通信光缆故障定位中的GIS技术应用

石刚 土伟政 雷锡连

（国网甘肃省电力公司酒泉供电公司 甘肃省酒泉市 735000）

对于通信光缆来说，一旦线路出现故障不及时修复将会造成十分严重的后果。GIS 技术在通信光缆中的应用为通信光缆故障的快速抢修提供了客观依据，为我国光纤通信事业发展提供了新的思路。

1 GIS与OTDR

1.1 GIS技术

GIS 技术是一项综合性技术，它结合了地理地图学、遥感姿势以及计算机科学等。GIS 作为一种计算机系统，可以快速的实现数据的采集、分类、分析等工作，可以实现对空间信息的分析和处理。GIS 技术在很多领域运用，尤其是在通信光纤行业中的运用逐渐受到重视。GIS 技术的三大特性包括:

（1）空间可视化。GIS 技术可以将地理空间在屏幕上进行演示，可以让我们清楚看到光缆四周的地理情况。

（2）空间导向。GIS 技术所具有的定位功能，通过查询，可以让我们了解到城市所有光缆的分布情况。

（3）空间思维。在空间范围内，通过GIS 技术我们可以了解到多层次地理信息，运用空间思维对环境治理、资源整合、人口等进行综合分析。

1.2 OTDR技术

OTDR 将电、光、计算机等技术进行集成，其基本原理概括来讲就是运用光的反射原理，与雷达的工作原理比较相似。当通信光缆中的某一位置因为外力等原因使得其散射特性发生了改变，当有一束光脉冲通过该段光缆时，经过故障点之后会发生折射或者散射，这时候OTDR 就会在光缆的端口接收到返回来的信息，结合GIS技术，检测人员便可以快速的定位到光缆的故障地点。OTDR 以其良好稳定的光源，为故障点的精确定位和监测提供了很好的保障，在通信光缆故障点定位系统中扮演这不可缺少的角色。

2 基于GIS技术的通信光缆故障定位系统总体设计

对于通信光缆来说，一旦出现故障如果不能快速及时的进行抢修，势必将会给造成巨大的经济损失。而要想快速抢修，对故障点进行精准的定位至关重要。基于GIS 技术的通信光缆故障点定位结合OTDR 为通行光缆故障点的快速、精准定位提供了可能性。

2.1 总体设计思想

基于GIS 技术的通信光缆故障定位系统设计思想应该包含以下几个方面的内容：

（1）通过地理定位功能与OTDR 技术，可以准确的计算出故障点到机房的距离，从而能够精准定位故障点。

（2）精准定位故障点周边的其他光缆，确定距离故障点最近的余缆杆点，提升光缆抢修速度。

（3）该系统要能够满足通过各种相关的关键词能够查询到光缆信息，包括周围的河流、房屋、街道等。

（4）能够实现地理信息转化成数据，并可以实现数据批量导入、交互、统一管理、操作等功能。

（5）除了上述功能之外，系统应该还要具有灵活的地图操管理功能，故障自动报警功能，实现通信设备的日常管理等。

2.2 基本设计原则

图1：数字化地图

基于GIS 技术的通信光缆故障定位系统在设计时应该遵循整体性、结构化、标准化、开放性原则。准确来说整体性原则就是要从整体出发，在系统研发时要将各个阶段进行全局统一，始终贯穿系统工程；结构性原则就是在设计时采用结构化设计工具，使得系统层次分明，模块功能清晰，便于分工协作，易于调试修改等；标准化原则体现的就是数据共享性，我们要将数据格式、软硬件、设备等进行标准化，从而能够实现数据的共享和交互；最后开放性原则就是面向对象开发，可以更好的保证系统的稳定性、可靠性以及易维护性。

3 系统的功能实现

通信光缆故障检修的难点在于故障点的准确定位。当线缆线路发生故障时，能够实现对故障点准确并快速定位，同时检修人员还可以直观的看到故障点周围的环境和其他情况，这是提高抢修效率的关键之处。接下来，笔者就基于GIS 技术的通信线缆故障点定位系统的具体设计过程进行详细的阐述。

3.1 地图数字化处理

在整个系统中最为基础的内容是数字化地图，数字化地图为系统提供了地理实体的空间和属性信息，这些信息将成为系统后续功能实现的基础。从本质上讲，地图数字化就是将地理实体转换成为可计算的数据，计算机可以对这些数据进行计算、兼容、存储等。在地图数字化的过程中有以下几个关键步骤：

（1）地图矢量化。纸质地图通过扫描实现矢量化，从而形成若干矢量化地图，最后将这些矢量化地图进行拼接从而变成完整的矢量化地图存入系统的数据库中。

（2）地图矢量化后续处理。在纸质地图通过扫描转化成为矢量化地图与实际地图之间存在一些误差，那么接下来将存在误差的矢量化地图进行纠正就非常重要，在GIS 中常用的纠正功能是仿射变换方法，通过该方法使得矢量化地图精准度更高。

（3）建立拓扑关系。建立拓扑关系就是要将各种数据进行分类、分层处理，建立网络关系等。

（4）空间数与属性数据的关联。整个系统的核心内容就是数据，没有数据GIS 就无法实现它的功能。在GIS 中，地理空间数据有两种展现形式，一种是空间地理位置信息，另外一种是地理图形信息，空间数据与属性数据是相辅相成的关系，将二者之间关联起来这是GIS 能够实现其功能的关键内容。通过上述四个步骤我们可以得实现地图数字化，如图1 所示。

图2：曲线事件检测流程

3.2 数据库设计

数据库的设计主要涉及到两个方面的内容，一个是空间数据库的设计，另一个是属性数据库的设计。在本系统中，空间数据是通过分层管理，通过这种方式可以实现对数据的快速分类、分析、检索。在设计空间数据库时要遵循以下原则：

（1）同层数据类型要保持相同。

（2）同层数据相互关联。

（3）重点层中放高频数据，次要层中方低频数据。

对于属性数据库的设计，我们要满足能够对线路情况（例如地形、河流、房屋等）了解详细，所以属性数据库的设计时要保证文本每一层对应的一个属性表。这里我们需要注意的是，SMID 是系统中具有唯一性的标识码，它与地理实体是一一对应的关系，通过这个唯一性标识码系统关联到空间数据和属性数据，这样我们就可以定位到故障点所处的空间位置信息。

4 OTDR功能实现

4.1 动态监测范围确定

要想更加准确的判断故障点的位置，就必须用到OTDR 技术，它主要的作用就是分析和检测光缆的工作性能，判断光缆是否出现了故障，通过OTDR 技术分析出故障点的位置与OTDR 测试波长有关也与被监测光缆的动态范围的选择有关。首先，在进行OTDR测试时，测试波长的选择至关重要。在通信光缆的传输过程中，多选择波长为1310nm 和1550nm 的传输波，根据两种波长的特性，我们在OTDR 测试波时应该选择1550nm 附近的波长范围才能够得到更为准确的结果。1625nm 波长的对光缆变化敏感度最高，所以本监测系统选用了1625nm 的波长进行测试。其次，监测距离和动态范围的确定。OTDR的监测距离也被称为RTU能够监测到的长度，OTDR 监测距离主要受到动态范围、传输损耗、接口损耗等因素决定，监测距离计算公式如下：

公式中L 为所能够监测到的最长距离；P 为动态范围；Ac为各种介质损耗；通过上述公式我们可以确定OTDR 最长监测距离以及动态范围。最后，OTDR 曲线的获得。当通信光缆线路一旦出现中断，光信号会在衰减出突然发生改变，通过OTDR 技术我们可以直接获取到OTDR 曲线，通过对曲线进行分析，便可以得到信号突变点距离机房的位置，结合GIS 技术检修人员便可以迅速的了解到故障点的详细情况。

4.2 OTDR曲线信号事件分析

OTDR 曲线上包含了4 项内容即：盲区、非反射事件、反射事件、光纤末端，我们对OTDR 曲线进行分析主要目的就是从OTDR曲线中找出熔接点、光纤断电、光纤尾端等事件，通过数据库中的定义文本类型来区分是哪种事件，然后采用回归分析中的预测模型来对OTDR 曲线事件进行定位，之后会在系统中生成一张事件图表，将所分析出的事件通过图表呈现出来。呈现事件的图表主要包含了这几项内容：事件点具体位置也就是说事件点到被测光纤的距离，事件点衰减，光纤线路上的每公里损耗以及Y 轴上的光功率强度。

为了能够准确的分析出曲线事件，我们必须要噪声抑制，最大程度上突出有用信息。因此，我们要将高频信息进行过滤，减弱噪声之后方可以进行相关的计算。这样曲线中的噪声充分的得到了弱化，而有用信息得到了加强而更多的保留在了曲线中，非常有利于确定曲线事件点的具体位置，具体的曲线事件检测流程如图2 所示。

4.3 故障定位的算法

通信光缆故障点能否准确进行距离定位关键点在与算法的精准性，因此简单、快速、精准是通信光缆故障定位算法的特点。当通信光缆出现故障时，我们借助OTDR 技术获得相对应的曲线，通过对曲线分析得到故障点到机房的距离，然后我们通过故障定位算法，可以更加准确的知道故障点位于机房的哪里，然后通过GIS 定位找出故障点的具体地理位置，从而可以进行快速的抢修。本系统中所采用的故障点定位算法公式如下所示：

公式中XF和YF分别是故障点的X 坐标轴和Y 坐标轴位置，XN是同RN相对应的余缆杆点在X 轴上的位置，同理有XN-1，相对应的有YN、YN-1等Y 轴坐标位置。为RN对应余缆杆点到机房的长度，同理有D 为OTDR 的测试距离，也就是到中心机房的实际距离。

5 故障判断

实际的测试数据由若干条完整曲线组成，这些曲线均采用相同的OTDR 测试仪器所获得的，每条曲线由25001 个检测点组成，对所有检测点从序号0 开始编号直到25000（[0,25000]）。这些检测点中，前一部分属于噪音比较小，因此曲线信息非常明显，正如上文所述，这一部分的事件的识别工作比较好实现。光纤故障判断首先是通过OTDR 所采集到的数据根据上述的事件判断方法对事件点进行判断，将所得到的事件曲线与标准曲线相比较，得出该点的事件属于那种类型，然后产生相应的警报。一旦发生了故障，之后GIS 系统会将事件点的地理信息以及其他相关信息进行定位，检修人员可以从屏幕上直观的看到地理危害信息以及地图图形，确定具体是哪里出现了故障（误差在5m 之内），便可以直接到现场进行抢修。

6 总结

通过本系统，实体地理转化成为了数据存储在服务器中，操作人员可以随时调取所需信息，一目了然。一旦通信光缆出现了故障，通过操作系统，抢修人员可以第一时间知道故障点的具体位置以及故障点相关的其他信息，为维修人员缩短抢修时间提供了保障。