铁路通信中的光缆线路集中监控系统研究.docx
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铁路通信中的光缆线路集中监控系统研究
铁路通信中的光缆线路集中监控系统研究
硕士毕业设计(论文)说明书
铁路通信中的光缆线路集中检测系统研究
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摘要
随着我国铁路向高速化、信息化和现代化方向快速发展,铁路通信业务规模越来越大,通信设备数量与日俱增,通信设备种类更加繁杂,铁路通信网络结构更加复杂,特别是由于铁路通信网络传输线路长传输节点多,并且在其中综合运用了长途与短途通信系统,导致通信子网多,话路分下插入频繁,在这种发展状况下,为了确保铁路列车运输的安全,就必须保证通信传输线路更加稳定、可靠并且具有高效的传输速率和超大的传输容量。
很显然传统的网络传输信道已很满足铁路通信系统的要求,而今年来得到快速发展的光纤通信模式很好的解决了以上问题,并以其高速率、大容量的优势在铁路通信网络中得到了广泛的应用和推广。
而光纤通信技术的引入,提升了铁路通信网络的整体性能,但由于铁路线路里程较长,且有大部分铁路修建于人迹罕至的山区或的人烟稀少平原,给光缆线路的维护和管理工作带来了不便,因此,急需构建一套能够实时监测和掌握光缆运行情况,在光缆线路出现故障时,能够及时获得故障类别及严重程度、故障发生部位及其周边的地理位置条件等信息的光缆线路检测系统,为及时发现故障并准确的排除故障提供依据,从而为保证光缆线路传输质量和保障列车安全运行提供必要的保障。
鉴于上述的原因,本文从提高铁路通信系统服务质量和降低其运营成本为出发点,论述了集合了光缆线路检测、网络管理、文档管理等功能于一体的光缆线路集中检测系统,并从光纤的基本原理、光纤通信原理以及光缆线路集中检测系统的基本原理等多个角度进行分析,并简要介绍了光缆检测技术的分类,和光时域反射仪的原理等。
接着本文对该系统中的你检测管理中心、光纤监测站(RTU)
Abstract
WithChina'srailwaytohighspeed,informationizationandmoderndirectionthefastdevelopment,therailwaycommunicationservicescaleisgettingbiggerandbigger,theincreasingnumberofcommunicationequipment,communicationequipmenttypesmoremultifarious,railwaycommunicationnetworkstructuremorecomplicated,especiallybecauseofrailwaycommunicationnetworktransmissionlinelongtransmissionnodes,andinwhichtheintegrateduseofthelongandshortcommunicationsystem,leadingtocommunicationsubnet,wordsunderwaypointsinsertionisfrequent,inthisdevelopmentcondition,inordertoensurethattherailwaytraintransportationsafety,itisnecessarytoguaranteecommunicationtransmissionlinemorestable,reliableandefficienttransmissionrateandlargetransmissioncapacity.Obviouslythetraditionalnetworktransmissionchannelalreadyverysatisfiedrailwaycommunicationsystemrequirements,andyearsgetrapiddevelopmentofopticalfibercommunicationmodeaverygoodsolutiontosolvetheaboveproblems,andwithitshighspeed,largecapacityoftheadvantageintherailwaycommunicationnetworkhasbeenwidelyapplicationandpopularization.
Andtheintroductionofopticalfibercommunicationtechnology,andtopromotetherailwaycommunicationnetworkoverallperformance,butasaresultofrailwaylinemileageislonger,andmostoftherailwayswerebuiltinthemostinaccessiblemountainsorsparselyinhabitedofplain,givethefiberopticcablelinemaintenanceandmanagementworkbroughtinconvenience,therefore,itisurgenttoconstructasetofcanreal-timemonitoringandcontrolcableoperation,intheopticalcablecircuitmalfunction,abletotimelyobtainfaulttypeandseverity,faultlocationanditssurroundinggeographicalpositionconditiontheinformationsuchascablelinedetectionsystemfortimelyfindfaultandaccuratedebuggingprovidebasis,soastoensurethatthefiberopticcablelinetransmissionqualityandguaranteethesafeoperationofthetraintoprovidethenecessarysecurity.
Inviewoftheabovereasons,thispaper,fromtherailwaycommunicationsystemtoimproveservicequalityandreducetheoperationcostasthestartingpoint,thispaperdiscussessetthefiberopticcablelinedetection,networkmanagement,documentmanagementfunctionsinoneofthefiberopticcablelineconcentrationdetectionsystem,andfromthebasicprincipleofopticalfiber,opticalfibercommunicationprincipleandthefiberopticcablelineconcentrationdetectionsystem,suchasthebasicprincipleofmultipleAngletocarryontheanalysis,andbrieflyintroducestheclassificationofthecabledetectiontechnology,andopticaltimedomainreflectometerprinciple,etc.Thenthispaperanalyzesthesystemofyoudetectionmanagementcenter,fiberopticmonitoringstationRTUandmonitoringdatacommunicationnetworkstructurepartarereviewed,andcombinedwitharailwaylinecablelinecentralizedmonitoringsystemdesignscheme,designideaandoverallsystemstructurewereintroduced,andtheconcentrationdetectionsystemapplicationeffectandperformanceareanalyzed.
Keywords:
railwaycommunication;Opticalfibercommunication;Thefiberopticcableline;Detectionsystem;Networkmanagement
目录
摘要II
AbstractIII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2国内光纤检测系统发展历程3
1.3本文主要工作和章节安排4
第二章光缆线路监测系统概述5
2.1光纤的基本原理5
2.1.1光纤的定义5
2.1.2光纤的典型结构5
2.1.3光纤的分类6
2.1.4光纤衰减6
2.1.5光纤衰减系数7
2.1.6光纤衰减机理分析7
2.2光缆的基本原理8
2.2.1光缆的定义及作用8
2.2.2光缆的基本构成8
2.2.3光缆的分类9
2.3光纤监测技术10
2.3.1OTDR的测试原理10
2.3.2OTDR的测试功能13
2.3.3工作波长15
2.3.4光缆监测系统16
2.3.4光缆监测方式16
2.4本章小结17
第三章铁路光缆线路集中监测系统应用实例18
3.1基本情况介绍18
3.2集中检测系统硬件系统构成18
3.2.1系统组成18
3.2.2集中监测系统应具备的功能和要求19
3.2.3集中监测系统周期任务测试20
3.2.4集中监测系统的体系架构22
3.3铁路光缆线路集中监测系统软件设计25
3.3.1系统运行环境25
3.3.2模块划分25
3.4周期任务测试方式28
3.4.1具体要求28
3.4.2地位与作用29
3.5本章小结33
第四章系统应用测试34
4.1数据库访问控制34
4.1.1信号灯对象技术34
4.1.2应对方案优化35
4.2多进程同步35
4.2.1线程同步35
4.2.2同步的必要性35
4.2.3同步对象36
4.2.4周期任务进程36
4.2.5应对措施37
4.3周期任务测试方式在现场的应用情况37
第五章结论39
5.1结论39
5.2展望39
致谢41
参考文献42
第一章绪论
1.1引言
铁路通信网在结构上主要由基础承载网、业务网和支撑网三大部分组成。
其中的基础承载网主要为铁路各项业务功能的实现提供可靠、高速的信息交互服务,目前的基础承载网在信息传输媒介上主要采用传输效率高、速度快、信息传输准确的光纤线路来构建信息传输系统。
而业务网从构成子系统上看,主要包含有公务通信网络、列车调度通信网络、可视化电视会议通信网、电报机数据通信网络、铁路货运管理信息系统以及铁路客运自动化调度系统等,以上所有的业务都在基础承载网上进行互联互通。
处于支持和辅助地位的支撑网其中包括了时钟同步网络、信令网和电售管理网。
目前,随着我国铁路系统建设的快速发展,铁路通信系统的信息交互业务需求量和传输技术也得到了快速的增长与发展,光纤作为频带宽、抗干扰能力强等优势逐步成为铁路通信系统中信息传输的主要媒介。
同时,铁路通信系统为了能够更好的满足与日俱增的业务需求,以及满足高速铁路建设对铁路通信系统和服务质量提出的新要求,加大了铁路光缆通信网络的建设发展力度,特别是以光纤作为传输介质所具有的抗强电磁干扰的优势,使其非常适应电气化铁路环境,可以说光纤通信系统已经变成了铁路基础承载网络的主要传输媒介。
从某种意义上讲,铁路光纤通信系统能够有效的扩大和提高铁路运输能力,能够在确保行车安全的前提下有效的加大行车密度,并对调度指挥环境大有改善,为铁路运输不猛能够实时、准确的传输处理各类信息,提升铁路运输能力,促进铁路运输从限制型向开拓型转型,在社会和经济效益方面发挥了重要的意义。
在铁路通信网络中,除公务电话用户外的所有通信业务都和行车运营指挥有着密不可分的关系,各类业务网络对基础承载网的可靠性有着非常苛刻的要求。
但是用于构件铁路通信网络的光显一般都是沿着铁路走向敷设,而绝大多数铁路又修建在边远的山区、密林等人烟稀少的地区,各种地质灾害频发,比如山体滑坡、洪水侵蚀等突发事故进场袭扰这铁路光纤网络,从而给铁路光纤网络带来中断或故障。
此外,铁路存在着数量众多的桥梁和隧道,光缆线路在桥上敷设时,当列车通过桥梁就会使桥梁发生震动,这些震动会对光纤尤其光纤接头的机械性能和光学特性造成不可避免的软损伤。
实践工作经验表明,光缆通信的线路故障要比其设备故障更加突出。
由于铁路光缆通信线路在保障铁路运输安全和正常运输生产上所起的重要作用以及铁路光缆敷设环境的严峻性,铁路光缆通信系统在建设、设计之初就要必须考虑其安全性和稳定性问题。
随着通信网络中光缆应用比例的增加以及早期敷设的光缆使用年限接近其规定年限,因而出现了大量的由于光缆接头盒渗水、衰耗随时间推移而增大等影响通信的现象,同时,光缆线路由于遭受铁路施工建筑挖方、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的影响。
为了改善这种状况,大量的研究者通过大量的研究与实践工作,也开发出了一些应对措施和方法,比如在现代光通信系统中光传输系统本身所具有的较为完善的网络管理和保护倒换功能,在铁路通信网络中可以采用这种特性确保基础承载网络的安全、稳定运行。
但是光传输系统的保护倒换的实现方式是通过检测方式来返回误码率和光信号,然后对误码率是否超出门限值或光信号是否丢失进行监测,当检测结果为真时自动关闭传输系统并发出告警信号,随后维修人员进入检修恢复过程。
这种检测方式在“电特性层面”方面有较为理想的效果,这是系统能够检测电层的误码率情况,但是对于“光特性层面”而言,由于系统只能够检测到光信号的是否丢失,这些信息不能够确定故障点事出在传输设备的光器件上还是光纤传输线路上。
这样,如果系统一旦出现故障,就需要采用人工的方式对光层特性进行进一步的分析和测试,造成大量工作量的浪费,同时又无法快速对故障发生部位进行定位和快速恢复,给铁路系统运行带来不良影响。
综上所述,铁路通信网络的维护管理部门迫切需要有一套能够实时、快捷而准确地了解光纤通断情况以及其主要参数,从而在光线发生故障时能够迅速的获得故障的相关信息,准确的判定故障发生部位及其周边的地理位置,以便及时投入维修进程快速排除故障;或者在光线特性发生劣化之间就能够发现并得到及时更换或维护,从而保证光纤线路传输的安全性和稳定性。
而要满足以上的需求的应对措施就是要建立光缆线路集中检测系统,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,从而达到以下目的:
1既能够建立对光缆故障快速判定和定位,是故障得以在最快的时间内予以解决,为确保铁路运行畅通提供有力的保障,从而做到防患于未然,筑牢铁路安全运行防线;
2大大降低铁路光缆线路维护、管理人员的线路检修、维护工作量,同时在大幅减少通信系统故障发生频次,节约维修成本,为降低铁路系统运营成本,提高铁路运输企业管理费用,在确保光缆干线畅通运行的基础上提升铁路行业竞争力。
此外,随着铁路通信网络建设的逐步完善,光缆及光纤资源越来越丰富,在实际应用中怎么样更高效的管理这些资源,包括资源类型、数量、分布状况、工作状态和主要特性参数的管理,使网络运维部门能够迅速方便的从中获取相关的信息,并对这些原始数据经过在加工和利用,为确保铁路光缆线路安全运行,成为铁路光纤网络维护管理者必须面对和克服的重要课题。
1.2国内光纤检测系统发展历程
光缆检测技术在我国的发展经历了三个历史阶段。
第一阶段,上世纪20世纪80年代,光纤开始进入我国的通信领域,这个时期由于光纤线路及其相关设施都是刚刚投运,所以其故障的发生率相对比较低,这时出现的大部分光缆线路故障和问题都是源于人为偷盗或非法破坏,因此人们对光纤检测系统的理论尚未成型,也不够重视,方法上还处于比较原始和落后的状态,大多数情况下一般采用手提式0TDR仪器对光缆进行定期检测或巡检以发展问题和故障。
第二阶段,到20世纪80年代末到20世纪90年代末的这一段时间,由于光纤技术的迅猛发展以及在工程实际中的广泛应用,使得光缆在信息交互业务网络中所占的比例有了前所未有的增长,据调查数据显示,在这一段时间中光缆线路的投运量每年以30%的速度递增。
而这个阶段前期投运的一部分光纤由于自然劣化、人为破坏等因素使得光缆故障问题变得越来越严峻。
为了解决这个问题光纤检测技术提出并得到了迅速的发展,并且日趋成熟,在方法上多采用光功率计对光缆实施实时监控,于此同时也结合了OTDR的定期测试和巡视方式,基本实现了实施监控能力。
第三阶段,20世纪末到21世纪的前期,全光网络设备和相关技术相继出现并得到快速发展,特别是这个时期世界范围内的光纤通信和光电子产业进入了一个全新的发展时期,同时以先进的光器件以及光信号处理技术为基础的全光通信网络技术和设备大量应用,从而更为广泛和更为深远的改变了整个有线通信网络的整体面貌和构成。
经过了以上三个阶段的发展后,光纤检测技术从成型刀逐渐成熟,目前国内光纤检测技术方面最为主流的都是通过采用网络技术、数据库技术和地理信息技术等实现对光纤网络的集中监控机资源管理。
光缆集中检测系统的发展成熟为光缆维护部门提供了一种更为先进和快捷的维护手段,通过对光缆线路的实时自动监视、报警信息的自动分析以及对故障的自动定位、自动派修等手段,使得故障响应时间大大缩短,使得光缆传输网络更为安全、高效和稳定。
1.3本文主要工作和章节安排
本文根据铁路通信网中对光纤通信系统维护工作的实际需要,对光缆线路集中监测系统的原理进行了描述,分析和研究了集中式的光缆线路集中监测系统。
实际应用表明,系统能够及时发现报警并自动对线路进行测试,运行期间,该系统及时发现并上报了几起线路上的故障,为光缆网络维护人员提供了及时、准确、可靠的信息,缩短了故障历时,减少了损失,有效的提高了光缆网络的维护质量。
本文的章节安排如下:
第一章介绍本课题的研究背景和研究意义。
第二章在介绍光纤基本原理、光纤通信原理的基础上,介绍了光缆线路集中监测系统的基本原理,介绍了光缆监测技术分类,光时域反射仪的原理等。
第三章就某铁路光缆线路集中监测系统的设计方案进行分析和研究,给出了设计思路与目标,总体的系统构成。
第四章是对铁路光缆集中监测系统在现场应用中进行测试和验证,分析应用中存在的问题及探讨应对措施。
第五章是本文的结论以及对未来相关工作的展望。
第二章光缆线路监测系统概述
2.1光纤的基本原理
2.1.1光纤的定义
光纤是对光导纤维的简称。
从狭义的角度讲,光纤是一种在对光波进行约束的情况下在其内部传导光的多层同轴圆柱形实体介质光波导,又称光介质传输线。
其主要作用是对光进行传导,即将被传输的光信号从一地如实地传到另一地,实现光信号长距离异地传输的目的。
2.1.2光纤的典型结构
光纤裸纤主要三层结构构成,即位于中心的高折射率玻璃芯芯径一般为单模的8-lOFm,多模的50或62.5Fm,中间层一般是折射率较低的硅玻璃包层,最外层为增加其机械性能的树脂涂层。
光纤的典型结构是一种细长的多层同轴圆柱形实体复合纤维。
其从内到外依次为:
纤芯(芯层)、包层、涂覆层(被覆层)。
核心部分为纤芯和包层,这两部分一同组成介质光波导,实现对光信号进行传导和约束的目的,因此又将这两部分构成的光纤叫做裸光纤。
涂覆层又称被覆层,该部分的主要作用是提高光纤的机械特性,而它又可分为涂层和套层两部分。
光纤的典型结构如图2.1所示。
图2.1光纤典型结构示意图
1)纤芯(芯层)
光纤的纤芯材料一般为具备高折射率(记为n1)的导光材料构成,最为典型的有:
SiO2光纤,其芯层材料一般为SiO2--GeO2。
该部分的主要作用是用来实现对光信号的传导,从而使光信号在芯层内部沿着其轴线方向向前如实地传输。
2)包层
光纤的包层一般为低折射率(记为n2)的导光材料。
典型的有SiO2光纤包层,其材料构成为SiO2―B2O3或SiO2―P2O5。
该部分的作用是对光信号进行约束,其原理是由于其折射率(n2)较纤芯的折射率(n1)要低,因此光信号(光波)在芯包的界面上会发生全反射,从而使绝大部分的光波能量返回到纤芯中,方式光信号向外界散射而使其失真或衰减,保证了光信号能够始终沿着芯层的轴线方向向前传输。
3)涂覆层(被覆层):
光纤涂覆层一般由两层结构组成,内层基本为低模量高分子材料制成,习惯称作一次涂层;而外层基本为高模量高分子材料制成,习惯称作二次涂层或套层。
不管是一次涂层还是套层其主要的功能都是为了保护裸光纤,从而提高光纤的机械强度和抗微弯强度。
2.1.3光纤的分类
常用的光纤可以有如下的三种分类方式:
1)光纤按照光信号在其中传输的方式可以分为单模光纤和多模光纤两种。
单模光纤:
位于光纤中心的纤芯部横截面积较小,因此决定了该种光纤只能够传输一种模式的光信号,但比较适和远距离通信的光信号传输。
多模光纤:
位于光纤中心的纤芯部横截面积相比单模光纤要粗一些,可以用于多种模式的光信号传输。
但是由于其模的色散较大,因此其对数字信号的频率有一定的局限性,而且随着传输距离的增大,这种局限性会更加显著。
因此多模光纤多用于较近距离(几公里)的光信号传输任务。
2)按照最佳的传输频率窗口光纤可以分:
G.652单模光纤非色散位移光纤、G.653单模光纤色散位移单模光纤、G.655单模光纤非零色散位移单模光纤和LEAF光纤非零色散位移光纤。
3)按照折射率分布情况可分为突变型和渐变型光纤。
2.1.4光纤衰减
光纤对入射其中的光波信号的衰减作用称为光纤衰耗,光纤之所能够对光波产生衰耗主要有两个方面的原因:
一是由于光纤自身的损耗,比如光纤材料中固有的杂质对光波的吸收损耗或由于波导结构不完善而引起的散射损耗等;二是由于光纤成揽、敷设称为系统传输媒介后所引起的附加损耗,比如光缆弯曲损耗和接续损耗等。
2.1.5光纤衰减系数
光纤的衰减系数指的是在单位长度的光纤中光波传输时所引起的光功率分贝数的变化值。
假设光纤中光波的输入光功率为(),光波在长度为的光纤中传输后输出光功率为(),则有如下的表达式:
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