研究基于物联网架构的光缆监测新方法

大家好，我们来自美丽的鹭岛——厦门，一城春色半城花，万顷波涛拥海来。厦门风景秀丽，气候怡人，是中国著名的海上花园。



然而，作为一座海岛城市，每年平均经受4到5次台风的影响。2016年，超强台风“莫兰蒂”造成了大面积的光缆受损，累积高达448处，累计的光缆故障抢修时长达6000多个小时，在极端环境下，及时修复光缆故障至关重要。

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图1 超强台风“莫兰蒂”重创厦门



事实上，从统计图可以看出，修复及时率下降的非常明显，已经无法达到要求的基准值，提高光缆抢修效率刻不容缓。



那么，是什么制约了我们的抢修效率呢？通过分析，发现故障定位是影响效率的最大因素。我们尝试优化解决，梳理了故障定位的6大步骤，在一周的时间里，划分19个网格，将维护人员增加至60人，同时，增加技能培训，平均定位时长仍然高达110分钟，无法解决问题。

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图2 影响光缆故障抢修效率各因素分析



怎么办？需要新方法，我们直接从“光缆监测”入手查新，发现没有可直接应用的方法，但是光反射定位和振动波定位的理论启发了我们。



随后我们打破局限，从“智能监测，快速定位”进行再次查找，发现匹配度较高的结果集中在公共安全领域。其中，森林火灾监测系统采用物联网三层架构进行系统搭建，非常具有借鉴价值。并且，传输设备也有成熟的监测方式，能够实现快速定位，同样值得我们借鉴。



最终我们决定，研究基于物联网架构的光缆监测新方法，这是我们的团队，小组计划用十个月的时间来完成新方法的研究。



我们通过线性二次指数平滑预测，为了达到挑战值，平均定位时长需下降至40分钟。这就形成了我们的课题目标！



那么是否可行呢？通过借鉴对比设备故障定位流程，发现虽然实现原理不同，但都定义为三个阶段，前后两个阶段的内容一致，如果光缆故障在预定位阶段也能够实现自动定位，那么有望缩短至40分钟以内。

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图3 方案类比分析



随后，我们选择5条光缆进行测试，人为制造故障点，通过在机房驻守模拟自动定位，得到平均定位时长为35分钟。



而软硬件资源和高技能人才的支撑始终是我们的优势，通过三个维度的分析，目标可行。



接下来，小组展开头脑风暴，将无法亲和的条目丢弃，第一次亲和得到了数据采集、处理和管理三大类功能。第二次亲和后形成了光波传感方案和振动传感方案。



光波传感方案借鉴了物联网架构以及光波阈值检测等技术原理，通过集成化光模块测算光缆状态，同时利用光反射原理定位故障点，判断故障类型，最后结合光缆资源呈现故障点。

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图4 光波传感方案示意图



而振动传感方案同样借鉴物联网架构，采用振动波检测等技术原理，通过实时跟踪振动波变化测算故障点，实现场景分析并提前预警，最后利用大数据剔除环境干扰，实现精准定位。

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图5 振动传感方案示意图



孰优孰劣，我们从三个维度对比分析，借鉴极差标准化法量化评估。首先，利用线性评估法得出两个方案的故障报警率，通过直方图分析定位误差，同时统计出了开发成本。根据评估结果，光波传感方案为最佳方案。



随后，我们提出了三大实现模块和对应的备选细化方案，并进行优选。



（1）首先是监控纤芯的选择。一种是在用纤芯的分光监测，另外一种是单独提供光源监控空闲纤芯。两者的报警率均达标，但是为了不影响现网业务，我们选择监控空闲纤芯的方式。



（2）接着是监控模式的选择。并行监控需安装多套设备，而串行监控能够大大减少设备的投入。在效果一致的情况下，我们选择成本更低的串行监控。



（3）在检测方式的选择上，算法定位通过历史数据测算定位，打点定位通过现场反馈定位。打点定位的误差更低，但两种方式分别存在“一点外”和“六点递减”的异常，继续跟踪后发现打点定位的误差值正常受控，因此选择打点定位。



（4）在系统集成方面，我们对比了内外部耦合的结构关系，并进行耦合度计算，最终选择了扩展性高的外部耦合方式。



到此，四个最佳细化方案全部确定。

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图6 最佳细化方案树状图



小组根据5W1H原则制定对策实施表，并进行PDPC分析。



转眼到了6月，我们运用箭条图确定了对策一的关键路线，梳理了110条光缆作为监测对象，部署了监测站。对影响报警率的四个因素进行正交实验，“算一算”和“看一看”结果不一致，报警率均未达标。在分析和确认新的位级后展开二次实验，最终得到最优参数组合，进行仿真试验，确认稳定性。



系统实现精准报障，达到了95%的目标要求。就在这时，我们收到集团公司关于金砖峰会的“四高”保障要求，我们随即优化方案，对多个重保场馆同时部署空闲纤芯和在用纤芯的监控，报警率进一步提升，可以满足金砖级别的保障要求。



在网络层，通过部署OTDR功能，得到光缆的测试报告，将打点统计的数据录入。



7月份的定位误差控制在30米以内且过程稳定。



应用层以实际数据管理为主，开发了系统的对接接口。



模块间耦合性集中在0.58，系统独立性高，便于后期扩展。



接下来我们对系统进行压力测试、报表校验和系统修正，系统成功上线，实现了实时感知光缆故障，自动进行OTDR测试，在地图上直接显示断点位置。

系统的试运行成功率高于设定目标。



同时，光缆故障的月平均定位时长也下降至38分钟，课题目标实现，新方法在6个月内，获得经济效益共计146万元。



时至金砖会议召开之际。大厦之门，金砖闪亮，这是在福建举办的规格最高的国际会议，新方法有效的控制光缆抢修时长，保证网络质量，人民邮电报等多家媒体都给与了大力报导。

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图7 圆满完成金砖厦门会晤保障工作



随后，小组对系统进行了多次修订和完善，制定了用户和维护手册并下沉部署，我们继续跟踪，月平均定位时长均控制在40分钟以内，修复及时率也达到了挑战值。为了实现良性循环，小组制定了一系列的接口和技术规范，形成标准化模板以供推广，新方法在今年全省部署，并将逐步推广至全国，为青岛上合峰会提供厦门经验。



随后我们进行了经验总结，课题成功运用了物联网架构，进行光缆故障监控，建立了集团领先，“三横五纵”的传输应急调度平台，真正实现了物与物、人与物之间的互联。



我们继续分析，发现光交故障占比高达43%，而且与用户投诉量成正相关，下一步，我们将研究基于物联网架构的光交监测新方法。