（计算机科学与技术专业论文）光缆自动监测系统的设计与测试.pdf

k 飞 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：益! 墨竺日期：塑：? ! 三7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 本人签名：曝易夸 本人签名：型! 垒里 聊虢幽! 日期：兰! ，：! ：三z 日期： 、r 光缆自动监测系统的设计与测试 摘要 随着光纤通信的迅速发展，铺设光缆总长度的不断增加，光缆的 维护与管理问题也日渐突出。光缆故障如果不能及时定位和得到修 复，将给用户造成严重的经济损失。因此，对光缆监测技术方法的研 究十分必要。现代的光缆自动监测方法基于计算机和网络技术，实现 对光缆的实时监控和自动测试，它使光缆维护手段由传统的被动维护 发展为主动维护，无论在社会效益还是经济效益方面，都具有重大意 义。光缆自动监测系统是集成了光功率监测，o t d r 测试、计算机技 术、网络通信和数据库管理技术、地理信息系统的一个光缆网络监测 和管理系统，它不仅解决光缆线路监测的问题，同时还具有资源管理 功能，可以对传输网络相关的资源，大到传输局、监测站，小到监测 光缆、o d f 架、法兰盘等，进行全面的管理。 本文课题的目的是根据光缆维护单位对光缆监测系统的需要和 相关规范，设计一套适合中国电信行业长途光缆干线维护使用的光缆 自动监测系统，通过科学的系统测试使该系统达到最终用户的验收标 准。课题研究基于面向对象需求分析技术、架构设计技术、网络通信 技术、数据库技术和软件测试技术等多方面计算机应用相关的知识， 最终设计完成一套与系统硬件相集成的软件方案。 本文作者在本课题中承担的任务包括：研究光缆自动监测系统的 基本原理，如光功率采集，o t d r 测试技术等；学习和研究电信部门 的相关技术规范，与光缆维护单位交流沟通用户需求，完成光缆自动 监测系统的需求分析；参与系统整体与各个模块的概要设计，设计包 括监测中心服务器软件、监测中心客户端软件和监测站软件，同时还 针对网络通信和数据库部分进行了设计；在系统开发基本完成后，组 织并参与了光缆自动监测系统的系统测试工作，设计测试方案和执行 部分具体测试任务，找出系统存在的问题，提交给开发人员进行修改， 以保证最终交付的系统可以满足用户的功能与性能要求；最后，还参 与了该光缆自动监测系统的现场安装、调试和技术支持工作，并对客 户进行技术培训。 本课题所设计的光缆自动监测系统实现了对光纤的实时监测和 自动测试；同时提供了拓扑图和地理信息系统相结合的管理界面，支 持对故障的图形化定位、抢修派工单和车辆调度信息的自动打印，这 也是本系统的特色之一；并且该系统能够对监测范围内的物理资源和 测试信息进行数字化存储和综合统计分析。本课题研究设计的光缆自 动监测系统已经在中国国家一级干线的网络维护中得到了成功的应 用，在提高光缆维护工作的质量和效率方面取得了很好的效果。本课 题的成果为光缆维护工作的计算机自动化提供了可靠、高效、稳定的 系统解决方案，并且对于相关领域类似软件项目的开发和系统测试具 有一定的参考意义。 关键词：光缆自动监测系统光功率监测网络资源管理 系统测试 丫 r d e s i g na n dt e s to fo p t i c a lf i b e r a u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e m a bs 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 eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，a n d t h et o t a l l e n g t ho ft h ef i b e rn e t w o r ki n c e n s e m e n t ，t h ew o r ko f m a i n t e n a n c ea n d m a n a g e m e n tb e c o m e sm u c hh e a v i e ra n di m p o r t a n tt h a n b e f o r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra n d t h e n e t w o r k ，t h eo p t i c a lf i b e rc a b l el i n ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m ( o a m s ) a p p e a r e d t h i ss y s t e mc a nm a k ef i b e rm a i n t e n a n c eag r e a ts t r i d ef o r w a r d f r o mp a s s i v et y p ei n t oa c t i v et y p e b o t hs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t so f t h i ss y s t e ma r eg r e a t o a m si saf i b e rn e t w o r km o n i t o ra n dm a n a g e m e n ts y s t e mw h i c h i n t e g r a t e do p t i c a lp o w e rm o n i t o r , o t d rt e s t ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，d a t a b a s ea n dg l o b ei n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i t m a i n l ys o l v e sn o to n l yc a b l em o n i t o rb u ta l s om a n a g ea l lr e l a t e d r e s o u r c e si n c l u d i n gt r a n s m i s s i o nb u r e a u ，m o n i t o rs t a t i o n ，f i b e r c a b l e ， o d f , f l a n g ee t c k s t a r t i n gw i t ht h eb a c k g r o u n da n dt h em e a n i n go ft h et a s k ，t h ep a p e r g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h eo p t i c a lf i b e r n e t w o r ka n dt h em o n i t o r m e t h o d ，e x p l a i n i n gt h ep r a c t i c a l i t yv a l u eo ft h i s s y s t e m b e f o r es y s t e md e s i g nt h i sp a p e ri n t r o d u c e so a m s st e c h n o l o g y t h e o r y o a m s s m a i n t h e o r y i s c o l l e c tt h ef i b e r p o w e rw i t h c o m p u t e r i z a b l ee q u i p m e n t ，i ft h ep o w e rv a l u eb e c o m e sl o w e rt h a na l a r m g a t e ，c o m p u t e rw i l ls t a r to t d ri m m e d i a t e l yt o t e s tp r e a s s i g n e do p t i c a l r o u t e r b a s eo nt h er e t u r n e dd a t ac u r v ef r o mm o n i t o rs t a t i o n ，c o m p u t e r w i l ll o c a t e df a i lp l a c ew i t hg i ss y s t e m o p t i c a lp o w e rc o l l e c t i o na n d o t d rt e s tt h e o r yw e r ee x p l a i n e d p a r t i c u l a r l y o a m sw e r ec o m p o s e do ft h r e el e v e ls t r u c t u r e s ：l e ya r ep r o v i n c e m o n i t o rc e n t e r ( p m c ) ，l o c a lm o n i t o rc e n t e ra n dm o n i t o rs t a t i o n ( m s ) a f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o nf o rh a r d w a r es y s t e m ，t h ep a p e rm a i n l yg i v e so u t c o n c e p td e s i g no fs o f t w a r ep a r t ，i n c l u d i n ga l lf u n c t i o n so fm cs e r v e r s o f t w a r e ，m cc l i e n ts o f t w a r ea n dm ss o f t w a r e t h e r ea r eq u i t eaf e w r e s o u r c ed a t aa n dm o n i t o rd a t an e e dt ob es t o r e da n dl o a db ym ca n dm s ， t h i sp a p e rg i v e sad e s i g nf o rd a t ab a s es y s t e ma c c o r d i n gt ot h eo r d e r - r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，c o n c e p td e s i g na n dl o g i c a ld e s i g nb a s e do na s t a n d a r dd a t a b a s ed e s i g np r o c e s s a tt h es a m et i m ed a t a b a s es e l e c t i o na n d a c c e s sm o d ew e r ed i s c u s s e d o a m si sar e m o t es y s t e m ，a n ds t a b l ec o m m u n i c a t i o na n dm e s s a g e d e l i v e r ym e t h o da l s oa r ed e s i g ne m p h a s i sa n dd e s c r i b e di nc h a r t e rt h r e e t e s t i n gi so n ei m p o r t a n tp a r ti ns o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，c h a p t e rf o u r r e s e a r c ht e s tr e l a t e dt h e o r y , i n c l u d i n gt e s tp h a s e s ，t e s tm e t h o d sa n dt e s t c a s e sg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y t h i sc h a p t e ri n t r o d u c e st e s ts t a t u si ns y s t e m m a n a g e m e n t ，d a t am a n a g e m e n ta n dt e s tm a n a g e m e n tt h r e ef u n c t i o n s ，a n d a l s od e s c r i b et w on e wt e s td a t as e l e c t i o nm e t h o d si ns y s t e mt e s t ，t h e ya r e t 憋 ，f譬 o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g na n ds c e n em e t h o d i nt e s tp h a s eb u g m a n a g e m e n ti sn o tm a t u r ee n o u g hi ns m a l lc o m p a n y , t h i sp a p e rd e s i g n o n ee c o n o m i ca n dn o r m a t i v e r u l e ，w h i c hi sh e l p f u lt of i n i s ht e s t s u c c e s s f u l l y o a m sw e r ei n s t a l l e di nn m i o n a lb a c k b o n ef i b e rn e t w o r k a n dp a s st h ev a l i d a t i o nb yc o n s t r u c tu n i t t h es y s t e mr a ns t a b i l i t ya n d g a i n e ds o c i e t ya n de c o n o m i cb e n e f i t s l a s t l yc o n c l u s i o n so ft h ep a p e ra n di m p r o v e m e n ts u g g e s t i o no ft h e e x i t sp r o b l e msi nt h es y s t e ma r eg i v e n k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e ra u m o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m ，o p t i c a l p o w e rm o n i t o r , n e t w o r kr e s o u r c em a n a g e m e n t ，s y s t e mt e s t ， 矿，p q l i 第一章引言 目录 l 1 1 课题背景。l ，- ，问题穆引出j 1 ，1 2 国内外光缆监溺技术的发展3 ，了零谡学磁袭髟4 1 2 课题任务5 ，i2 ，刀缓渔争j ，22 矛发张。j 1 3 论文结构6 第二章光缆监测系统原理7 2 1 概述7 2 2 常见的光功率监控方式7 22 ，手乙别i c p y 靖。7 222 乃矽子器饧寿j 蟹8 2 3o t d r 设备介绍9 2 4 测试方式l o 2 5 光功率告警测试机制l l 第三章光缆自动监测系统软件的设计 3 1 系统硬件设备及网络构成1 3 3 2 需求分析1 4 22 ，菩矛缪掌纠j 象赛1 4 a2 2 荔钓学莠统毖易镤型一j 4 a2 了莠统吆务功磁j ；雩采j 5 a24 莠绕丝缵需蒜1 6 3 3 系统结构设计1 6 aa ，莠绕蕉彩巍学挣j 6 z 皇2 名铴矽白z 辨力哆秀j 手：挣j7 3 4 监测管理中心功能设计1 8 a4 ，麓攒矿乒：缘努器麴学瑟矛j 8 z 42 毖如纷哆m ：，雾户端荔誓乃e 狰i - 2 2 3 5 监测站软件功能介绍2 5 3 6 数据库设计。2 7 a 岔，裁捃糯戎分笏2 7 a 最2 荔幻骞鸠白黔黝当孑铲2 8 曼岔? 彩白簦0 雾赛：豸方钐透劈一3 d z 岔4 兹捃r 厣劳问方才瑟劳3 1 a 岔5 舅皱携翟家趱勇卑鹭 ：梅毒手矿3 2 z 岔f 兹锚浮谚励3 7 3 7 通信机制的设计。3 7 3 z1 光缆监溺系统的网络结构。3 7 3 ，z2 光缆监溯系统软件通信模块的设计j3 8 第四章光缆自动监测系统软件的测试 4 1 软件测试理论研究4 l 41 1 新律系纷搠恼c ；觑j 述彳j 墨1 2 彦影反励喝彩! 乡苣4 j z ，3 基本影况万搓4 3 4 2 光缆监测软件系统测试方法。4 4 421 总筋施镇历刃搀矿私 422 莠纺筹理【彩偏钝女罗击如彳5 4 ，2 3 数据管理功能灏试4 6 墨24 膛粥编蟛均魄影游钳 4 3 测试数据流的设计4 9 za1 教? 缪选：授方搓。4 9 4 童2 基于秀玩袅留勿剜赞矛5 j 4 3 3 利用正交试验法设计用例5 5 4 4 性能测试5 8 4 5 缺陷管理5 8 4 6 回归测试5 9 4 7 系统现场测试和实际应用效果5 9 4z1 页目煮露 冤6 d 4z2 蠡勃9 的绍考。6 移 第5 章结束语 5 1 论文工作总结6 5 5 2 问题和展望。6 6 r j p 1 1 课题背景 1 1 1 问题的引出 第一章引言 自从1 9 6 6 年英籍华裔科学家高锟提出以光纤作为传输介质的构想、1 9 7 6 年 美国在亚特兰大试行了世界上第一个实用光纤通信系统以来，光纤通信技术从理 论研究到实践应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力不断提高， 应用范围不断扩大，其容量大、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，得到了人们的青睐。 光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段 第一阶段( 1 9 6 6 - - 1 9 7 6 年) ，这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个 时期，实现了低速率多模光纤通信系统，无中继传输距离约l o 公里。 第二阶段( 1 9 7 6 - - 1 9 8 6 ) ，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和 大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤通信从多模发展到单模，工作波 长从短波长( 8 5 0 n m ) 发展到长波长( 1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m ) ，实现了工作波长为 1 3 1 0 n m 、传输速率为1 4 0 - 5 6 5 m b s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离为 5 0 1 0 0 公里。 第三阶段( 1 9 8 6 1 9 9 6 ) ，这是进一步提高传输速率、增加传输距离并全面深 入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了1 5 5 0 r i m 色散移位单模光纤通信 系统。采用外调技术，传输速率可达2 5 1 0 0 b s ，无中继传输距离可达1 0 0 - 1 5 0 公里。 第四阶段( 1 9 9 6 至今) ，实现了超大容量的波分复用光纤通信系统及基于 w d m 和波长选路的光网络。 改革开放以来，在国家对科技生产力和通信现代化建设的高度重视之下，我 国的光纤通信建设也取得了突飞猛进地发展。我国于1 9 8 7 年开始进行长途光缆 通信系统的建设，光纤通信迅速发展，需求量呈指数规律增长，无论是陆地，还 是海底都敷设了光纤。到1 9 9 8 年，我国国内公共电信网络完成连接全国3 1 个省 ( 自治区、直辖市) 的“八纵八横 光缆骨干传输网的建设，全国光缆总长度超 过9 3 万千米。进入2 l 世纪，随着信息高速公路的启动，光纤到户成为可能，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。国家信息化战略的实 施有力地推动了宽带和移动网络的迅猛发展；同时电信运营商战略转型的实施也 将促进农村市场和宽带业务市场的增长；另外技术进步和市场对带宽需求增加的 双重作用也将成为促进我国光纤光缆市场发展的内在驱动力。截至2 0 0 6 年年底， 包括有线电视网、电力公司、各专用网所用的光缆，中国光缆线路总长度达到 4 2 5 9 万皮长千米，光缆纤芯总长度达到8 8 9 3 4 万芯千米瞄1 。伴随3 g 网络的大 规模启动、f t r x 的深入进行，我国光纤光缆需求量仍将继续增长。 随着光纤网络的架构越来越复杂，规模越来越庞大，用户对网络的使用程度 越来越高、依赖性越来越强，光纤通信网络在国家建设和人们日常生活中起着越 来越重要的作用，光通信的传输媒体一光缆的传输质量越来越引起人们的重视， 光缆的维护与管理的重要性也日渐突出。随着光缆数量的增加以及早期敷设光缆 的老化，光缆线路的故障次数将不断增加，而光缆线路的故障将影响通信甚至导 致通信中断，通信系统的故障将给国家生产建设带来极大损失。 因此，光缆的维护与管理是光纤通信发展中必须考虑和解决的关键性问题， 从而引发了一系列具体的相关问题，例如： 1 如何有效地维护光缆? 2 如何科学有序地管理光缆? 3 如何及时监测到光缆可能发生的故障? 4 如何准确定位光缆故障所在的位置，以便及时维修? 5 如何管理光缆监测的历史数据，为后续维护提供参考? 等等。 在传统的光缆维护方式中，通常光缆线路是由专门部门负责维护的，维护方 式主要是人工维护嘲。当光缆传输系统收无光时，光端机发出收无光告警，值班 人员用电话通知线路维护工程师，线路维护工程师采用光时域反射计( o t d r ) 等 仪器到机房分析故障原因，找出故障点，在通知现场技术人员赶到故障地点实施 抢修。这种传统的光缆维护方式存在很多不足： 首先，对故障的反应速度受人为因素影响较大，需要线路维护人员赶到机房 用手持仪器测试后才能确定故障位置，响应时间无法保证。其次，由传输系统来 提供故障的告警，没有预见性，因此，对光纤的逐步劣化不能及时发现。再次， 采用光端机告警的方式经常无法确认是设备问题还是线路障碍，误告警无故增加 了线路维护人员的工作量。最后，传统监测设备体积较大，搬运起来相对比较麻 烦。传统的光缆线路维护管理模式的故障查找困难，故障定位和解决时间长，影 响通信网的正常工作，由于光缆故障造成的通信中断和恢复不及时，对信息产业 部门以及对用户造成的损失是巨大的。 随着计算机技术的发展，近几年来，光缆维护方式已由人工维护的传统方式 开始逐步转变为为计算机辅助光缆监测的现代的光缆维护方式。光缆监测系统能 够以先进的自动化的监控方式对光缆进行实时监测，当光缆发生故障时，快速分 2 譬 全 节 0 q 析出故障的原因和位置，加快抢修的进度，缩短故障时间，降低损失，并大大提 高线路维护单位日常工作的效率；同时，通过对光缆线路的实时监测与管理，还 可以动态地观察出光缆线路传输性能的劣化情况，及时发现和预报光缆隐患，降 低光缆阻断和通信中断的发生概率。这种能缩短光缆的故障同时又可以预测光纤 隐患的光缆实时监测方式，可以将光缆线路维护在一个高质量稳定的水平上，保 证通信的畅通。因此，开发和应用将光缆监测技术和计算机软件技术相结合的光 缆监测系统，对光纤通信的发展建设具有重要的意义。 1 1 2 国内外光缆监测技术的发展 首先，从光缆监测技术在国内的发展状况来看。 从传统的光缆维护方式到计算机自动监测方式的发展是有一个过程的。大致 可以分为以下三个阶段： 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由于人为故障和 不法分子破坏。因此，当时的光纤监测系统正处于理论起步阶段，实际的光缆监 测工作方式还比较原始，采用光缆维护人员手提o t d r 仪器去实地检测或o t d r 巡检的技术来进行光纤监测。 第二阶段，在2 0 世纪8 0 年代末到2 0 世纪9 0 年代末。随着光纤技术的发展 和飞速应用，这几年光缆用量速度激增，同时，原来较早的一部分光纤由于劣化、 人为故障等原因，光缆故障开始变得比较突出。在开始变得明确的用户需求的驱 动之下，光纤监测技术进入了快速发展阶段，出现了计算机化的o t d r 测试方 式，这时的测试机制是以轮询为主。 第三阶段，9 0 年代末到2 l 世纪的开始一段时间。随着全光网络设备与技术 的出现和发展，尤其是现在世界范围内的光纤通信和光电子产业毫无疑问地进入 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 将彻底改变整个有线通信网络的面貌，光纤网络结构越发复杂。新的光缆监测系 统采用光功率监控加o t d r 自动测试的方案，同时增加了全网设备管理功能， 结合全球卫星定位系统，故障定位功能更加精确和人性化。 在经历了这三个阶段后，国内的光缆监测系统技术水平逐渐日趋成熟。 其次，从光缆监测技术在国外的发展情况来看。 由于光缆的维护对于保证网络的可靠性十分重要，光缆监测技术也受到国际 电信联盟n u t 和相关厂家的重视。i t u - t 长时间收集和组织讨论了当时国际上 的业界最新资料，于1 9 9 6 年发布了l 2 5 光缆网络维护的建议书，对光缆的预防 性维护和故障后维护规定了详细的维护范围和功能。但随着光纤通信技术和监测 3 技术的发展，l 2 5 已经不再能满足当前的需要，目前最新的建议方案是2 0 0 1 年 1 2 月i u t - ts g l 6 会议通过的光缆网络的维护监测系统( l 4 0 建议) 。国外厂 商也非常重视开发光缆自动监测系统。 日本m 盯方案：在o t d r 自动测试光纤的基础上，加入了光纤选择器， 在外线上装设水敏传感器并进行护套监测，形成了一套较完整的自动维 护、支撑系统，真正做到不中断光通信的维护。 意大利的方案：此方案是一种综合处理的新型连续光缆监测系统，除监 测光纤性能以外，还考虑了护套绝缘电阻的自动监测。主要特点是将光 缆网络、光纤及光缆护套的监测综合在一起，既利用了o t d r 系统周期 性地对光纤的衰减进行监测，发现有衰减变化即发出警报，并进行故障 定位，同时也能连续监测光缆护套的完整性，包括护套对地绝缘电阻的 监测，发现问题( 如护套进水等) 即马上告警，达到更全面地预告故障 发生的目的。 由以上两例可以看出全自动的光缆监测应是光缆维护技术的一种发展方向。 1 1 3 本课题的意义 理想的光缆自动监测系统应是一个开放式的自动监测系统。它可以实现远 程、实时、自动、在线地监测通信光缆光纤传输特性的变化；及时发现光缆光纤 故障位置，有效地预防和压缩光缆故障，保证光缆网优质、高效、安全、稳定的 运行。光缆监测系统集计算机技术、通信技术和光电技术为一体，具备远端实时、 定期测试、遇不良情况自动告警及数据综合分析等多项功能。同时，通过定期测 试，光缆自动监测系统能及时判断光缆接头盒进水进潮情况，迅速准确地判断光 缆障碍，缩短障碍历时，及早发现光缆劣化情况，提高长途光缆的维护质量。 从1 9 9 8 年到2 0 0 0 年，我国电信部门连续制定了多个光缆监测系统的技术 规范。首先是前信息产业部发布的y d n 0 1 0 1 9 9 8 光缆线路自动监测系统技术 条件。在此基础上，前中国电信总局发布了全国长途干线光缆自动监测系统 检验规范( 1 9 9 9 年2 月) 。到2 0 0 0 年2 月，针对本地网局站密集，中继光缆距 离短，光缆线路多，缆段和光纤之间的关系更为复杂的情况，电信总局又发布了 本地网光缆线路监测系统技术要求。由此可见，光缆自动监测系统具有很强 的社会效益和经济效益，其发展已经受到国家相关部门和电信企业的重视，并且 具有巨大的潜在市场需求。 本课题所研究、设计、实现的具备资源管理功能的光缆自动监测系统，不 仅能够为企业带来经济效益，更重要的是，能够为电信部门提供现代化的光缆监 4 i 中 ， 测和维护手段，为光纤网络的质量提供可靠保障，从而为光纤通信的发展建设起 到一定的促进作用。 1 2 课题任务 l 1 2 1 开发任务 本课题的任务是设计和开发一套适合中国电信行业长途光缆干线维护使用 的光缆自动监测系统，根据光缆维护单位对光缆监测系统的需要和相关规范，对 光缆自动监测系统进行需求分析、设计和实现。 该光缆自动监测系统开发任务分成硬件开发集成和软件系统开发两部分，硬 件开发包括光功率采集单元和光开关等设备的开发和集成功能，本文主要介绍的 是软件系统部分。软件开发部分可以分解为三个子项目：远端工控机测试程序、 中心服务器程序和客户端应用程序。每个子项目都包括系统需求分析、概要设计、 详细设计、代码实现、组网和测试等软件生命周期全部阶段任务。 本文作者在该系统的实施过程中，主要参与了以下工作： ( 1 ) 系统需求分析：在系统设计前期，走访和调研光缆维护单位对光缆自动 监测系统的用户需求，同时研究相关规范对系统功能和实现的要求。 ( 2 ) 参与系统概要设计：在分析用户需求的基础上，规划出要完成这些要求 所需要的系统整体结构和所包含的各个模块的功能。 ( 3 ) 在系统完成开发后，针对系统特性，进行整体测试，发现存在的问题， 反馈给开发组进行系统完善，保证最终交付的系统能够满足用户的功能与性 能要求。 ( 4 ) 光缆监测系统的现场技术支持：在该产品应用于中国电信国家一级干线 宁汉渝长途光缆维护的实际工程项目中，负责现场技术支持，包括系统调测、 客户培训等工作。 本课题的目标是：通过对课题项目系统的研究与实践，总结出支持资源管理 的光缆自动监测系统的一般设计方法，掌握应用系统的测试方法，积累系统的实 践经验，同时对c s 体系结构，关系型数据库的设计等知识有所了解。 1 2 2 开发环境 本课题项目软件系统开发使用的环境和工具如下： 操作系统环境：m i c r o s o f tw i n d o w s 软件应用程序开发工具：v i s u a lc + + 数据库：s q ls e r v e r2 0 0 0 地理信息系统开发平台：m a p i n f o 1 3 论文结构 本文共分5 章，内容安排如下： 第一章引言，介绍本课题的背景、意义、任务、预期目标等。 第二章光缆自动监测系统原理，介绍光缆监测系统的理论基础、知识技术 和自动化方法。 第三章光缆自动监测系统的需求分析和设计。 第四章光缆自动监测系统的测试和应用。 第五章结束语，对本文工作进行全面总结，给出本文所取得的成果，指出 存在的不足和改进方向。 6 - 气 2 1 概述 第二章光缆监测系统原理 本章简要阐述光缆监测系统相关的基本知识，包括光功率监测，o t d r 测试 基本原理等。 光缆自动监测系统是一种计算机监测控制系统，又可以称为数据采集和处理 系统，这类系统主要功能是以计算机为核心对生产过程中的参数和工况进行巡回 检测。监测系统的输出不直接作用于生产进程的执行机构，不直接影响生产进程 的进行【4 】，完全不影响正常通信网络的运行。目前的光缆监测系统是通过采用网 络技术、数据库技术、地理信息技术实现了对光缆网络的集中监测及资源管理。 光缆监测系统的基本构想如图2 1 所示： 光缆自动监测系统在传输线路中插入不同的监测器件，利用光功率采集监测 器件每隔一段时间对全网的收端光纤的光功率的变化进行监测，一旦超过系统设 置的门限值，就对可能发生故障的光缆进行测试。光功率监测能够实时在线的反 映全网光纤的变化状态，维护手段从原来的被动维护到现在的主动维护，将光缆 网的维护提升到一个较高的水平上，真正实现以低成本和实时性进行光缆在线监 澳i i 。 图2 1 光缆自动监测系统示意图 2 2 常见的光功率监控方式 2 2 1 手工测试方式 光源和光功率计是日常光缆线路测试中常用的测试仪表，如图2 2 所示， 光源的主要作用就是向光缆线路发送功率稳定的光信号；光功率计接收光信号并 7 测量信号的功率值。用光源发送的光功率值减去光功率计的实际接收功率，就可 以得到被测线路的总衰减，结合被测线路的实际长度，可以判定被测试线路是否 存在衰减过大的问题。这种测试要求测试人员分别在被测光纤两个对端机房进行 配合才能完成，操作比较繁琐。 口 2 2 2 分光器原理 光源 图2 2 光源和光功率计 口 光功率计 光缆自动监测系统在不影响或干扰现有的光通信系统和传输监控设备的同 时，对现有的光缆进行在线实时监测，首先要实现的是对光缆中光纤的功率实时 监测。当前流行的在线监测模式，光功率监测单元前端介入9 7 ：3 的l 2 分光 器，如图2 3 所示。 宙一j 孕置 通信光 图2 3 分光器原理图 9 7 的通信光进入光端机，3 的通信光送至光功率采集单元的监测端口。但 为什么要采用这个分光比呢? 因为分光器介入衰减l o s s c 1 - - c 2 的大小由分光 器的分光比决定( 制造分光器的厂家按要求可制做不同分光比的分光器) 。在光 功率监测系统的应用中，主要要求分光器介入到主通信通道器件介入衰减 l o s s c 1 - - c 2 0 5 d b ( 不包括活接头) 。当分光比为1 9 9 时会引起极化。1 的分 光器的输出端的光功率由于极化会引起0 5 d b 的波动。所以要适当增大分光比到 3 9 7 ，也可采用5 9 5 。但是分光比太大则会引起l o s s c 1 - - c 2 增加太大，一般 8 y ， k 不会采用大于5 9 5 分光比的分光器件。分光器加光功率采集单元的方式比起手 工操作来，第一可以随时直接接收光功率值，不用临时介入设备；第二可以直 接监控在用光纤的损耗状态，因为一般来说，手工测试只能对备纤进行测试。 2 3o t d r 设备介绍 光时域反射仪o t d r ，它是借助光时域反射原理进行光纤传输质量测试、故 障定位与诊断的重要仪器，也是光缆线路维护活动中最重要的测试仪表i s 。o t d r 采用背向散射法对光纤的传输质量进行测试。背向散射法测量光纤的原理与雷达 探测目标的原理相似。o t d r 输出一定强度和波长的光脉冲进入连接的光纤中， 这个光脉冲由于光纤内部的不均匀性货在遇到光纤的接头、熔接点、断点、弯曲 时将产生背向散射( 包括瑞利散射和菲涅尔反射) ，这种背向散射光就将光纤上各 点的“信息 送回o t d r 。靠近o t d r 的光波传输损耗少，散射回来的信号就 强，远离o t d r 的光波损耗大，散射回来的信号就弱。o t d r 正是通过及时接 收这种带有光纤各点“信息的背向散射并在屏幕上显示采集到的功率轨迹曲线 来迅速地确定故障点的位置和判断障碍的性质和类别。 以下的公式就说明了o t d r 是如何测量距离的。 d = ( c x t ) 2 ( i o r ) 式( 2 - 1 ) 在公式2 1 中，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 ) 。i o r 是由光纤生产商来标明。 o t d r 使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。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( 损耗距离) 程度。 形成的轨迹是一条向下的曲线，它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。 给定了光纤参数后，瑞利散射的功率就可以标明出来，如果波长己知，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。 另一方面，菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的， 这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。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。 换句话说，o t d r 的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号， 9 然后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行，然后将这些 结果进行平均并以轨迹的形式来显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强 弱( 或光纤的状态) 。 图2 4 就是一个典型的o t d r 测试模拟曲线。其纵坐标是背向散射光强度， 横坐标是时间或距离。在测试时o t d r 不断输出具有一定强度的光脉冲，在入 射点首先由测试连接器产生菲涅尔散射并且最先被接收到，如图中的a 点。接 着在事件点b 一个衰减，这是由于瑞利散射造成的，可能是光纤的弯曲或者连 接器的位置，是一个非反射事件。c 点是一个反射事件，它标志着在此处产生了 菲涅尔反射，可能是光纤的连接处或破损点。反射事件d 产生了菲涅尔反射， 并且后向散射光强度迅速跌落至0 ，这标志着此处为光纤的断点或结束点。 笔 蜊 蹑 米 杂 轻 霍 缸 t lt 2时间( 定离) t 4 图2 4o t d r 测试模拟曲线 2 4 测试方式 按测试的触发机制来分，o t d r 测试方式有以下三种 1 点名测试：监测站m s 的一种监测功能。是指监测中心的操作人员，选 择并遥控某m s 对某