光缆在线监测系统研究

本摘要提出了一种基于分布式光纤声波传感（DAS）技术的新型光缆巡线分析及在线监测方案。该方案结合GIS系统、NFC标签和在线监测等技术，在精确化、数据结构化和智能化方面显著提升光缆监测能力。通过DAS技术实现光纤沿线振动敏感度极高、长距离分布式检测功能，并结合云平台和移动终端实现远程监控与故障定位。试点应用验证表明该方案能准确确定光缆故障位置并提高抢修效率[5]。

摘 要

摘 要

【关键词】 光传输网络；光缆监测；在线监测；智能监测

0 引言

光纤通信展现出三大显著优势：容量庞大、传输范围广、抗干扰性能卓越；此外还具备高度保密特点。同时支持与油气管道实现共线敷设的技术使得光缆铺设成本大幅降低。该技术不仅节省了建设成本还显著提升了传输效率使其已成为油气管道通信建设的主流方案。然而油气管道大多部署于远离城市中心的偏远地区且深居地下区域这使得维护工作面临多重挑战包括但不限于地震洪涝灾害泥石流地质沉降等自然灾害及其引发的人为干扰因素这些都对光缆系统的正常运行构成了威胁进而导致通信中断。因此解决如何实现对光缆故障点的快速定位如何构建智能化的精确化监测系统以及如何提高运维效率降低成本等问题成为石油行业亟待突破的技术瓶颈

过去，在油气管道通信中发现光缆故障主要依靠光纤通信设备故障报警以及数据通信网络中断报警等方式进行判定；然而这些告警信息中往往包含多种非光纤因素的影响，在某些情况下会让人产生误判；即使能确定是光纤出现的问题但由于线路并非直线布置的原因定位较为困难；为此有人提出了一种实时测量方法即通过实时测量得到的数据包括故障点光纤长度和光功率等信息；但由于光纤线路并非直线布置的原因利用这些数据确定实际位置存在较大误差；这给维护工作带来了诸多不便；导致维护成本上升、效率降低；后来又提出采用在光纤中安装OPM（光功率计）OTDR（光时域反射仪）等设备的技术手段以实现对运行状态的持续监控；这种方法虽然能够采集运行基础数据并结合分析预判可能出现的故障但该技术不适用于已铺设光纤线路的监测

该文提出了一种以DAS技术为基础的新方案，在光纤通信领域具有重要应用价值。该方案通过整合了GIS系统、NFC芯片以及实时监控系统三者的优势，在实现对光缆传输管线进行高精度定位的同时，并非仅仅停留在数据采集层面，在线监测系统的建设也使得数据模型得以完善。在这一基础上形成的智能化监测体系不仅能够准确识别潜在问题并提前预警，在实际运行中还能够有效提升光纤通信网络的安全性和可靠性。

1 光缆在线监测系统方案

1.1 DAS技术优势、原理

DAS作为一种新型传感技术，在光纤通信中运用后向瑞利散射干涉效应实现了对声波信号的连续分布式采集。相较于传统光纤传感技术而言，DAS具有显著的优势：抗干扰性能优异、隐蔽性强、耐腐蚀性良好以及卓越的绝缘性能。此外,DAS系统还具备沿光纤线路实时监测动态应变的能力,能够精确检测包括振动与声波在内的多种物理量,覆盖距离远且可实现分步采集,特别适用于安全监控重点区域.这种技术广泛应用于重大基础设施的安全保障,大型建筑结构健康监测以及油气资源勘探等多个重要领域,展现出广阔的前景[2].

与传统OTDR相比,DAS的主要区别在于其光源的选择.在光源配置方面,DAS采用了新型窄线宽激光器.这使得来自不同散射中心的散射光发生相互干涉, 形成了典型的抖动型背向散射光曲线.这种设计显著提升了DAS在声音振动方面的敏感度.具体而言,外界的小幅扰动会直接影响叠加各散射光之间的相位关系, 最终导致输出反射光强度的变化.

基于分布式光纤声波传感技术基本原理如图1所示 ：

其主要组件与OTDR装置具有相似性，在功能配置上包括超细光束激光器、脉冲调制模块、光纤放大器以及环形整合装置等基础设备，并配备光电探测系统以及数据采集分析平台进行整合管理；然而，在功能扩展方面相比OTDR装置,DAS系统增加了声学耦合组件以及声光移频调节模块以实现信号的精确控制与优化处理

光信号感应变化的解析由数据采集与处理系统进行分析与处理，在使用高灵敏度光探测器监测背向散射光后进行调节以适应其强度，并通过光电转换器将该信号转换为模拟电信号随后经过200 MHz高速A/D采样电路以及转换电路实现信号的数字化最终通过数据采集与处理系统中的RISC处理器与FPGA来实现对扰动事件的高灵敏度解析及精准的距离计算[3]

该系统可被命名为“光缆巡线分析仪”，并具备对光纤线路进行便捷、精准定位以及实时状态监测的能力。

1.2 光缆巡线分析仪系统应用

采用先进的光缆巡线分析仪，并借助榔头和洋镐等工具对管井盖或油桩进行击打作业以获取相关数据；通过分析路径上的支撑设施的分布情况确定光缆至机房的传输距离；从而为光缆监测提供精确的数据信息。

该系统由多种核心组件构成，并基于云计算等技术支持，在完成数据采集后具备对光缆资源点进行定位的能力

系统原理如图2所示 。

光缆巡线分析仪采用窄线宽激光信号向被测光缆发送信息；光纤在外界振动的影响下产生背向光相位扰动；通过边缘计算技术测定光纤各处的扰动强度参数，并判断振动事件及其发生位置；分析仪能够测定光纤各处的扰动强度参数，并判断振动事件及其发生位置；该系统能精确测定振荡源的位置，并能将监测到的数据传输至云端存储和处理系统；借助嵌入式软件控制模块并采用MQTT协议实现远程云端通信；系统不仅实现了对光纤振荡源的位置精确定位，并能将监测到的数据传输至云端存储和处理系统；该系统不仅实现了对光纤振荡源的位置精确定位，并能实时传输监测数据至云端存储和处理系统

该云平台部署于机房，并配置了一套完整的光纤路由调查软件系统。该系统不仅支持与现有光纤资源管理系统进行 north 方向的接口对接，在 south 方面也实现了与光纤巡检仪设备及移动端终端的数据交互功能。此外还具备以下核心功能：实现数据采集、存储、转发及统计分析能力。

振动敲击器采用配备多种工具的方案，在工程实践中可依据具体需求选择榔头或洋镐等工具。施加适度震动于光缆承载结构以达到对该设施扰动的目的。

在移动终端上安装巡线分析应用程序后，通过网络连接至云平台实现与光缆巡线分析仪的通信连接。该装置可作为远程控制界面，在此平台上完成对光缆巡线分析仪的各种设置操作。具体而言，在振动敲击器施加振动时（即执行故障模拟测试），操作人员即可实时获取被测光缆的具体走向及长度数据，并对仪器设备进行端口测试、光源开关控制、脉宽调节、工作通道配置以及敲击响应算法参数设置等基本操作。

1.3 光缆在线监测系统架构

部署光缆巡线分析仪系统于机房。普查人员采用敲击里程油桩、电子桩及标石等方式进行数据采集，并将所收集的数据实时传输至云端服务器用于存储。借助GIS地理信息系统和NFC电子标签技术实现油桩及相关设施的定位与标注。完成光缆承载设施的基础数据采集后，则可通过数字孪生平台实现了对该系统各节点位置及运行状态的实时监控[4]。系统的总体架构示意图见图3所示：

该系统通过集成NFC与光缆巡线分析仪等IoT相关技术，在网络运营生产管理及支撑服务中实现了对资源信息的精确采集与记录，并深入融入各项业务流程中。这将有助于构建完善且高效的光缆管理体系。

1.4 光缆在线监测组网

该系统由巡线设备器（如光缆巡线分析仪）、网络平台（如数据中心网络）以及客户端组成。其中，该设备负责实时获取光纤线路的基本参数。网络平台的主要职责包括传输地理信息系统（GIS）相关数据以及光纤线路状态信息。服务器端负责处理和分析所有 incoming 数据，并及时响应客户端的各种请求。该界面提供光纤线路实时波形显示模块（如示波器），故障预警与报告功能，并支持生成各类统计报表和资源管理优化建议。在线监测组网 见图4：

该平台具备调用相关系统的光缆资源数据能力，并能接收并处理来自各监控客户端的指令及相关的测试和告警信息；它旨在支持多端设备对服务器上的资源进行测试控制与故障排查，并通过生成电子地图来辅助空间布局规划；具体功能实现方案如下：能够调用相关系统的光缆资源数据；接收并处理来自各监控客户端的指令及相关的测试和告警信息；支持多端设备对服务器上的资源进行测试控制与故障排查，并通过生成电子地图来辅助空间布局规划；该系统具备以下主要功能模块：实时数据采集与传输模块；智能分析与预警模块；可视化界面展示模块；远程管理与调度模块；结果反馈与报告生成模块。参考文献[5]

（1）光缆监测数据管理技术

为了解决油气管道光缆管理中的数据需求问题，在油气管道运营过程中，构建油气管道光缆资源数据库系统。具体数据信息包括：每条油气管道的总长度、各接头盒的精确坐标位置、当前使用的光纤芯数量、中继段之间的距离以及可能出现的故障记录等。基于此数据库系统的建设成果，在实际运营中能够支撑实现对现有光缆资源的实时动态监测。

基于光缆监测的需求制定相应的光缆监测数据采集规范，并涵盖从数据采集到处理以及上传和下载的全过程，在实现对相关过程的数据规范化管理的同时完成对相关流程的标准制定。

（2）在线故障预警

系统在收到告警后能够迅速响应并启动监测系统对相关光纤进行测试工作。当监测系统接收到来自光纤的故障曲线数据文件后会立即开始分析处理数据迅速完成故障定位任务并确定故障发生点及其前后关键资源点的位置信息。这些定位结果将在电子地图上进行展示并附加相关井位地理信息以便于后续处理与协调工作。与此同时该系统还具备详细的性能数据分析功能具体包括：对光纤曲线数据进行对比分析计算全程传输损耗评估全程光学长度统计各接头处的损耗情况以及测定两接头间光纤衰减系数记录光连接器的具体位置标注光纤接头盒与光断点的位置信息等多维度参数追踪功能。

（3）光缆监测数据的智能分析

当光纤出现故障时，在不到60秒的时间内精确识别出故障部位的位置，并通过报警系统通知相关终端和客户端。实时监控光纤特性的变化情况，并采取预防措施避免光纤损坏；持续进行光纤特性的实时跟踪与定期检查；将监测数据按照类型进行分类统计并进行深入分析；及时发现光纤各部分（如线缆段落、纤芯及连接处）的性能退化趋势，并能够提前预判潜在的问题。

2 试点应用

2.1 东莞站试点

为评估光缆巡线仪的效果，在东莞寮步至坪山机房之间选择试点线路进行测试，在沿线设置加密桩和里程桩，并完成它们的电子标签更换。具体情形如图5所示；当振动分析窗口显示红波动态时，则表示已成功敲击该点，请参考图6进一步确认测试结果。

首先通过OTDR技术确定了光衰点的位置；随后在该区域附近进行了敲击操作以验证距离测试结果具体数据可见图7和图8所示

2.2 在线监测平台

基于OTDR技术的在线监控平台实现了对设备的实时管理与监控。该系统支持实时状态监测和告警分析功能。具体效果可通过图10和图11进行查看。

3 结论

相较于现有技术方案，在油气田开发过程中，本方案通过智能化升级的方式实现了对油污点等关键资源点的信息化与数字化改造。该系统能够高效精准地收集输油管道光缆长度及地理坐标数据，并结合实时监控技术优化故障定位精度。与传统在线监测手段相比，在因光缆割接及迁移操作导致故障距离无法准确定位的问题上形成了显著优势。本方案显著提升了检修人员的工作效率，并降低了因管道光缆中断引发的事故对企业生产造成的潜在影响[6-7]。

现有在线监测系统仍需进一步优化。为了提升整体效能，计划增加故障信息通过手机发送至维护人员。以便维护人员能迅速掌握光缆运行状态，并准确判定故障部位。该功能将有效降低因设备故障导致的停运风险。