CN117768018B - 一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法，包括管理系统和光纤监测设备；每个光纤监测设备均包括光功率检测单元、通信与管理单元、恒定光源和OTDR检测单元；通信与管理单元的一端分别与光功率检测单元、恒定光源和OTDR检测单元连接；通信与管理单元的另一端通过网络与管理单元连接。本发明从高速公路实际应用出发，直接面向通信光缆运维，采用恒定光源和OTDR联合检测技术，提出一种新的高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统，具有光缆监测效率高、成本低、对在用系统影响小以及能够连续实时监测、易维护的优点，能够快速准确的定位通信光缆出现故障的位置，使之更适用于光纤资源丰富的高速公路应用。

Description

一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法

技术领域

本发明属于光缆数字化监测与智慧应用技术领域，具体涉及一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法。

背景技术

随着光纤通信技术的发展和广泛应用，通信光缆已成为高速公路收费数据、视频监控、语音监听、电话通讯和电视信号等业务传输的主要通道。随着高速公路里程不断增加，通信光缆具有布置距离长，布置位置偏远等问题，由此导致难以低成本、快速准确的对通信光缆进行有效监测，并及时定位通信光缆出现故障的位置。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统，包括管理系统和n个光纤监测设备；n个光纤监测设备按光纤传输方向，依次为：第1光纤监测设备,第2光纤监测设备,…,第n光纤监测设备；每个光纤监测设备均包括光功率检测单元、通信与管理单元、恒定光源和OTDR检测单元；所述通信与管理单元的一端分别与所述光功率检测单元、所述恒定光源和所述OTDR检测单元连接；所述通信与管理单元的另一端通过网络与所述管理单元连接；

其中：所述光功率检测单元包括第1光功率检测端口和第2光功率检测端口；所述恒定光源包括第1光源发射端口和第2光源发射端口；所述OTDR检测单元包括OTDR检测器和可控光开关；所述可控光开关包括主光口、第1切换光口和第2切换光口；所述OTDR检测器的发射端口与所述主光口的一端连接；所述主光口的另一端，分别与所述第1切换光口和所述第2切换光口连接。

本发明还提供一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，构建光纤监测网络拓扑架构；

按光纤传输方向，从第1光纤监测设备到第n光纤监测设备，并行各串接主用光缆和备用光缆；具体方法为：

步骤1.1，主用光缆的多个纤芯中，选取1个纤芯作为日常监测纤芯，选取1个纤芯作为故障检测纤芯，剩余纤芯作为业务传输纤芯；备用光缆的多个纤芯中，选取1个纤芯作为日常监测纤芯，选取1个纤芯作为故障检测纤芯，剩余纤芯作为业务传输纤芯；

步骤1.2，主用光缆按光纤传输方向，划分为n-1段，每段主用光缆连接在相邻的两个光纤监测设备之间；备用光缆按光纤传输方向，划分为n-1段，每段备用光缆连接在相邻的两个光纤监测设备之间；

设在任意两个相邻的第i光纤监测设备和第i+1光纤监测设备之间，布置第j段主用光缆和第j段备用光缆，其中，i＝1,2,…,n-1，j＝1,2,…,n-1；

其光纤连接方式为：

主用光缆的日常监测纤芯的连接：

第i光纤监测设备的第1光源发射端口与第j段主用光缆的日常监测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的日常监测纤芯的光发送端连接到第i+1光纤监测设备的第1光功率检测端口；

备用光缆的日常监测纤芯的连接：

第i光纤监测设备的第2光源发射端口与第j段备用光缆的日常监测纤芯的光接收端连接，第j段备用光缆的日常监测纤芯的光发送端连接到第i+1光纤监测设备的第2光功率检测端口；

主用光缆的故障检测纤芯的连接：

设单个光纤监测设备的OTDR探测距离为L1，相邻两个光纤监测设备之间的布置距离均为L2；根据L1和L2的关系，采用以下方式布置：

如果L2≤L1＜2L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用逐站配置方式，即：第i光纤监测设备的第1切换光口与第j段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的故障监测纤芯的光发送端悬空，实现第i光纤监测设备仅对第j段主用光缆的故障监测纤芯进行探测；

如果2L2≤L1＜3L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用跳1站配置方式，即：设第i光纤监测设备为前一段故障检测纤芯悬空设置的光纤监测设备，第i光纤监测设备的第1切换光口与第j段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的故障监测纤芯的光发送端与第j+1段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j+1段主用光缆的故障检测纤芯的光发送端悬空，实现第i光纤监测设备同时对第j段主用光缆和第j+1段主用光缆的故障监测纤芯同时进行探测；

依此类推

如果mL2≤L1＜(m+1)L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用跳m-1站配置方式；

备用光缆的故障检测纤芯的连接：

根据L1和L2的关系，光纤监测设备的OTDR检测单元采用逐站或跳站配置，对其OTDR覆盖范围内的各备用光缆的故障检测纤芯进行OTDR探测；

步骤2，注册过程：

每个光纤监测设备初次上电时，向所述管理系统进行注册，使所述管理系统获得每个光纤监测设备的IP地址以及各段光缆和相应端口的绑定连接关系；

步骤3，主用光缆和备用光缆日常监测方法：

在日常监测时，采用主用光缆光功率检测模式，对主用光缆日常监测纤芯进行实时检测，判断主用光缆是否出现故障，如果有，则执行步骤4；如果没有，则继续检测，并定时唤醒主用光缆OTDR检测模式，对主用光缆故障监测纤芯进行光纤断点及质量故障检测，基于主用光缆OTDR检测模式，如果检测到主用光缆出现光纤断点及质量故障，则执行步骤5；

在日常监测时，采用备用光缆光功率检测模式，对备用光缆日常监测纤芯进行实时检测，判断备用光缆是否出现故障，如果有，则执行步骤4；如果没有，则继续检测，并定时唤醒备用光缆OTDR检测模式，对备用光缆故障监测纤芯进行光纤断点及质量故障检测，基于备用光缆OTDR检测模式，如果检测到备用光缆出现光纤断点及质量故障，则上报所述管理系统；

步骤4，主用光缆和备用光缆的光纤断点及质量故障检测模式：

当日常监测到主用光缆出现故障时，临时唤醒启用主用光缆OTDR检测模式，基于主用光缆故障监测纤芯，判断出主用光缆故障点或断点位置，并上报给管理系统；

当日常监测到备用光缆出现故障时，临时唤醒启用备用光缆OTDR检测模式，基于备用光缆故障监测纤芯，判断出故障点或断点位置，并上报给管理系统；

步骤5，主用光缆和备用光缆切换：

管理系统实时获得主用光缆和备用光缆的状态，当主用光缆出现故障，备用光缆没有出现故障时，对主用光缆和备用光缆进行切换，使备用光缆进行业务传输通信；当检测到主用光缆故障解除恢复正常后，再切换回主用光缆，使主用光缆进行业务传输通信。

优选的，在日常监测时，采用主用光缆光功率检测模式，对主用光缆日常监测纤芯进行实时检测，具体为：

第i光纤监测设备的恒定光源和第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，联合用于对第j段主用光缆的日常监测纤芯进行实时检测；其检测过程如下：

1)调试第i光纤监测设备的恒定光源，设定其光源发送功率；

2)确定光功率接收标准值：

在调试阶段，使恒定光源按所述光源发送功率，向第j段主用光缆的日常监测纤芯发送恒定光，经第j段主用光缆的日常监测纤芯传输后到达第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，第i+1光纤监测设备的光功率检测单元检测接收到的光的光功率值，取设定时间段的平均值，作为光功率接收标准值；

3)实时检测：

在实时检测阶段，恒定光源按所述光源发送功率，实时向第j段主用光缆的日常监测纤芯发送恒定光，经第j段主用光缆的日常监测纤芯传输后到达第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，第i+1光纤监测设备的光功率检测单元实时检测接收到的光的光功率值，如果连续3次接收到的光功率值与光功率接收标准值的偏差大于设定值，则认为主用光缆日常监测纤芯出现故障，立即上报给管理系统；否则，则按时间间隔T，定时将检测到的光功率值上报给管理系统。

优选的，步骤4中，当日常监测到主用光缆出现故障时，临时唤醒启用主用光缆OTDR检测模式，基于主用光缆故障监测纤芯，判断出主用光缆故障点或断点位置，具体为：

当基于第j段主用光缆的日常监测纤芯，日常检测到第j段主用光缆出现故障时，确定覆盖第j段光缆OTDR探测的光纤监测设备的编号，表示为第h光纤监测设备，然后，第h光纤监测设备通过第1切换光口，向其覆盖范围的主用光缆的故障监测纤芯的光接收端发送探测信号，探测信号在覆盖范围的各主用光缆的故障监测纤芯中传输探测，并当遇到故障位置或断点位置时，产生返回信号，并被第h光纤监测设备的OTDR检测器接收到；第h光纤监测设备的OTDR检测器根据接收到的返回信号的特征，识别到故障位置或断点位置。

优选的，管理系统还包括地图管理显示和心跳探测模块；所述地图管理显示和心跳探测模块用于：

(1)管理系统存储地图，所述地图中在相应地点，显示各个光纤监测设备，同时显示各个光纤监测设备的连接关系；

(2)各个光纤监测设备定时向所述管理系统发出心跳短消息“Hello”；

(3)所述管理系统判断是否在规定时间内接收到心跳短消息，如果接收到，则向所述光纤监测设备发送“OK”字符，同时在地图中标记该光纤监测设备为“在线状态”；

(4)如果所述管理系统在连续3个心跳周期内未收到所述心跳短消息，则在地图中标记该光纤监测设备为“离线状态”。

本发明提供的一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法具有以下优点：

本发明从高速公路实际应用出发，直接面向通信光缆运维，采用恒定光源+OTDR(光时域反射仪)联合检测技术，提出一种新的高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统，具有光缆监测效率高、成本低、对在用系统影响小以及能够连续实时监测、易维护的优点，能够快速准确的定位通信光缆出现故障的位置，使之更适用于光纤资源丰富的高速公路应用。

附图说明

图1为本发明提供的一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明从高速公路实际应用出发，直接面向通信光缆运维，采用恒定光源+OTDR(光时域反射仪)联合检测技术，提出一种新的高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统，具有光缆监测效率高、成本低、对在用系统影响小以及能够连续实时监测、易维护的优点，能够快速准确的定位通信光缆出现故障的位置，使之更适用于光纤资源丰富的高速公路应用。本发明主要应用于高速公路主用和备用光缆监测和基于该监测的数字公路建设。该发明所提出方法和系统同样也可应用于其它等级公路。

本发明提供的一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统，具有以下特点：

(1)联合采用基于恒定光源和光功率的日常监测模式和OTDR检测模式；其中，基于恒定光源和光功率的日常监测模式，采用全天候工作模式，提供秒级监测，实时监测光纤光衰减变化和通断状况，同时按照小时或天的测量频次定时唤醒OTDR检测模式，辅助加强检测光纤断点及质量故障。而当日常监测模式检测到光纤出现故障时，临时唤醒OTDR检测模式，准确定位光纤断点及质量故障。因此，OTDR检测模式，具有定时唤醒检测平时休眠的模式以及临时唤醒检测平时休眠的模式，由于OTDR检测设备价钱昂贵，因此，此种模式可延长其使用寿命，降低成本。本发明中，日常监测模式和OTDR检测模式配合，能够在低功耗和低成本的前提下，实现光缆的实时检测和准确定位，同时提高检测结果的可靠性。

(2)本发明中，将光缆的纤芯区分为三类，分别为：日常监测纤芯、故障检测纤芯和业务传输纤芯，因此，采用业务传输纤芯分离的模式，避免了监测或检测对通信传输业务的影响。

(3)本发明中，OTDR检测单元的探测距离较长，实现隔站配置，降低系统中成本较高组件的比例，降低成本。

(4)本发明中，主用光缆和备用光缆同时并排布置，通过一套光纤监测设备可实现主用光缆和备用光缆之间的状态转换和切换，既降低检测成本，又保证通信可靠性。

本发明提供的高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统，参考图1，包括管理系统和n个光纤监测设备；n个光纤监测设备按光纤传输方向，依次为：第1光纤监测设备,第2光纤监测设备,…,第n光纤监测设备；每个光纤监测设备均包括光功率检测单元、通信与管理单元、恒定光源和OTDR检测单元；所述通信与管理单元的一端分别与所述光功率检测单元、所述恒定光源和所述OTDR检测单元连接；所述通信与管理单元的另一端通过网络与所述管理单元连接；

因此，本发明包含两部分组件：一部分是处于站级的光纤监测设备；一部分是处于路段中心站或者省级中心的管理系统。两部分通过专线或4G/5G物联网进行数据传输，多个光纤监测设备通过管理系统联网运行。

光纤监测设备包含具备数据总线功能和供电功能的机架式机箱、通信及管理单元，恒定光源、光功率检测单元、OTDR检测单元等，为软硬一体的设备，选配的各单元通过背板与通信与管理单元连接交互信息。

具体的，本发明中，所述光功率检测单元包括第1光功率检测端口和第2光功率检测端口；所述恒定光源包括第1光源发射端口和第2光源发射端口；所述OTDR检测单元包括OTDR检测器和可控光开关；所述可控光开关包括主光口、第1切换光口和第2切换光口；所述OTDR检测器的发射端口与所述主光口的一端连接；所述主光口的另一端，分别与所述第1切换光口和所述第2切换光口连接。

光纤监测设备主要功能均包括：(1)独立运行功能；(2)心跳保持功能。

管理系统用于对所辖的各光纤监测设备提供设备注册功能、绑定端口、光纤监测设备状态监测、光纤监测设备配置、光纤监测设备网络拓扑管理、地图管理、与其它系统对接等功能，并为管理人员提供管理界面及授权的操作窗口。

管理系统主要功能包括：

(1)光纤监测设备注册功能：各光纤监测设备通过专线或4G/5G物联网，将设备注册到管理系统，注册后设备硬件码(或MAC地址)与IP地址绑定；

(2)绑定端口功能：将连接同一段光纤的两端端口绑定，可进行光发送、光接收数据的对应；可控光开关与光纤接口的对应等；

(3)光纤监测设备状态监测功能：设备注册、端口绑定后将各光纤监测设备各组件状态上传给管理系统；同时各光纤监测设备通过心跳机制与管理系统联络；

(4)光纤监测设备配置功能：配置心跳信令周期、数据定时上报周期、OTDR定时检测周期等；

(5)光纤监测设备拓扑管理功能：通过端口、光纤对应关系，严格按照光发送-接收关系建立拓扑；对于路由可选择光路，保留不同光方向，通过可控光开关状态启用在用路由；

(6)地图管理功能：可将管理系统、光纤监测设备、光纤路由编辑在地图上，提高管理和操作可视化；

(7)与其它系统对接功能：包括和通信传输设备、光纤切换装置管理系统、智慧高速综合管控服务平台等系统的注册互认管理；将光纤自动监测数据同步到智慧高速综合管控服务平台等系统；将光纤自动监测电子地图与智慧高速综合管控服务平台电子地图同步更新；与光纤切换装置管理系统同步光缆编号及拓扑等数据；不同系统间注册及控制信令互转等。

本发明提供的一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，构建光纤监测网络拓扑架构；

按光纤传输方向，从第1光纤监测设备到第n光纤监测设备，并行各串接主用光缆和备用光缆；具体方法为：

步骤1.1，主用光缆的多个纤芯中，选取1个纤芯作为日常监测纤芯，选取1个纤芯作为故障检测纤芯，剩余纤芯作为业务传输纤芯；备用光缆的多个纤芯中，选取1个纤芯作为日常监测纤芯，选取1个纤芯作为故障检测纤芯，剩余纤芯作为业务传输纤芯；

步骤1.2，主用光缆按光纤传输方向，划分为n-1段，每段主用光缆连接在相邻的两个光纤监测设备之间；备用光缆按光纤传输方向，划分为n-1段，每段备用光缆连接在相邻的两个光纤监测设备之间；

设在任意两个相邻的第i光纤监测设备和第i+1光纤监测设备之间，布置第j段主用光缆和第j段备用光缆，其中，i＝1,2,…,n-1，j＝1,2,…,n-1；

其光纤连接方式为：

主用光缆的日常监测纤芯的连接：

第i光纤监测设备的第1光源发射端口与第j段主用光缆的日常监测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的日常监测纤芯的光发送端连接到第i+1光纤监测设备的第1光功率检测端口；

备用光缆的日常监测纤芯的连接：

第i光纤监测设备的第2光源发射端口与第j段备用光缆的日常监测纤芯的光接收端连接，第j段备用光缆的日常监测纤芯的光发送端连接到第i+1光纤监测设备的第2光功率检测端口；

主用光缆的故障检测纤芯的连接：

设单个光纤监测设备的OTDR探测距离为L1，相邻两个光纤监测设备之间的布置距离均为L2；根据L1和L2的关系，采用以下方式布置：

如果L2≤L1＜2L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用逐站配置方式，即：第i光纤监测设备的第1切换光口与第j段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的故障监测纤芯的光发送端悬空，实现第i光纤监测设备仅对第j段主用光缆的故障监测纤芯进行探测；

如果2L2≤L1＜3L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用跳1站配置方式，即：设第i光纤监测设备为前一段故障检测纤芯悬空设置的光纤监测设备，第i光纤监测设备的第1切换光口与第j段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的故障监测纤芯的光发送端与第j+1段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j+1段主用光缆的故障检测纤芯的光发送端悬空，实现第i光纤监测设备同时对第j段主用光缆和第j+1段主用光缆的故障监测纤芯同时进行探测；

依此类推

如果mL2≤L1＜(m+1)L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用跳m-1站配置方式；

备用光缆的故障检测纤芯的连接：

根据L1和L2的关系，光纤监测设备的OTDR检测单元采用逐站或跳站配置，对其OTDR覆盖范围内的各备用光缆的故障检测纤芯进行OTDR探测；

步骤2，注册过程：

每个光纤监测设备初次上电时，向所述管理系统进行注册，使所述管理系统获得每个光纤监测设备的IP地址以及各段光缆和相应端口的绑定连接关系；

步骤3，主用光缆和备用光缆日常监测方法：

在日常监测时，采用主用光缆光功率检测模式，对主用光缆日常监测纤芯进行实时检测，判断主用光缆是否出现故障，如果有，则执行步骤4；如果没有，则继续检测，并定时唤醒主用光缆OTDR检测模式，对主用光缆故障监测纤芯进行光纤断点及质量故障检测，基于主用光缆OTDR检测模式，如果检测到主用光缆出现光纤断点及质量故障，则执行步骤5；

在日常监测时，采用备用光缆光功率检测模式，对备用光缆日常监测纤芯进行实时检测，判断备用光缆是否出现故障，如果有，则执行步骤4；如果没有，则继续检测，并定时唤醒备用光缆OTDR检测模式，对备用光缆故障监测纤芯进行光纤断点及质量故障检测，基于备用光缆OTDR检测模式，如果检测到备用光缆出现光纤断点及质量故障，则上报所述管理系统；

本步骤中，在日常监测时，采用主用光缆光功率检测模式，对主用光缆日常监测纤芯进行实时检测，具体为：

第i光纤监测设备的恒定光源和第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，联合用于对第j段主用光缆的日常监测纤芯进行实时检测；其检测过程如下：

1)调试第i光纤监测设备的恒定光源，设定其光源发送功率；

2)确定光功率接收标准值：

在调试阶段，使恒定光源按所述光源发送功率，向第j段主用光缆的日常监测纤芯发送恒定光，经第j段主用光缆的日常监测纤芯传输后到达第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，第i+1光纤监测设备的光功率检测单元检测接收到的光的光功率值，取设定时间段的平均值，作为光功率接收标准值；

3)实时检测：

在实时检测阶段，恒定光源按所述光源发送功率，实时向第j段主用光缆的日常监测纤芯发送恒定光，经第j段主用光缆的日常监测纤芯传输后到达第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，第i+1光纤监测设备的光功率检测单元实时检测接收到的光的光功率值，如果连续3次接收到的光功率值与光功率接收标准值的偏差大于设定值，则认为主用光缆日常监测纤芯出现故障，立即上报给管理系统；否则，则按时间间隔T，定时将检测到的光功率值上报给管理系统。

步骤4，主用光缆和备用光缆的光纤断点及质量故障检测模式：

当日常监测到主用光缆出现故障时，临时唤醒启用主用光缆OTDR检测模式，基于主用光缆故障监测纤芯，判断出主用光缆故障点或断点位置，并上报给管理系统；

当日常监测到备用光缆出现故障时，临时唤醒启用备用光缆OTDR检测模式，基于备用光缆故障监测纤芯，判断出故障点或断点位置，并上报给管理系统；

本步骤中，当日常监测到主用光缆出现故障时，临时唤醒启用主用光缆OTDR检测模式，基于主用光缆故障监测纤芯，判断出主用光缆故障点或断点位置，具体为：当基于第j段主用光缆的日常监测纤芯，日常检测到第j段主用光缆出现故障时，确定覆盖第j段光缆OTDR探测的光纤监测设备的编号，表示为第h光纤监测设备，然后，第h光纤监测设备通过第1切换光口，向其覆盖范围的主用光缆的故障监测纤芯的光接收端发送探测信号，探测信号在覆盖范围的各主用光缆的故障监测纤芯中传输探测，并当遇到故障位置或断点位置时，产生返回信号，并被第h光纤监测设备的OTDR检测器接收到；第h光纤监测设备的OTDR检测器根据接收到的返回信号的特征，识别到故障位置或断点位置。

步骤5，主用光缆和备用光缆切换：

管理系统实时获得主用光缆和备用光缆的状态，当主用光缆出现故障，备用光缆没有出现故障时，对主用光缆和备用光缆进行切换，使备用光缆进行业务传输通信；当检测到主用光缆故障解除恢复正常后，再切换回主用光缆，使主用光缆进行业务传输通信。

管理系统还包括地图管理显示和心跳探测模块；所述地图管理显示和心跳探测模块用于：(1)管理系统存储地图，所述地图中在相应地点，显示各个光纤监测设备，同时显示各个光纤监测设备的连接关系；

(2)各个光纤监测设备定时向所述管理系统发出心跳短消息“Hello”；

(3)所述管理系统判断是否在规定时间内接收到心跳短消息，如果接收到，则向所述光纤监测设备发送“OK”字符，同时在地图中标记该光纤监测设备为“在线状态”；

(4)如果所述管理系统在连续3个心跳周期内未收到所述心跳短消息，则在地图中标记该光纤监测设备为“离线状态”。

下面介绍本发明提供的高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法的一个具体实施例：

(一)：光缆实时监测实现方法：

步骤1.1：管理系统初始化过程如下：

步骤1.1.1：按照规定修改用户界面；

步骤1.1.2：数据库初始化并关联到应用系统；

步骤1.1.3：以系统超级管理员用户分级别建立系统用户，并对其进行相应授权；

步骤1.1.4：从关联系统下载数字地图或启用内置数字地图。

步骤1.2：光纤监测设备与管理系统初始化过程：

步骤1.2.1：光纤监测设备初次上电运行，需先通过便携式调试笔记本修改切换装置名称、IP地址、管理系统IP地址；

步骤1.2.2：修改完成后，光纤监测设备连接通信专线或4G/5G物联网，重启光纤监测设备，通过自动寻址管理系统，发出通信请求；

步骤1.2.3：得到应答后与管理系统通信，光纤监测设备在管理系统上初次建立连接、校验、注册；

步骤1.2.4：上报本机状态、硬件版本信息、软件版本信息；对比管理系统上可用远程升级版本，若不是最新版本，下载更新软件；

步骤1.2.5：软件版本更新后，光纤监测设备通过自检信息上报配置板卡状态，管理系统生成该站设备可视化图形状态；

步骤1.2.6：系统配置本站光纤监测设备与其它站光纤监测设备的连接关系，包括各板卡光口对应关系、光纤对应关系等，将恒定光源与光功率检测单元对应，设定光功率检测初始值，并将光纤监测设备与电子地图地理位置相对应，可支持调试人员手动输入或表格导入。

步骤1.2.7：将光纤监测设备中选配的OTDR检测单元光口与光切换开关、光缆与电子地图地理位置及路径相对应绑定；

步骤1.2.8：配置结束后，对光纤监测设备下发参数，并测试联通性。

步骤1.2.9：显示连通性测试反馈正常后完成通信。

每个站点的光纤监测设备均进行该过程，便可形成全路甚至全省域光缆监测拓扑结构，并与电子地图对应，可图形化展示和操作。

步骤1.3：光纤监测设备与管理系统注册心跳过程如下：

步骤1.3.1：光纤监测设备定时给管理系统发出心跳短消息“Hello”；

步骤1.3.2：管理系统在规定时间内收到心跳短消息，回执光纤监测设备“OK”字符，同时标记该光纤监测设备为“在线状态”，图标以清晰图标或彩色图标显示；

步骤1.3.3：光纤监测设备收到“OK”，通信过程结束；

步骤1.3.4：管理系统若三个心跳注册周期内未收到心跳短消息，标记该“离线”，以灰色图标显示该设备状态，并等待接收下次心跳短消息。

步骤1.4：与智慧高速综合管控服务平台对接及数据传输过程：

步骤1.4.1：配置软件及通信接口；

步骤1.4.2：根据需要启动与智慧高速综合管控服务平台通信请求；

步骤1.4.3：得到管理系统应答和同意后，发出电子地图等下载及更新请求；或者发出数据上报请求；

步骤1.4.4：得到管理系统应答后，操作调用相应接口函数；

步骤1.4.5：完成后进行校验；

步骤1.4.6：校验成功后结束数据传输过程。

步骤1.5：恒定光源实时监测过程：

设相邻的两个光纤监测设备分别为光纤监测设备E1和光纤监测设备E2。

步骤1.5.1：安装时对恒定光源进入光纤监测设备E1ODF配线架前光功率检测3-5次，取平均值设定为光纤监测设备E1的恒定光源发送功率；

步骤1.5.2：根据对应关系，在光纤监测设备E2的光功率检测端口，调试光功率计实测接收光功率值，光功率检测值与实测值对应，可设定为光功率接收标准值，同步存储到管理系统；

步骤1.5.3：光纤监测设备E1的恒定光源持续发出光，经主用或备用光缆的日常监测纤芯传输后，被光纤监测设备E2的光功率检测单元检测到，光纤监测设备E2每300毫秒实时读取监测光功率变化，连续3次测到偏离光功率接收标准值1dBm，即刻上报检测到的光功率值。与光功率接收标准值比较，无突变时每10分钟或每1小时上报一次接收光功率(根据数据存储空间设定无异常监测频率)，启动监测上报数据校验过程；

步骤1.5.4：管理系统通过校验，接收光功率检测值，与光功率接收标准值对比，异常超过1dBm时存储数据并启动OTDR光纤断点及质量故障检测过程；正常时仅存储数据；

步骤1.5.5：通信过程结束。

步骤1.6：光时域反射技术(OTDR)光纤断点或质量故障点检测过程：

步骤1.6.1：因监测到光功率突变通过程序唤醒或管理者主动启动OTDR检测过程；

步骤1.6.2：设置光切换开关，连接光输入接口与输出接口，连接主用和备用光纤路由；

步骤1.6.3：启动OTDR检测，检测光缆并记录返回检测结果；

步骤1.6.4：光纤监测设备暂存检测结果并立即将数值通过通信专线或4G/5G物联网上传至管理系统；

步骤1.6.5；管理系统结合检测数据对应电子地图，计算出光纤断点位置(地图坐标及桩号位置)，并在电子地图上调用、叠加图标，标注出光纤断点位置；

步骤1.6.6：将结果通过短信、APP、邮件等方式反馈给责任人员：

步骤1.6.7：记录结果并结束通信过程。

(二)：主用光缆和备用光缆数字化监测及自动切换方法

首先从主用光缆中分别选取2芯作为日常监测纤芯和故障检测纤芯。从备用光缆中分别选取2芯作为日常监测纤芯和故障检测纤芯。

其次，将主用光缆的日常监测纤芯连接其两端站点的恒定光源和光功率检测单元的对应端口，作为主用光缆实时监测。将备用光缆的日常监测纤芯连接其两端站点的恒定光源和光功率检测单元的对应端口，作为备用光缆实时监测。

再次，将OTDR检测器连接可控光开关的主光口，通过可控光开关的两个切换光口，各连接主用光缆的故障检测光纤和备用光缆的故障检测光纤。最后，将每个站的光口的连接关系用端口及拓扑进行记录。

步骤2.1：主用光缆和备用光缆日常监测方法

步骤2.1.1：主用光缆和备用光缆日常监测调用步骤5过程，记录实时监测数据。

步骤2.1.2：定时唤醒OTDR，先检测主用光缆，记录其检测数据3次，取平均值存储。再检测备用光缆，记录其检测数据3次，取平均值存储。

步骤2.1.3：在管理系统上图形化显示主用光缆、备用状态处于良好状态(如绿色)。

步骤2.2：主用光缆和备用光缆故障检测方法

日常监测发生大的数据偏离即判断为发生故障，此时临时唤醒OTDR模块。

步骤2.2.1：先检测主用光缆故障检测纤芯，记录其检测数据3次的平均值，判断故障点或断点位置，存储、上报数据。

步骤2.2.2：控制光开关，将OTDR光路导入备用光缆故障检测纤芯，记录其检测数据3次的平均值，判断故障点或断点位置，存储、上报数据。

步骤2.2.3：在管理系统上图形化分别显示主用光缆、备用状态处于良好或故障状态(如绿色)。

步骤2.2.4：按照系统设定，通知相关运行维护管理人员。

步骤2.3：主用光缆和备用光缆切换支持

步骤2.3.1：将主用光缆、备用光缆状态数据反馈给切换装置端口。

步骤2.3.2：从切换装置获得数据，在光缆监测系统更新展示实际业务使用光缆状态为备用光缆。

步骤2.4：故障检修后系统恢复

步骤2.4.1：故障解除后，通过监测到主用光缆状态正常，即更新显示状态。

步骤2.4.2：将业务从主用光缆切换回备用光缆，并在确认切换成功后，在光缆监测系统更新展示实际业务使用光缆状态为主用光缆。

(三)基于光缆数字化监测的电缆偷盗防范智慧应用方法

首先光缆起、终点及路由数据与地理信息系统(GIS)坐标协调一致。通过恒定光源发送、光功率检测接收实时监测光缆光功率变化，及时侦测到由于盗窃行为破开管道产生的光缆振动导致的光功率畸变，甚至由于同时截断光缆导致光纤监测传输中断。此时及时启动OTDR进行断点检测，检测到光缆断点光纤距离并通过换算对应到地理系统坐标，通过联动附近的摄像机实时监控视频或发生前0-3分钟录像，及时追踪犯罪线索。

步骤3.1：智能防范监测过程：

基于光缆和通信管道以硅芯管同路由敷设，光缆偷盗一般会干扰甚至破坏到通信光缆，造成监测光功率异常变化的原理。

步骤3.1.1：确认实测光功率超过规定阈值，见步骤1.5.3。

步骤3.1.2：调用步骤1.6进行光纤断点或质量故障点检测过程；

步骤3.2：智能防盗联动告警过程：

步骤3.2.1：将检测到的光纤断点或质量故障点位置信息同步给相关信息平台，平台联动周边事件检测(如人的活动、停车等)；

步骤3.2.2：平台联动周边视频监控摄像机及其告警前2-5分钟录像；

步骤3.2.3：将结果自动推送到大屏幕对应显示区域，辅助管理人员快速定位到偷盗或破坏行为现场。

通过这种应用，可以及时发现破坏行为或不当操作行为，及时纠正、止损。

(四)基于光缆数字化监测大数据的高速公路基础设施数字化实现方法

公路光缆总体上与公路是同路由的，是公路的附属设施，面向公路严重损坏如水毁、沉降、塌方等也会影响到光缆和光通信性能。基于该原理，可以将光缆实时监测视为公路基础设施动态监测的一部分。

通过恒定光源发送光、光功率检测器接收光实现光缆质量及通断状态实时监测；同时通过OTDR定期(天、周、旬、月、季)对光缆质量定期检测，并与光缆通断状态实时监测进行融合；在光缆故障时，启动OTDR对故障点进行断点定位。这些监测和检测数据结合时间、地理位置形成高速公路通信基础设施数字化运行大数据，为建设高速公路数字底座、基础设施数字资产运行动态监测奠定基础。

步骤4.1：高速公路数字底座建设过程：

步骤4.1.1：通过GIS、BIM等工具建立静态基础设施数字底座；

步骤4.1.2：将恒定光源发送光、光功率检测器接收光实现光缆质量及通断状态实时监测数据及异常结果确认数据汇集给基础设施数字底座；

步骤4.1.3：将OTDR定期(天、周、旬、月、季)对光缆质量定期检测数据、异常断点检测数据汇集给基础设施数字底座；

步骤4.1.4：在地图上建立通信设施数字图层，将光缆状态动态展示；

步骤4.1.5：在地图上建立基础设施路线数字图层，将通过光缆监测确认的高速公路基础设施变化在地图动态展示；

步骤4.1.6：光缆监测历史数据可与智慧高速其它数据融合，建模分析高速公路长期运行态势，如分季节态势、年度态势、各类风险概率等。

大数据分析主要用于决策支持及各类风险针对性防范。

步骤4.2：基础设施数字资产运行动态监测过程：

步骤4.2.1：确认实测光功率超过规定阈值，见步骤1.5.3；

步骤4.2.2：调用步骤1.6进行光纤断点或质量故障点检测过程；

步骤4.2.3：联动智慧高速综合管控服务平台周边视频实时监测及录像；

步骤4.2.4：确认基础设施故障，记录故障原因，并在地图上标注；

步骤4.2.5：启动应急措施。

本发明提供的一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法，具有以下特点：

(1)新工艺

1.以成本经济的恒定光源对光缆质量实时监测，在此基础上采用OTDR对光缆断点检测。这样在具备光纤断点检测的功能基础上以较低的成本保证了光缆运行监测的实时效果。

2.高稳定、长寿命设计，保证系统的使用寿命与光纤光缆的寿命一致。

恒定光源以7×24小时运转，使用寿命50000小时(约5年)；通过合理的设计，其使用寿命可以达到10～15年；可控光开关模块使用寿命100000万次。对于恒定光源，在发射功率轻微降低的情况下通过算法补偿弥补其发射功率偏离，在不满足要求时可以灵活地更新，保证系统使用寿命无短板限制。

3.模块化设计。

一方面保证系统可以按需配置、更换组件；一方面可以在工程应用中根据工况条件配置组件模块，降低系统建设成本。如OTDR模块可以根据检测覆盖范围，通过隔站配置该模块，降低系统造价。

(2)新流程

本发明采用恒定光源与光功率检测器配合以旁站式光缆实时监测方法结合光时域反射仪检测的方法，对一个子管抽芯或是对一根光缆内的光纤抽芯，代表该光缆和管道数字化运行状况，对光缆等隐蔽工程的质量和运行状态监测提供了科学方法，结合数据处理应用，也可为基础设施监测及时反应和控制提供技术支撑。

因此，本发明提供的一种高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统及方法具有以下优点：

1.本发明面向高速公路应用场景，以较为经济的技术实现对光缆的监测，为通信基础设施数字化管理提供支撑。

2.通过提出新的技术原理、实现方式、监测模式、智慧应用，提高系统的性价比，使该系统更容易为用户接受和规模化应用，从而普遍提升高速公路光缆的运营维护效率。

3.本发明提出智慧应用，对于辅助构建数字公路、防范重大风险具有重要作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统的方法，其特征在于，所述高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统包括管理系统和n个光纤监测设备；n个光纤监测设备按光纤传输方向，依次为：第1光纤监测设备,第2光纤监测设备,…,第n光纤监测设备；每个光纤监测设备均包括光功率检测单元、通信与管理单元、恒定光源和OTDR检测单元；所述通信与管理单元的一端分别与所述光功率检测单元、所述恒定光源和所述OTDR检测单元连接；所述通信与管理单元的另一端通过网络与所述管理单元连接；

其中：所述光功率检测单元包括第1光功率检测端口和第2光功率检测端口；所述恒定光源包括第1光源发射端口和第2光源发射端口；所述OTDR检测单元包括OTDR检测器和可控光开关；所述可控光开关包括主光口、第1切换光口和第2切换光口；所述OTDR检测器的发射端口与所述主光口的一端连接；所述主光口的另一端，分别与所述第1切换光口和所述第2切换光口连接；

所述方法包括以下步骤：

步骤1，构建光纤监测网络拓扑架构；

按光纤传输方向，从第1光纤监测设备到第n光纤监测设备，并行各串接主用光缆和备用光缆；具体方法为：

步骤1.1，主用光缆的多个纤芯中，选取1个纤芯作为日常监测纤芯，选取1个纤芯作为故障检测纤芯，剩余纤芯作为业务传输纤芯；备用光缆的多个纤芯中，选取1个纤芯作为日常监测纤芯，选取1个纤芯作为故障检测纤芯，剩余纤芯作为业务传输纤芯；

步骤1.2，主用光缆按光纤传输方向，划分为n-1段，每段主用光缆连接在相邻的两个光纤监测设备之间；备用光缆按光纤传输方向，划分为n-1段，每段备用光缆连接在相邻的两个光纤监测设备之间；

设在任意两个相邻的第i光纤监测设备和第i+1光纤监测设备之间，布置第j段主用光缆和第j段备用光缆，其中，i＝1,2,…,n-1，j＝1,2,…,n-1；

其光纤连接方式为：

主用光缆的日常监测纤芯的连接：

第i光纤监测设备的第1光源发射端口与第j段主用光缆的日常监测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的日常监测纤芯的光发送端连接到第i+1光纤监测设备的第1光功率检测端口；

备用光缆的日常监测纤芯的连接：

第i光纤监测设备的第2光源发射端口与第j段备用光缆的日常监测纤芯的光接收端连接，第j段备用光缆的日常监测纤芯的光发送端连接到第i+1光纤监测设备的第2光功率检测端口；

主用光缆的故障检测纤芯的连接：

设单个光纤监测设备的OTDR探测距离为L1，相邻两个光纤监测设备之间的布置距离均为L2；根据L1和L2的关系，采用以下方式布置：

如果L2≤L1＜2L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用逐站配置方式，即：第i光纤监测设备的第1切换光口与第j段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的故障监测纤芯的光发送端悬空，实现第i光纤监测设备仅对第j段主用光缆的故障监测纤芯进行探测；

如果2L2≤L1＜3L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用跳1站配置方式，即：设第i光纤监测设备为前一段故障检测纤芯悬空设置的光纤监测设备，第i光纤监测设备的第1切换光口与第j段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j段主用光缆的故障监测纤芯的光发送端与第j+1段主用光缆的故障检测纤芯的光接收端连接，第j+1段主用光缆的故障检测纤芯的光发送端悬空，实现第i光纤监测设备同时对第j段主用光缆和第j+1段主用光缆的故障监测纤芯同时进行探测；

依此类推

如果mL2≤L1＜(m+1)L2，则光纤监测设备的OTDR检测单元采用跳m-1站配置方式；

备用光缆的故障检测纤芯的连接：

根据L1和L2的关系，光纤监测设备的OTDR检测单元采用逐站或跳站配置，对其OTDR覆盖范围内的各备用光缆的故障检测纤芯进行OTDR探测；

步骤2，注册过程：

每个光纤监测设备初次上电时，向所述管理系统进行注册，使所述管理系统获得每个光纤监测设备的IP地址以及各段光缆和相应端口的绑定连接关系；

步骤3，主用光缆和备用光缆日常监测方法：

在日常监测时，采用主用光缆光功率检测模式，对主用光缆日常监测纤芯进行实时检测，判断主用光缆是否出现故障，如果有，则执行步骤4；如果没有，则继续检测，并定时唤醒主用光缆OTDR检测模式，对主用光缆故障监测纤芯进行光纤断点及质量故障检测，基于主用光缆OTDR检测模式，如果检测到主用光缆出现光纤断点及质量故障，则执行步骤5；

在日常监测时，采用备用光缆光功率检测模式，对备用光缆日常监测纤芯进行实时检测，判断备用光缆是否出现故障，如果有，则执行步骤4；如果没有，则继续检测，并定时唤醒备用光缆OTDR检测模式，对备用光缆故障监测纤芯进行光纤断点及质量故障检测，基于备用光缆OTDR检测模式，如果检测到备用光缆出现光纤断点及质量故障，则上报所述管理系统；

步骤4，主用光缆和备用光缆的光纤断点及质量故障检测模式：

当日常监测到主用光缆出现故障时，临时唤醒启用主用光缆OTDR检测模式，基于主用光缆故障监测纤芯，判断出主用光缆故障点或断点位置，并上报给管理系统；

当日常监测到备用光缆出现故障时，临时唤醒启用备用光缆OTDR检测模式，基于备用光缆故障监测纤芯，判断出故障点或断点位置，并上报给管理系统；

步骤5，主用光缆和备用光缆切换：

管理系统实时获得主用光缆和备用光缆的状态，当主用光缆出现故障，备用光缆没有出现故障时，对主用光缆和备用光缆进行切换，使备用光缆进行业务传输通信；当检测到主用光缆故障解除恢复正常后，再切换回主用光缆，使主用光缆进行业务传输通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统的方法，其特征在于，在日常监测时，采用主用光缆光功率检测模式，对主用光缆日常监测纤芯进行实时检测，具体为：

第i光纤监测设备的恒定光源和第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，联合用于对第j段主用光缆的日常监测纤芯进行实时检测；其检测过程如下：

1)调试第i光纤监测设备的恒定光源，设定其光源发送功率；

2)确定光功率接收标准值：

在调试阶段，使恒定光源按所述光源发送功率，向第j段主用光缆的日常监测纤芯发送恒定光，经第j段主用光缆的日常监测纤芯传输后到达第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，第i+1光纤监测设备的光功率检测单元检测接收到的光的光功率值，取设定时间段的平均值，作为光功率接收标准值；

3)实时检测：

在实时检测阶段，恒定光源按所述光源发送功率，实时向第j段主用光缆的日常监测纤芯发送恒定光，经第j段主用光缆的日常监测纤芯传输后到达第i+1光纤监测设备的光功率检测单元，第i+1光纤监测设备的光功率检测单元实时检测接收到的光的光功率值，如果连续3次接收到的光功率值与光功率接收标准值的偏差大于设定值，则认为主用光缆日常监测纤芯出现故障，立即上报给管理系统；否则，则按时间间隔T，定时将检测到的光功率值上报给管理系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统的方法，其特征在于，步骤4中，当日常监测到主用光缆出现故障时，临时唤醒启用主用光缆OTDR检测模式，基于主用光缆故障监测纤芯，判断出主用光缆故障点或断点位置，具体为：

当基于第j段主用光缆的日常监测纤芯，日常检测到第j段主用光缆出现故障时，确定覆盖第j段光缆OTDR探测的光纤监测设备的编号，表示为第h光纤监测设备，然后，第h光纤监测设备通过第1切换光口，向其覆盖范围的主用光缆的故障监测纤芯的光接收端发送探测信号，探测信号在覆盖范围的各主用光缆的故障监测纤芯中传输探测，并当遇到故障位置或断点位置时，产生返回信号，并被第h光纤监测设备的OTDR检测器接收到；第h光纤监测设备的OTDR检测器根据接收到的返回信号的特征，识别到故障位置或断点位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于高速公路光缆数字化监测与智慧应用系统的方法，其特征在于，管理系统还包括地图管理显示和心跳探测模块；所述地图管理显示和心跳探测模块用于：

(1)管理系统存储地图，所述地图中在相应地点，显示各个光纤监测设备，同时显示各个光纤监测设备的连接关系；

(2)各个光纤监测设备定时向所述管理系统发出心跳短消息“Hello”；

(3)所述管理系统判断是否在规定时间内接收到心跳短消息，如果接收到，则向所述光纤监测设备发送“OK”字符，同时在地图中标记该光纤监测设备为“在线状态”；

(4)如果所述管理系统在连续3个心跳周期内未收到所述心跳短消息，则在地图中标记该光纤监测设备为“离线状态”。