CN111884709A - 一种铁路通信光缆在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路通信光缆在线监测系统及方法，系统包括主控模块、光功率监测模块、OTDR监测模块、光缆振动监测模块、选通模块和光波分复用模块，待监测通信光缆包括多根待监测纤芯和功率监测专用纤芯，主控模块分别与光功率监测模块、选通模块、OTDR监测模块和光缆振动监测模块连接，选通模块分别与OTDR监测模块、光缆振动监测模块和光波分复用模块连接，光波分复用模块与多根待监测纤芯连接，光功率监测模块与功率监测专用纤芯的一端连接，从而能对可能造成通信光缆损伤的振动事件进行早期预警，也能提高通信光缆故障排查的效率。

Description

一种铁路通信光缆在线监测系统及方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种铁路通信光缆在线监测系统及方法。

背景技术

近年来铁路通信网的业务需求增长迅猛，为了提高铁路通信网服务质量，凭借光纤传输介质的抗强电磁干扰能力，光纤通信系统已成为铁路基础承载网的主体。铁路光纤通信系统对扩大和提高铁路运输能力，提高行车密度和保障行车安全，改善调度指挥条件，为铁路运输部门实时、准确的传输、交换、处理各种信息，提高铁路的运输质量，促使铁路运输逐步由限制型向开拓型转变，等各方面都具有重要的社会和经济效益。鉴于铁路光纤通信系统在铁路运输生产指挥中的重要性和光缆敷设环境的特殊性，铁路光通信系统建设时考虑的首要问题是其安全性。随着通信网络中光缆数量的增加以及早期铺设的光缆接近使用年限，因光缆接头盒渗水，衰耗随时间推移而增大等影响通信的现象时有发生，光缆线路因受到铁路施工、建筑挖方、开采岩石、山体滑坡和其他意外事故造成的光缆中断或损伤等事故也时有发生。因此，铁路通信网络运维部门需要随时、快速和准确地了解光纤通断状况及主要参数，以便在光纤发生故障时及时的获取故障信息，准确判断故障点的地理位置，及时排除故障；或者在光纤特性发生劣化之前及时进行更换，确保光纤线路的传输质量。满足这一需求的解决方案是建立光缆线路集中监测系统，实现对光纤线路的光层传输性能、衰减变化及光纤阻断等的自动监测。

传统的光缆线路维护模式是：当光缆线路发生故障后，机房值班人员根据设备的报警信息确定故障线路所在区段，然后用光时域反射仪(OTDR，Optical Time DomainReflectometer)在该区段光缆中光纤进行扫描确定故障光缆纤芯及测量光缆纤芯故障点大致距离，线路抢修人员在监测前站在故障纤芯对应端口上连接光缆普查仪再赶往大致地点通过敲击光缆产生振动以确定故障光缆和光缆的损伤具体位置，在从而进行光缆的抢修。利用现有系统的故障排查大量依赖人工的故障纤芯判定与位置测量，当多根纤芯同时受损时故障排查将使得维护人员辗转于监测前站与现场之间或需要两人(监测前站与现场各一人)同时操作，故障排查效率低下。

在传统的光缆实时在线监测系统中，需要在光功率监测设备检测到功率监测专用纤芯的功率发生变化后，OTDR设备轮询通信光缆中每一根纤芯，以保证发现受损的纤芯。光缆的实时在线监测系统一般采用光开关以实现OTDR监测的切换纤芯。但是功率监测专用纤芯光功率发生变化时，通信光缆已经受到损伤。所以现有的光缆实时在线监测系统不具有光缆损伤故障的早期预警能力。无法在光缆发生故障前就提示系统的使用者对通信光缆受到外界物理量变化而产生光信号变化的位置，采取提前的检查。另外，此时传统的光缆实时监测系统已经错过捕获通信光缆受损时的光缆周边物理量变化的时机，所以传统的光缆实时监测系统无法通过监测物理量及其变化规律以判断事故现场的事故类型。尤其在特殊外部条件下，存在光缆的护套受损，但纤芯并未受损的情况。光功率监测系统无法捕获这种光缆损伤事件。但是如果外皮损伤，外部的水、或具有腐蚀性物质会渗进光缆，加速光缆内容物老化，将会影响光缆的寿命。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铁路通信光缆在线监测系统及方法，通过系统的各模块及对应的连接关系的设计，既能对可能造成通信光缆损伤的振动事件进行早期预警，也能提高通信光缆故障排查的效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铁路通信光缆在线监测系统，系统包括主控模块、光功率监测模块、OTDR监测模块、光缆振动监测模块、选通模块和光波分复用模块，待监测通信光缆包括多根待监测纤芯和功率监测专用纤芯，主控模块分别与光功率监测模块、选通模块、OTDR监测模块和光缆振动监测模块连接，选通模块分别与OTDR监测模块、光缆振动监测模块和光波分复用模块连接，光波分复用模块与多根待监测纤芯连接，光功率监测模块与功率监测专用纤芯的一端连接，其中，

主控模块用于控制选通模块的选通模式，以实现OTDR模块与光缆振动监测模块切换和待监测纤芯的切换，还用于获取光缆振动监测模块的振动记录，还用于接收光功率监测模块的光功率变化数据，并在光功率异常时启动OTDR监测模块，或者周期性地启动OTDR监测模块；还用于接收OTDR监测模块的数据。

作为本发明的进一步改进，多根待监测纤芯用于传输传感光信号和通信光信号，传感光信号和通信光信号的波长不同，光波分复用器用于实现同一纤芯中传输不同波长光信号的分合波。

作为本发明的进一步改进，选通模块包括2x1光开关和1xN光开关，2x1光开关的两个切换端分别与OTDR监测模块和光缆振动监测模块连接，1xN光开关的N个切换端分别与多根待监测纤芯连接，2x1光开关的不动端与1xN光开关的不动端连接。

作为本发明的进一步改进，2x1光开关和1xN光开关设置有用于切换光纤通道的RS232接口，主控模块通过RS232电缆分别与2x1光开关和1xN光开关的RS232接口连接。

作为本发明的进一步改进，1xN光开关为微光机电MOEMS式光开关，2x1光开关为磁光开关。

作为本发明的进一步改进，光缆振动监测模块用于实现对待监测纤芯的振动监测，所述振动监测模块为基于偏振监测的光纤振动传感模块，其对列车经过所产生的振动不敏感。

作为本发明的进一步改进，系统还包括通信模块，通信模块与外部服务器连接，用于将主控模块接收到的数据上传至外部服务器，并接收来自服务器的指令。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种铁路通信光缆在线监测方法，其利用如上述的系统进行在线监测，该方法包括：

一个预设周期内，利用光缆振动监测模块进行振动监测；每满一个预设周期切换至OTDR监测模块接入一次，遍历所有待监测光纤，以获取待监测光纤的OTDR曲线，如存在异常则切换至光缆振动监测模块，并将异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发送至服务器。

作为本发明的进一步改进，该方法还包括：

一个预设周期内，检测到振动异常或光功率异常时，向服务器上报异常事件并将光路切换至OTDR监测模块接入，遍历所有待监测光纤，以获取所有待监测光纤的OTDR曲线，检测到OTDR曲线异常时切换至光缆振动监测模块，并将异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发送至服务器。

作为本发明的进一步改进，该方法还包括：

依据用户终端获取的纤芯编号和异常事件距离进行现场敲击确认以找寻故障光纤所在光缆及故障位置，依次敲击现场所有光缆，光缆振动模块未监测到敲击波形时，更换敲击地点，往靠近主控模块的方向寻找故障光纤；

光缆振动模块监测到敲击波形时，将观测到的敲击波形对应的光缆标记为故障光缆，现场敲击确认的敲击距离与OTDR监测模块预测的故障距离的差值处于预设范围时，判定该光缆及所在位置为与OTDR监测模块所报告的故障纤芯所在光缆及故障所在地点，否则更换敲击地点，往远离主控模块的方向寻找故障光纤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种铁路通信光缆在线监测系统及方法，其通过采用主控模块控制选通模块，以切换OTDR模块与光缆振动监测模块的光传感监测，用以确保捕获通信光缆受到的可能造成光缆损伤的外部事件后自动启动OTDR模块遍历检查通信光缆中纤芯是否受损，并可在OTDR探查到受损纤芯后，再次切换到光缆振动监测模块用以现场的故障光缆与故障纤芯的查找，具有故障光缆、故障纤芯普查的联动功能，可实现单人不需要往返监测前站与现场即可完成光缆故障的维护，降低了光缆的维护成本。

本发明的一种铁路通信光缆在线监测系统及方法，采用光缆振动监测模块持续对光缆进行振动监测，使得在光缆损伤故障发生前维护人员获得报警成为可能，特别是造成单纯光纤外护套受损的振动也落入监测范围，以提高了实时在线监测系统的监测能力。

本发明的一种铁路通信光缆在线监测系统及方法，还可对通信光缆沿线外的振动规律以评估现场的事故类型，线路维护人员可以根据事故类型评估结果针对性的配置抢修所需的设备、工具、材料、人员及其数量，提高了通信光缆维护效率，降低了通信光缆及通信光缆外部设施的维护成本。

附图说明

图1为本发明实施例的一种铁路通信光缆在线监测系统的示意图；

图2为本发明实施例的一种铁路通信光缆在线监测方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例的一种铁路通信光缆在线监测系统的示意图。如图1所示，本发明的一种铁路通信光缆在线监测系统，系统包括主控模块、光功率监测模块、OTDR监测模块、光缆振动监测模块、选通模块和光波分复用模块，待监测通信光缆包括多根待监测纤芯和功率监测专用纤芯，主控模块分别与光功率监测模块、选通模块、OTDR监测模块和光缆振动监测模块连接，选通模块分别与OTDR监测模块、光缆振动监测模块和光波分复用模块连接，光波分复用模块与多根待监测纤芯连接，光功率监测模块与功率监测专用纤芯的一端连接。通过上述设置，可以通过主控模块控制选通模块的选通模式，在待监测通信光缆中的多根待监测纤芯之间切换，还可以在OTDR监测模块和光缆振动监测模块之间切换，从而可以实现多根待监测纤芯的OTDR监测和光缆振动监测。

多根待监测纤芯用于传输传感光信号和通信光信号，传感光信号和通信光信号的波长不同，光波分复用器用于实现同一纤芯中传输不同波长光信号的分合波，从而可以避免光纤传感监测造成对光通信传输的影响，

主控模块用于控制选通模块的选通模式，以实现OTDR模块与光缆振动监测模块切换和待监测纤芯的切换，还用于获取光缆振动监测模块的振动记录，还用于接收光功率监测模块的光功率变化数据，并在光功率异常时启动OTDR模块，或者周期性的启动OTDR监测模块；还用于接收所述OTDR监测模块的数据。

OTDR监测模块用于对多个待监测纤芯进行扫描以确定故障纤芯，并通过时域反射分析确定故障点位置。

光缆振动监测模块用于实现对多个待监测纤芯的振动监测，该振动监测为基于偏振监测的光线振动传感模块，其对列车经过所产生的振动不敏感。

光功率监测模块用于监测光缆中功率监测专用纤芯的光功率变化。

可选的，系统还包括通信模块，通信模块与外部服务器连接，用于将主控模块接收到的数据上传至外部服务器，并接收来自服务器的指令。

可选的，选通模块包括2x1光开关和1xN光开关，2x1光开关的两个切换端分别与OTDR监测模块和光缆振动监测模块连接，1xN光开关的N个切换端分别与多根待监测纤芯连接，2x1光开关的不动端与1xN光开关的不动端连接。从而可以实现在待监测通信光缆中的多根待监测纤芯之间切换，以及在OTDR监测模块和光缆振动监测模块之间切换。当然，利用2x1光开关和1xN光开关来实现上述选通模块仅为一个优选的示例，还可以利用除上述组合以外的光器件来实现上述选通模块。

可选的，1xN光开关为微光机电MOEMS式光开关，其具有成本低、容量点的优点。2x1光开关为磁光开关，其中，磁光开关利用电磁感应原理和法拉第旋光效应来改变入射光束的偏振态，同时结合使用双折射偏振分光晶体，使得通过该器件的光束传播路径发生改变，从而实现光路的切换，同时具有更快的开关速度。

作为一个优选的方案，2x1光开关和1xN光开关设置有用于切换光纤通道的RS232接口，主控模块分别通过RS232电缆与2x1光开关和1xN光开关的RS232接口连接。

可选的，功率监测专用纤芯的另一端连接稳定光源模块。稳定光源模块用于提供一个输出光功率不受温度、电压等环境因素影响而波动或影响波动较小的光信号。

可选的，功率监测专用纤芯在某种情况下也可通过选通模块与传感光信号、通信光信号共用一根纤芯，使用不同波长进行区分，并通过光波分复用器进行分合波。一种铁路通信光缆实时在线监测方法，利用上述在线监测系统进行在线监测，其中，该方法包括：

一个预设周期内，利用光缆振动监测模块进行振动监测；

每满一个预设周期切换至OTDR监测模块接入一次，遍历所有待测光纤，以获取所有待监测光纤的OTDR曲线，如存在异常则切换至光缆振动监测模块，并将振动信号异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发给用户终端送至服务器。

优选的，还包括：

一个预设周期内，检测到振动异常时，向服务器上报异常事件并将光路切换至OTDR监测模块接入，遍历所有待监测光纤，以获取所有待监测光纤的OTDR曲线，OTDR监测模块检测到OTDR曲线异常时，不切换待监测光纤，切换至光缆振动监测模块，并将异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发送至服务器。

优选的，还包括：

一个预设周期内，检测到光功率异常时，向服务器上报异常事件并将光路切换至OTDR监测模块接入，遍历所有待监测光纤，以获取所有待监测光纤的OTDR曲线，OTDR监测模块检测到OTDR曲线异常时，不切换待监测光纤，切换至光缆振动监测模块，并将异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发送至服务器。

优选的，还包括：OTDR监测模块检测到纤芯曲线异常时，不切换待监测光纤，切换至光缆振动监测模块，并将异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发送至服务器。

从而可以确保捕获通信光缆受到的外部振动事件后自动启动OTDR监测模块遍历检查通信光缆中纤芯是否受损，并可在OTDR探查到受损纤芯后，再次切换到光缆振动监测模块用以现场的故障光缆与故障纤芯的查找。

图2为本发明实施例的一种铁路通信光缆在线监测方法的流程示意图。如图2所示，作为一种具体实施方式，该在线监测方法具体流程为：

监测光缆是否存在异常事件或监测时长达到预设周期，异常事件包括超过阈值的振动事件和光功率异常的一种或多种；

监测光缆存在异常事件或监测时长达到预设周期时，切换至OTDR监测模块接入，遍历所有待监测光纤，以获取所有待监测光纤的OTDR曲线，OTDR监测模块检测到OTDR曲线异常时，报告异常纤芯编号、异常事件距离并提醒相关人员，切换至光缆振动模块，工作人员根据所保告的异常事件纤芯编号及距离信息到达预估地点，依次敲击所有光缆并通过用户终端查看敲击波形；

光缆振动模块均未监测到敲击波形时，更换敲击地点，往靠近主控模块的方向寻找故障光纤；

光缆振动模块监测到敲击波形时，将观测到的敲击波形对应的光缆标记为故障纤芯所在光缆，比较通过现场敲击确认的敲击距离与OTDR监测模块预测的故障距离，现场敲击确认的故障距离与OTDR监测模块预测的故障距离的差值处于预设范围时，判定该光缆及所在位置为与OTDR监测模块所报告的故障纤芯所在光缆及故障所在地点，否则更换敲击地点，往远离主控模块的方向寻找故障地点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁路通信光缆在线监测系统，其特征在于，所述系统包括主控模块、光功率监测模块、OTDR监测模块、光缆振动监测模块、选通模块和光波分复用模块，待监测通信光缆包括多根待监测纤芯和功率监测专用纤芯，所述主控模块分别与光功率监测模块、选通模块、OTDR监测模块和光缆振动监测模块连接，所述选通模块分别与OTDR监测模块、光缆振动监测模块和光波分复用模块连接，所述光波分复用模块与多根待监测纤芯连接，所述光功率监测模块与功率监测专用纤芯的一端连接，其中，

所述主控模块用于控制选通模块的选通模式，以实现OTDR模块与光缆振动监测模块切换和待监测纤芯的切换，还用于获取光缆振动监测模块的振动记录，还用于接收光功率监测模块的光功率变化数据，并在光功率异常时启动OTDR监测模块，或者周期性地启动OTDR监测模块；还用于接收所述OTDR监测模块的数据。

2.根据权利要求1所述的一种铁路通信光缆在线监测系统，其中，多根待监测纤芯用于传输传感光信号和通信光信号，所述传感光信号和通信光信号的波长不同，光波分复用器用于实现同一纤芯中传输不同波长光信号的分合波。

3.根据权利要求1所述的一种铁路通信光缆在线监测系统，其中，所述选通模块包括2x1光开关和1xN光开关，所述2x1光开关的两个切换端分别与OTDR监测模块和光缆振动监测模块连接，所述1xN光开关的N个切换端分别与多根待监测纤芯连接，所述2x1光开关的不动端与1xN光开关的不动端连接。

4.根据权利要求3所述的一种铁路通信光缆在线监测系统，其中，所述2x1光开关和1xN光开关设置有用于切换光纤通道的RS232接口，所述主控模块通过RS232电缆分别与2x1光开关和1xN光开关的RS232接口连接。

5.根据权利要求3所述的一种铁路通信光缆在线监测系统，其中，所述1xN光开关为微光机电MOEMS式光开关，所述2x1光开关为磁光开关。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种铁路通信光缆在线监测系统，其中，所述光缆振动监测模块用于实现对待监测纤芯的振动监测，所述振动监测模块为基于偏振监测的光纤振动传感模块。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种铁路通信光缆在线监测系统，其中，所述系统还包括通信模块，所述通信模块与外部服务器连接，用于将主控模块接收到的数据上传至外部服务器，并接收来自服务器的指令。

8.一种铁路通信光缆在线监测方法，其特征在于，其利用如权利要求1-7任一项所述的系统进行在线监测，该方法包括：

一个预设周期内，利用光缆振动监测模块进行振动监测；每满一个预设周期切换至OTDR监测模块接入一次，遍历所有待监测光纤，以获取待监测光纤的OTDR曲线，如存在异常则切换至光缆振动监测模块，并将异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发送至服务器。

9.根据权利要求8所述的一种铁路通信光缆在线监测方法，其中，该方法还包括：

一个预设周期内，检测到振动异常或光功率异常时，向服务器上报异常事件并将光路切换至OTDR监测模块接入，遍历所有待监测光纤，以获取所有待监测光纤的OTDR曲线，检测到OTDR曲线异常时切换至光缆振动监测模块，并将异常OTDR曲线对应的纤芯编号和异常事件距离发送至服务器。

10.根据权利要求9所述的一种铁路通信光缆在线监测方法，其中，该方法还包括：

依据用户终端获取的纤芯编号和异常事件距离进行现场敲击确认以找寻故障光纤所在光缆及故障位置，依次敲击现场所有光缆，光缆振动模块均未监测到敲击波形时，更换敲击地点，往靠近主控模块的方向寻找故障光纤；

光缆振动模块监测到敲击波形时，将观测到的敲击波形对应的光缆标记为故障光缆，现场敲击确认的敲击距离与OTDR监测模块预测的故障距离的差值处于预设范围时，判定该光缆及所在位置为与OTDR监测模块所报告的故障纤芯所在光缆及故障所在地点，否则更换敲击地点，往远离主控模块的方向寻找故障地点。

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