通信光纜故障定位中的GIS技術(shù)應用

石剛 土偉政 雷錫連

（國網(wǎng)甘肅省電力公司酒泉供電公司 甘肅省酒泉市 735000）

對于通信光纜來說，一旦線路出現(xiàn)故障不及時修復將會造成十分嚴重的后果。GIS 技術(shù)在通信光纜中的應用為通信光纜故障的快速搶修提供了客觀依據(jù)，為我國光纖通信事業(yè)發(fā)展提供了新的思路。

1 GIS與OTDR

1.1 GIS技術(shù)

GIS 技術(shù)是一項綜合性技術(shù)，它結(jié)合了地理地圖學、遙感姿勢以及計算機科學等。GIS 作為一種計算機系統(tǒng)，可以快速的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分類、分析等工作，可以實現(xiàn)對空間信息的分析和處理。GIS 技術(shù)在很多領(lǐng)域運用，尤其是在通信光纖行業(yè)中的運用逐漸受到重視。GIS 技術(shù)的三大特性包括:

（1）空間可視化。GIS 技術(shù)可以將地理空間在屏幕上進行演示，可以讓我們清楚看到光纜四周的地理情況。

（2）空間導向。GIS 技術(shù)所具有的定位功能，通過查詢，可以讓我們了解到城市所有光纜的分布情況。

（3）空間思維。在空間范圍內(nèi)，通過GIS 技術(shù)我們可以了解到多層次地理信息，運用空間思維對環(huán)境治理、資源整合、人口等進行綜合分析。

1.2 OTDR技術(shù)

OTDR 將電、光、計算機等技術(shù)進行集成，其基本原理概括來講就是運用光的反射原理，與雷達的工作原理比較相似。當通信光纜中的某一位置因為外力等原因使得其散射特性發(fā)生了改變，當有一束光脈沖通過該段光纜時，經(jīng)過故障點之后會發(fā)生折射或者散射，這時候OTDR 就會在光纜的端口接收到返回來的信息，結(jié)合GIS技術(shù)，檢測人員便可以快速的定位到光纜的故障地點。OTDR 以其良好穩(wěn)定的光源，為故障點的精確定位和監(jiān)測提供了很好的保障，在通信光纜故障點定位系統(tǒng)中扮演這不可缺少的角色。

2 基于GIS技術(shù)的通信光纜故障定位系統(tǒng)總體設計

對于通信光纜來說，一旦出現(xiàn)故障如果不能快速及時的進行搶修，勢必將會給造成巨大的經(jīng)濟損失。而要想快速搶修，對故障點進行精準的定位至關(guān)重要。基于GIS 技術(shù)的通信光纜故障點定位結(jié)合OTDR 為通行光纜故障點的快速、精準定位提供了可能性。

2.1 總體設計思想

基于GIS 技術(shù)的通信光纜故障定位系統(tǒng)設計思想應該包含以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）通過地理定位功能與OTDR 技術(shù)，可以準確的計算出故障點到機房的距離，從而能夠精準定位故障點。

（2）精準定位故障點周邊的其他光纜，確定距離故障點最近的余纜桿點，提升光纜搶修速度。

（3）該系統(tǒng)要能夠滿足通過各種相關(guān)的關(guān)鍵詞能夠查詢到光纜信息，包括周圍的河流、房屋、街道等。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)地理信息轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)批量導入、交互、統(tǒng)一管理、操作等功能。

（5）除了上述功能之外，系統(tǒng)應該還要具有靈活的地圖操管理功能，故障自動報警功能，實現(xiàn)通信設備的日常管理等。

2.2 基本設計原則

圖1：數(shù)字化地圖

基于GIS 技術(shù)的通信光纜故障定位系統(tǒng)在設計時應該遵循整體性、結(jié)構(gòu)化、標準化、開放性原則。準確來說整體性原則就是要從整體出發(fā)，在系統(tǒng)研發(fā)時要將各個階段進行全局統(tǒng)一，始終貫穿系統(tǒng)工程；結(jié)構(gòu)性原則就是在設計時采用結(jié)構(gòu)化設計工具，使得系統(tǒng)層次分明，模塊功能清晰，便于分工協(xié)作，易于調(diào)試修改等；標準化原則體現(xiàn)的就是數(shù)據(jù)共享性，我們要將數(shù)據(jù)格式、軟硬件、設備等進行標準化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互；最后開放性原則就是面向?qū)ο箝_發(fā)，可以更好的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及易維護性。

3 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

通信光纜故障檢修的難點在于故障點的準確定位。當線纜線路發(fā)生故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障點準確并快速定位，同時檢修人員還可以直觀的看到故障點周圍的環(huán)境和其他情況，這是提高搶修效率的關(guān)鍵之處。接下來，筆者就基于GIS 技術(shù)的通信線纜故障點定位系統(tǒng)的具體設計過程進行詳細的闡述。

3.1 地圖數(shù)字化處理

在整個系統(tǒng)中最為基礎的內(nèi)容是數(shù)字化地圖，數(shù)字化地圖為系統(tǒng)提供了地理實體的空間和屬性信息，這些信息將成為系統(tǒng)后續(xù)功能實現(xiàn)的基礎。從本質(zhì)上講，地圖數(shù)字化就是將地理實體轉(zhuǎn)換成為可計算的數(shù)據(jù)，計算機可以對這些數(shù)據(jù)進行計算、兼容、存儲等。在地圖數(shù)字化的過程中有以下幾個關(guān)鍵步驟：

（1）地圖矢量化。紙質(zhì)地圖通過掃描實現(xiàn)矢量化，從而形成若干矢量化地圖，最后將這些矢量化地圖進行拼接從而變成完整的矢量化地圖存入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

（2）地圖矢量化后續(xù)處理。在紙質(zhì)地圖通過掃描轉(zhuǎn)化成為矢量化地圖與實際地圖之間存在一些誤差，那么接下來將存在誤差的矢量化地圖進行糾正就非常重要，在GIS 中常用的糾正功能是仿射變換方法，通過該方法使得矢量化地圖精準度更高。

（3）建立拓撲關(guān)系。建立拓撲關(guān)系就是要將各種數(shù)據(jù)進行分類、分層處理，建立網(wǎng)絡關(guān)系等。

（4）空間數(shù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。整個系統(tǒng)的核心內(nèi)容就是數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)GIS 就無法實現(xiàn)它的功能。在GIS 中，地理空間數(shù)據(jù)有兩種展現(xiàn)形式，一種是空間地理位置信息，另外一種是地理圖形信息，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)是相輔相成的關(guān)系，將二者之間關(guān)聯(lián)起來這是GIS 能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的關(guān)鍵內(nèi)容。通過上述四個步驟我們可以得實現(xiàn)地圖數(shù)字化，如圖1 所示。

圖2：曲線事件檢測流程

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫的設計主要涉及到兩個方面的內(nèi)容，一個是空間數(shù)據(jù)庫的設計，另一個是屬性數(shù)據(jù)庫的設計。在本系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)是通過分層管理，通過這種方式可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速分類、分析、檢索。在設計空間數(shù)據(jù)庫時要遵循以下原則：

（1）同層數(shù)據(jù)類型要保持相同。

（2）同層數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。

（3）重點層中放高頻數(shù)據(jù)，次要層中方低頻數(shù)據(jù)。

對于屬性數(shù)據(jù)庫的設計，我們要滿足能夠?qū)€路情況（例如地形、河流、房屋等）了解詳細，所以屬性數(shù)據(jù)庫的設計時要保證文本每一層對應的一個屬性表。這里我們需要注意的是，SMID 是系統(tǒng)中具有唯一性的標識碼，它與地理實體是一一對應的關(guān)系，通過這個唯一性標識碼系統(tǒng)關(guān)聯(lián)到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，這樣我們就可以定位到故障點所處的空間位置信息。

4 OTDR功能實現(xiàn)

4.1 動態(tài)監(jiān)測范圍確定

要想更加準確的判斷故障點的位置，就必須用到OTDR 技術(shù)，它主要的作用就是分析和檢測光纜的工作性能，判斷光纜是否出現(xiàn)了故障，通過OTDR 技術(shù)分析出故障點的位置與OTDR 測試波長有關(guān)也與被監(jiān)測光纜的動態(tài)范圍的選擇有關(guān)。首先，在進行OTDR測試時，測試波長的選擇至關(guān)重要。在通信光纜的傳輸過程中，多選擇波長為1310nm 和1550nm 的傳輸波，根據(jù)兩種波長的特性，我們在OTDR 測試波時應該選擇1550nm 附近的波長范圍才能夠得到更為準確的結(jié)果。1625nm 波長的對光纜變化敏感度最高，所以本監(jiān)測系統(tǒng)選用了1625nm 的波長進行測試。其次，監(jiān)測距離和動態(tài)范圍的確定。OTDR的監(jiān)測距離也被稱為RTU能夠監(jiān)測到的長度，OTDR 監(jiān)測距離主要受到動態(tài)范圍、傳輸損耗、接口損耗等因素決定，監(jiān)測距離計算公式如下：

公式中L 為所能夠監(jiān)測到的最長距離；P 為動態(tài)范圍；Ac為各種介質(zhì)損耗；通過上述公式我們可以確定OTDR 最長監(jiān)測距離以及動態(tài)范圍。最后，OTDR 曲線的獲得。當通信光纜線路一旦出現(xiàn)中斷，光信號會在衰減出突然發(fā)生改變，通過OTDR 技術(shù)我們可以直接獲取到OTDR 曲線，通過對曲線進行分析，便可以得到信號突變點距離機房的位置，結(jié)合GIS 技術(shù)檢修人員便可以迅速的了解到故障點的詳細情況。

4.2 OTDR曲線信號事件分析

OTDR 曲線上包含了4 項內(nèi)容即：盲區(qū)、非反射事件、反射事件、光纖末端，我們對OTDR 曲線進行分析主要目的就是從OTDR曲線中找出熔接點、光纖斷電、光纖尾端等事件，通過數(shù)據(jù)庫中的定義文本類型來區(qū)分是哪種事件，然后采用回歸分析中的預測模型來對OTDR 曲線事件進行定位，之后會在系統(tǒng)中生成一張事件圖表，將所分析出的事件通過圖表呈現(xiàn)出來。呈現(xiàn)事件的圖表主要包含了這幾項內(nèi)容：事件點具體位置也就是說事件點到被測光纖的距離，事件點衰減，光纖線路上的每公里損耗以及Y 軸上的光功率強度。

為了能夠準確的分析出曲線事件，我們必須要噪聲抑制，最大程度上突出有用信息。因此，我們要將高頻信息進行過濾，減弱噪聲之后方可以進行相關(guān)的計算。這樣曲線中的噪聲充分的得到了弱化，而有用信息得到了加強而更多的保留在了曲線中，非常有利于確定曲線事件點的具體位置，具體的曲線事件檢測流程如圖2 所示。

4.3 故障定位的算法

通信光纜故障點能否準確進行距離定位關(guān)鍵點在與算法的精準性，因此簡單、快速、精準是通信光纜故障定位算法的特點。當通信光纜出現(xiàn)故障時，我們借助OTDR 技術(shù)獲得相對應的曲線，通過對曲線分析得到故障點到機房的距離，然后我們通過故障定位算法，可以更加準確的知道故障點位于機房的哪里，然后通過GIS 定位找出故障點的具體地理位置，從而可以進行快速的搶修。本系統(tǒng)中所采用的故障點定位算法公式如下所示：

公式中XF和YF分別是故障點的X 坐標軸和Y 坐標軸位置，XN是同RN相對應的余纜桿點在X 軸上的位置，同理有XN-1，相對應的有YN、YN-1等Y 軸坐標位置。為RN對應余纜桿點到機房的長度，同理有D 為OTDR 的測試距離，也就是到中心機房的實際距離。

5 故障判斷

實際的測試數(shù)據(jù)由若干條完整曲線組成，這些曲線均采用相同的OTDR 測試儀器所獲得的，每條曲線由25001 個檢測點組成，對所有檢測點從序號0 開始編號直到25000（[0,25000]）。這些檢測點中，前一部分屬于噪音比較小，因此曲線信息非常明顯，正如上文所述，這一部分的事件的識別工作比較好實現(xiàn)。光纖故障判斷首先是通過OTDR 所采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)上述的事件判斷方法對事件點進行判斷，將所得到的事件曲線與標準曲線相比較，得出該點的事件屬于那種類型，然后產(chǎn)生相應的警報。一旦發(fā)生了故障，之后GIS 系統(tǒng)會將事件點的地理信息以及其他相關(guān)信息進行定位，檢修人員可以從屏幕上直觀的看到地理危害信息以及地圖圖形，確定具體是哪里出現(xiàn)了故障（誤差在5m 之內(nèi)），便可以直接到現(xiàn)場進行搶修。

6 總結(jié)

通過本系統(tǒng)，實體地理轉(zhuǎn)化成為了數(shù)據(jù)存儲在服務器中，操作人員可以隨時調(diào)取所需信息，一目了然。一旦通信光纜出現(xiàn)了故障，通過操作系統(tǒng)，搶修人員可以第一時間知道故障點的具體位置以及故障點相關(guān)的其他信息，為維修人員縮短搶修時間提供了保障。