基于光纤传感技术的光缆交接箱监控系统设计_金一昕.pdf

2023年第6期论 文 选 粹基于光纤传感技术的光缆交接箱监控系统设计金一昕（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海市 200092）摘要为解决传统室外光缆交接箱存在的运维成本高、管理效率低等问题，文章提出一种基于光纤传感技术的光缆交接箱监控系统建设方案。该方案能够实现对光缆交接箱的水浸、倾斜、门锁开关等各类非正常状态的监测，并实时反馈到管理平台和智能终端。该系统是上海某运营商推动基础通信设施智慧化运营的成功案例，在实际应用中取得良好的效果，对于其他运营商推动智慧化运营具有一定的借鉴意义。关键词光纤传感技术；光缆交接箱；光交监控系统0引言在城市光网建设中，光缆交接箱（以下简称光交箱）是光网传输的重要设备，是运营商全业务发展需要建设维护的关键。上海某运营商长期以来建设了大量室外光缆交箱，分散在各园区、市政道路、绿化带、小区等。该运营商光交箱常发生被非法开启破损、接入无名光缆等通信安全事件。尽管采用传统光交机械锁和人工周期性巡检相结合的运维管理方式，但运营商监控中心无法第一时间了解光交箱状态，所以仍无法有效降低设备破损、异网非法占用、箱内跳纤被拉断等通信事故的发生。事后线路维护部门还需及时抢修、排摸无名光缆、报备公示等。运营商不仅需支付高额维修成本和人工巡检费用，还遭受用户投诉和满意度下降的困境。另外传统的光交箱开启、建设、维修等也极大影响工作效率。为保证竞争优势，防止发生通信资源人为破坏从而引发通信事故，需要加强对室外光交箱状态的实时监控。本文针对这一现状，提出基于光纤传感技术的传统落地光交箱监控改造方案。1光交箱监控系统建设的必要性在光缆接入网中，光交箱是连接用户主干和配线光缆，从而实现主干纤芯资源在配线区范围内灵活分配的重要设施，是接入网在“最后一公里”实现全业务接入的关键节点，也是保障光缆网络可靠运行的重要环节之一，因此它也是光分配网维护工作的关键。上海某运营商已建成覆盖全市的室外光交网，近年来室外光交箱被非法开启占用、外力破损等安全事故频率逐年上升，严重影响了资源管理和网络畅通。上述事故往往造成接入网信息通信中断，影响用户金融交易、在线学习考试、在线办公、在线会议等重要生产经营和学习活动，导致运营商需经济赔偿，品牌形象受损。为提升用户感知度、提高运维管理效率、降低运维成本，本文提出一种基于光纤传感技术的光缆交接箱监控系统建设方案，提升运营商“最后一公里”智慧化运维能力，助力确保企业可持续发展，实现信息通信新业务的增长。2光纤传感技术概述光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，较容易接受外界信号的加载，是一种优良的敏感元件。光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好。光纤传感，包含对外界信号的感知和传输两种272023年第6期功能。感知是指外界信号按照变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。传输是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。光纤传感的智能化主要体现在光纤传感与通信技术及计算机技术的融合，实现各种功能的智能化，实现信号获取、存储、传输和处理。智能化光纤传感系统在许多新型应用领域受到广泛应用。3光交箱监控系统方案3.1技术路线选择基于光纤传感技术的光交箱监技术控通常有两种方式：单独占用纤芯资源的时分复用技术和共用一芯资源的 WDM（波分复用）技术。单独占用纤芯资源的时分复用技术是每个光交箱都占用 1 芯主干光缆作为监测状态使用，使用 2个波长同时检测 4 个光交箱状态。时分复用技术原理如图 1 所示。共用一芯的波分复用是在业务等级低的纤芯或空闲的纤芯中，使用波分技术，耦合不同波长光信号。每一个状态占用 1 个波长，每个交接箱需要 1芯，在局端汇聚监控单元分出光信号至业务端口，这样不实际占用光纤纤芯。波分复用技术原理如图 2所示。图 1时分复用技术原理图 2波分复用技术原理论 文 选 粹282023年第6期论 文 选 粹上述两种方式相比较，各有优缺点。两种光纤占用方式比较见表 1。从运营商的角度上看，光交箱主干光纤是宝贵的资源，是运营商实现盈利的基础。虽然在占用光纤资源的建设方式下，可以节省一部分投资，但是永久地占用了光纤资源。在共用一芯的建设方式下，虽然投资略微偏高，但是在多年运行后，可以获得更多的业务收入。综上考虑，采用波分复用技术原理实现对光交接箱状态的监控符合长远利益。3.2系统设计上海某运营商智能光交监控系统采用远端汇聚监控单元加波分复用的技术，利用波分复用技术定位光交，通过远端汇聚监控单元监测每个光交箱内采集器的损耗状态，从而实现对光交箱状态的监测。在各区局汇聚节点安装监控单元，光交箱上安装智能采集器设备。接入到分光器中各个光交箱的监控量需要采用不同波长，应避开运营商业务使用的波长，不占用现有的波段资源。根据上海某运营商的网络架构、行政区域的核心局房以及综合机房的分布情况，按以下原则进行设计。a）将汇聚机房、端局机房、光交箱分成三个逻辑层面，整体架构明晰。b）根据行政区域内核心局房的地理分布选取安装远端汇聚监控单元的机房。c）骨干中继光纤与汇聚中继光纤均采用“最短路径+最少跳纤”的方式配置以节省光纤。d）从汇聚机房至光交箱，逐级采用远端汇聚监控单元光分器波分复用器前端监控采集设备，设备层面采用 4 层逐级扩展的方式向下分光，反向则形成向上逐级收敛的态势。通信设备资源智能管理系统与局端汇聚监控单元通过以太网通信，局端汇聚监控单元发出连续光信号，利用主干光纤传输，实时监测光交箱门、锁的开关状态。在光交箱侧采用波分复用设备分波，实现二级光交箱以及倾斜等多状态的监测。智能锁通过手机 APP（应用程序）、网管授权开锁。系统具备授权开锁、权限管理、事件记录、服保派单、短信通知、报表等功能。配套 APP 可分权限管理，监控平台的相关功能，提供现场无钥匙开门等。光纤光交监测系统主要由监控采集器、传输光缆、远端汇聚监控单元、手动微型发电机及智能锁、服务器和服务器上系统软件部分组成，远端汇聚监控单元和服务器通过运营商自有网络连接。3.3监控采集器光采集器部署在光交箱处，一旦光交箱发生门开关、倾斜、水浸等情况可导通和断开纤芯连接，对特定波长的光进行强反射，对其他波长的光实现良好的过滤。监控采集器是由光纤光栅反射器和光通断开关两部分组成的光器件。光纤光栅反射器是利用光纤材料的光敏性制作的一种特定波长反射光器件，是基本光纤传感元件，被广泛用于通信和采集器等多种领域。入射进某一光纤光栅的宽带光，只有满足一定条件波长的窄带光能被集中反射回来，其余波长范围的光都被透射出去。采用不同反射波长的光纤光栅制作光采集器，采集器中开关通断可控制特定波长的光反射信号的功率值高低变化。在一根光纤检测通道中，为不同光交箱中不同监控量的采集器分配不同反射波长的光栅反射器，实现对大批量光交箱内的数字信号量的并发检测。光源发光类型应采用连续光，支持实时监测。光源波长应采用 ITU-T G.694.2 中粗波分复用 18个中心频率栅格的规定，具体波长选择应满足相关排序要求。3.4远端汇聚监控单元远端汇聚监控单元发射宽带光信号到光交箱后，由反射器反射特定波长光信号，给远端汇聚监控单元做检测。当开门时，开关断开纤芯连接，远端汇聚监控单元检测不到反射器，判断门已经打开。门关闭时开关恢复将纤芯连接上，远端汇聚监控单元能检测到反射器。如果需要检测倾斜和水浸，则将门通断开技术路线单独占用纤芯共用一芯优点缺点实现简单、造价低永久占用主干光纤资源节省主干光纤资源实现复杂、造价高表 1两种光纤占用方式比较292023年第6期论 文 选 粹关更换成倾斜和水浸通断开关。远端汇聚监控单元包括嵌入式硬件平台和实时操作系统的多通道多波长解调仪，具有多路同步采集及单光路 20 dB 信号增益能力。单通道可同时连接多个波长采集器，分辨率最小可到 5 nm，可同时容纳最多 16 路不同反射波长采集器。单个通道所有采集器完成一次检测，1 个通道的检测时间为 0.5 s，检测告警上报系统时延不大于2 s。采用机架式设备适合安装在 19 英寸（1 英寸=2.54 cm）标准机架上。设备板卡提供直观、方便的指示灯，包括电源指示灯、运行状态指示灯、端口连接状态指示灯、监控工作模式指示灯等。单套局端汇聚监控单元设备机架内安装高度应不大于 6U。监测状态的端口密度平均每 U 不小于 16 个端口。3.5传输光缆远端汇聚监控单元可以设置在业务汇聚点机房，配置相应的光开关端口，监控汇聚点所接入的所有光交环。远端汇聚监控单元的每个光开关通道接入一个 1n 分光器，通过分光器接入一个光交环下所有光交箱前端监控采集器。每一组分光器下光交箱中的波长反射器具有不同的波长，可以单独检测其波长用于判断该光交门开状态。监控单元与传输光缆连接如图 3 所示。该方式需要占用业务汇聚点到各个光交箱之间的一条纤芯，对各光交箱的传感监控是单独的通路，某一个业务汇聚点到光交箱的光缆中断只影响该光交箱远端汇聚监控单元的信号检测。点对点连接的优点如下：a）监控量之间互不影响，光交箱之间相互独立。b）可以监控远距离的光交箱，中间只有光纤。c）实施快速，在原有线路基础上即可布线。d）布线清晰，方便管理和问题排查。缺点是每个光交都占用业务汇聚点到各个光交箱之间的一芯光纤资源，相对纤芯资源占用多。3.6智能锁及其供电系统智能电子锁内置一组微型电磁铁，当给智能锁供电时，电磁铁吸合，锁舌缩回，此时轻触锁柄，锁柄弹开；当给智能锁断电时，电磁铁分离，锁舌伸出，此时将锁柄按回锁身，锁柄被锁住。支持远程开锁和蓝牙开锁，适用于室内外任何机柜，在非工作状态下，电子锁处于睡眠状态。使用时，通过手摇发电机来给智能锁的控制电路供电，一般在 9 圈。发电机输出电压大约为 5 V。支持 USB 供电方式给光交箱门锁控制电路供电，当手摇式发电机失效、维护人员未携带无线供电模块时，可就近购买电池，通过 USB 接口给光交箱门锁控制电路供电，解决了应急供电的需求。3.7管理平台架构光交箱智能管理平台应遵循光交箱管理规范，满足智能锁的使用和箱体状态监测管理上的需要，能促进管理水平的提升；满足多种业务场景，能从实际使用人员的角度考虑，提高工作效率，提升用户体验；能为各层级不同角色的人员准确地配置和变更功能和数据权限，做到分级管理，将用户精细化管理做到最好、将数据安全风险降到最低；应根据管理和业务需求，提供统一的标准接口，与相关外部系统相互打通，实现系统间数据共享。平台架构拓扑如图 4所示。智能管理平台与硬件厂商网管平台应完全解耦。平台软件源代码及平台与其他系统间的标准通信协议均归某运营商独有，统一规范，统一接口，符合规范的所有硬件产品均可接入。图 3监控单元与传输光缆连接示意图302023年第6期图 4平台架构拓扑图4结束语针对当前室外光交箱缺乏有效监管手段的情况，本文设计了一种基于光纤传感技术的室外光缆交接箱智能化管理系统，无论是监测的及时性，还是安装、维护以及管理方式都有长足的进步。本系统综合运用通信电子技术和计算机软件技术，特别是在室外无源环境中，不额外占用有线链路通道，对光缆交接箱的信息化远程综合管理提供了有效的解决方案。金一昕（1987），男，工程师，主要从事光纤传输相关咨询设计工作。收稿日期：2022-11-02论 文 选 粹6月11日，2023开放原子全球开源峰会在北京举行。工业和信息化部党组成员、副部长张云明出席并致辞。党的十八大以来，我国软件产业整体实力、质量效益以及创新力、竞争力显著提升，产业规模突破10万亿元大关，为保障经济社会平稳健康发展作出了积极贡献。规模大、体系全、竞争力较强的产业体系，为开源发展提供了土壤、积蓄了能量、