电子标识技术在光缆网中的应用探索与研究

原恩育

（63887 部队 河南 洛阳 471000）

0 引言

随着光纤通信传输网业务的广泛应用，全国光缆线路总长度已达5958 万km，仅2022 年新建光缆线路长度就达477.2 万km，光缆线路已然成为我国构建信息化现代化强国的重要组成部分。 在光缆网快速发展的过程中，光缆网故障判定与抢修成为全网安全运行的关键因素，据统计，在光纤通信传输网的故障中，光缆线路类故障约占故障总量的80%，从当前光缆故障修复过程来看，光缆型号标码与识别牌模糊，无法准确指示出故障光缆，是制约故障阻断修复的重要原因之一，因而设计一种全新的光缆标签识别码，增强光缆网巡查维护智能化管理水平，指示故障光缆，缩短故障历时就显得迫在眉睫。

1 当前光缆网中标识应用现状

在现有的光纤通信传输网络中，国际电信联盟（International Telecommunication Union- Telecommunication standardization sector，ITU-T）提出了G.651-G.655 等多种标准光纤的建议，对光缆的规格型号、派生代号等进行了详细的规范。 但在实际应用过程中，各厂商生产的光缆外形结构相似，各运营商建设的光缆路由重合，光缆标识牌就成为识别各类网络的关键。 而维护中常因维护人员紧缺、网络业务节点分布散、线路距离长、路由环境复杂等因素造成标识牌缺损严重，光缆无法准确分别，为光缆阻断抢修带来了巨大挑战［1］。 通过光缆线路故障案例分析，当前光缆网中标识应用存在的问题主要有：

（1）巡检手段单一。 传统巡检方法主要依靠人工对线路情况进行目测巡查，无法客观准确地掌握巡查人员的巡检情况，也无法有效地保证巡检人员巡检质量。

（2）标识技术落后。 当前的光缆标识牌是在相应规格的PVC 板上印刷光缆线路的通达台站等信息，存在信息安全风险，且易受自然风化脱落，无法在关键时刻为故障修复提供有效参考。

（3）人为参与度高。 随着光缆网的日趋庞大，当前的维护需要大量的维护人员参与到线路维护的工作中，特别是光缆标识牌以及标识的更换维护等，维护成本高，效率较低。

（4）技术支持不够。 光缆标识牌不仅是光缆网的重要组成部分，还包括光缆网的重要标识信息。 当前光缆标识牌仅能辨别确定光缆，无法提供该条光缆上承载的业务信息，技术支持不够。

根据光缆标识应用现状，设计一种全新的光缆电子标识牌，将光缆线路信息、光纤业务信息完美融合，全面提升光缆网的管理手段和智能化维护水平，为光缆阻断抢修提供可靠的技术支持与参考，从而提高光纤通信传输网的安全性能，有着十分重要的意义。

2 标识识别码技术构成及应用

光缆电子标识识别技术由电子标识码、电子标识感应器、电子标识识别器、管理服务器四部分构成。 电子标识码为可修改的光缆信息、光纤业务信息、通达方向以及网络级别等基本信息的二维码构成。 电子标识感应器由内嵌于标识牌中用于标识识别器感应的迷你芯片构成。 电子标识识别器为手持式掌上终端，包括标识感应识别器（用于感应接收电子标识牌中感应器）、二维码识别器（能够识别出标识牌中二维码信息，并能够对其进行修改保存）、感应提示装置（在与电子标识建立连接后能够发出提示音及灯光，用于提示维护人员完成电子标识的识别）、标识定位功能以及可视化操作界面［2］。 管理服务器能与电子标识识别器相连，导出标识识别器记录的电子标识信息，同时分离出标识定位信息与光缆智能巡检系统相连（如图1 所示），进一步对光缆网进行有效管理。

图1 电子标识技术构成模式示意图

2.1 电子标识牌识别技术构成

2.1.1 标识信息识别码

电子标识牌组成中的光缆信息记录采用目前应用广泛的QR（quick response）Code 矩阵二维码，它比传统的Bar Code 条形码存储数据能力更强，能通过某种特定的几何图形，即按一定规律在平面（二维方向上）分布的、黑白相间的、记录数据符号信息的图形，在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。 每种码制有其特定的字符集，每个字符占有一定的宽度，具有一定的校验功能等。

2.1.2 标识牌感应芯片

电子标识牌区别于传统标识牌的最显著的特点，就是在标识牌内部嵌入了感应芯片，用于与电子标识识别器相互感应，其功能相当于微型信号发射器［3］。 当线路巡检人员手持电子标识识别终端进入标识识别器的感应区域后，识别终端会自动识别出感应装置，从而完成电子识别。

2.1.3 电子标识识别器

电子标识识别器采用传统的掌上型手持终端，内置感应识别器，用于识别电子标识牌中的感应芯片。 终端中内置定位模块，可同步生成地理定位信息并记录保存。 识别器对于电子标识牌上的光缆信息二维码有扫描识别并修改数据信息的功能，并通过保存记录上传于管理服务器，实现对光缆接头、光缆通达方向、纤芯业务变更等信息的有效管理。 识别器内置声光提示模块，在识别器识别出电子标签感应器后同步产生声光提示信号，提醒维护人员。

2.2 电子标识牌在光缆网中的应用

每块电子标识牌都有一个独立的身份信息，该信息包括：标识牌的编号、应用场景（对光缆线路敷设方式进行说明，如架空、直埋等），以及外形上的标志信息。 该标识牌在光缆线路建设完成后，按照竣工要求于架空光缆的杆路、人井、直埋光缆的巡检标识、光缆接头等位置，同时生成光缆电子标识档案数据库，记录于管理服务器中。 在使用时对光缆线路的日常巡护、路由改造、光缆阻断抢修、业务割接等产生的信息，通过电子识别手持终端进行现场记录并更改保存，通过管理服务器完成数据信息更新，实现对光缆线路的数据化管理。 此外，该标识牌最重要的功能是提供光缆信息，从根本上解决现场维护人员因光缆信息掌握不全导致的故障修复历时过长问题，有效提升线路故障修复手段。

3 光缆网标识识别技术设计与管理

3.1 电子标识技术设计

光缆电子标识技术主要由电子标识牌和识别管理终端两部分组成：电子标识牌主体选择耐磨损抗氧化的聚乙烯材料，将感应芯片内嵌于标识牌中，用于产生感应信号。标签识别码在制作初期是根据光缆网信息内容、应用的功能等需求生成表层QR 二维码，但该码存在明显弊端，即：信息不能修改编辑、仅限简单内容、不能交互信息、无加密等。 而应用于光缆网电子标识牌的二维码需充分考虑后期管理与信息的更改、保密安全等应用，因此，就必须开发QR 二维码的深层应用。 经深层改进后的二维码应具备：使用专业解码软件、加密机制不被破解、内容更加丰富、能系统管理、可编辑修改、与用户交互信息、更多扩展功能，这也是QR 二维码真正的价值所在［4］。 同时还可根据不同需求对二维码进行定制，变换颜色图案，以及不同造型等进行更深层次的管理与应用。

3.2 光缆网中的电子标识管理

在光缆网实际应用中，电子标识管理主要通过电子标识识别器进行管理。 打开识别器手持终端，登录电子标识管理操作软件界面，打开感应识别模块感应扫描功能，此时感应模块开始搜索识别区域内的电子标识牌中的感应芯片，感应芯片与感应模块的感应距离应充分考虑光缆线路路由情况，设计应不少于20m 范围。 感应到电子标签的同时触发识别器中的声光提示模块，通过声光提示完成电子标识牌的识别［5］。 此时按下终端中的定位信息记录按键，通过内置的定位模块，完成定位信息的记录。 应用中的识别器一般有两种应用场景：其一为光缆线路巡查维护中电子标识的感应及光缆信息的普查；其二是在光缆阻断或需要业务割接、路由改造施工等需要更改标识信息时。 在信息更改场景下，须打开手持终端扫描器，对电子标识牌上的光缆信息二维码进行扫描识别，开启修改数据信息的功能，完成现场数据的记录与修改并保存。 电子标识的管理还应充分考虑同路由上多条光缆并行的情况，因此电子标识在应用中，对应不同中继段或者承载不同业务的光缆，就要设计不同的电子标识牌，不同标识牌中的感应芯片应有不同的感应频率，识别器在识别时可在感应识别模块设置中选择其中的一个频率，即可完成相同路由上不同光缆的巡检维护以及信息采集。

4 光缆网中识别码信息加密技术

相较于传统的标识牌，电子标识牌能够存储更多的光缆线路的信息，这也为光缆网的标识管理提出了一个新的课题，即光缆标识牌的信息保密问题。 电子标识牌上的信息二维码应区别于普通扫描识别的二维码，应为加密二维码［6］。 为实现电子标识码加密功能，识别码加密技术从以下几个方向进行探索。

4.1 二维码码型结构加密

从码型的结构来看，二维码可以分为堆叠、行排式二维码（如图2 所示）和矩阵式二维码（如图3 所示）。 堆叠、行排式二维码形态上是由多行一维条码堆叠而成；矩阵式二维条码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”，“点”和“空”的排列组成代码。

图2 堆叠式／行排式二维码

图3 矩阵式二维码

堆叠、行排式二维码其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。 它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。 但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。 有代表性的行排式二维条码有：Code 16K、Code 49、PDF417、MicroPDF417 等。

矩阵式二维码（又称棋盘式二维条码）它是在一个矩形空间通过黑、白像素的不同分布进行编码。 在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维码所代表的意义。 矩阵式二维码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。 具有代表性的矩阵式二维条码有：Code One、MaxiCode、QR Code、 Data Matrix、Han Xin Code、Grid Matrix 等。

以上两种编码技术均可实现普通层面的信息加密，通过对二维码技术的深度编码设计，从而生成更不易于普通扫描器识别的二维码［7］。 在加密二维码设计的基础上，对加密的二维码识别模块进行设计，通过更为隐蔽及复杂的算法进行加密二维码的扫描识别，该解码算法与加密算法伴生使用。

4.2 隐形加密识别码

隐形加密识别码是对加密码的另一种思考，该码型区别于可见码型的算法加密以及编码信息加密技术。 该技术是从二维码的外形设计以及物理加密技术上进行思考，有效避开人眼可识别的波长范围，将人眼不可见的隐形二维码刻在电子标识牌上，从而达到码图直接加密。 该加密码区别于常规的可见二维码，为人眼不可见码，同时设计能够识别该段波长的二维码扫描仪实现信息码的加密，利用该项技术实现物理加密。

5 结语

电子标识牌的设计初衷，是在当前光缆标识牌存在突出问题的情况下，对新一代电子标识牌技术进行的探索与思考。 新一代电子标识牌通过将二维码技术和感应技术的充分融合，通过感应识别、信息存储、定位管理、巡护数据管理等功能，为维护人员提供光缆线路详细信息，在故障发生时锁定故障光缆，提供解决光缆标识牌问题的有效方案，对提升光缆网维护水平、加快智能化建设、提高光缆网的安全性能有着十分重要的意义。