融合BIM與GIS技術：光纜故障定位系統的創新設計與實現

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.06.027

中圖分類號：TN818 文獻標志碼：A

文章編碼：1672-7274（2025）06-0080-03

Innovative Design and Implementation of an Optical Cable Fault Location System by Integrating BIM and GIS Technologies

XU Chang （TaiyuanCableTVNetworkCo.，Ltd.，TaiyuanO3oo24，China）

Abstract：As the core transmissioncarrierof the information network，the reliability and stability of optical cables directlydeterminetheefficientoperationofthenetwork，whileopticalcablefaultsseverelyconstrainthequality of network services.To this end，this paper proposesa noveloptical cablefault locationsystem that integrates BIM and GIS technologies to achieve visualization of the surrounding environment offault points and precise positioning， providing an efcient solution for the operation and maintenance of communication networks.

Keywords： optical cable; fault location; BIM technology; GIS technology; OTDR

1 研究背景

據統計，通信故障中光纜線路故障約占七成。傳統光纜維護依賴人工實地排查，存在效率低、耗時長、恢復慢等問題。當前常用OTDR故障監測方法，因受機房預留光纜余量、地理環境等因素影響，測量結果與實際故障位置偏差大，誤差達 100m～200m ，影響搶修效率。故引入新技術開展光纜故障定位研究，對提升光纜運行時效性與穩定性意義重大。

2 光纖通信及光纜故障定位原理

2.1光纖傳輸的原理特性及故障定位

2.1.1光纖傳輸的原理

光纖通信是一種借助光纖作為信息傳輸媒介，以滿足遠距離通信的技術。其核心原理在于當纖芯的折射率高于包層的折射率時會在光纖中形成光波導效應使得大部分光被束縛在纖芯中傳輸[1，進而實現全反射，實現信息的有效傳遞。正因如此，光纖通信也常被稱為光波導傳輸。具體而言，全反射這一物理現象發生在光從光密介質（即折射率相對較高的介質）入射至光疏介質（即折射率相對較低的介質）時[2]。在此情境下，光不再發生折射，而是全部反射回原介質之中。

為確保光信號在光纖中穩定傳輸，需滿足兩大條件：一是纖芯的折射率必須大于包層的折射率；二是反射角需大于全反射臨界角。唯有同時滿足這兩個條件，光波方能在光纖中持續不斷地傳輸。

2.1.2光纖通信的特性

光纖通信是一種利用光纖作為信息傳輸介質的通信技術。相較于傳統通信技術，光纖通信憑借傳輸速率高、傳輸距離遠、帶寬容量大、抗干擾性能優越以及傳輸可靠性出色等顯著優勢，在電子信息、廣播電視等領域得到了廣泛應用[3]。以下是對其核心特性的詳細闡述：

（1）超寬帶寬：光纖通信利用光信號承載信息，光信號具備極高的頻率與傳輸速率，因而能夠提供極為寬闊的帶寬資源，充分滿足各類高速數據傳輸需求。

（2）低損耗傳輸：光信號在光纖內部傳輸時，能量衰減較小，這一特性使得光纖通信能夠實現遠距離、高質量的信息傳遞，顯著降低了信號傳輸過程中的衰減問題。

（3）卓越抗干擾能力：與依賴電磁波的傳統通信方式不同，光纖通信采用光信號傳輸，可有效規避電磁波、聲波等各類干擾因素，即便在強電磁場環境中，仍能保持穩定的通信性能。

2.2光纜故障定位原理

OTDR的測試原理基于光纖中的光散射與反射現象。首先，OTDR向光纖的端面發射特定參數的光脈沖信號，此光脈沖信號作為探測信號在光纖中傳播。在光脈沖沿光纖軸向傳播期間，由于光纖材料內部微觀結構的不均勻性，會在各處引發瑞利散射效應。瑞利散射是一種彈性散射，其背向散射分量（即沿光纖入射端方向傳播的散射光）會持續不斷地返回光纖的入射端。此外，當光信號傳播至光纖存在裂紋、接頭損耗點或斷裂等不連續位置時，會發生菲涅爾反射現象。菲涅爾反射是由光在介質界面處折射率突變引起的，其背向反射光同樣會沿光纖返回入射端。OTDR的信號處理模塊會對發射的原始光脈沖信號與返回的背向散射及反射信號進行精確比對。通過分析兩者之間的時間差、幅度變化等特征參數，運用相關算法計算出響應數據，并將這些數據以時域曲線的形式直觀呈現于儀表屏幕之上。

通過觀察這條直觀的時域曲線，能夠獲取諸多關于光纖的關鍵信息。這對于光纖網絡的維護和故障排查至關重要，能夠幫助維修人員快速準確地找到問題所在，及時采取修復措施，確保光纖通信系統的穩定運行。而且，定期使用OTDR對光纖進行測試，還可以建立起光纖性能的歷史數據檔案，通過對不同時期測試曲線的對比分析，進一步了解光纖性能的變化趨勢，提前發現潛在的問題，做到防患于未然。

3 G IS與BIM融合技術

3.1 GIS技術

基于地理信息系統（GIS）軟件本質上它是一種獨具特色的空間信息系統[5]，而GIS技術則是依托地理空間數據的信息技術利器。此技術恰似一位本領高強的“多面手”，能將地理空間數據的存儲、分析、管理、展示以及操作等多項功能巧妙融合，助力人們高效且精準地攻克各類與地理空間信息緊密相連的難題。

基于GIS軟件與關系型數據庫精心打造的光纜網絡資源管理系統它能夠以清晰、直觀的方式，將光纜網絡資源所處的地理位置、各類設備的技術參數詳情、業務屬性特征，以及運維人員所關心的其他個性化屬性信息，全部呈現出來。

當下，GIS技術已在多個相關領域大放異彩，應用極為廣泛。特別值得關注的是，它為光纜線路的維護工作和故障排查任務，搭建起一個可視化、直觀化的技術操作平臺，讓光纜維修工作得以更加高效、有序地推進，維修效率得到了顯著提升。

3.2BIM技術

在現代信息技術發展的推動下，工程領域已從CAD二維時代進入BIM三維時代。在電子信息建設中，BIM不僅是數字化工具，更代表著先進理念，其應用領域不斷拓展。將BIM技術應用于光纜故障定位，通過三維數字仿真技術可精準還原機房、線路現場的實際場景整合設計、施工、竣工及維護等全周期信息，降低人力、物力成本，提高施工效率和經濟效益。BIM技術與工程項目施工深度融合，提升了工程集成化程度，推動了施工技術發展，縮短了工期，優化了施工方案，提高了施工工藝標準，降低了返工率和成本。

3.3BIM與GIS融合后的可視化功能

借助BIM與GIS融合技術，可使光纜施工現場精細化管控與后期運營維護的高效管理。依托BIM模型中精準的光纜敷設路徑數據，精準鎖定故障點周邊潛在建筑物或特定區域。在此基礎上，充分發揮GIS強大的空間分析能力，對故障點附近的地理環境展開多層次、全方位的剖析，有效去除自然因素帶來的干擾。最終，為光纜故障點的定位提供直觀的定位，有助于故障處理工作高效推進。

4 光纜故障定位系統設計原則

4.1系統設計目標

系統融合BIM與GIS這兩項前沿技術，構建了一套高效精準的光纜故障定位系統。在光纜突發故障的場景下，機房內的監測設備會即刻觸發告警機制。此時，維護人員迅速使用OTDR開展檢測工作，獲取OTDR測試曲線數據。

待將該測試曲線數據導入到光纜故障定位系統后，系統便會充分發揮其技術優勢，以直觀的可視化形式呈現出故障點周邊的詳細地理位置信息。不僅如此，系統還能借助強大的數據處理與分析能力，快速且精確地定位故障點的實際地理位置，并精準計算出故障點與最近余纜點的距離。

通過這一系統，維護人員無須再耗費大量時間進行煩瑣的故障點查詢工作，搶修速度得以顯著提升。同時，人工成本也得到有效控制，維護運營階段提供了堅實可靠的基礎支撐，有力保障了整個工程運行的穩定性與高效性。

4.2系統設計原則

在設計光纜故障定位系統時，必須綜合考量多重因素。設計人員需深度洞察光纜工程后期運營維護階段亟待攻克的核心痛點與難點，系統梳理過往工程中光纜故障的類型分布、成因剖析以及維護作業時遭遇的重重阻礙。唯有如此，才能為系統賦予高度的可靠性、精準性以及卓越的高效性。

（1）實用原則。以BIM技術與GIS技術為堅實基石，構建高度仿真的虛擬環境，以此為依托推進系統開發進程。系統應具備實時響應能力，在光纜故障發生的瞬間迅速鎖定故障點位置，助力維護人員即刻啟動修復行動。通過大幅縮短網絡中斷時長，有效削減運維成本投入，切實保障通信網絡的穩定運行，為業務連續性筑牢根基。

例如，在某大型城市的通信網絡中，擁有眾多復雜的地下光纜線路。以往，當光纜出現故障時，維護人員往往需要花費數小時，沿著光纜鋪設路徑進行人工排查，才能確定故障點位置。這不僅導致網絡長時間中斷，給企業和居民的通信帶來極大不便，還造成了高額的運維成本。而采用了基于實用原則設計的光纜故障定位系統后，一旦發生故障，系統能在幾分鐘內精確給出故障點位置。維護人員根據系統提供的詳細信息，快速到達現場進行修復，將網絡中斷時間從原來的數小時縮短至幾十分鐘，大大降低了運維成本，保障了通信網絡的穩定運行。

（2）安全原則。光纜接頭盒的詳細信息、光纜敷設的精確路徑、各站點千米標的精準定位數據以及OTDR檢測所獲取的關鍵數據等，均是工程設計、施工環節中不可或缺的核心資料。這些數據不僅關乎整個工程的順利運營，更直接影響傳輸質量的高低。因此，必須采用科學合理的數據存儲策略，并確保數據安全導入系統，構建多層次、全方位的數據安全防護體系，為系統的穩定運行保駕護航。

（3）先進原則。積極引入BIM與GIS這兩種前沿技術，摒棄傳統設計思維的束縛，大膽探索創新路徑。提出BIM與GIS深度融合的創新理念，旨在突破現有光纜故障測試技術的局限，攻克長期困擾行業的難題與瓶頸。通過技術融合帶來的協同效應，實現故障定位精度與效率的雙重提升，為光纜維護工作注入新的活力。

（4）擴展原則。采用模塊化設計理念，將系統核心功能拆解為多個獨立模塊。通過定義清晰、規范化的接口標準，確保各模塊既能獨立開發、測試與維護，又能實現無縫集成與協同工作。當系統需要新增功能時，只需按需添加相應模塊即可完成功能擴展，避免對現有系統架構造成沖擊。與此同時，對功能開發與測試流程實施精細化拆分，將其細化為多個具有明確邊界的階段。在每個階段中，集中資源與精力，專注于一個或一組具有內在關聯性的功能模塊的實現工作，并同步開展嚴謹細致的驗證流程。通過這種分階段、分步驟的精細化管控手段，嚴格確保每一個功能模塊都能在獨立測試與綜合評估中達到穩定、可靠運行的理想狀態。

5 系統實驗與驗證

選取一段實際光纜線路作為實驗對象，該線路長度為 10km ，包含多個接頭盒和不同地形地貌區域。在實驗環境中，部署本文設計的光纜故障定位系統，同時配備傳統OTDR設備作為對比。將BIM模型數據和GIS地理空間數據導入系統，確保數據準確無誤。

在實驗線路上設置多個模擬故障點，分別使用本文設計的系統和傳統OTDR設備進行故障定位測試。記錄兩種方法的定位結果、定位時間以及定位誤差。每次測試重復多次，取平均值作為最終結果，以保證實驗數據的可靠性。

實驗結果表明，傳統OTDR設備的平均定位誤差為 150m ，定位時間約為 10min ；而本文設計的光纜故障定位系統平均定位誤差為 20m ，定位時間縮短至5min以內。通過對比可以看出，融合BIM與GIS技術的光纜故障定位系統在定位精度和響應速度上明顯優于傳統OTDR設備，能夠有效提高光纜故障搶修效率。

6 結束語

本文針對傳統光纜故障定位技術缺陷，提出融合BIM與GIS技術的光纜故障定位系統設計方案，闡述了相關原理、融合技術，明確設計目標與原則，并深入設計系統架構與功能模塊。實驗驗證該系統定位精度和響應速度優異，可解決傳統技術問題。

參考文獻

[1]工業和信息化部教育與考試中心.通信專業實物傳輸與接入有線[M].北京：人民郵電出版社，2018.

[2]趙克雯.基于BIM和GIS融合的通信光纜故障定位技術研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2024.

[3]楊昊.配電網通信技術綜合比較分析[J].電力大數據，2018，21（06）：87-91.

[4]蔣燕，王新，陳妍，等.一種適用于電力通信網絡的智能光纜運維管理系統[J].電工技術，2020（24）：132-134.

[5]朱華杰.GIS在有線電視網絡資源管理中的應用[J].科技與創新，2019（16）：104-105.