光缆在线监测系统研究 - 信息谷 - ICITU

光纤通信具有容量大、传输距离远、抗干扰能力强、保密性好等诸多优点，加上光缆可与油气管道“同沟同缆”建设，很大程度上节省了光缆线路的铺设费用，因此，光纤通信已逐步成为当前油气管道通信建设的主要方式。然而，油气管道多处于偏远地区，深埋于地下，地震、洪水、泥石流、地质沉降等自然因素，以及基建施工、农业耕作等人为因素，都易造成同沟光缆的损坏，进而引起通信故障。如何快速、精准定位光缆故障点，如何建设与石油行业相适应的精确化、自动化、智能化的光缆监测系统，提高光缆运维效率，降低光缆的维护成本，是石油行业在光纤通信领域亟须解决的课题。

以前，油气管道通信光缆故障一般是通过光传输设备告警、数据通信网中断告警等来发现的，这些告警中包含了许多非光缆因素，不能完全确定是光缆故障，而且故障点位置难以排查。有人提出了通过实时测量到故障点光缆长度、光功率等数据来告知故障点位置。但因光缆不完全是直线路径布线的，通过光缆长度和光功率数据的测量来确定故障点的实际地理位置，存在较大误差，给维护人员的抢修带来困难，抢修成本高，抢修效率低。后来又有人提出了在光缆上安装光缆数据采集装置例如OPM（光功率计）、OTDR（光时域反射仪）设备等，通过这些装置来采集光缆运行的基础数据，然后对采集到的数据进行综合分析，预判可能出现的故障，快速定位已出现的故障[1]。但这种方式不适用于已铺设光缆线路的监测。

本文提出了一种基于DAS（Distributed fiber Acoustic Sensing，分布式光纤声波传感）技术的新型光缆巡线分析及在线监测方案。该方案结合GIS系统、NFC标签、在线监测等技术，能实现对光缆传输管线的精确化、数据结构化、智能化的实时监测监控，从而实现快速处理油气管道光缆的故障，保障光纤通信的安全运行。

DAS是一种利用光纤后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术，它不仅具有普通光纤传感技术的优点，如抗电磁干扰、隐蔽性好、耐腐蚀、绝缘等，而且可以实现光纤沿线动态应变（振动、声波）的长距离、分布式、实时定量检测，在重要场所和重大基础设施的安防监测、大型结构的健康监测、油气资源勘探等领域具有广阔的应用前景[2]。

DAS相比普通OTDR区别主要在于光源，DAS技术采用了窄线宽激光器作为光源，使得叠加的各散射中心的散射光相互干涉，形成抖动的背向散射光曲线。这一差异使DAS对声音振动灵敏度极高，外界轻微扰动会影响叠加的各散射光直接的相位差，从而导致出射的散射光曲线发生变化。

其基本结构与OTDR相似，窄线宽激光器、脉冲调制器、光放大器、环形器、光电探测器和数据采集和处理系统组成，但DAS还多了一组耦合器和声光移频器。

光信号感应的变化由数据采集和处理系统分析处理，使用高灵敏度光探测器检测背向散射光，适配其光强后通过光电转换器变换为模拟电信号，再由200 MHz高速A/D（模拟/数字）采样和转换电路完成信号数字化，交由数据采集和处理系统由RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）处理器和FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）完成对扰动事件的高灵敏解析和精准距离的计算[3]。

运用光缆巡线分析仪，使用榔头和洋镐等工具敲击管井盖或油桩即可测量到光缆路由，分析途径承载设施的光缆到机房的光路距离，便捷完成光缆定位和路由绘制，为光缆监测提供精准路由数据。

光缆巡线分析仪系统由光缆巡线分析仪、云平台、振动敲击器和移动终端组成，结合云计算、边缘计算、移动互联网和物联网等技术，实现光缆资源点定位的功能。

光缆巡线分析仪：发送窄线宽激光信号进入被测光缆，光纤由于受到外界振动而产生背向光相位扰动，通过边缘计算，计算出扰动强度参数在光纤沿途的分布以及对振动事件的判断及其振动位置的距离，接收距离长达40 km；结合嵌入式软件驱动内置的模组依托MQTT协议完成与云端的通信，实现数据交互功能。

云平台：部署在IDC机房，安装光缆路由普查软件系统，具备北向对接现有光缆资源管理平台接口，南向对接光缆巡线分析仪设备和移动终端，完成数据收集、存储、转发和统计分析。

移动终端：安装巡线分析APP，通过网络接入云平台，连接光缆巡线分析仪，是远程操控光缆巡线分析仪的入口，可以进行仪器设备的端口测试、光源开关、脉宽、工作通道、敲击响应算法参数等参量设置，振动敲击器敲击的同时，操作人员可通过移动终端实时接收分析仪判断出的光缆路由和距离信息。

在机房部署光缆巡线分析仪系统，普查人员通过敲击里程油桩、电子桩、标石等资源点，对管道、地埋光缆路由、距离等传输基础资源信息进行采集，并将采集的数据实时上传至云端服务器进行存储。结合GIS系统以及NFC标签对油桩等资源点进行标定。光缆承载设施基础资源信息采集完成后，通过传输资源数字化管理平台对资源点进行实时在线监测[4]。系统架构如图3所示：

系统引入NFC和光缆巡线分析仪等IOT技术，精准录入资源信息，嵌入到网络的运营生产管理和支撑工作中，有利于形成一套有效的光缆管理系统。

光缆在线监测系统由光缆巡线分析仪、数据网、服务器及客户端四部分构成。光缆巡线分析仪完成在线采集光缆原始数据；数据网主要功能为GIS数据、光缆数据、测试数据、故障告警数据等的转发；服务器端主要功能为各种数据的运算及分析并响应客户端的数据请求等；客户端主要功能是用户交互界面，包括光缆实时监测波形、故障报警、报表、资源维护管理等。在线监测组网见图4：

光缆在线监测平台能调用前述光缆巡线分析仪系统的光缆资源数据，接收监控客户端的监控指令和分发测试、告警等消息，为连接到服务器的多个客户端提供测试控制、故障处理、电子地图、光缆拓扑、报表输出等操作功能[5]。其具体功能设计如下：

根据油气管道光缆管理要求，建立油气管道光缆资源数据库，数据信息包括油气管道光缆长度、接头盒位置坐标、在用纤芯、中继段距离、故障报告等内容，通过大数据整合光缆资源信息，为光缆监测提供大数据分析平台。

针对光缆监测需求建立相应的光缆监测数据采集标准、数据制作与数据存储标准，包括监测数据采集、数据处理、数据上传与下载等，实现数据的标准化管理。

系统收到告警，能够启动监测系统对告警光纤进行测试，收到监测故障曲线数据文件后，快速完成故障分析报告，判明故障点的位置、故障点前后资源点位置，在电子地图上显示故障位置及相应标识人井地理信息，发出故障通知单，同时记录故障发生时间和受理回应的时间。该系统具有数据分析功能，包括：光纤曲线数据的对比分析、全程传输损耗、全程光学长度、接头损耗、两接头点之间的光纤衰减系数、光连接器位置、光纤接头盒和光纤断点位置，能够根据某一光纤一段时间内的曲线分析其接头和光纤损耗的时间变化特性。

在光缆发生故障时，以不超过60 s的时间内精确定位故障点位置，向终端和客户端发出报警任务。掌握光缆特性变化、预防光缆故障，对光纤特性长期、定时在线监测，对监测数据分类统计、分析，发现光缆的缆、段、纤、接头的衰耗劣化趋势，捕捉光缆故障的征兆。

为了验证光缆巡线仪的效果，试点测试选取了东莞寮步油库机房至坪山机房光缆段进行测试，并对沿路的加密桩、里程桩进行电子标签改造，具体测试流程如图5所示，振动分析窗口中出现红色波形跳起即代表有效敲击，具体如图6所示。

利用OTDR测量出光衰点的位置，通过对光衰点附近的敲击完成对距离测试的验证，具体见图7、图8。结合NFC标签完成对资源点的标定，具体效果见图9。

相较于传统解决方案，本方案在利用光缆巡线分析仪与NFC标签对油桩等资源点进行信息化、数字化改造，便捷准确地将光缆长度、经纬度信息采集至平台中，并对光缆的运行状态进行有效监测和预防，解决了传统在线监测方案由于光缆的割接、迁改等原因造成故障距离无法准确定位的问题，大幅提高了抢修人员的抢修效率，减少人工测试工作量，减少油气管道光缆中断事故对生产的影响，保障了油气管网的安全运行[6-7]。

本在线监测系统仍存在改进空间，后续需要增加故障信息发送至维护人员手机的功能，使得维护人员能够第一时间获取光缆故障信息，明确故障点位置，进一步提高保障光缆、管网的运行安全能力。