 特性。 光缆在垂直平面上的震动是由电控震动器激发的。震动块牢固的扣住光缆， 所以震动发生在与光缆正交的垂直平面上。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 初始光测量应该在预张力为约5 最大安装张力时进行。初始光测量的两个信 号的差别提供参考电平。在测量过程中的这个差别的变化就是光纤的衰减变化。 信号可以存入在存储器上 光缆至少要经受1 0 0 ，0 0 0 次舞动周期。测试频率应该等于单环谐振时的频率。 最小峰一峰波腹振幅和环长之比保持在1 2 5 。 任何造成光缆的机械性能的损坏的，或对1 5 5 0 r a n 单模光纤，1 3 0 0 n m 多模光 纤引起永久暂时的光损耗增加值大于l a b k i n 的，都不合格。 2 2 光纤复合架空地线( 0 p g w ) 2 2 1 光纤复合架空地线( 0 p g w ) 简介 光纤复合架空地线0 p g w ( o p t i c a lf i b e rc o m p o s i t eo v e r h e a dg r o u n dw i r e ) 是将光纤复合在输电线路的架空地线中，与输电线路架空地线同时设计安装，一 次完成架设。它兼具地线和光缆的双重功能，这种地线光缆结构简单可靠，可以 与现有地线相匹配，并且安装在铁塔上不会增加负荷，非常适合应用在输电线路 上。光纤复合架空地线开辟了电力系统应用光纤通信技术的新领域。 0 p g w 特点 1 、外径小，重量轻，无扭矩，抗拉强度高，不增加额外负荷。 2 、 弹性摸量高，适应大的应力一应变行为 3 、 能经受恶劣环境的考验。 4 、 合理的结构设计，保证光纤在正常运行条件下无应变。 5 、很小的热膨胀系数 6 、很好的耐电腐蚀性能 7 、 良好的减振能力 北京邮电大学硕士学位论文 光纤 不锈钢管 光纤用埴充物 铝包钒线 铝合金钱 图2 2 两种0 p g w 结构图 2 2 2 光纤复合架空地线( o p g w ) 的测试标准 光纤复合架空地线( o p g w 一一o p t i c a l f i b e rc o m p o s i t eo v e r h e a dg r o u n d w i r e ) 兼具地线与通信光缆双重功能，被安装在电力架空线杆塔顶部，与a d s s 光缆相比，无需考虑最佳挂距、电磁腐蚀、人为破坏等不利因素，近年来，o p g w 以其高可靠性、优越的机械、电气性能及良好的经济性和实用性在全球得到广泛 的运用。 i e c6 0 7 9 4 4 1 光缆第4 部分高压电力线架空光缆( o p g w ) ，是光纤复 合地线光缆( o p g w ) 的第1 个标准，标准中规定了对o p g w 光缆的光学、电气及 机械性能的要求和试验方法。 下面是该标准对几项试验的规定。 2 2 2 1 压扁试验 压扁试验应该依照i e c 6 0 7 9 4 1 2 防。法e 3 ) 来进行。 进行压扁试验的o p g w 试样应该被夹持在两个5 0 r a m x 5 0 r a m 的平板间，承 受1 0k n 的压力1m i n ，在1 5 5 0 r i m 处的长期衰减应不变，短期衰减应变化小于 0 1 d b 。 2 2 1 2 2 应力应变试验 应力应变试验应依照i e c 6 1 0 8 9a n n e xb 的规定来执行，受试缆长不小于1 0 m ， 试验完成后试样应没有任何一种看得见的损坏。 2 2 2 3 拉伸试验 o p g w 光缆应能承受一定的拉力而不对光纤造成任何可以检测到的影响。拉 伸试验是为了检测光缆在受到拉伸张力情况下的性能，它应该依照i e c 6 1 0 8 9 a n n e xb 的规定来执行，当光缆从零负载逐渐增加到5 0 r t s ( r a t e dt e n s i l e s t r e n g t h ) 时，光纤的衰减变化应不超过0 0 5 d b k m 。 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 2 4 冲击试验 冲击试验应依照i e c6 0 7 9 4 1 2 ( 方法e 4 ) 来进行。把一个直径2 0 n 1 i n 的钢制心 轴末端放置在o p g w 光缆上，4 k g 的重物从1 0 0 r r n 高处落到钢轴上，重复2 0 次。 在1 5 5 0 n m 处的衰减应没有任何可以检测到的永久变化，短期变化应不超过 o 1 d b 。 2 _ 2 2 5 风振试验 该试验是为了检测o p g w 光缆在典型的风振情况下的抗疲劳性能。试样长度 不短于1 0 0 m ，震动频率接近于风速为4 5 m s 的风引发的震动频率，循环周期大 于1 0 7 次，自由环的峰一峰振幅的幅度应该保持在缆直径1 3 的水平。风振试验 完成两小时以后进行光传输性能测试，光纤在1 5 5 0 n m 处的衰减增加应不超过 0 0 5 d b k m 。光缆应没有任何明显的损伤。 2 2 2 6 导体的蠕变试验 蠕变试验试验应依照i e c6 1 3 9 5 来进行，施加5 0 r t s ( r a t e dt e n s i l e s t r e n g t h ) 的张力，受力持续时间应不少于1 0 0 0 小时，并根据结果估算出1 5 年后的蠕变值。 2 3 小结 本章主要介绍了两种新型的光缆以及它们的机械性能试验标准。 首先介绍的是全介质自承式架空光缆( a d s s ) ，它的特点、结构，及其试验 标准( ( p 1 2 2 2 i e e e 用于架空线的全介质自承式光缆( a d s s ) 标准草案。然后 介绍了光纤复合地线( o p g w ) 的特点、结构，以及相关的试验标准i e c6 0 7 9 4 4 1 光缆第4 部分高压电力线架空光缆( o p g w ) 。 北京邮电大学硕士学位论文 第3 章分布式检测技术与远程控制 3 1 分布式检测的设计优点 在光缆的性能试验中，有些试验过程的持续的时间很长，比如蠕变等试验的 持续时间可以长达i 0 0 0 小时，这样长时间的试验，操作人员一直守在试验机的 旁边是不现实的，也是不可取的。显然，在网络日益发达的今天，如果能够从网 络上监视试验过程的进行，具有很大的优点，而且可以节省人力物力。分布式的 检测系统就是要提供这样一种便利，使得可以坐在办公室或家里的电脑前，观察 到试验的进行情况，随时掌握最新的结果。 分布式的检测系统还可以实现了试验结果的共享。多个分布在不同地点的用 户，可以同时观察到正在进行的试验，同时了解试验的结果。而且和亲临现场看 到的试验的过程没有什么区别，可以直观的看到试验的数据变化和数据曲线。 分布式检测系统，还可以完成远程的光缆性能检测。比如客户要对光缆的性 能进行验收，但又不能够亲自到现场来观察试验的进行，或者没有试验设备，但 又想进行光缆的性能试验，有了分布式光缆检测系统，就可以解决这一难题了。 客户可以在授权的情况下，通过运行客户端的软件，登陆到一个服务器上，然后 与试验现场取得联系，从网络上获取试验的参数和数据，在屏幕上实时画出试验 曲线，观察到试验的全部过程，就如同在现场做试验一样。获取到第一手的试验 数据。显然这样做可以节约大量的人力和时间，同时，也提高了试验数据的可信 度。 分布式检测系统允许多个客户同时监视某一个试验点的试验过程，在这种情 况下，多个用户是不可能同时操纵试验的，故客户只能做远程的监视。同时，如 果有多个试验机都在进行试验的话，客户也可以选择观察各个不同的试验点的试 验进程。 3 2 分布式检测的结构和实现技术 3 2 1 客户机服务器模型 个在建立分布式应用时最常用的范例便是客户机服务器模型。在这种方 案中客户应用程序向服务器程序请求服务。这种方式隐含了在建立客户机服务 器间通讯时的非对称性。客户机服务器模型工作时要求有一套为客户机和服务 北京邮电大学硕士学位论文 器所共识的惯例来保证服务能够被提供( 或被接受) 。这一套惯例包含了一套协 议。它必须在通讯的两头都被实现。根据不同的实际情况，协议可能是对称的或 是非对称的。在对称的协议中，每一方都有可能扮演主从角色，如t e l n e t ；在非 对称协议中，一方被认为是主机，而另一方则是从机，如f t p 。无论具体的协议 是对称的或是非对称的，当服务被提供时，必然存在“客户进程”和“服务进程”。 一个服务程序通常在一个众所周知的地址监听对服务的请求，也就是说，服 务进程一直处于休眠状态，直到一个客户对这个服务的地址提出了连接请求。在 这个时刻，服务程序被“惊醒”并且为客户提供服务一对客户的请求做出适当的 反应。这一请求相应的过程可以简单的用图3 1 表示。虽然基于连接的服务是 设计客户机服务器应用程序时的标准，但有些服务也是可以通过数据报套接口 提供的。 进程通讯 设施 图3 1 客户机) j e 务器模型 3 2 2 分布式应用系统的体系结构 大多数分布式应用系统开发环境主要支持两层和三层结构，与此相适应，分 布式应用系统的体系结构如下图3 2 所示。其中客户层是用户界面层，是应用系 统在用户眼中的形式，为用户提供操作应用系统的界面；应用服务层是应用业务 策略和规则的体现，负责应用功能的实现，由若干个实体构成，即由若干个应用 服务器构成，目前常见的是由一个实体或应用服务器构成：数据库服务层提供全 局应用公共数据的管理。 客户层 应用服务屡 数据库服务 s 1w 。军见番 _ _ 一一 i w 由s e t _ 1 is 卜l s i 图3 2 分布式应用系统体系结构图3 3 结合w e b 的分布式应用系统体系结构 客户层和应用服务层中的每一个实体，由若干函数或子程序或过程组成，即 每一个实体内部本身是一个模块化的结构，这与单机上应用软件是一样的。 目前客户层上的实现有两种方法，一种是独立执行的程序，另一种是通过w e b 浏览器运行的页面；这两种方法往往结合使用。分布式应用系统体系结构的另一 种形式如上图3 3 所示。 在分布式应用系统中，实体间通过服务请求发生关系，从而形成了分布式应 用系统的层次结构，其中客户层主要负责接收用户提交的任务和数据，并请求服 务层实体按照一定的策略和规则来完成任务和处理数据，同时输出任务结果；服 务层实体主要提供应用业务的功能和方法，即为完成用户提交的任务而提供策略 和规则：数据库服务器是用来管理应用的全局数据，其本身可以是一个复杂的分 布式系统。 3 2 3 分布式应用系统开发过程 分布式应用系统的开发方法是在传统软件开发方法基础上通过增加功能分 布设计、数据分布设计以及分布性能约束而形成的，其开发可按如下过程进行： 第一步，用户需求分析。分析用户的需求，并用一种逻辑模型工具来描述其 结果，如用数据流图来描述用户对目标系统的需求。 第二步，应用系统结构设计。在表示用户需求的逻辑模型上，首先，按功能 或作用把整个应用系统分解为满足一定要求的若干部分或实体，这种要求使得应 用系统在下步设计分布式软件结构时能符合用户需求，并为以后设计高性能的 分布式多层结构打好基础：然后，明确它们之间的关系，这种关系反映了实体的 输入数据流和输出数据流及其流量，即数据规模；接着，映射出应用系统的软件 北京邮电大学硕士学位论文 结构并对其各部分的模块化结构进行优化。 第三步，应用系统分布式软件结构设计。从上一步应用系统结构出发，按照 一定策略设计出应用系统的多层分布式结构，包括客户层结构、应用服务层结构 和数据库服务层的扩展功能结构。这里的数据库服务层扩展结构是为减少在网络 上传输的数据流量而将部分功能模块结构分布到数据库服务层而形成的，它可以 由数据库的视图和存储过程实现。 第四步，数据设计。根据应用系统的要求，首先把其管理或操作对象分为两 大部分：一是用于提高用户界面友好程度的数据和应用系统的局部数据，二是由 用户对目标系统需求转化而来的全局数据，即应用系统管理或操纵的对象；然后， 把后者设计成满足数据库服务器技术特征的数据模型，把前者设计成满足数据库 或文件要求的数据模型；最后，把应用系统分布式软件结构设计阶段形成的数据 库服务层扩展功能结构转化为存储过程和视图。 第五步，接口设计及界面设计。设计应用系统各层之间的接口，并根据用户 的功能需求，设计出用户界面结构及其关系。 第六步，详细设计，即在前几个阶段设计结果的基础之上，考虑详细的实现 方案，包括选择开发环境、确定哪些部分可以重用标准类、哪些部分需要在标准 类的基础上二次设计、哪些部分需要完全设计，并完成需要的过程设计。 第七步，实现，即在选定的开发环境中把上述的设计从技术上完整地、具体 地实现。 3 3 程序的总体结构设计 光缆试验机的总体结构是采用微机进行综合控制，不同的试验则由不同的下 位机控制。它可以自动对待测光缆施加规定大小的机械力，并自动对力的大小进 行控制和调整，使之在试验时间内维持在规定的范围内。同时它可以自动完成数 据的记录和处理，并实时在显示屏幕上画出试验曲线。另外，它可以和专用的光 纤传输特性测试仪表连接起来，测试光缆中的光纤在受力状态下的传输特性的变 化。控制部分由一个上位机( 微机) 和若干个下位机( m c s 5 1 单片机) 共同完成。 下位机完成数据的采集和硬件设备的控制与调整工作，上位机完成数据的记录、 处理和绘制曲线工作。 由于不同的测试项目的软件结构上有很大的相似性，故在下面都将以拉伸试 1 7 北京邮电大学硕士学位论文 验的测试软件为例来介绍。 下位机的软件功能如下。下位机和上位机之间通过串口来进行通信和数据交 换。以拉伸试验机为例，下位机从上位机获得试验参数及开始试验的命令后，向 变频器输出一个数字量，变频器向电机输出一个信号，电机转动开始施加机械应 力，同时，力传感器和应变仪采集当前的张力值和位移值，经过模数转换后变成 数字量显示出来，同时把这些数据送到上位机进行处理。下位机还要对采集到的 数据进行判断，如果达到事先的设定值，则自动进入维持加力状态。维持状态将 张力值维持在一个很小的偏差范围内，一旦张力值大小超出这个范围，则自动进 行调整。到达设定的维持时间后，下位机则根据当前状态决定继续加力或者卸载。 上位机的软件实现分布式的检测系统功能。其结构采用测试点服务器客户 端三层体系结构。 在测试点，试验软件要在服务器上登记自身的站点名、帐号、i p 地址等信 息，以便客户端查询，然后执行用户要求的试验项目；同时，通过t c p i p 协议， 利用套接口技术进行网络通信，侦听来自服务器的指令，以便向客户发送数据或 接受客户对试验的远程控制。 服务器启动后侦听来自测试点的连接请求，检查帐号并对它进行登记。同时 它侦听客户端的消息，对客户端要求查看试验现场的请求做出回应，若允许连接， 则将客户端的信息发送给测试点。服务器可以同时与多台测试点的机器建立联 系，同时与多个客户端建立联系，从而构成一个分布式的体系。 客户端首先向服务器发出申请，在服务器接受后即可同测试点建立联系，获 取相应的数据，并在本地显示试验的过程。如果允许，还可以对试验进行控制。 可以从不同的客户端机器上观察同一台或不同测试点的机器上的试验进行情况。 出于系统的安全起见，让本地客户层直接控制试验的进行，即：输入控制数 据以控制试验进行：而远端客户层的主要功能是监测，它主要的作用是从数据库 中读取数据重现试验的过程，原则上不能控制试验。这样也有效的避免了网络传 输的数据被别人篡改，以致试验出现严重失误。 应用程序全部使用w e + + 环境下开发，在简易的情况下，服务器和测试点 的软件可以放在一起，即同一台计算机上。 北京邮电大学硕士学位论文 3 3 1 分布式光缆检测系统的结构 分布式光缆检测系统不同于一个严格意义上的分布式应用系统，因为它的系 统规模和实现要求不需要那么复杂。经过对分布式系统的c o m 实现技术做了比较 深入的学习后，我认为只要实现了所需的相应功能即可，不必要按照严格的分布 式应用系统的形式来实现。应用c o m 技术来实现，虽然从功能上有许多好处，但 同本系统的实现要求相比，增加的复杂性太大了。 分布式测试系统的结构如图3 4 所示。 图3 4 分布式测试系统的结构示意图 3 3 2 测试程序的结构 光缆试验机的程序结构是由上位机程序控制若干个下位机程序，所以程序的 结构如下图所示。 调度管理总程序负责总的程序调度，每个子程序分别是各个试验的测试软 件。 在程序扩展方面，这种形式提供了方便。本测试系统随着测试项目的增加， 或者随着用户的进一步使用及反馈，可以肯定在将来要增加一些模块，但这些增 加的模块和现有模块关系不大，这种形式就可以在不需要改动现有模块的基础 上，另外增加其他模块或功能。这有利于保证系统的安全性。 北京邮电大学硕士学位论文 图3 5 光缆试验机的程序结构 上面这个示意图与公司以往的软件开发思想是一致的。在图中，系统参数 文件指的是不涉及到测试本身的外围参数，如送检单位、送检试样、试验环境、 试验员、试验日期等参数。因为这些参数对