軍事有線光纖通信組網(wǎng)故障的定位算法

　　摘要：論文針對軍事有線光纖通信的故障定位問題進行了研究改進，將其網(wǎng)絡(luò)模型進行了拓撲描述與分析，構(gòu)建故障要素集和邏輯標識，運用改進的矩陣定位算法將網(wǎng)絡(luò)拓撲模型和故障告警信息進行矩陣化描述，并結(jié)合邏輯標識來推斷故障點位置與故障類型。最后以軍事裝備光纖通信為例進行了故障定位與排除，提出算法流程，提升了光纖故障定位的效率。

　　本文源自艦船電子工程,2020,40(04):61-67.《艦船電子工程》(月刊)創(chuàng)刊于1981年，由中國船舶重工集團公司第709研究所、中國造船工程學(xué)會、電子技術(shù)學(xué)術(shù)委員會主辦。中國造船工程學(xué)會電子技術(shù)學(xué)術(shù)委員會會刊，同時也是中國造船工程學(xué)會納入管理的期刊之一。2002年，《艦船電子工程》被中國造船工程學(xué)會授予“中國造船工程學(xué)會1998-2002年度優(yōu)秀活動項目”。

　　1、引言

　　有線光纖通信是許多設(shè)備進行數(shù)據(jù)信息交互的主要手段，其暢通與否直接關(guān)系到裝備作戰(zhàn)使用的效能。在作戰(zhàn)使用中大多光纖處于條件惡劣的環(huán)境和氣候，其傳輸距離遠、支線多，設(shè)備故障和自然環(huán)境的影響經(jīng)常造成故障頻發(fā)，一處小的問題就會間接地影響整個戰(zhàn)斗行動，在提升裝備損管能力水平上，準確及時地判斷和定位故障是其重要內(nèi)容。

　　一般的通信故障定位方法可以分為廣域區(qū)段定位和距離判定法，前者利用的是多個線路終端(FTU)或者是通信故障告警器(FWI)實現(xiàn)故障定位，后者是利用光纖端口的信號衰減程度來估測計算斷點距離該端口的距離[1]。隨著技術(shù)水平的不斷提升，目前一般采用線路終端自導(dǎo)通或者故障告警器來實現(xiàn)故障具體定位[2]。其過程一般分為檢查光電轉(zhuǎn)換器指示燈、跳線和尾纖的通斷檢測、使用OTDR(光時域反射儀)進行測試三個步驟[3]。但是，線路終端自導(dǎo)通的測試區(qū)域范圍不夠精準，有時范圍太大而難以準確定位故障區(qū)段，而距離判定法即使用OTDR是基于區(qū)段相對確定的基礎(chǔ)上進行的，外接故障告警器相對較為準確，但是其一般布置于相對靜態(tài)且位置相對確定的區(qū)域，作戰(zhàn)臨時使用需要的是高度機動性，因此其不滿足“快打快撤”的基本要求，所以較少使用。本文基于終端自導(dǎo)和故障告警器原理提出故障定位算法，該算法主要根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器指示燈提示信息對故障告警器進行邏輯狀態(tài)編號，同時對網(wǎng)絡(luò)進行拓撲描述分析和邏輯判斷，并對拓撲網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行邏輯標識，從而推算出故障點類型以及故障的位置。經(jīng)過實地檢驗，該算法確實提升了故障定位的準確性，具有較高的實用性。

　　2、有線光纖通信拓撲描述模型

　　一般傳統(tǒng)的圖論描述方法分為有向圖和無向圖描述。例如在地方電網(wǎng)的建設(shè)與排故中[4,5,6]就是以圖論為基礎(chǔ)知識，根據(jù)配電網(wǎng)拓撲模型來建立相對應(yīng)的故障判別矩陣，然后用故障判別矩陣推斷和隔離故障區(qū)段。但是在軍事裝備通信中，例如艦載和車載設(shè)備中的光纖通信，經(jīng)典的圖論描述難以支撐復(fù)雜的光纖通信網(wǎng)絡(luò)故障定位，隨著接入設(shè)備的增加，經(jīng)典拓撲模型構(gòu)建的信息要素矩陣會呈現(xiàn)指數(shù)級的量級增大，顯然經(jīng)典拓撲描述只能適用相對簡單的網(wǎng)絡(luò)模型，而對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)則顯得力不從心[7]。本文在結(jié)合終端故障告警器狀態(tài)標識的基礎(chǔ)上，同時將其他具有特征狀態(tài)的設(shè)備引入拓撲網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點描述，通過邏輯分類標識簡化拓撲網(wǎng)絡(luò)描述模型。

　　2.1 光纖終端故障告警器運行機制

　　圖1故障告警器示意圖

　　故障告警器一般位于線路分支點和設(shè)備接線端口中段處，當光纖線路發(fā)生斷路，或者在連接處的衰減超出閾值時，連接該線路端口設(shè)備故障告警器就會發(fā)光告警[8]。其與光纖鏈路本身會形成串聯(lián)與并聯(lián)的關(guān)系，在并聯(lián)狀態(tài)時，鏈路本身優(yōu)先級高于告警器優(yōu)先級，以此來判斷兩節(jié)點間的鏈路是否出現(xiàn)故障。因此，故障的位置和連接方式會間接的影響故障告警器告警規(guī)律，號手或維修人員需要根據(jù)告警規(guī)律迅速定位故障區(qū)段，并上報上級部門，同時利用端點自導(dǎo)通來縮小故障區(qū)段范圍。這里以車載裝備有線光纖通信為例，舉個僅有單回路，且故障告警器連接方式為串聯(lián)的例子，如圖1所示，當故障點發(fā)生在A與A1之間時，故障告警器A1與A2會告警，其余告警器則不會告警。若故障點位于中繼端設(shè)備A1-A’1中時，則所有故障告警器均告警。

　　2.2 光纖通信網(wǎng)絡(luò)拓撲描述模型

　　一般通信網(wǎng)絡(luò)能夠以有線、無線或混合組網(wǎng)方式組成數(shù)據(jù)和話音通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同的戰(zhàn)場環(huán)境以及內(nèi)部系統(tǒng)各個節(jié)點的條件和狀態(tài)，可分別組成各種不同類型的組網(wǎng)模式。這種算法在圖論中也有較為詳細的描述，其包括了組合算法、幾何算法、多層劃分法、譜方法等。在計算機分布式和并行計算中，經(jīng)常利用圖論劃分來減少并行計算中的數(shù)據(jù)交互量，平均計算負荷，實現(xiàn)高效計算能力[9,10,11,12,13]。在軍事光纖通信中通過有線、無線信道的協(xié)同控制，可以組成系統(tǒng)內(nèi)部1:n個數(shù)據(jù)網(wǎng)和m個節(jié)點的話音網(wǎng)。其組網(wǎng)和控制功能包括：1)控制無線子網(wǎng)和有線子網(wǎng)，構(gòu)建1:n星型網(wǎng)絡(luò)。2)終端數(shù)據(jù)的分析、轉(zhuǎn)發(fā)和差別控制。3)有線、無線話音的控制、交換，具有多種呼叫和接續(xù)工作方式。一般通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中都會攜帶小型數(shù)字交叉連接設(shè)備，能提供靈活的交換網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)任意n個E1信號和n個光口之間64KBPS的無阻塞交換網(wǎng)絡(luò)，與端口控制器固定時隙交換，實現(xiàn)光纖有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。基于經(jīng)典圖論描述，本文結(jié)合告警器觸發(fā)機制和光纖通信原理，以軍事裝備光纖通信為例，引入邏輯標識概念，對經(jīng)典圖論算法進行改進[14]。方法為“載體標識+設(shè)備標識+小數(shù)點+節(jié)點標識+分支節(jié)點標識+下級節(jié)點標識+…+末端節(jié)點標識”，為區(qū)別主線到支線，用字母A到Z來表示，若存在拓撲有向圖則在后面定義“+”和“—”號，一般可以將“+”定義為星型網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點或者其他網(wǎng)絡(luò)中的相對中心的節(jié)點到支線節(jié)點的方向，即下行方向，“—”則表示是自下而上逆方向，即上行方向。用實線表示設(shè)備外部光纖連線，用虛線表示內(nèi)部隱藏光纖連線。

　　另外，本文建立了基于拓撲模型“同胚”理論的標識，也就是說，在錯綜復(fù)雜的光纖網(wǎng)絡(luò)中，可以利用“同胚”理論將網(wǎng)絡(luò)的連通特性進行歸類，而后將同一類的拓撲網(wǎng)絡(luò)用二進制標識來表示該區(qū)域的類型，以機動車載裝備的有線光纖通信為例，在簡單的1:1網(wǎng)絡(luò)中，一般情況下可歸為4個可變通網(wǎng)絡(luò)區(qū)域(只考慮粗實線部分)，其拓撲網(wǎng)絡(luò)就有24種表述形式，如“1000”就表示在第一個可變區(qū)域是連通的(平行)，剩下3個區(qū)域是不連通(交叉)的情形，因此“0100”、“0010”、“0001”與其均為同胚拓撲構(gòu)型，即單連通構(gòu)型，它們具有相同的拓撲網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)。類似，如“1100”、“1011”、“1111”等就屬于雙連通或多連通類型，原則是有交叉部分需要劃一個區(qū)域，平行區(qū)域可根據(jù)標識的節(jié)點數(shù)量與分布情況任意劃區(qū)，因此拓撲區(qū)域劃分最小個數(shù)n£節(jié)點標識總數(shù)m。同理，其他類型拓撲網(wǎng)絡(luò)均可用該方式歸類標識。如圖2所示，例如“51.22+”表示5號載體連接設(shè)備1上在第2個故障告警器下行方向上第2個節(jié)點，因為案例中只考慮1:1連接情況，因此未存在主線和支線的拓撲關(guān)系。

　　圖2光纖通信網(wǎng)絡(luò)拓撲描述模型

　　2.3 故障要素集

　　一般故障告警器和設(shè)備端均有相應(yīng)的標號，根據(jù)標號可以從裝備信息數(shù)據(jù)庫中查詢到唯一的設(shè)備類型、生產(chǎn)日期及廠家、安裝信息等要素，根據(jù)這些要素就可以迅速從備用裝設(shè)備中找到合適的配件進行有效安裝和調(diào)試，因此可以認為，上面一節(jié)定義的故障信息拓撲標識可以與具體的裝設(shè)備信息要素形成一一對應(yīng)，這個要根據(jù)裝備具體型號具體分析和定義，比如可以制定一個簡單的要素表，如表1所示。

　　表1信息要素表

　　3、改進矩陣定位算法分析描述

　　本文提出了對一般通用性光纖網(wǎng)絡(luò)進行的兩種設(shè)定與標識，第一種是從整體區(qū)域上進行類型和結(jié)構(gòu)描述，在大多數(shù)情況下，光纖網(wǎng)絡(luò)具有回路結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)連接情況可將網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)型的連通性進行歸類，包含了單連通、多連通與不連通的情況，并用二進制進行邏輯標識。第二種是從細節(jié)上對其中的連接線、端口、告警器、設(shè)備等在拓撲網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)節(jié)點的位置進行邏輯標識，下面本文對已標識好的光纖通信網(wǎng)絡(luò)進行矩陣算法描述，同樣還是以軍事裝備之間的光纖通信為例進行分析。

　　3.1 光纖通信網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)型判別

　　結(jié)合圖2中描述的1:1光纖通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進行1:2的拓展分析，并將結(jié)構(gòu)描述如圖3所示。

　　圖3是對1:2光纖通信系統(tǒng)進行了拓撲網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和節(jié)點邏輯標識，其中位于機柜上的收發(fā)接口以及可調(diào)整的連接線均改為對應(yīng)的邏輯標識，在1:n的星型拓撲網(wǎng)絡(luò)模式下以此類推。按照平行連通，交叉不連通的方式給該模型分類，則圖3所構(gòu)成的模型是(1101∪0100)構(gòu)型，另外，結(jié)合實例的裝設(shè)備情況，在默認內(nèi)部光纖正常且只考慮外部光纖拓撲構(gòu)型的情況下，位于機柜外部可改變的光纖組一共有8+3組(1:2模式)，每輛分載體與主載體的有線通信相對獨立，互不影響。那么總共可能出現(xiàn)的模式就一共有28+23種，根據(jù)拓撲構(gòu)型分析可知其中2(C42+C44)+C32種構(gòu)型是同胚可導(dǎo)的，并且在預(yù)先未知裝設(shè)備連接情況的前提下，其中隨機出現(xiàn)C42的概率最大，因此對于作戰(zhàn)中的裝備光纖通信使用，判定有線通信拓撲構(gòu)型對于后續(xù)的應(yīng)急情況處置有重要的意義。

　　圖3光纖通信網(wǎng)絡(luò)拓撲描述模型實例

　　3.2 故障定位信息矩陣

　　一般故障排除步驟是：1)定構(gòu)型;2)找節(jié)點;3)多導(dǎo)通。本文將結(jié)合故障告警器信息要素用矩陣的形式進行描述，以達成后兩步操作。在已知故障告警器串聯(lián)于通信網(wǎng)絡(luò)中時，通過拓撲構(gòu)型和告警信息要素矩陣分析可以較為直接地推算故障大致區(qū)域，該算法在第4節(jié)案例分析中有說明。但是當未知網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)型且根據(jù)故障告警信息調(diào)試仍無法確定故障具體位置時，則必須基于已知信息，引入故障判別矩陣，這類算法在工程問題中有許多類似的應(yīng)用，本文結(jié)合軍事光纖通信排故的特有性質(zhì)，提出相對應(yīng)的矩陣描述，針對網(wǎng)絡(luò)拓撲描述構(gòu)型得到矩陣D，將邏輯標識的故障告警信息要素形成矩陣G，二者相乘得到故障判別矩陣P，根據(jù)該矩陣特征推測系統(tǒng)故障區(qū)域，其關(guān)鍵在于如何定義和構(gòu)建D、G矩陣，以及P中的判定方法。

　　3.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲描述矩陣

　　結(jié)合圖3中載體5和載體1的連接情況形成表格如表2。

　　表2網(wǎng)絡(luò)拓撲描述信息要素表

　　從表2中可以發(fā)現(xiàn)從不導(dǎo)通的模式要變成導(dǎo)通的模式，最快最短的步驟只需要從外部四種連接狀態(tài)中隨機改動任意一處即可，在時間和條件允許的情況下，也可將光纖通信連接網(wǎng)絡(luò)先設(shè)定成預(yù)定模式，如前八種拓撲模式。然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的故障告警燈告警情況來判定下一步具體故障定位操作，這里本文將網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)型用一個n×1階列矩陣來描述，例如11010模式就表示成D=[1,1,0,1,0]T，矩陣階數(shù)的定義是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實際需要來確定。

　　3.2.2 故障告警信息要素矩陣

　　該要素矩陣分兩種，一種是內(nèi)嵌式不同級之間故障告警矩陣，用n×n階矩陣來描述，另一種是外接式同級告警矩陣，用n×1階矩陣來描述，本文重點對第一種情況進行研究分析。假設(shè)在光纖通信網(wǎng)絡(luò)拓撲描述后共設(shè)定了m個帶有邏輯標識的光纖端口節(jié)點，則故障告警器使端口節(jié)點兩兩相連且有向的連接情況共有Am2種，一般情況下相鄰節(jié)點中的告警器為串聯(lián)，有間隔的節(jié)點之間為并聯(lián)。對角線元素aij(i=j)表示同一層級節(jié)點內(nèi)部的連接狀態(tài)，其邏輯標識如51.11A-和51.11A+就為同級節(jié)點，只存在方向的不同。為使矩陣運算不涉及負數(shù)，定義矩陣上三角元素aij(i>j)表示方向為正的邏輯標識告警節(jié)點，其中aij(|i-j|=1)表示相鄰的兩個邏輯節(jié)點連線，aij(|i-j|=2)表示中間有1個節(jié)點間隔的連線，以此類推。矩陣下三角元素aij(i

　　隨著裝備不斷發(fā)展，會出現(xiàn)更多的分布式網(wǎng)絡(luò)接入，其邏輯標識中方向正負的定義會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變和實際需要而發(fā)生相應(yīng)變化。下面以m=4為例，構(gòu)造如下故障告警信息要素矩陣(2)，可知，位于a12和a32連接處的告警器告警。在不確定網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)型模式的前提下，無法準確定位故障具體位置。如已知拓撲構(gòu)型僅為單連通模式D=[1,1,1,1]T，則G1包含于G2或G3，同理，已知G1即可推出G2或G3，即告警器并聯(lián)時，上三角的節(jié)點往右上方向擴展，下三角的節(jié)點往左下方向擴展，告警器串聯(lián)時，上三角的節(jié)點往右下方向線性擴展，下三角的節(jié)點往左上方向線性擴展。

　　3.2.3 故障判別矩陣

　　根據(jù)本文對光纖網(wǎng)絡(luò)的拓撲構(gòu)型描述，其形成n×1矩陣，故障告警信息要素形成n×m階矩陣，一般情況下m=n，二者相乘可得n×m階矩陣P，即為故障判別矩陣。可知，當網(wǎng)絡(luò)拓撲描述元素均為1時，也就是假定整個拓撲網(wǎng)絡(luò)是一個單連通構(gòu)型時，則相乘得到的故障判別矩陣P必然是矩陣G本身，或者P包含矩陣G，若不包含其本身則可推斷網(wǎng)絡(luò)分區(qū)中必產(chǎn)生了交叉，導(dǎo)致整體未形成單連通構(gòu)型，或者是網(wǎng)絡(luò)中有隱藏層(內(nèi)部光纖連接)未被包含在內(nèi)。例如若得知故障告警矩陣情況如式(2)所示，一般情況下可斷定a1-a2處(正向)和a3-a2處(逆向)均出現(xiàn)故障，但在僅僅導(dǎo)通a1-a2或a2-a2時，兩處故障均恢復(fù)正常，僅僅導(dǎo)通a3-a2時，故障不變。顯然可知a3-a2處出現(xiàn)交叉使得a1-a2處的故障引發(fā)逆向a3-a2線路中故障告警器的告警。所以在進行導(dǎo)通a3-a2的操作時，外部告警器與原網(wǎng)絡(luò)形成并聯(lián)構(gòu)型，從而無法判斷故障類別要素。

　　4、案例分析

　　圖4故障定位算法流程圖

　　圖5案例分析圖

　　該算法基于光纖連接的基本拓撲網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，在終端自導(dǎo)之前根據(jù)終端自帶的故障告警器提示，結(jié)合故障要素信息矩陣預(yù)先框定故障區(qū)段，具體算法流程如圖4所示。

　　這里我們以圖2情況為例進行算法分析，本例中光纖未通的告警信息有三種情況，一是載體5通和載體1不通，二是載體5不通、載體1通，三是載體5與載體1均不通。首先我們把光纖通信接線圖進行邏輯標識，已知的拓撲網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型為1110且故障告警器均串聯(lián)于拓撲網(wǎng)絡(luò)中，可拆解的斷路有(51.1+—51.2+)(51.2+—51.3+)等共7段，以及它們之間的并集，同時，可調(diào)整的接口以及線段有(5.1—5.4)和(1.1—1.4)。按照前面分析的故障告警機制，假設(shè)當出現(xiàn)第一種情況時，首先可以判定(11.1+—11.2+—...—51.1-)是連通的，因此該線路上的所有節(jié)點均完好無需調(diào)試，需要對(51.1+—51.2+—51.3+—...—11.1-)鏈路上節(jié)點逐個進行調(diào)試，若所有節(jié)點均調(diào)試完畢故障仍復(fù)現(xiàn)，則需對節(jié)點之間的連線進行調(diào)試，方法就是對同一級的節(jié)點用外接故障告警器進行短接，直至找出斷路具體位置。如圖5所示，綠色部分為完好部分，紅色部分為故障部分，在確定斷點與斷路時不能同時調(diào)試多個節(jié)點。

　　按照節(jié)點的邏輯標識，在有相鄰故障告警器告警的情況下，根據(jù)標識追根溯源原則，選擇標識靠前的去除標識靠后的，例如51.2+與51.3+同時告警，則選擇51.2+與其之前的一個線段進行調(diào)試，而51.1-與51.2-同時告警，則選擇51.2-與其之后的一個線段進行調(diào)試。在一般光纖線路中故障告警器串聯(lián)于端口，均可按端口邏輯標識規(guī)律結(jié)合該算法來準確定位故障位置。

　　5、結(jié)語

　　本文主要研究了光纖通信組網(wǎng)中故障定位的算法，較為詳細和簡明地分析了通信機理和故障告警觸發(fā)機制，結(jié)合故障告警器和光纖連接方式構(gòu)造了通信網(wǎng)絡(luò)拓撲描述模型，并運用圖論對其進行同胚性歸類分析，并結(jié)合故障要素集提出了改進矩陣定位算法，對拓撲描述模型和故障告警信息進行矩陣表述并結(jié)合二者進行故障判別，對于裝備管理與運用和提升應(yīng)急情況處置效率起到了幫助作用，本文分析的情況涵蓋了多數(shù)裝備通信的基本特征，具有一定的通用性和實操性，利用該理論和算法能夠快速準確定位故障類型和故障位置，大大提升故障排除效率，對裝備管理綜合水平和作戰(zhàn)能力提升起到推動的作用。

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