（计算机应用技术专业论文）gis技术在通信光缆故障定位系统的应用研究.pdf

、，。 声明尸明 f 删l f f f f 删 一l 17 8 5 7 7 5 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文g g i s 技术在通信光缆故障定位系统的 应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垒盘 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：一竖瓠 日期：日 期：趁丝丕圣塑! 稠i l 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文基于光通信和地理信息技术，对通信光缆故障准确定位需求进行了分析研究， 结合g i s 与o t d r ( 光时域反射仪) 技术，将地图数字化，实现了空间数据与属性数据 的统一存储、管理及在g i s 上的告警实时显示；采用批量数据录入的方法来解决数据的 自动实时更新问题；为快速准确地进行光缆的故障定位，对o t d r 曲线引入小波变换， 采用小波域系数的阈值去噪和信号增强相结合的方法，分析出了曲线的事件点；最后在 光缆通信业务需求的基础上，以光缆故障定位为主体设计出了通信光缆故障定位系统。 实际应用表明，故障点与实际勘测相符，定位准确可靠。 关键词：g i s ，通信光缆，故障定位，0 t d r 曲线 a b s t r a c t b a s e do no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r a n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h ea c c u r a t ep o s i t i o n i n go ft h ec o m m u n i c a t i o nc a b l ef a u l tn e e d s ， c o m b i n e dg i st e c h n o l o g yw i t ho t d r ( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t i o n ) ，d i g i t i z e dt h em a p ， a c h i e v e ds p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t ai nu n i f i e ds t o r a g e ，m a n a g e m e n ta n da l e r t so ns h o w r e a l - t i m eo ng i s ，s o l u t et h ep r o b l e mo ft h ea u t o m a t i cr e a l t i m eu p d a t e sd a t ab yt h eb a t c hd a t a e n t r ym e t h o d ，i no r d e rt oq u i c k l ya c h i e v eam o r ea c c u r a t ec a b l ef a u l tl o c a t i o n ，i n t r o d u c e d w a v e l e tt r a n s f o r mt oo t d rc u r v e , u s i n gc o m b i n i n gw a v e l e t d o m a i nc o e f f i c i e n t so ft h e t h r e s h o l dd e - n o i s i n gw i t hs i g n a l e n h a n c i n gm e t h o d ，a n a l y z e dt h ee v e n tp o i n t so fo t d rc u r v e f i n a l l y , b a s e do nt h ed e m a n do fo p t i c a lc a b l ec o m m u n i c a t i o n sb u s i n e s s ，t h i sp a p e rd e s i g n e d t h ec o m m u n i c a t i o nc a b l ef a u l tl o c a t i o ns y s t e m ，w h i c ht h e m ei st h eo p t i c a lc a b l ef a u l tl o c a t i o n p r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h ep o i n to ff a i l u r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a ls u r v e y , p o s i t i o n i n g i sa c c u r a t ea n dr e l i a b l e s h e n gr u i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f h uc h a o j u k e yw o r d s ：g i s ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc a b l e ，f a u l t sl o c a t i o n ，o t d rc u r v e i 华北电力人学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 光纤通信的发展现状l 1 2 2g i s 的研究应用现状。2 1 3 主要研究工作3 1 4 本文结构4 第二章通信光缆概述5 2 1 光纤通信5 2 1 1 传播原理5 2 1 2 光纤通信的特点5 2 2 光缆的管理维护7 2 2 1 光缆监测方案8 2 2 2 监测方式一s 2 3g i s 的选择l o 2 4 本章小结1o 第三章gis 与o t d r 技术11 3 1g i s 的定义、特点和分类l l 3 1 1g i s 的定义11 3 1 2g i s 的特点11 3 1 3 使用g i s 的优点。1 2 3 1 4g i s 的分类1 2 3 2g i s 的组成1 3 3 3 空间数据结构、g i s 的存储与数据管理1 4 3 3 1 空问数据结构一1 4 3 3 2g i s 的数据存储1 4 3 3 3g i s 的数据管理1 5 3 4 光时域反射仪( o t d r ) 1 6 3 4 1o t d r 发展历程1 6 3 4 2o t d r 性能l7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 3o t d r 的结构和特点1 7 3 4 4 瑞利( r a y l e i g h ) 散射1 7 3 4 5 菲涅耳( f r e s n e l ) 反射- ：1 8 3 4 6o t d r 工作原理2 0 3 4 7o t d r 测试曲线2 3 3 4 8 目前o t d r 测试曲线分析的研究2 4 3 5 本章小结2 5 第四章基于g is 的通信光缆故障定位系统的总体设计。2 6 4 1 系统设计思想j 2 6 4 2 系统设计原则及系统丌发方式2 6 4 2 1 设计原则2 6 4 2 2 系统丌发方法的选择2 8 4 3 系统功能结构设计2 8 4 4 系统实现的软、硬件环境2 9 4 4 1 系统实现的硬件环境2 9 4 4 2 系统实现的软件环境一2 9 4 5 系统的主要开发思路3 0 4 6 本章小结3 l 第五章光缆故障定位及主要算法3 2 5 1 数据获取和数据库的设计3 2 5 1 1 地图数字化3 2 5 1 2 数据库的设计3 5 5 2g i s 基本功能实现3 5 5 3o t d r 测试3 6 5 3 1 测试波长的选择3 6 5 3 2 监测距离的计算及动态范围的选择3 6 5 3 2o t d r 标准曲线的获取3 7 5 4 利用小波变换分析o t d r 曲线3 7 5 4 1 信号局部奇异性的小波变换的描述，3 8 5 4 2 曲线事件检测过程3 9 5 4 3 检测中的曲线信号去噪3 9 5 4 4 利用b p 算法计算c 值4 0 5 4 4 1b p 算法的原理4 0 5 4 4 2b p 算法的训练过程概述4 l 5 4 4 3b p 算法的误差传播分析4 2 n 华北电力人学硕十学何论文目录 5 4 4 4 实验结果4 3 5 4 5 小波变换中突变信号的增强4 3 5 4 6 仿真结果分析一4 4 5 5 故障定位流程4 6 5 6 故障判断4 7 5 7 系统运行结果4 8 5 8 本章小结4 9 第六章结论5 0 6 1 本文工作。5 0 6 2 未来工作展望5 l 参考文献5 2 致 谢5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 6 ， ， 华北电力大学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科学技术，尤其是通信新技术的发展，通信在人们日常生活、工作和科研等领 域的作用越来越重要。从电话、电视、数据传输，从有线通信到无线通信，从近距离通 信到国际通信，通信的手段和内容都发挥着重要的作用。光纤通信，作为通信传输的一 种方法和手段，是通信传输的主要方式之一。 光纤通信是通信领域中的新技术，与传统的通信系统相比，不但具有通信容量大、 中继距离长、不受电磁干扰、串话小，无电磁泄漏、保密性能好、体积小、重量轻等特 点，而且在使用上有很大的灵活性，既可在大容量、超大容量、信息传输系统中使用， 也可在中、小容量系统中使用。它主要用于传输数字信号，也可传输模拟信号。因此， 在当今的通信领域，光纤通信得到了广泛的应用，其技术发展也极其迅速。 国家南、北沿海光缆干线通信系统建成以后，大大缓解了各地区快速增长的通信供 需矛盾，为社会带来了显著的经济效益。随着我国通信光缆线路建设规模的扩大及时间 的推移，光缆线路产生故障的可能性将不断增加。据统计，光通信系统发生故障中线路 部分占7 4 8 ，每年由于光缆线路中断而造成的直接经济损失约有7 8 亿元，对国民 经济及国防通信造成的损失是惊人的n 1 。由于现有的光缆线路维护方法存在缺陷，目前 测量故障的位置还不够准确，影响了抢修的效率。因此，寻找一种快速准确判定光缆线 路故障点的新方法成为当前急迫需要解决的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 光纤通信的发展现状 微电子技术、光电子技术和计算机技术的飞速发展，为光通信技术的发展创造 了非常好的条件，使得光通信也得以快速地发展。光通信在高速、大容量方面和宽 带、综合、低成本接入方面都在迅速发展。光纤通信的发展可以粗略地划分为四个 阶段： ( 1 ) 第一阶段( 1 9 6 6 1 9 7 6 ) ，主要从事基础研究和早期试验型的商业应用： ( 2 ) 第二阶段( 1 9 7 6 1 9 8 6 ) ，主要致力于提高传输速率和增加传输距离，此间 的研究集中在早期工业技术性的研究，同时，工业也促进了光纤通信的推广应用： ( 3 ) 第三阶段( 1 9 8 6 1 9 9 6 ) ，这是以超大容量超长距离为目标，全面深入开展 新技术研究的时期； ( 4 ) 第四阶段( 1 9 9 6 至今) ，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格 l 华北电力大学硕士学位论文 不断下降，应用范围不断扩大【2 1 。 从二十世纪6 0 年代到8 0 年代光纤通信发展经历了从研制成功到进入商业应 用阶段，出现了衰减低于2 d b k m 传输窗口为0 8 5 u m 短波长的多模光纤，接着出 现了1 3 u m 和1 5 u r n 、1 6 u m 长波长的远距离单模通信光纤，宽带的单模光纤研制 成功，大大提高了通信的容量，使光纤通信大规模地应用并飞速发展，9 0 年代全世 界的光纤用量近2 0 ，0 0 0 ，0 0 0 k m 光纤通信不仅在陆地上使用，而且还建成了跨越大 西洋和太平洋的海底光缆线路，光缆几乎包围了整个地球。 光纤通信在我国始于上世纪7 0 年代初，8 0 年代末光纤通信技术出现飞速发展 的局面，实现了从p d h 通信系统实验工程到光缆线路在我国已铺设约2 0 0 万千米、 全国通信网络基本光纤化，并且2 4 g b s 和1 0 g b s 的s d h 传输系统已广泛投入使 用，d w d m 4 0 g b s 和8 0 g b s 系统投入干线运行，国际上1 0 t b s 系统已经通过试 运行，在光缆单纤上传送的容量越来越大。到2 0 0 3 年底，山西省在省会和1 3 个地 市间构成3 2 波x 2 5 g d w d m s d h 高速环网【3 l ，全省光缆线路总长近6 万公里，省 际及省内各地区市间的主要长途通信干线和局间中继、城域网已普遍使用光缆，并 承担着整个通信网9 5 以上的长途传输业务，成为通信网的关键组成部分。 目前，光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为国家信息基 础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要 地位。 1 2 2g i s 的研究应用现状 目前国内外常用的g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 地理信息系统) 软件已达 4 0 0 多种。它们大小不一，风格各异。国外较著名的有a r c i n f o ，g e n a m a p ， m g e 等；国内较著名的有m a p g i s ，g e o s t a r 和c i t y s t a r 等。虽然g i s 起步晚， 但它发展快，目前已成功地应用到一百多个领域【4 】。 地理信息系统的发展是从地图制图开始的，因而g i s 的主要功能之一用于地图 制图，建立地图数据库。与传统的、周期长、更新慢的手工制图方式相比，利用g i s 建立起地图数据库，可以达到一次投入，多次产出的效果。它不仅可以为用户输出 全要素地形图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题，如行政区划图、土地利 用图、道路交通图等等。更重要的是由于g i s 是一种空间信息系统。它所制作的图 也能够反映一种空间关系，可以制作多种立体图形，而制作立体图形的数据基础就 是数字高程模型。目i i 用于丌发的比较流行软件的是m a p l n f o ，m a p l n f o 是美国 m a p l n f o 公司的产品，该公司始终致力于为用户提供先进的数据可视化，信息地图 化技术，并将这些技术与主流业务系统集成，提供完整的解决方案，m a p l n f o 吸取 了传统的g i s 系统的精华，并借助于计算机技术的发展，及时地将g i s 的概念从中 2 华北电力人学硕士学位论文 大型计算机的专用工作站引入到普通p c 上，并开创了一种崭新的地理信息系统模 式，即桌面地图信息系统。m a p l n f o 的出现，吸引了越来越多的用户，该产品自九 十年代初进入中国后，在各行各业得到了普遍的关注。在统计，信息中心，测绘， 邮电，水利，环保，油田，林业，军事，工商等部门都得到了广泛的应用。m a p x 是m a p l n f o 公司向用户提供的一个基于m i c r o s o f t 公司的c o m 技术且具有强大地图 分析功能的a c t i v e 控件产品。由于它是一种基于w i n d o w s 操作系统的标准控件，因 而能支持绝大多数标准的可视化开发环境如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i ， p o w e r b u i l d e r 等。编程人员在开发过程中可以选用自己最熟悉的开发语言，将地图 功能嵌入到应用软件中，并且可以脱离m a p l n f o 的软件平台运行【5 】。在国内外应用 比较广泛。 尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有两 种情况。一是利用g i s 系统来处理用户的数据；二是在g i s 的基础上，利用它的丌 发函数库二次开发出用户专用的地理信息系统软件。目前已成功地应用到了包括资 源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人1 2 1 和商业管理、交通运输、 石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，地理 信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、 政府管理等众多领域。近年来，随着我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系 统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥 了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益【6 】。 目前g i s 研究的热点是运用g i s 技术，建立起专题信息系统和区域信息系统。 而国内g i s 与通信光缆故障定位相结合进行研究的只有北京和武汉两家光通信公 司，但技术还不够成熟。利用g i s 技术对光缆故障进行定位，可有效利用g i s 的优 势对通信光缆进行维护管理，使操作维护人员对光缆线路情况的了解更加形象、直 观、方便。 1 3 主要研究工作 ( 1 ) 地图数字化 基于m a p l n f o 设计数字化地图。主要内容包括：地图的矢量化，矢量化后期处 理，图层管理等； ( 2 ) 图形数据和属性数据的统一存储、管理和分析 制定s q ls e r v e r 存储地理实体的空间数据和属性数据结构，整合m a p x 与g i s 两种技术设计系统整体方案； ( 3 ) 实现地图数据资料更新的自动化、动态化 华北电力大学硕士学位论文 采用批量导入数据的方法以实现数据资料的实时更新，完成g i s 地图上光缆 的动态显示； ( 4 ) 设计通信光缆故障定位系统 结合g i s 、数据库和计算机网络等技术，充分发挥地理信息系统空间可视化的 ，设计以故障定位为主体的通信光缆故障定位系统； ( 5 ) 通信光缆故障点定位及算法分析 将g i s 和o t d r ( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t i o n 光时域反射仪) 结合得到测试曲线， 引入小波域系数的阈值去噪和信号增强相结合的方法，分析o t d r 曲线的事件点其 中在去噪过程中可采用b p 算法来获取阈值的最佳系数，从而实现对故障点的精确 定位。 ( 6 ) 软件丌发 在v i s u a lc + + 中引入m a p x 开发类库，结合数据库技术，完成通信光缆故障定 位系统的开发。 1 4 本文结构 本文共分为六章，各章部分内容如下： 第一章介绍课题研究背景、国内外研究状况及研究的主要内容和文章的结构。 第二章对通信光缆进行概述。主要介绍光缆通信的特点和传播原理，光缆线路 的管理和维护以及维护的方案和方式，阐述选择g i s 技术进行光缆故障定位的原因。 第三章是系统用到的主要技术，重点介绍g i s 的基本技术知识和o t d r 的基本 原理以及o t d r 曲线分析。 第四章是系统的分析设计，主要是系统的结构设计思想方法以及整体的设计思 路，说明设计方法选择的原因以及优缺点。 第五章是故障定位算法的详细描述和系统实现结果。采用小波域系数的阈值去 噪和信号增强相结合的方法来充分抑制噪声、增强突变信号；通过b p 算法来选取 小波阈值的一个最佳系数，从而分析o t d r 曲线上的事件点。结合数据库及g i s 技 术实现对故障点的精确定位。 第六章是结论，总结本文的工作及对未来工作的展望。 4 光纤用于传播光时，入射光线以一个很小的角度口入射到光纤内，在光纤入射 段纤芯处可接受光的光纤容量可用数学孔径n a 表示，如图2 1 所示： - ： 临界角电，。 图2 - l 光纤传播示意图 n a = s i n a o = ( 珂卜，z 扩2 = a r c s i n ( n ：一) l ，2 其中，为可接受的最大入射角度，n i 和分别为纤芯折射率和包层折射率。 当光线以大于临界角的角度入射光纤时，无法在其中稳定传播；反之，则能够保 持在光纤中稳定地向前传播。当然，随光线入射角度的不同，其在光纤中的传播路 径也不同盯1 。一般来讲，以一个很小的角度入射光纤的光线基本保持在原来的方向 从光纤中射出；另一方面，大入射角入射的光线会沿一个较小的角度且较长的轨道 在光纤中向前传播，因此这样的光线在光纤中传输的距离会越来越短。 2 1 2 光纤通信的特点 光通信之所以能够如此迅猛的发展并应用的如此广泛是有其内在根本原因的。 光纤通信有两个超越传统通信方式的至关重要的特点，它们是：频带宽度大，通信 损耗小。图2 2 粗略给出了光纤通信用光的带宽和光纤传输系统的损耗，可以明显 地看出光纤通信的可用光光的频率非常高，同时由其建造的传输系统每公里耗损却 非常低。 除了上述两项重要的优势以外，光纤通信还有以下特点： ( 1 ) 传输介质重量轻，体积小，通信容量大，中继距离长； ( 2 ) 抗电磁干扰性能优良，串话小； ( 3 ) 传输过程中信号外泄小，保密性能良好； ( 4 ) 使用上有很大的灵活性，既可在大容量、超大容量、信息传输系统中使用， 华北电力大学硕士学位论文 也可在中、小容量系统中使用，主要传输数字信号，也可传输模拟信号； ( 5 ) 节约传统通信方式所依赖的篓金属等资源，有利于资源合理使用n 0 】。 频率波长名称 1u m 一紫外线 一l n 乜 i 冕荠耋 一1 0 岍 近红外线 一l o n z远红外线 一1 0 0 1 ，i 一亚毫米波 ln | z 一1m m 一毫米波( e h f l g h z 一1 0 m m 一厘米波( s h f l o g h z 一1 m m 一分米波( u h f lg h z 一1m 一米波( 、，h f ) 1 0 0 m i - i z 一1 0 m 一短波( h f ) l o z 一1 m 一中波( m f ) 重 胃 委 鞲 霹 职 么 姆 s “ 蝻曼l 巧 弹一 r 专7 乙 ， v l o ml o o ml g1 0 g1 0 0 gl t 1 0 ti t1 0 0 0 t 频率h z 图2 - i 光纤通信光带宽和传输系统耗损 上述这些特点以及其它一些因素共同决定了光纤通信的重要性以及其应用的广 泛性。事实上，光纤通信现在已经成功广泛的应用到通信网，构成因特网的计算机 局域网和广域网，有线电视网的干线和分配网以及综合业务光纤接入网等与人们生 产生活息息相关的各种领域呻1 。 光缆作为光纤通信的主要物理传输介质，其主要特征有：传输距离远；传 输容量大；传输带宽高；不受电磁感应，不会串话；传输损耗低；直径细； 绕性好；重量轻；节省资源。 以上特点决定了通信光缆线路维护的特点： ( 1 ) 点多，光缆通常是架空或地埋，对于架空线路，线路杆点每5 0 米左右就 需要设置一个，因此对于长距离光缆传输，杆点数目是巨大的； ( 2 ) 线长，通信光缆的长距离传输，决定了线路所经过地方极多，维护和保 养线拉长； ( 3 ) 易发生线路中断现象，由于线路长，经过地方多，因而线路周边环境也 变得复杂，人为和自然破坏线路现象也随即增多，给维护线路带来很多困难； ( 4 ) 受环境影响敏感，由于光纤特性较脆，容易断裂，如因环境影响受到侧 压力，传输特性就发生变化。 光缆线路设施主要设置在室外，由于光缆通信线路建得早，环境复杂，因自然 环境、社会环境的影响，光缆受到意外伤害的记录不少，对于不可抗拒的灾害和人 为破坏，人们无能为力，不管设计多周全，也不能完全预防事故的发生。只靠系统 中的两条光缆( 主用和备用) 通信线路，通过改进设计和施工方法来避免自然、社 6 华北电力人学硕士学位论文 会环境影响已不可能。唯一的途径就是提高日常维护管理。而要提高维护管理的效 率，就必须引进先进的技术，才能真j 下提高效率。 2 2 光缆的管理维护 随着光缆通信的发展和光纤的大规模广泛应用，维护和监测变为不可避免的工 作，而且也得到了越来越多的重视。在光缆通信的早期，光缆维护和监测主要依靠 线路维护人员手工作业，效率低且准确性差，而且业界也没有通用的标准或规范。 但由于早期铺设的光纤均属于刚刚上线的状态，且线路规模和跨度相对来说都比较 小，所以采用人工的方式尚不会引发太大的问题。然而，随着光缆通信越来越广泛 的应用，手工维护无论在劳动强度还是技术要求方面都已经成为不可能的任务了。 因此，光缆维护和监测逐渐发展成为一个与光缆通信息息相关但又相对独立的行 业。 与电缆和微波相比，光纤通信有明显的优越性。光纤通信容量大，传输距离远， 不受电磁场干扰，而且抗腐蚀能力强，可广泛用于各种传输和控制系统中。在光缆 施工中，需要用光纤熔接机( f u s i o ns p l i c e r ) 对两段光缆进行物理连接；用光缆接头盒 ( f i b e rs p l i c i n gc l o s u r e ) 将熔接点保护封装，进行架空、直埋或管道铺设；用标准光接 口规格( f c p c 等) 的尾纤( p i gt a i l ) 将光缆引入传输机房的o d p 收容盘和o d f 分配 架；最后通过跳纤( j u m p e r ) 与光端机相连。 光纤是由很脆的玻璃制成，通常外径只有1 2 5 i t m ，单模光纤的纤芯只有7 - 8 9 m ， 多模光纤的纤芯为5 0 i _ t m 。虽然光缆本身利用p b t 、加强芯、油膏和塑料外护套等 保护光纤，但由于人为的事故或者光缆接头盒变质( 开裂、进水、腐蚀等) 和光缆自 然老化等因素，会导致光缆传输系统的故障。光缆通信的中断将极大地影响各行业 的生产和发展，保证光缆通信的畅通至关重要，抢修维护光缆具有十分重要的意义。 光时域反射测试仪是目前光缆检测和维护的主要仪器。o t d r 具有很大的动态范围 ( 3 5 d b 以上) ，能检测6 0 k m 以上的光缆线路。o t d r 通过发射检测光到被测光缆， 接收检测反射光的强度，定位被测光缆的长度、每公里衰减和光纤的接头损耗，从 而得到光缆线路的技术参数【9 1 。 光缆干线传输网具有中继距离长、覆盖面广的特点，对维护部门来说如何有效 地管理和维护成为一个很重要的问题。众所周知，由于光传输系统速率越来越高， 线路中断带来的直接、间接经济损失也越来越大，随着光缆网络规模的扩大，特别 是干线传输网大规模的发展，光缆中断次数不可避免地将呈现逐年升高的趋势。但 是，目前光缆网络的维护还是主要依靠人工，基本上遵循以下流程：故障发生一通 知维护单位一驱车至故障局所一用o t d r 测试一寻找大概人孔位置一驱车至故障地 点一进行维修。即使事故现场已知，维护单位直接到达现场后还须查询、核对故障 7 华北电力大学硕士学位论文 光缆的竣工资料，才能进行维修，障碍历时得不到有效压缩，因此导致了经济损失 的增大。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不积极配合将大大耽误抢修的进程，其次，故障的警告由 传输系统的终端设备光端机来提供，其故障是出现在整个光传输系统中的，光端机 本身的收发( r x t x ) 系统也可能发生故障，各种连接设备( f c p c 、o d f o d p ) 也 存在接触不良的故障，更重要的是分布于户外的光缆被损坏，光端机只能通过收光 发光的有效性来判断故障的出现，这种判断是笼统的和不严格的。 经过有关专家的潜心研究和实验，目前我国已经制定并实施了两套光缆监测系 统的技术标准和规范。一套是信息产业部于1 9 9 8 发布的y d n 0 1 0 1 9 9 8 光缆线路 自动监测系统技术条件【1 0 】。在此基础之上，结合本地局域网网局站密集，局站间 光缆距离短，在各个局站的光缆线路较多，光缆段、光纤之间的连接关系更为复杂 等特点，电信总局于2 0 0 0 年2 月又补充发布了本地网光缆线路监测系统技术要 求 上述文件对于光缆监测系统的要求大致如下：光缆线路监测系统主要由总监测 中心( g m c ) 或省监测中心( p m c ) 、区域监测中心，以及各级监测站组成。其中， 监测中心对各监测站进行远程统一实时控制，它们是采集数据和处理数据的中心； 监测站则对被监测的光缆线路进行光功率实时监测和远程遥控自动监测，以跟踪光 纤传输耗损的变化情况，监测站也可采用无人值守的工作方式。 2 2 1 光缆监测方案 光缆监测方案包含并不限于以下几种方案t ( 1 ) 光功率监控结合人工测试； ( 2 ) 光功率监控结合自动测试； ( 3 ) 光功率监控结合人工测试和自动测试。 其中方案( 1 ) 应该能够平滑地升级到方案( 2 ) 。 2 2 2 监测方式 监测方式主要由以下几种方式组成： ( 1 ) 在线监测：监测站中的光时域反射仪( o t d r ) 采用与光传输设备工作波 长不同的测试光进行实时在线测试，利用波分复用器( w d m ) ，滤光器( f i l t e r ) 和光开关( o s w ) ，通过波分复用技术，可实时地对被监测光纤的运行状况进行监 测； ( 2 ) 备纤监测：通过o t d r 对被监测光缆线路中备用光纤的运行状况进行实 时监测； r 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 离线监测：在光传输设备休整停用，定期维护，更换或离开光缆线路时， 对被监测光纤的运行状况进行监测； ( 4 ) 跨段监测：通过配置有源设备和无源光器件，对一个光缆段以上的光缆 线路同时进行远程的在线、离线或备纤监测。 光缆监测系统用于远程、实时地对被监测光纤的运行状况进行监测，以及时发 现线路上的故障或隐患。监测的种类分为定期测试、点名测试和故障告警测试三种。 正常情况下，光缆监测系统定期测试所有被监测光纤或某一条指定光纤全程的传输 耗损，光学长度，光纤接头损耗，接头点间衰减系数等参数。当发现被监测光纤处 于障碍状态时，系统进一步进行障碍告警测试，并对光纤障碍性质进行自动判断， 按规定的告警级别发出告警信息，为迅速、准确地确定故障点的具体位置和性质提 供有益的帮助。 在一个光缆监测系统中，监测站( m s ) 的光功率监测模块的采集单元( a i u ) 负责对被监测光纤的光功率进行实时监测采集，并将采集到的数据上报到光功率控 制单元( a c u ) 。然后，光功率控制单元对实时监测到的光功率数据进行分析和比 较，选择性地将超过告警门限的光功率数据及时上报给监测中心( l m c ) 。在监测 中心，主控单元将对各光功率控制单元传报的数据进行统计和分析，对发生超出告 警门限值的光功率变化进行实时警告，并进行统计分析以判断出故障光缆段【】。之 后，远程实时自动快速地启动监测站的光时城反射测试仪( o t d r ) 和光开关( o s w ) 对故障光缆段和光纤进行故障告警测试，测试的曲线数据上传监测中心，监测中心 将测试曲线与参考曲线进行比较分析，确定故障点位置、类型、告警级别，并采用 各种方式告警。 光缆线路监测系统融合了各种先进的应用技术，它们包含网络通信技术，光学 测量技术、地理信息系统以及全球卫星定位系统( g p s ) 等技术。光缆监测系统负 责对被监测光纤传输衰耗特性变化及光纤阻断故障实行远程分布式实时在线的自 动监测。采用t c p i p 通信协议进行系统互连，符合全国电信管理网( t m n ) 的要 求。引入光缆线路监测系统，并不会影响在用的通信传输系统的传输性能。 随着人们对通信服务质量的要求与r 俱增，光通信技术的发展必然将使光纤传 输信息的能力越来越大，从而单位时间的线路阻断会造成越来越大的损失。因此， 光缆线路监测系统的重要性将愈加重要。如何进一步提高光纤通信的可靠性，以及 如何更及时有效地对光缆线路实施监控与管理，准确地捕捉故障征兆和隐患，防止 线路阻塞已经成为一个人们越来越关心的话题。到目前为止，光缆监测系统中最为 重要的设备是光时域反射仪，该仪器能够测定运行在指定光纤中的光线的光功率， 从而给出该光纤最为准确的数据描述。 9 华北电力人学硕十学位论文 2 3g i s 的选择 将g i s 应用到光缆通信线路保障之中，主要鉴于两个方面因素： 一是g i s 已在多个领域应用技术成热。地理信息系统是利用计算机的方法，将 一定区域内的地理信息( 包括地图、数据等) 数据化，并进行综合分析操作后，以一 个整体化操作界面的形式提供给使用者和决策者查询、浏览，并将有关信息输入可 自动提供辅助决策的信息管理系统。它是m i s ( 管理信息系统) 的一个研究分支，也 是m i s 研究的深入。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，信息管理已经进入计算 机管理时代，传统的人工保管、查询、分析等已经不能适应人们对现代工作方便、 高效、快捷、准确的要求。而计算机技术的引入，特别是地理信息系统在各种领域 内的成功应用，正好可以满足人们的要求【l2 1 。目前，许多城市区域、交通线路、城 市地下管道信息、资料管理、消防、军事地图等都引入了地理信息系统技术，这一 技术的应用对信息管理的现代化、高效率起到了极大的推动作用。 二是光缆通信线路所承担的任务，需要一个科学自动化管理系统。随着通信任 务量的同益增大，光缆线路的分布也越来越复杂化，加上近几年市场经济的冲击， 光缆沿线自然环境受到破坏，使沿线地貌因自然和人为因素变化较快。同时，通信 设备的更新也变得频繁，而对于这些信息的处理还处于手工方式，不便于查询，更 新，以及对通信设备的运行管理；再者，人工管理所带来的效率低、出错机率高等 缺点越来越突出，大大增加了管理的难度。对于线路维护工作来说，线路资源，线 路设备等数据资料是通信任务开展的基础，对这些信息的实时性，准确性，一致性 要求很高，这就需要在局域网范围内实现信息的共享。在通信线路建设方面，由于 不能全面及时的获得线路资源的信息，使线路建设缺乏较为详细的建设方案、缺乏 建设的前瞻性。因此，应该充分利用现有资源，科学有效地管理通信线路设施，防 止重复投资。 鉴于这些因素，随着计算机和信息技术的发展，对通信系统管理提出了高效快 捷的要求，光缆通信线路急需一个自动信息管理系统，以随时根据线路改造、沿线 地貌的变化和线路数据的更改而及时改变数据库，保持线路资源、地貌等数据的真 实性。地理信息系统的应用，可有效地解决以上问题，并能为光缆通信线路的维护、 故障排除和管理提供直观的技术平台，提升了光缆通信线路管理的效率。 2 4 本章小结 本章主要介绍了光缆通信的相关知识。重点介绍了光纤通信的传播原理和特点，光 缆的管理维护与监测，以及监测的方案和方式，最后阐述了选择g i s 技术应用到光缆故 障定位的原因。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第三章g i s 与o t d r 技术 3 1g i s 的定义、特点和分类 3 1 1g i s 的定义 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，随着资源的开发和利用、环境保护等问题的日益突出， 迫切需要一种能有效地分析、处理空间信息的技术、方法和系统。与此同时，计算 机软硬件技术也得到了飞速的发展，与此相关的计算机图形和数据库技术也开始走 向成熟。这为地理信息系统理论和技术方法的创立提供了动力和技术支持。虽然计 算机制图( c o m p u t e rc a r t o g r a p h y ) 、数据库管理( d a t a b a s em a n a g e m e n t ) 、计算机辅 助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 、管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简 称m i s ) 、遥感、应用数学和计量地理学等技术能够满足处理空间信息的部分需求( 如 绘图) ，但此类系统功能相对单一，无法同时处理图形、图像、数据库管理、空间 分析等问题【l3 1 。因而，地理信息系统的理论和技术及方法的出现也就有其一定的必 然性。 地理信息属于空间信息，地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布 特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称，其位置识别与数 据联系在一起，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息系统 简称g i s ，是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的 数据的信息系统。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下， 对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析 方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量 分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。简而言之，地理信息系统是以 计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管理系统，它是一种特 殊而又重要的信息系统【2 3 】。 3 1 2g i s 的特