节点式光端机在城市管网监控系统中的应用

前言

随着城市化进程的加快，城市中各种行业，例如供水、燃气、电力、通信、智能交通控制等都需要敷设大量的地下管网。为了应对复杂的城市地下管网建设，已有案例如云南省昆明市为适应现代城市发展需要，建造了箱体式地下综合管构系统，并采用高技术手段对整个地下管网进行智能化平台管理。本文将对该管网系统和管理平台进行系统性介绍。
　　为了杜绝由于行业营运商自行开挖城市道路敷设管道，导致重复开挖、浪费地下空间资源、施工混乱等弊病，现在已有在市政管道线路建设中采用新型综合管沟技术，以实现一次挖埋、一次建设、一次安装、最大限度减少了路面开挖次数，避免了由于道路开挖影响城市交通和市民出行，提高了道路的完好率和管线的耐用性，既保护了街容街貌，又为城市发展预留了宝贵的地下空间资源。

项目背景
　　云南省昆明市广福路与昆洛路是昆明主城与呈贡新城、以及沿滇池大昆明城市圈的中心走廊。这两条道路交通功能完备，随之配套的沿线电力、电信、自来水、煤气、消防、雨污水管等地下管线的建设也成为一个重大的市政问题。针对昆明市这样两条重要道路的管网，项目计划采用新技术对二路的管网进行改造，并实现城市道路地下管网的现代化管理。
　　已建的广福路与昆洛路沿线综合管沟全长约34公里，设计每隔400米划分为一段。综合管沟箱体采用钢筋混凝土单孔矩形箱涵结构，标准断面尺寸为4.7米×3米，其内部净尺寸为4米×2.3米。综合管沟设置用于通风的通风口、用于放入大型设备或材料的投料口、供人员进出管沟的出入口及各种支线引出口，管沟能非常方便将各种管线引入或引出。
　　对于这样一个庞大的地下综合管线建筑，需要对综合管网的设备运行及安全防范状况进行实时检测和监控。在管网控制中心，要能对整个管网实现智能监控和监视。譬如，作为沿线重要的电力和通讯系统线网，将涉及到沿线各子系统的正常运行。为了实现管沟内部设备的综合管理，需要对各区域管沟实现统一监控，所以集中管理具有十分重要的意义。
　　为了实现综合管理，在综合管沟的内部每隔400米设置有一道防火门，在两防火门之间为一个接入区域。每个区域需要向控制中心上传视频信号、区域内进出井盖的状态信号、出入门和防火门按钮信号，以及区域与中心之间的IP电话、自动控制网络信号。整个管路系统由控制中心的集成平台负责运行监控，实现对各子系统的具体管理，同时也提供一些扩展的功能，以满足各子系统的功能需求，使整个系统能够更加可靠、稳定地运行。
　　本管沟智能化监控系统共设计了98个前端监测区域，每个区域包含1~4路视频，共计255路视频。同时每个区域包含供出入口和防火门使用的6路正向和2路反向开关量信号、多路低速232/485数据、以及IP电话和自动控制系统。为了满足沿线视频监控、设备状态检测及自动控制、电话通讯的需求，系统设计本着多系统协同运行，一体化统筹传输的理念，设计考虑使用一个共享的光纤网络实现各类信号的传输。

从管沟情况和管理要求可以看出，该系统存在前端点位多、分布广泛、附带数据类型复杂、可用光纤资源少等特点，如采用传统点对点(前端点与中控点)方式，则光纤资源消耗将非常大，所以设计考虑选用一种高效、可靠的新型传输方式来满足该工程多种类、多点数信号传输的需求。

设计考虑

传输方式选择

根据本项目前端区域环境温湿度可控性差的特点，要实现在前端监测点录像困难较大，因此设计将所有前端区域视频和控制数据实时传输到控制中心进行监看和录像，监测区域与中心之间的以太网数据和开关量控制数据也同时传输到控制中心。由于前端数量多，对系统传输方案有比较严格的要求。

在传输方案选择上，通常有以下几种方式可供选择。

1、用点对点光端机进行传输

按照需求，前端有98个监测区域，点对点方式则需要为各个节点分别配置相应的视频/数据复用光端机和光纤。该方案除需要占用非常多的光纤资源，又由于前端设备配置差异较大，即使建成点对点系统，也将存在系统故障排查困难等一系列问题。此外，点对点光端机通常路数较少，中心设备管理维护会十分耗费人力。所以不可能考虑点对点方式。

2、采用波分复用技术进行逐点插入传输

为了节约光纤资源，可以采用粗波分复用技术，不同的光端机在一芯光纤内使用不同的波长进行传输。在本项目中，可以将每个前端监测点的视频、数据等采用一个波长传回中心，这样各个前端节点回传到中心的信号互不干扰。而在管理中心，反向信号采用统一的波长进行回传，由各个前端节点进行接收。

但是，由于工程中所使用光纤的局限，常规的G.652标准光纤通常只能使用8个左右波长(通常为1470~1610um)，因此，该方式仍然存在前端节点数量的限制，通常前端节点数量在8个左右，所以就98个前端点光纤占用量仍较大。

此外，采用该方式进行传输，前端设备的传输波长以及设备本身通常为定制产品，所以，前端设备不可互换问题严重，如系统发生故障受制于维修周期，恢复时间长;采用备件的方式又存在设备的兼容性问题。因此，该传输方案在实际应用中也有诸多不可接受的弊端。

3、采用时分复用技术进行节点插入传输

基于时分复用技术的节点光端机，采用分割时隙的方式完成多路视频的复用传输。该技术可在一芯光纤上同时插入多个节点，每个节点通过分配到的时隙，将视频等信号在中心接收机实现统一输出，从而完成视频、数据等类信号的实时传输。

得益于时分复用技术，该类型的前端节点光端机只需要分配到时隙即可实现信号的传输。因此，其前端节点光端机可以进行任意互换，方便了系统管理。该系列光传输系统上集成了网管功能，设备运行情况在管理中心一目了然，极大地节省了人力成本。

该技术节点插入式光端机分为十节点和百节点两类。十节点光端机支持在一芯光纤中最大支持10个节点插入。百节点光端机支持最大100个节点插入。系统中每个节点支持1~4路视频接入，最大可扩展至20路，全网支持2000路视频接入，最大同时传输128路无损视频图像至管理控制中心。

此外，该系列百节点光端机支持环型、相切环、链型、星型等多种拓扑结构，支持采用环网的方式进行传输，大大提高了系统的可靠性。

以某公司自愈环光端机为例，该光端机具备多达100个节点的接入能力，适用于光纤资源有限的逐点插入特性的场合，采用冗余环状拓扑结构，具有极高的安全性。每个环路最多可接入100个前端接入设备，中心交换设备可切换输出128路视频，每个节点可接入1-4路视频带二路双向数据、二路反向数据和1路百兆以太网信号(单节点可扩展至最大20路视频、10路双向数据、10路反向数据和1路以太网信号)，整体系统传输交换能力为2000X128，支持操作键盘实现切换2000路接入视频到128路输出视频的全交叉调用。

考虑到本系统中大量视频图像需要实时传回中心，进行实时图像录像，这要求传输系统具备强大的传输容量，且要求系统具备多节点插入传输功能，所以基于时分复用技术的百节点光端机便能很好地完成本工程98个节点的视频图像以及相关多种类信号的传输。

综合本系统实际，根据系统视频、数据接入的位置和系统的光纤资源分布，为系统配置了98台百节点接入光端机。由于管理中心设置于广福路与昆洛路两条路的中心交叉处附近，管理中心与系统前端之间设置了4条光纤环路，每条环路采用两芯主干光纤，使系统的任意一条环路都具备了在光纤出现单点断裂的情况下仍能保持正常工作的能力。

传输可靠性措施

节点式传输中，由于链路较长、插入点多，所以对光纤资源的可靠性要求也逐渐增加。相对于点对点光端机传输，多点插入式传输，某节点故障带来的影响会更大。下面提出二种故障的保障性措施。

1、节点掉电故障保护

节点机的供电将会影响到系统可靠性。因此，采用光路保护功能是必要的，参见图1。

图1 节点掉电故障光路保护功能示意图

如图1在某个节点出现掉电故障后，节点光端机内置的光路保护功能将使得光路可以跳过该故障节点，不影响到前后节点图像等信号的传输。在故障节点恢复供 电后，该节点的运行自动恢复。该光路自保护功能，为防止节点供电故障而影响系统正常运行起到了关键的作用。

2、光纤断裂传输保护

对于点对点系统，如果某点光纤断开，仅只影响某单个节点。而对于插入式传输系统，如果出现光纤断裂，如图2所示的结构，则光纤断裂处的后续节点就不能与控制中心实现双向的信号传输。

图2 链式传输无法屏蔽单点链路故障图

鉴于此，在本工程中，系统采取了环状架构来保障信号的传输，环路具备自愈功能，在任意点出现光纤断裂，系统会重新指定所使用的光线传输路径，从而达到不间断传输的功能。与此同时，系统中心的网管软件可以根据故障情况进行提示，提醒用户对出现异常的光路进行检查。光纤环路架构示意图见图3。

图3 环路自愈功能，自动屏蔽故障的光纤

该系统中，同时采用了组环和光路保护功能，可以屏蔽任意节点断电故障，并具备在链路上单点光纤断裂后仍可以正常维持整个系统的运行，由此，大大提高了系统的可靠性。

设计及实现

本次项目前端配置98台节点光发射机和98台开关量采集器，中控室配4套百节点光接收机等，总共组成4套传输链路，实现255路视频、网络以及开光量信号的传输。每套百节点光端机均采用两芯主干光纤形成自愈环，同时每节点含光路保护功能，在最大限度节约光纤资源的同时也为系统的稳定运行提供了强有力的安全保障，具备抵抗光纤出现单点断裂情况下，即使某个设备出现故障或者出现断电情况下，系统仍然可以正常运行，保证了任何节点的传输设备损坏或任何一点光纤断开都不会影响其他节点设备和中心的通信。

本方案采用两芯光纤组成单纤自愈环网，由于节点数量较多，为了平衡每个节点间以及节点到中心的距离，所以没有采用在1芯光纤上逐点接入的方式，而是采用在2芯光纤上跳接设备的方式，保证了传输结构的合理，两条光纤在最远端汇合于节点设备上，合理地分布了设备之间的链路中继距离，其结构示意如图四。

图4 接入点分布情况图

该系统中所有前端视频图像和其它信号经过前端节点光发射机接入主干光纤，每个节点光端机最大接入4路视频图像，提供反向2路共享RS422信道，用于传输前端快球的控制信号。同时每个节点构建2路双向独立数据信道供前端控制设备与中心进行连接，本系统中其中1路用于传输开关量信号。前端的开关量信号通过开关量采集器，转换为RS422信号进入百节点光端机进行统一传输。每个节点机提供的100M共享以太网用于传输自控系统信号和IP电话信号。

所有前端接入信号在中心接收机上进行统一输出，在中心接收机上通过相应的板卡来提供相应的接口。在系统容量需要增减时，通过增加前端发射机以及中心板卡，即可实现链路视频、数据、音频、电话、开关量的扩展。

系统中共有4套64节点光传输接收设备，视频信号从64节点接收机8路视频输出板输出到视频分配器，共使用16台视频分配器对255路视频进行复制分配，一组输出到硬盘录像机进行录像，另一组输出到矩阵，供电视墙使用。矩阵通过模拟键盘进行切换控制，硬盘录像机通过客户端软件浏览实时视频及录像资料。

摄像机的PTZ控制信号在中心通过多协议转换器进行连接，4台接收机的控制端口与多协议转换器控制输出口相连，多协议转换器支持多种协议输入，可实现多种设备控制前端摄像机，也就是说通过矩阵和硬盘录像机都可对可控摄像机的PTZ进行控制，可以为后台客户端通过网络方式访问系统。

系统4台节点传输接收端的网络信号连接到交换机，通过交换机接入到自控系统电脑以及IP电话服务器。报警信号由4台64节点接收机全输出到开关量采集器的接收机，将前端的开关量信号输出给报警系统主机，由报警主机实现系统的布防、撤防以及声光联动。通过报警码转换器将报警主机的报警码转换为矩阵能够识别的报警信号，由矩阵实现图像联动报警，当综合管沟内部发生报警时，报警区域附近的摄像机图像在指定布防监视器上自动弹出。

结语

昆明市广福路与昆洛路综合管沟工程及基于光纤环网的管沟综合监控平台为同类型市政综合管网建设起到了示范作用。但是，由于市政综合管网建设的特性，其应用功能庞大、节点数量众多、分布情况复杂，同时，可利用传输资源又非常有限，因此如何适应实际情况，拓展更多应用业务，是综合管网设计和建设中首先需要解决的一道难题。

本方案基于时分复用技术节点插入光端机，以及百节点自愈环传输系统的正确选用是工程得以成功实施的关键。该工程及应用技术的特点是：能够利用有限的光纤资源，通过2芯光纤插入100个节点，最大可接入2000路视频资源，最大同时传输128路视频，附带的通道可以支持128路以上的低速数据，同时可以选择支持128路双向语音信号，并可以为每个节点提供1路100M共享以太网通道。此外，通过附加相应设备，可以实现开关量、E1等常用数据格式的传输。