光纤通信工程中光缆线路故障告警技术

曹明

（中国联合网络通信有限公司广东省分公司，广东广州 510235）

0 引言

随着现代化社会的不断发展，在光线通信工程中，光缆线路的故障检测与维护问题备受瞩目。光纤通信工程师对线路故障进行实时检测和判断，不仅可以及时处理故障，还可以提升光纤通信的网络传输速率。运用故障排查设备检测光纤线路，对光纤毁损、断纤、老化、受潮、弯曲等故障信息进行整合，减少附加损耗的产生。同时，可以结合光传感技术与计算机网络技术在线监测光纤网络，实现对光纤故障的准确定位和实时预警，提高光纤通信质量，提升通信工程管理的数字化、智能化水平及光缆兼容性［1］。近年来，随着光缆数量不断增加，早期的故障检测设备更新缓慢，导致线路中的故障问题越来越频繁地出现。在光缆线路维护工作中，存在寻找故障难，排查故障用时久的问题，严重影响光纤通信过程中的通信质量，还会造成较严重的经济和人身财产等损失［2］。因此，应用光缆线路故障告警技术对光缆线路进行实时监控，及时发现并处理光缆线路中存在的各种安全问题和线路老化问题，以降低光缆隐患、减少光缆阻断的概率，对提高通信网络的可靠性和稳定性具有重要的作用。为最大限度地消除故障告警冗余，本文以光纤通信工程中的光纤故障为研究对象，结合工程项目的实际运行情况进行分析与实验。

1 光缆线路故障告警技术

1.1 OTDR测试判断断点位置

动态分析光缆故障位置，利用OTDR接收和发射光的功能，将光的脉冲发射至光缆线路中，当脉冲的光遇到光的断裂点时，部分光被反射，就能得到OTDR 的曲线中的断点位置信息。OTDR 数据结构示意图如图1所示。

图1 OTDR结构示意图

脉冲光信号由起始端进入光缆，设定存在反向散射光回到起始点的时间为t，光缆线路长度为L，从发射到接收的距离可由公式（1）计算得出：

公式（1）中：光信号从发射到接收的时间设定为g；光的传播速度为b；光在光缆中的传播折射率为n。根据光信号的发射时间得到对应的光纤长度。当光纤中存在脉冲Q0达到某个点时的距离为H，散射光返回到发射端的功率P(a)表达如下：

公式（2）中：P0为注入脉冲的光功率；S为光纤散射系数；a为常数。光纤注入脉冲时，收集散射信号完成数据预处理，并将得到的结果绘制成散射曲线。利用小波变换法对OTDR曲线数据进行处理和分析，得到具体的断点位置，提取故障点特征，并对故障点位置的测试数据进行去噪处理。利用正交性原理，通过观察和分析光纤通信信号的不同成分之间的关系，提取具有异常特征或异常正交关系的故障点［3］，设在光纤通信工程中，光缆发生故障的测量数据为(xi,yi)，在保持xi值相同的情况下，测量值yi与对应曲线上的点n+mxi存在的偏差值为δ，具体表示如下：

在发生光缆故障的过程中，对信号进行测量，去除其中的噪声信号。对于测量中的直线上的测量值，取最小值为(d12+d22+ ... +dn2)，运用最小二乘法得到偏差值如下：

小波变换公式中的比例参数为整数，光缆故障信号的小波变换根据时间的变化不断改变，存在函数的平滑点为x，x即F中的局部最大值。对光缆线路故障信号进行预处理，使信号小波变换完成不同程度的分解，测量信号的特征和小波变换多尺度分解结果，选取小波基分解层次，得到小波分解系数ζ。通过公式运算得到ζ的模量平方，同时设定阈值为η，使阈值η的小波变换模极大值保持不变，如果存在小于阈值的数据，则重新计算。最后得到的数值为测量故障信号的最大值点，进而找到故障发生的位置点。小波在函数空间L(R)中符合对应函数条件如下：

公式（7）中：a为延长参数；b为减小参数。通过对连续小波变换的信号进行逆变换，在缓变程度部分，通过小连续对小波进行分解，获得变换系数的极大值位置与幅值，分析噪声出现的原因，并重构信号完成去噪［4］。

1.2 GIS故障定位

将光缆通过OTDR测试得光缆线路断点，并通过电子地图显示位置将故障段定位。同时，引入GIS（Geographic Information System）系统，结合管线资源系统的GIS 图层，在光缆线路中建立拓扑结构，得到故障点位置［5］。在加权有向图中，利用GIS 系统寻找从起点到终点的最优路径，设定d(j)为路径中的点存在从起始点t开始到终点j之间的最短路径的长度，p(j)为路径中的点存在从起始点t开始到路径中的上一个点，使得从点t开始到点j之间的连线距离如下：

公式（8）中：j为标记点；l为两点之间的距离。选取故障特征提取结果，选定特征向量的取值范围，同时设定特征集向量为{Q=q1,q2,...,qn}，训练样本数设定为n，训练中的最大值与最小值分别设定为gmax和gmin。在测试样本中，根据故障分类生成膨胀积，通过脉冲得到第p类故障的采样信号，并得到对应的信噪比h。选择信号中的特征向量集合进行特征提取，同时构建监测空间，在特征空间中设定C构成样本的集合，不同样本中存在的集合为c，满足以下条件：

公式（9）中：c为故障点存在的集合，故障特征向量在特征空间中存在映射，在部分空间中构成一种判定事务分类V，用数学表达式描述如下：

1.3 消除故障信息冗余

在正常情况下采集的光纤传感信号进行预处理后，根据光缆线路故障位置振动产生的光纤传感信号，选取5 s 作为样本，计算振动持续时间的平均值，乘以相应的系数作为振动持续时间的阈值。依次遍历每个采样点的帧信号，计算该采样点的短时过双电平率，若短时过双电平率大于短时过双电平率的阈值［8］，表示光缆线路故障发生的频率超过预期或接受的范围。设定时间窗口宽度为r，时间窗口在时间段中从起始时间点滑动到最终时间点。窗口滑动长度为T，同时设定告警事务提取事件为，根据时间序列相似性进行计算，得到总告警集合为{A，A1，B，B1，C，C1}，将其划分为不同的合适时间段告警序列［9］。选择合适的窗口宽度值和滑动长度，利用时间滑动窗口对每个时间段的告警序列进行告警事件信息提取，并记录预定时间内的告警，得到具体的告警时间。依次遍历每个采样点的帧信号，计算该采样点的小波能量方差，若小波能量方差大于小波能量方差的阈值，得到发生光缆线路故障位置的振动，进一步对光缆线路故障位置的振动进行分类。设定数据样本为{xi,yi}，对其进行样本分离，得到如下函数：

公式（11）中：wx为平面。完成对故障信息的预处理后，由于故障信息中还存在冗余、不同步传输等现象，按照时间序列划定与滑动窗口组合的方式对故障信息进行提取。通过故障相似性得到时间间隔公式如下：

根据公式（12）得到对应的时间间隔，从不同时间内的中点极端时间间隔的平方和得到的相似函数如下：

公式（13）中：A(t)为相似函数；t为中点的时间间隔。以此作为目标函数划分窗口的指标，得到计算公式如下：

公式（14）中：ti为初始时间间隔。通过不断进行时间分段，对每个时间段内的故障信息实现时间同步，去除时间冗余，获得新的故障告警事务［10］。同时，将不同窗口中出现的故障位置设定为并发告警，并被提取到同一个定位信息中。与此同时，如果在对应时间间隔内不断出现故障告警，则在对应时间窗口中只统计一次，防止出现冗余定位现象。

2 实验测试与分析

2.1 搭建实验环境

实验测试功能点是否正常，对光纤通信工程中的光缆线路断点进行测试，根据不同的光纤长度，设置不同的测试点。所用到的系统软硬件测试环境如表1所示。

表1 系统软硬件测试环境

系统采集对应告警图像，建立数据收集库，统计光纤通信工程中运行段、维修段和光缆线路全程的数据，并与规定线路网络平台实现实时接入。获得的数据通过运行的TDCS/CTC 进行运算，并通过T/D 结合服务器接入，记录故障点的定位，描述故障点的定位效果，采用网络设备进行数据采集。

2.2 实验结果与分析

测试故障信号，忽略在信号测试中点直到曲线末端的损耗门限值后出现的噪声干扰，设置3 个小组，本文所提方法设定为实验组，对照1 组和对照2组运用传统方法，设置5 个线路测试点，在每个测试点安装故障检测设备并使其能够实时进行故障告警。统计整理运算得到光缆线路中的实时告警次数，经过运算绘制得到实时告警率，其结果如图2所示。

由图2可知，当位于线路测试点5时，对照1组和对照2组中的故障实时告警率均低于实验组，而运用本文所提方法的实验组的实时告警率高达95%，说明告警数据与实际故障数据相关性知识相匹配，描述故障中的告警项存在同步性，对线路中的故障监测效果明显，能及时告警并解决光缆线路中存在的安全问题，缓解光缆线路中的冗余现象，同时提升预警时效性，实现对光纤通信工程中光缆线路故障的有效告警。

3 结语

本文从光纤通信工程中的光缆线路入手，深入研究线路故障告警的问题，探究光纤通信工程中的光缆线路故障告警技术。但是，本文所提方法还存不足，如故障定位的数据精准性有待提高、互联网软件的系统更新待优化等。在以后的研究中，笔者将研究人员应及时从光纤通信工程的安全性出发，合并多种故障数据集，搭建具有较高安全性的云数据技术处理平台，提升告警速度。