主干光缆监测管理系统的数据采集思考 - 信息谷 - ICITU

摘要：主干光缆监测管理系统的数据管理是主干光缆线路运维数智化的关键。本文重点研究影响地理信息数据、光纤光学长度数据精度的因素，并讨论数据采集的需求及实施方案。实际应用情况表明，数据的精准采集及维护对光缆线路数智化运维有较好的提升作用。

国家广播电视总局在《关于促进智慧广电发展的指导意见》中指出“要推动‘云、网、端’资源要素相互融合和智能配置，构建高速、泛在、智慧、安全的新型综合广播电视传播覆盖体系”。有线网络的智慧化建设中，各地纷纷建设网络资源管理系统，以GIS为基础的广电网络资源管理系统主要是把地理信息和网络资源的数据资料、网络拓扑进行直观展现，针对各类资源的关联性展开深度探究。海量的资源数据，如管道、路由、链路、设备、端口、业务等，逐级逐层呈现在一张图上，便于使用者掌握网络资源分布状况，了解线路网络覆盖和联通情况。浙江省广电主干光缆网覆盖全省11个地市，线路总长1850km。为提升安播保障能力，浙江广联有线电视传输中心建设了主干光缆线路的监测管理系统，其包括光纤监测和资源管理两大部分，结合监测和资管两部分的数据进行线路运维的数智化应用。建设过程中，光缆的数据采集极为重要，如何既精准又便捷地采集、规范化数据维护更新是系统的基础问题。本文主要聚焦数据采集的需求分析及具体方案的制定，并介绍系统的实际应用情况。

监测管理系统的数据采集需求主要包括采集的数据类型和提升数据采集精准度。根据监测管理系统的功能设计要求，除了线路地理信息数据外，为了对主干光缆线路进行故障点的精准定位，还需要采集光缆的各类光学测试距离。线路资源的采集包括管网、杆路、接续盒等；数据类型包括经纬度、高度以及线路的光学测试距离。数据采集要求为数据精度高、采集仪器便携经济、采集操作步骤少。

几大全球定位系统的精度为米级，如北斗系统的北斗三号全球范围定位精度优于10m，实测定位精度均值为2.34m。而通过差分全球导航卫星系统（DGNSS）可以将精度提升到亚米级和厘米级。其中常用的RTK定位算法通过基准站的数据修正，能完成地球自转改正、相对论相应误差、对流层的误差改正。为了克服传统RTK技术的缺陷，网络RTK技术应运而生。网络RTK集成了GPS、Internet、无线通信和计算机网络管理等技术，通过组建连续运行参考站CORS系统，结合基线处理与观测值内插技术，实现流动站实时动态高精度相对定位。目前，市场中有支持RTK服务的北斗采集终端，其以年费形式提供高精度的位置服务，可满足监测系统的地理信息采集要求。比如，手持机G659内置了千寻位置服务，其基于北斗卫星系统（兼容GPS）基础定位数据，利用全国地基增强站及定位算法，以互联网的方式提供高可用差分播发服务，面向各类终端和应用系统，提供高精度定位服务及延展服务。

工程上常用的光纤测试方法是采用光时域反射仪进行光学数据测试。光时域反射仪是利用光纤传输通道存在的瑞利散射和菲涅尔反射特性，通过监测瑞利散射的反向散射光的轨迹，进行光纤测试。为了确定光纤中的断裂点和缺陷的位置，根据光纤前端和远端反射回来的脉冲的时间差，可以计算出光纤长度L：其中，c为光速，n为光纤纤芯折射率，t为光脉冲在光纤中传输的来回时间。L的精度与光脉冲相关，空间分辨率Dzr即测试精度。具体如下：其中，Dts为脉冲持续时间，即OTDR中的脉宽。从上述分析可看出，光纤长度测试的精度与光纤折射率和测试脉宽相关，短脉冲将得到较好的分辨率和较小的动态范围。因此，要提高测试精度，一是测试中严格按照光纤出厂的折射率配置，二是在完成测试的前提下，尽可能用小脉宽，如日常对线路段进行测试，可选择80km的测试距离，平均时间为20s，测试脉宽为3μs，由此能得到较直观清晰的后向散射曲线，最小长度分辨率约为30.7m。

结合广电主干光缆运维实际需求，主干光缆监测管理系统中的数据算法以接续盒为点、以光缆段为线，结合精准GPS数据，赋予每个点、线独立的数据属性。此外，还充分考虑了光缆的盘留长度，盘留长度以点属性形式在系统数据库中添加；算法中还考虑到地图距离与实际光学距离的差异，系统显示数据与实际数据采用数学模型进行比例对应。只有充分考虑到以上几点的智能算法，才能很好地解决距离数据不精准不实用的问题。在日常使用中，系统对线路建设阶段的接续盒位置以及维护阶段的故障抢修点的测试距离进行记录和迭代，为故障定位提供依据，线路段距离信息能根据线路变动（包括改迁、抢修等造成线路距离变更）进行智能更新，使得光缆数据具备实时性、精准性和可用性。故障点位置数据的精度由光学测试误差和地理信息数据误差决定。

项目中采用G659终端进行光缆线路的地理信息数据采集，采集终端配置4G数据卡，预设采集特征库。采集终端支持导出多种格式数据文件，系统自带的APP也能采集数据。此外，监测管理系统能在数据导入时采用批处理工具，提高数据录入效率。

采集终端支持预置特征库。我们预设了位置类别及接续属性两个属性，设置了电杆、手孔、人井、引上杆、电杆+接续盒、手孔+接续盒、人井+接续盒、其他等8种位置类别，基本涵盖了现场采集的类型；在接续属性中设置了接续盒、分支盒等6种类别。例如，现场采集某个电杆数据，位置类别为“电杆”，接续属性为“无”，再选采集按钮，即可自动完成。

采集完成之后，可以导出数据文件，监测管理系统再导入文件，根据采集的数据自动完成资源数据的添加和关联关系的自动生成。系统支持多种文件格式，如KML、GPX、Excel等。其中，Excel格式包括名称、类型、经度和纬度。以上三种格式均为通过G659终端设备采集数据的导出数据文件。

监测管理系统自带的APP采集工具也可以进行数据采集，采集的数据精度和使用APP的手机设备精度有关，一般在空旷、卫星信号足的位置采集精度高。通过APP软件采集的数据可以直接在监测系统中调取，不需要再进行数据文件导出和导入操作，从开始采集、提交、审批到数据生成的整个过程，通过软件系统管理，保证了数据的规范性和保密性。手机APP完成采集提交之后，直接调取采集数据进行审批加载，自动添加到系统中，进行下一步处理。APP采集界面如图1所示。

将采集的数据上传到监测管理系统时，使用了批处理工具，减少了人工录入工作量。只需确定线路的头尾，系统就能按照短距的原则自动生成杆路或管井，并根据线杆或井的经纬度坐标计算出杆路、管道的长度。通过自动计算首尾两点之间管井或线杆的路由连通关系，然后根据通道路由生成光缆线路，整条光缆线路自动根据接续盒的位置生成光纤直熔。批处理工具只需要导入采集的井、杆和接续盒的经纬度位置，系统就会自动生成管道、杆路，并且根据管道和杆路的路由关系生成光缆线路，再自动生成光缆中光纤熔接关系。数据导入界面如图2所示。采集终端的数据可批量导出，生成KML、GPX、Excel等文件。监测管理系统的批处理工具支持多种格式导入。只需选择数据的起点，就能根据地理信息数据，按照点位间距自动首尾相连，这样仅仅需要对极少特殊走向的路由进行简单修正即可。

监测管理系统需要采集各光缆段的距离，具体为各接续盒间的距离。我们提前在机房部署光纤监测设备，以OTDR模块+光开关实现实时测试。施工中从机房侧开始，边熔接边测试数据。此外，还可以采用便携OTDR仪器，现场测试间距。为提高光纤测试精度，我们用光纤监测设备配置参数时，折射率参考光缆出厂测试报告，n选择1.467，量程和脉宽选择Auto。这样，系统会在完成测试前提下，采用合理的小脉宽和量程，提高测试精度。

目前，系统在推广中存在一线员工配合度问题，这主要是因为存量资源的采集难度大，所以，我们的采集策略是在新建工程中边建设边采集，以降低推广阻力。监测管理系统一期与主干网宁波至温州的线路段改造同期实施。线路总长约380km，采集数据点位7000余个。我们设想的是利用几年时间来扩大使用范围，一线维护人员使用资源查询、故障定位等功能提升日常运维效率，相信这会对系统推广带来较好的促进作用。

监测管理系统的数据完成采集后，日常维护中的数据更新是系统能否长期有效使用的关键。我们制定了日常运维的数据维护办法和数据更新采集规则，主要是规范迁改、抢修必须采集的数据，及时在系统中更新。具体的数据包括OTDR测试方式、地理信息数据采集方式、各点位的具体数据等。在资源管理系统中通过迁改流程进行数据更新，保持数据的准确性。

通过对相关数据的高精度采集和维护，在实际运行中，监测管理系统的故障定位的精度和抢修时效都有了保证。宁波至温州的沿海段线路数据在监测管理系统中已运行1年多，实测数据精度在米级范围。实际使用中，乐清段曾发生光缆线路被误剪情况，因为前期主干光缆监测系统采集的数据较为准确，系统定位故障点在某电杆处，实际被剪点位误差小于5m，抢修人员凭借系统给出的位置第一时间赶赴现场，大大提高了抢修时效性，保障了传输安全。