南水北调中线光缆自动监测系统的设计与应用

管世珍，靳艳丽，谢广东

（1.中国南水北调集团中线有限公司河南分公司，河南 郑州 450000；2.原阳水利局，河南 原阳 453000）

0 引 言

南水北调中线干线工程全长1 432 km，共建有5个分公司辖44个现地管理处。各级管理机构之间及管理机构与现地站之间为满足输水调度控制、闸站监控管理、生产运营维护管理、水资源管理、综合办公等功能，并实现语音、图像信息及数据传递，通过干渠两侧的通信光缆线路，沿线规划设计了高速、可靠、安全的通信网络。

光缆自动监测技术是科技和社会领域的一项重大变革。我国处于快速发展阶段，在石油和天然气、航天航空、生物医学、交通、通信、电力、水利行业，光缆的长途传输与部署市场规模迅速扩大。为保障光缆通信的可靠性，对出现的故障能够迅速定位、快速做出反应，光缆自动监测系统在各领域得到普遍应用。

南水北调中线工程运行距离长，自动化程度、光缆使用及维护的要求高。受多种因素影响，光缆线路在使用过程中会出现未知故障而不能正常工作。文章设计了基于地理信息系统（GIS）和光时域反射仪（OTDR）的光缆在线自动监测系统，依据光在光纤中传播时产生的后向散射获取衰减的信息并分析故障原因，结合云平台处理技术，为实现光缆故障的精确定位和高效运维管理提供技术保障，对实现智慧水利具有重大意义。

1 系统架构

南水北调中线干线光缆在线监测项目分别在北京总公司和河南分公司设置2个监测总中心；在北京市、天津市、石家庄市、郑州市、南阳市设置5个省级监测中心；44个现地站及6个监测中心设置监测管理客户端，53套便携式终端按需进行远程监测站的点名测试， 形成三级管理的系统架构（见图1）。现地站采用光缆自动监测系统实现光缆性能的周期性自动测试和性能对比，提前预测光缆参数的变化，自动测试出故障点位置。沿线共布置12个远程监测站，将监测到的光缆运行数据上传至所属各分公司监测中心；各分公司监测中心负责所辖区段光缆监测站信息的采集、汇总、存储和上传，并同时上传至北京总公司监测总中心存储。

图1 光缆自动监测系统架构图

2 系统的原理与组成

光缆自动监测系统由监测中心、监测主机、室内外前站设备、感应电压泄放保护模块、专用路径探测仪、接地电阻在线监测模块等组成，是利用计算机技术、GIS系统、网络通信技术、远程监测站设备、数据库技术和光标记交换（OLS）设备整合实现的智能型监控系统，安装在各前端机房或分机房。

2.1 系统原理

光缆自动监测系统在光缆出现传输故障时及时告警并分析故障原因，精确定位故障点距离，提高抢修效率。光功率监测单位采集通信光功率，通过比较光功率门限值来分析光功率信息，并将信息传送至监测中心分析处理，实现动态告警监测。系统可以实现光缆网络管理和维护的全自动化，通过TCP/IP网络进行光纤实时关联告警测试与周期性测试，可实现光缆损耗无人监测、远程监测与管理、光纤特性分析与预测等多项功能。

监测中心收到远程告警信息后，通过程控光开关选择被测光缆，远程OTDR发生不同于光波长的检测光，WDM监测光传输到网络中，监测中心收到OTDR的测试信息后进行分析，计算故障位置等信息，结合GIS定位和数据库技术，通过提示信息进行光缆故障通知[1]。

2.2 系统组成

光缆自动监测系统由远程监测站RTU、OLS稳定光源、服务器、客户端、光缆自动监测软件、数据库管理系统、GIS系统组成。

2.2.1 远程监测站RTU

远程监测站RTU是OTDR、光开关、光功率等模块通过工业控制技术集成的设备系统，可24 h监测光芯，记录监测状况并分析对比，当发现光纤异常时，可自动判断和分析故障信息，做出准确的故障定位。远端光源监测方式见图2。

图2 远端光源监测方式图

2.2.2 OLS稳定光源

稳定光源安装在测试区段末端，远程监测站设备内的光功率模块实时监测光源发光功率的变化情况，若发生故障，将告警并启动OTDR对故障点定位。光源工作电源：每台光源设备需要双路DC -48 V输入，输入电压为-72～-36 V，接至直流电源柜端子排。光源光路链接：远程监测站RTU为起始端，通过各个闸站工作闸的光纤配线架（ODF）跳纤实现物理链路，光源为链路末端。

实时测试的同时，为满足对安全性和监测成本的考量，采用由监测系统主动提供监测光源的方式，在监测芯线透过中继串接后，将光源安装于末端并设定好，由配套的光功率监测模块进行监测。平时可统计测试结果，当光功率低于预先设定的功率门槛时，立即激活OTDR对该芯线进行测试，以较低成本实现实时告警。

2.2.3 服务器

服务器直接管理辖区内的远程监测站，实时监测辖区内的光芯状态、运行情况等。在数据库分布式结构下，对本区域光缆网络的资源信息进行管理，监测数据的存储与传递、进行数据同步传递等。

2.2.4 客户端

系统使用B/S架构，监测终端、移动终端不需安装任何软件，均使用操作系统配置的IE浏览器即可登录区域监测中心服务器或监测总中心服务器，服务器将根据登录人员的级别和管理权限提供相应的访问服务。

2.2.5 光缆自动监测软件

光缆自动监测软件适用于部门级服务器至UNIX服务器，可应用于UNIX、Windows操作系统对光缆自动实时监测进行操作、管理。

2.2.6 数据库

光缆在线监测系统采用甲骨文的Oracle 11g企业版数据库，适用硬件环境为中大型部门级服务器至UNIX服务器，适用操作系统为Linux、UNIX、Windows。

3 系统的设计与实现

光缆自动监测系统利用目前流行的富网络应用程序（RIA）开发技术之一的Flex，结合精确的GIS系统与实用性较强的数据库技术，集光缆在线自动监测、告警、故障分析、定位、线路保护于一体，为光缆的安全高效运行提供保障，实现光缆物理网络资源实时智能监控和维护管理。

3.1 系统整体设计

光缆自动监测系统遵循基本的设计理念，有监测中心、监测站、光功率测试单元和光源。远程监测站中安装光开关和光反射仪，能够有效监测运行中光缆的光源数据，借助光时域反射仪将采集信号传入监测中心，传输信号经过监测中心判断和分析，实现光缆实时监测。

3.1.1 设计理念

广义的光缆自动监测系统运用计算机、通信和测量技术，通过信息监测、数据传输、信息反馈、远程维护等，有效配置系统中的设备和地址信息，实现信息检索、浏览及下载功能。现地监测站根据设置好的监测周期将实时信息反馈至监测中心，当某处光缆出现故障或者被破坏时，现地监测站可准确定位故障发生位置，及时上传故障信息，实现快速维修[2]。

3.1.2 设计实现的功能

根据光缆系统运行维护需要，设计点名测试、定期测试、故障测试和备纤测试等功能。点名测试是通过监测中心对指定的一个或者多个现地监测点进行测试；定期测试是按周期对现地监测站所辖光缆线路进行必要的监测；故障测试是光缆线路出现故障后，现地监测站及时反馈给远程监测中心，根据报警信息确定故障原因；备纤测试是通过各种波长变化来判断光缆线路是否正常运行。现地监测站与远程监测中心通过TCP/IP协议相互访问，确保信息和数据共享，为光缆故障提供好的处置办法[3]。

3.2 系统硬件与软件设计

光缆自动监测系统硬件与软件设计见图3。

图3 光缆自动监测系统硬件与软件设计图

3.2.1 硬件设计层面

远程监测站RTU的OTDR模块完成光纤的轮巡测试、点名测试、故障测试，每条光纤每次测试保存15 000个数据，发送至网管平台保存与比对。MCU主控制模块管理监测站的各个板卡并与监测中心服务器通信，将监测站状态上报给监测中心，或执行监测中心下发的配置和操作指令[4]。

3.2.2 软件设计层面

光缆自动监测系统具有在线GIS定位、光缆线路管理、光纤运行状况的远程实时监测、设备管理、告警管理、点名测试、定期测试、障碍告警测试等功能，系统界面有用户登陆、系统管理、资源管理、监控管理、多曲线查看、故障定位等功能。

采用ORCALE数据库，各监测区域监测中心服务器数据库的数据自动同步至监测总中心服务器数据库中，互为灾备。当区域监测中心服务器数据库不可用时，监测总中心服务器数据库接管业务功能；区域监测中心服务器数据库修复后，将监测总中心服务器数据库的数据同步至区域监测中心服务器数据库。充分利用网络数据库数据同步的准实时复制特点和双向复制功能，通过命令行模拟网管主站对光缆监测终端的管理功能[5]。光缆自动监测系统软件界面见图4。

图4 光缆自动监测系统软件界面图

3.3 GIS故障点定位功能的实现

GIS系统依据计算机技术、遥感技术和信息技术，收集光缆通信网络覆盖区域范围内的地理数据信息、空间数据信息和光缆线路数据信息。当光缆发生故障时，GIS系统会自动识别数据空间关系失衡的区域，管理庞大的数据信息，控制数据的空间关系，精准定位故障点并将故障位置及时传输给管理人员。

GIS技术在光缆监测中有很大优势，具备数据管理、地图管理、空间分析和通信光缆分析等方面的功能，能够实现图形编辑、地理信息查询、图层管理、格式转换和图形输出，最终将数据信息统计为图标并自动打印，使得管理人员非常直观地获取光缆的运行状况和故障信息。此外，GIS系统还能增强系统储存和管理数据信息。如果外在自然环境、光缆铺设方式、光缆预留长度等信息发生改变，可根据实际的地理信息变化情况更新数据库重点地图元素[6]。

4 系统在南水北调工程中的实践与效果

南水北调中线工程光缆自动监测系统通过3种监测方式实现了应有的功能，并在实践中取得很好的效果。

4.1 监测方式

4.1.1 光功率在线监测

光功率在线监测通过光谱仪将部分光传输设备的工作光传送至预警单元，监测部分工作光以判断光缆运行状况和传输质量。当光缆受到破坏时，工作光信号立即断开报警，系统收到报警后，通信光源和测试光源通过波分复用技术实现光传输。

4.1.2 光功率备纤监测

使用光功率设备中的报警程序实现备用光纤实时监测，当传输设备无法传输和转变光信号时，在1 220、1 360或1 750 nm波长选择任何带宽的光源，通过光源发射光信号，然后监测测试端的工作状态。一旦测试端出现故障光源，信号也会减弱，光缆自动监测系统根据光信号的强弱程度对故障发生的位置和状况进行准确判断并及时修复[7]。

4.1.3 终端机报警离线监测

终端报警离线监测系统在通信业务中断的情况下收集报警信息，对故障光纤进行监测分析，筛选出无用信息，保留有用信息以判别故障位置及原因并进行修复。

4.2 系统实现的功能

南水北调中线工程光缆自动监测系统采用三级拓扑管理实现告警管理、报表管理、系统管理、数据分析等功能，三级管理机构都可以得到测试结果，随时掌握光纤的传输特性。现地站的维护人员可以预先设定测试周期自动完成测试，持续观测光缆发生的变化。当光缆发生故障时，现地站值班人员可以通过系统传输的报警信息，依据光功率告警功能实时监测传输线路的损耗变化情况，及时发现系统存在的各类隐患并采取相应措施。

4.3 系统运用的效果

基于GIS和OTDR技术的光缆自动监测系统的成功设计与运用，实现了南水北调中线工程光缆通信智能化维护，在监控中心实现了系统可视化。在电子地图上以GIS坐标形式清楚显示线路故障点位置，精确到每一个光缆井和渠道桩号，为精准排除光缆故障提供强有力的监控手段，有效减少消除故障的时间，降低对输水调度自动化控制的影响；还可以监测光缆的优劣状况，预报潜在隐患，形成完整的监测数据链，有效预防和减少光缆故障，使光缆运行维护更加主动，确保光缆高效、安全、稳定运行。

通过总公司和分公司的运行数据发现，光缆自动监测系统投入使用后，由光缆故障导致的中断事故，其平均维护时间控制在2 h以内；据2021年统计数据发现，光缆中断次数相比使用前降低60%，为中线工程安全运行提供了坚实保障[8]。

5 结 语

光缆自动监测系统在南水北调中线工程的应用，是长距离调水工程通信技术的重大突破，对光缆线路故障状态进行全定位监测，实现了网络维护的专业化管理，相比传统光缆自动监测系统有着显著的优势。

系统结构更加简明，减少了故障源，具有监测实时性强、准确率高、扩容方便、便于引进及更新技术、可添加其他监测传感器等诸多优势，是自动控制系统的一个重大创新，可运用到多个领域，有广阔的市场需求，在网络安全和运行维护中也发挥着积极的作用。