1、智能设计检测2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.043Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-09-20;修回日期:2023-02-10作者简介:谢晓华(1996-)，男，硕士，主要从事电力系统研究;E-mail:976507258 qq com。基金项目:中国南方电网公司科技计划项目(项目编号:GXKJXM20170320)。引文格式:谢晓华，蓝波，张均伟，等 耦合光纤和 GIS 技术的地下通信光缆智能系统优化设计 J 粘接，2023，50(2):184-187耦合光纤和 GIS 技术的地下
2、通信光缆智能系统优化设计谢晓华，蓝波，张均伟，黄嘉庚(广西电网有限责任公司 柳州供电局，广西 柳州545000)摘要:针对传统光纤故障监测系统存在定位偏差大、效率低、不够直观等问题，提出了一种基于耦合光纤和GIS 的监测方法，建立了地下通信光缆故障监测系统，并以某市建设东路 N#配电房到中原东路 N#配电房地下通信光缆为例，验证了智能监测方法的有效性。结果表明:系统能够对地下通信光缆故障进行精确定位，且精度误差小于 1 m，能够实现地下通信光缆故障的智能化监测和维护管理。关键词:耦合光纤;GIS 技术;通信光缆;故障定位中图分类号:TN929 5;TM73文献标志码:A文章编号:1001-59
3、22(2023)02-0184-04Intelligent monitoring of underground communication opticalcable faults coupled with optical fiber and GIS technologyXIE Xiaohua，LAN Bo，ZHANG Junwei，HUANG Jiageng(Liuzhou Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co，Ltd，Liuzhou 545000，Guangxi China)Abstract:Communication cables are
4、 very efficient for signal transmission，but sometimes suffer from fiber cuts，re-sulting in a significant increase in the frequency of cable network failures The traditional optical fiber fault monito-ring system has problems such as large positioning deviation，low efficiency，and invisibility A monit
5、oring methodbased on coupled optical fiber and GIS is proposed，and an underground communication optical cable fault monito-ring system is established#Distribution room to Zhongyuan East Road distribution room underground communica-tion cable as an example to verify the effectiveness of the intellige
6、nt monitoring method The results show that thesystem can accurately locate the fault of the underground communication cable，and the accuracy error is less than1 m Intelligent monitoring and maintenance management of communication cable faultsKey words:coupling optical fiber;GIS technology;communicat
7、ion optical cable;fault location光纤通信具备效率高、质量轻、信息传送量大、耗损低等优点，被应用于电话、计算机通信、云数据可访问性、互联网使用等在内的各种通信技术领域。因此，保障光缆的安全直接影响到通信系统的实时性、可靠性和准确性1。然而，由于光纤质地脆、连接点结构复杂以及机械强度低等缺点，导致光纤铺设及工作过程中极易发生故障。此外，传统的光缆诊断系统存在维护周期长、故障定位困难等问题，严重影响通信网络的安全运行。目前，主要采用光时域反射仪(OTDR)对光缆故障的进行监测定位，光缆走向错综复杂，该技术能够监测距离故障点的距离信息，但无法显示地理空间位置，严重影响通
8、信光缆的故障定位和维修2 4。针对光缆故障定位技术，国内外学者做了大量481智能设计检测研究，如结合简单易行的脉冲测距法以及光子计数法高灵敏度的特点，提出光子计数 OTDR 技术5;仅局限于波导结构器件，现实应用过程中无法得到大面积推广。基于可视化查找算法，通过半导体激光器实现了通信光缆故障的高精度定位6;但其技术要求和成本均较高。基于数字相干探测与维纳滤波技术，提出了相位敏感 OTDR，能够实现长距离通信光缆的故障位置、扰动信号强度及频率的同步监测7;但系统需要较高相干性的探测光且测量误差较大。从国内外现有研究来看，大多忽略了故障诊断的现实状况，仅依靠故障点与检测点间的距离测量，难以实现可靠
9、准确的故障定位。光纤通信行业通过提供更可靠的电信链路、更高的性能和不断降低的带宽成本，彻底改变了电信行业。光纤通信技术的进步促进了光纤传感器的发展。基于此，在 OTDR技 术 的 基 础 上 引 入 光 纤 布 拉 格 光 栅(FBG)，对光缆故障进行定位，同时结合地理信息系统技术(GIS)，实现了电子地图中上通信光缆的智能监测，并以某市建设东路 N#配电房到中原东路配电房地下通信光缆实际故障为例，验证了智能监测方法的有效性，以期为智能化通信光缆故障定位的维护管理提供有益借鉴。1光纤故障定位原理及 GIS 系统1 1 OTDR 故障定位 OTDR 技术是从传统的 OTDR 技术基础上发展而来的
10、，2 种技术的区别都来自于 OTDR 技术中光源的改进，将光的特征变化转化为承载光纤振动状态的信号，再进行模数转换，其灵敏度远高于普通的 OTDR，还能同时检测多点入侵事件8-10。除此之外，它还在多种极端环境条件下具有令人满意地执行高质量、高精度、高相干激光等特点。通过使用电光调制器作为强度调制器来实现光源11-12。OTDR 利用瑞利散射的相干效应来检测振动;其系统独立设计用于高速数据传输。硬件系统的框图如图 1 所示，离散反射镜模型如图 2 所示。图 1基于 OTDR 的振动检测原理功能图Fig 1 OTDR vibration detection principlefunction d
11、iagram图 2离散反射镜模型Fig 2discrete mirror model将光纤(长度为 L)平均分成 N 段，且均由 M 个反射镜组成，L 为光脉冲的宽度13。第 k 段内的场矢量和表示为:rkexp j()k=Mi=1aiexp j()i(1)式中:rk为光纤上散射体的幅值;k为光纤上散射体的相位和;i和 ai分别为 L 范围内背向瑞利散射体的相位值和幅值。散射光的相位和幅度概率密度函数表示为:()P r=r2exp r22()2r 0(2)P()=12，(3)式中:为均匀分布，r 为正态分布;2为概率最大的反射率;1 2GIS 技术GIS 技术为存储、分析、描述和输出地理信息提
12、供了方法，它使用地理模型和数据库提供各种动态和空间地理信息系统，并将相关地理信息通过图形的方式进行展现，GIS 系统由系统管理人员、地理空间数据、计算机硬件和软件系统构成 14-16。GIS 系统功能包括:数据采集、数据编辑、数据库管理与存储、空间查询、产品显示等。数据的采集是将统计数据、文字报告、地图数据和物化遥感数据等录入系统。数据管理和存储能够提供数据修改、检索、存储和更新的功能，决定 GIS 的数据分析精度和效率。空间查询包括拓扑叠加、空间模型和空间检索分析，可以实现网络、数字地形等多种模型性的分析，是 GIS 系统的核心功能。产品显示是可视化表达GIS 的重要功能，输出全要素地图，工
13、作人员可以对其进行缩小或放大展示。13光纤布拉格光栅传感器理论光纤光栅具有插入损耗低、回波损耗高、制作简单等显著优势。考虑具有平均折射率光纤的均匀布拉格光栅，每个布拉格波长()与相应的模式有效指数(n)之间的关系由下式给出 17-18:=2n()(4)式中:为光栅周期;下标 为横模的阶数。由于沿光纤的折射率周期性变化，引入了 2 个横模之间的耦合，结果激发了新的布拉格波长，激发布拉格波长与2 个相应的耦合横穿模式之间的关系由下式给出:，V=n，()V+nV，()V(5)式中:和 V 为2 个不同的横模的阶数。由于被激发的布拉格波长，V 恰好位于 和 v之间的中间，式(6)可以改写为:，V=+(
14、)V/2(6)考虑具有平均折射率光纤的均匀布拉格光栅，折射率分布可以表示为:neff=neff1+vcos2L+()()L(7)式中:neff为光栅周期内空间平均的折射率变化;v 为581智能设计检测折射率变化的边缘可见性;(L)为光栅啁啾。光纤光栅的耦合模式方程为:dRdz=iR+iKSdSdz=iS iKR(8)式中:K 为耦合系数。2光缆故障监测系统优化设计21系统总体设计耦合 FBG 光缆线监测系统由 GIS 地理数据采集、下级测试单元以及中央管理服务端组成，系统框架如图3 所示。其中，GIS 地理数据采集模块用于寻线定位地理坐标，并通过 TCP/IP 协议将地理数据传输至中央管理服务
15、端 19。中央管理服务端负责配置管理、故障告警和数据储存等核心功能。同时，系统还包括客户端管理单元，可为光纤维护人员提供数据查询和维护，易于使用，操作界面简单。图3监测系统总体框架图Fig3Overall framework of monitoring system22组网方式网络结构分为 3 层，分别为最底层、中间层以及最上层，系统网络结构，如图4 所示。图4系统网络结构Fig4System network structure将FBG 和 OTDR 连接光纤的2 端，FBG 用于监测光纤是否发生故障。OTDR 能够计算出光纤损耗分布特性曲线，非破坏性的探测光纤的运行状况，并分析得出光纤的故障
16、位置。远程测试单元通过波分复用器和多路光开关对 OTDR 进行复用 20。而手持 GIS 数据采集模块由 DTU 模块和 GPS 定位器组成，将串口数据转换为 IP 数据通过网络传输至无线终端和中央管理器。服务器为系统网络结构的中间层，包括后台软件、MySQL 数据库、电子地图。服务器用于 OTDR 的配置管理、解调仪数据分析、告警处理、测试结果以及地图告警定位功能。将系统数据库中的预存长度与计算结果进行对比，判断光纤线路是否发生故障。若光纤线路故障，发出光纤故障告警至客户端，以可视化图形的方式将结果展现于电子地图，并通知光纤维护工作人员。客户层为系统最上层，光纤维护人员可以通过客户端浏览器访问服务端的告警情况、电子地图访问等光纤状态信息。系统开发模式为 BIS 模式，具有操作简单、分布性强、易维护、成本低等优点。23基于耦合 FBG 的光缆网络监测耦合 FBG 的光缆网络测试模块，如图5 所示。图5远程测试模块Fig5Remote test module从图5 可以看出，模块在 OTDR 中断监控系统的基础上增加了一个光纤光栅和解调仪 11。后端服务器连接解调仪和 OTDR，实现数据
