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一、需求分析

近年來，城市的建設(shè)與變遷日新月異。隨著城市居住人員的增加、生活需求的變化，城市中各種類型的管道，例如 供水、燃氣、電力、通信、智能交通控制等，通常需要大量的管線，由于城市的發(fā)展，架空已經(jīng)不再適應城市發(fā)展需要。 與此同時，管網(wǎng)系統(tǒng)變更速度也在加快，隨著管網(wǎng)假設(shè)雜程度的提高，系統(tǒng)對智能化要求也越來越高，對管網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān) 測需求也越來越高。

云南省昆明市廣福路與昆洛路是昆明主城與呈貢新城以及沿滇池大昆明城市圈的中心走廊。這兩條道路交通功能完 備，隨之配套的沿線電力、電信、自來水、煤氣、消防、雨污水管等地下管線的建設(shè)成為一個附帶的重大問題。 

為了杜絕由管線營運商自行開挖建設(shè)導致的重復開挖、浪費地下空間資源、施工混亂等弊病，這兩條路的沿線管道 和線路在建設(shè)過程中采用了新型綜合管溝技術(shù)，實現(xiàn)一次性挖埋，一次性建設(shè)，一次性安裝，減少了路面開挖次數(shù)，避 免由于開挖影響交通和居民出行，增加了路面的完整性和工程管線的耐久性，保持了街貌美觀，為城市規(guī)劃發(fā)展需要預 留了寶貴的地下空間。

這兩條路的沿線綜合管溝系統(tǒng)全長約34 公里，管道內(nèi)每隔400 米劃分為一段。綜合管溝箱體采用鋼筋混凝土單孔 矩形箱涵結(jié)構(gòu)，標準斷面尺寸為4.7 米×3 米，其內(nèi)部凈尺寸為4 米×2.3 米。綜合管溝設(shè)置了用于通風的通風口、用于放 入大型設(shè)備或材料的投料口、供人員進出到管溝內(nèi)的出入口及各種支線引出口，能非常方便的將各種管線引入或引出到 綜合管溝內(nèi)。通道內(nèi)部獨立有出入口(供維護管理人員進出)、通風口及投料口(用于設(shè)備搬運進出)。為在控制中心內(nèi)的智 能監(jiān)控、狀態(tài)顯示、操作、維護、監(jiān)視、通信以及資源共享等諸多功能，需要對管網(wǎng)的實際設(shè)備以及其他情況進行檢測。 

作為沿線重要的電力、通訊系統(tǒng)的主要承載通道，綜合管溝內(nèi)部的環(huán)境、設(shè)備工作狀況是否正常，影響到沿線的多 個子系統(tǒng)的正常工作。為了實現(xiàn)管溝內(nèi)部的設(shè)備綜合管理，對各區(qū)域?qū)嵭薪y(tǒng)一監(jiān)控、集中管理具有十分重要的意義。為 此，建立一套多系統(tǒng)集成的多功能管理系統(tǒng)對維護管溝的正常運行十分重要。 

為了實現(xiàn)綜合管理，在綜合管溝的內(nèi)部每隔400 米設(shè)置有一道防火門，在兩防火門之間為一個接入?yún)^(qū)域，每個區(qū)域 內(nèi)需要與控制中心之間要求傳輸回視頻信號；區(qū)域內(nèi)進出井蓋的狀態(tài)信號、出入門和防火門的按鈕的開關(guān)量信號、與中 心之間的IP 電話以及自動控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)信號。整個管理系統(tǒng)由集成平臺負責協(xié)同運行，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的具體管理， 同時也提供一些擴展的功能，以滿足各子系統(tǒng)的功能需求，使整個系統(tǒng)能夠更加可靠、穩(wěn)定的運行。 

為了滿足沿線監(jiān)控子系統(tǒng)的需求，本著多系統(tǒng)協(xié)同運行，一體化統(tǒng)籌傳輸?shù)睦砟?，為監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計了98 個前端 監(jiān)測區(qū)域，實際每個區(qū)域分別包含1~4 路視頻，共計255 路視頻。同時每個區(qū)域包含供出入口和防火門使用的6 路正向 和2 路反向開關(guān)量信號、多路低速232/485 數(shù)據(jù)、以及供IP 電話和自動控制系統(tǒng)使用的一個共享太網(wǎng)需要傳輸。 

可以看出，系統(tǒng)存在前端點位多，分布廣泛，附帶數(shù)據(jù)類型復雜，可用光纖資源較少等困難，采用傳統(tǒng)方式進行傳 輸?shù)馁Y源消耗非常大，因此，亟待一種高效、可靠的新型傳輸方式來滿足該次建設(shè)的需求。

二、設(shè)計思路
根據(jù)本項目的特點，前端環(huán)境溫濕度可控性不夠，實現(xiàn)前端監(jiān)測點錄像較大困難，因此設(shè)計將所有視頻和控制數(shù)據(jù) 需要實時傳輸?shù)街行倪M行觀看和錄像，監(jiān)測區(qū)域與中心之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和開關(guān)量控制數(shù)據(jù)也需要同時傳輸?shù)娇刂浦行摹?由于前端數(shù)量多，對系統(tǒng)傳輸方案的有比較嚴格的要求。
在傳輸方案選擇上，通常有以下幾種方式可以選擇：
1.   用點對點光端機進行傳輸

按照系統(tǒng)需求，前端監(jiān)測區(qū)域包含98 個，可以為各個節(jié)點分別配置相應的視頻/數(shù)據(jù)復用光端機。但是，該方案需要的光纖資源占用非常嚴重。幾乎可以不考慮該方式。 

同時，由于前端設(shè)備差異較大，即使建成一套點對點傳輸系統(tǒng)，也將存在系統(tǒng)故障排查困難等等一系列問題。此外， 由于傳統(tǒng)點對點光端機通常路數(shù)較少，系統(tǒng)的中心設(shè)備管理維護將十分耗費人力資源。

2.   采用波分復用技術(shù)進行逐點插入傳輸

為了節(jié)約光纖資源，現(xiàn)有的光傳輸技術(shù)水平可以采用粗波分復用技術(shù)，不同的光端機在一芯光纖內(nèi)使用不同的波長 進行傳輸。

在本項目中，可以將每個前端監(jiān)測點的視頻、數(shù)據(jù)等采用一個波長傳回中心，這樣各個前端節(jié)點回傳到中心的視頻 將互不干擾。將中心回傳的數(shù)據(jù)等采用統(tǒng)一的波長進行回傳，由各個前端節(jié)點進行接收，即可實現(xiàn)。 

但是，由于工程中所使用光纖的局限，常規(guī)的G.652 標準光纖通常只能使用8 個左右波長(通常為1470~1610um)，因 此，該方式仍然存在前端節(jié)點數(shù)量的限制，通常前端節(jié)點數(shù)量在8 個左右，光纖占用量也較大。 

此外，采用該方式進行傳輸，前端設(shè)備的傳輸波長以及設(shè)備本身通常為定制產(chǎn)品，存在嚴重的前端設(shè)備不可互換的 問題，系統(tǒng)故障恢復時間較長，嚴重受制于維修周期；采用備件的方式又存在設(shè)備的統(tǒng)一性問題，仍然嚴重阻礙著這一 方式的實際應用。 

3.   采用時分復用技術(shù)進行節(jié)點插入傳輸

為了解決前端維護以及設(shè)備互換性的問題，英飛拓公司率先推出了基于時分復用技術(shù)的節(jié)點光端機。采用時分復用 技術(shù)的光端機，使用分割時隙的方式完成多路視頻的復用傳輸。采用該技術(shù)，可以在一芯光纖上同時接入多個節(jié)點，每 個節(jié)點通過分配到的時隙，將視頻在中心接收機進行統(tǒng)一輸出，從而完成實時視頻、數(shù)據(jù)等的傳輸。 

得益于時分復用技術(shù)，該類型的前端節(jié)點光端機只需要分配到時隙即可實現(xiàn)圖像的傳輸。因此，其前端節(jié)點可以進 行任意互換。方便了系統(tǒng)管理。同時，英飛拓公司充分從用戶的實際情況出發(fā)，在該系列光傳輸系統(tǒng)上集成了網(wǎng)管功能， 設(shè)備運行情況目了然，極大的節(jié)省了人力資源成本。 

目前英飛拓推出的節(jié)點插入式光端機分為十節(jié)點和百節(jié)點兩類。十節(jié)點光端機針對部分光纖資源緊張的情況，支持 在一芯光纖中同時傳輸10 路視頻圖像，大支持10 個節(jié)點插入傳輸。百節(jié)點光端機支持大100 個節(jié)點進行插入式傳 輸，每個節(jié)點支持1~4 路視頻接入，大可擴展至20 路視頻接入，全網(wǎng)系統(tǒng)支持2000 路視頻接入，大同時傳輸128 路無損視頻圖像至中心接收端。 

此外，Infinova 系列百節(jié)點光端機支持環(huán)型、相切環(huán)、鏈型、星型等多種拓撲結(jié)構(gòu)，支持采用環(huán)網(wǎng)的方式進行傳輸， 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

以 Infinova N3795 系列百節(jié)點自愈環(huán)光端機為例，該型號光端機具備多達100 個節(jié)點強大接入能力，適用于光纖資 源有限的逐點插入特性的應用場合采用冗余環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)，具有極高系統(tǒng)安全性；每個環(huán)路多可接入100 個前端接入 設(shè)備，中心交換設(shè)備可切換輸出128 路視頻，每個節(jié)點可接入1-4 路視頻帶二路雙向數(shù)據(jù)、二路反向數(shù)據(jù)和1 路百兆以 太網(wǎng)信號(單節(jié)點可擴展至大20 路視頻、10 路雙向數(shù)據(jù)、10 路反向數(shù)據(jù)和1 路以太網(wǎng)信號)，整體系統(tǒng)傳輸交換能力為 2000X128，支持操作鍵盤實現(xiàn)切換2000 路接入視頻到128 路輸出視頻的全交叉調(diào)用。 

考慮到本系統(tǒng)中大量視頻圖像需要實時傳回中心，進行實時圖像錄像，因此，要求傳輸系統(tǒng)具備強大的傳輸容量， 同時，要求系統(tǒng)具備多個節(jié)點插入傳輸，并且具備盡量少的光纖資源占用，因此，我們選用了英飛拓公司的百節(jié)點光端 機來完成多節(jié)點的視頻圖像以及相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸。 

綜合本系統(tǒng)實際，我們根據(jù)系統(tǒng)視頻、數(shù)據(jù)接入的位置和系統(tǒng)的光纖資源分布，為系統(tǒng)分別配置了98 臺百節(jié)點接 入光端機。由于管理中心設(shè)置于兩條路的中心交叉附近，管理中心與系統(tǒng)前端之間設(shè)置了4 條光纖環(huán)路，每條環(huán)路采用 兩芯主干光纖，使系統(tǒng)的任意一條環(huán)路都具備了在光纖出現(xiàn)單點斷裂的情況下正常工作的能力。 

節(jié)點式傳輸中，由于鏈路較長，對光纖資源的可靠性要求也逐漸增加。相對于點對點光端機來講，某點光纖斷裂帶 來的影響也可能更大。除此之外，節(jié)點機的供電等情況也將影響到系統(tǒng)的可靠性。因此，采用光路保護功能是必要的。

圖一是光路保護功能的示意：

在某個點出現(xiàn)掉電故障后，設(shè)備內(nèi)置的光路保護功能，將使得光路可以跳過該節(jié)點，不影響其它節(jié)點圖像的傳輸。 在故障節(jié)點恢復供電后，該節(jié)點的圖像可以自動恢復，無需人工干預，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，在本項目中為 用戶的前端節(jié)點機添加了光路保護功能，以防止個別前端供電不正常而導致系統(tǒng)不能正常使用。

對于點對點光端機，如果某點光纖斷開，僅僅會導致某個點不能傳輸。而對于節(jié)點機來講，如果出現(xiàn)光纖斷裂，如 圖二所示：

在這樣的情況下，處于斷裂點之后的節(jié)點圖像將不能上傳。

因此，在該系統(tǒng)中采取了組環(huán)的方式進行傳輸，環(huán)路具備自愈功能，在任意點出現(xiàn)光纖斷裂，系統(tǒng)均可以重新分配 所使用的光線路徑，從而達到不間斷傳輸?shù)墓δ?。與此同時，系統(tǒng)中心的網(wǎng)管軟件可以根據(jù)故障情況進行提示，提醒用 戶對出現(xiàn)異常的光路進行檢查。

本系統(tǒng)中，同時采用了組環(huán)和光路保護功能，可以屏蔽任意節(jié)點斷電故障，并具備在鏈路上單點光纖斷裂仍可以正 常運行的能力，大大提高了系統(tǒng)可靠性。
三、設(shè)計及實現(xiàn)
考慮本次項目使用的98 臺前端節(jié)點發(fā)射機，使用4 套百節(jié)點接收機，98 臺開關(guān)量采集器，總共組成4 套傳輸鏈路， 實現(xiàn)255 路視頻、網(wǎng)絡(luò)以及開光量信號的傳輸。每套百節(jié)點光端機均采用兩芯主干光纖形成自愈環(huán)，同時為節(jié)點發(fā)射機 選用光路保護功能，大限度節(jié)約光纖資源的同時也為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供強有力的安全保障，具備抵抗光纖出現(xiàn)單點 斷裂情況下，即使某個設(shè)備出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)斷電情況下，系統(tǒng)仍然可以正常運行，保證了任何節(jié)點的傳輸設(shè)備損壞或 任何一點光纖斷開都不會影響其他節(jié)點設(shè)備和中心的使用。

本次采用兩芯光纖組成單纖自愈環(huán)網(wǎng)，由于節(jié)點數(shù)量較多，為了平衡每個節(jié)點間以及節(jié)點到中心的距離，所以沒有 采用在1 芯光纖上逐點接入的方式，而是采用在2 芯光纖上跳接設(shè)備的方式，保證了傳輸結(jié)構(gòu)合理，兩條光纖在遠端 匯合于節(jié)點設(shè)備上，合理的分布了設(shè)備之間的鏈路中繼距離，其結(jié)構(gòu)示意如下圖四：

本系統(tǒng)中所有前端圖像經(jīng)過前端節(jié)點發(fā)射機接入主干光纖，每個節(jié)點光端機大接入4 路視頻圖像，提供反向的2 路共享RS422 信道，用于傳輸前端快球的控制信號。同時每個節(jié)點構(gòu)建2 路雙向獨立數(shù)據(jù)信道供前端控制設(shè)備與中心進 行連接，本系統(tǒng)中其中1 路用于傳輸開關(guān)量信號。前端的開關(guān)量信號通過開關(guān)量采集器，轉(zhuǎn)換為RS422 信號進入百節(jié)點 光端機進行統(tǒng)一傳輸。每個節(jié)點機提供的100M 共享以太網(wǎng)用于傳輸自控系統(tǒng)的控制信號和IP 電話信號。

如圖五所示，所有前端接入信號在中心接收機上進行統(tǒng)一輸出，在中心接收機上通過相應的板卡來提供相應的接口。 在系統(tǒng)容量需要增減時，通過增加前端發(fā)射機以及中心板卡，即可實現(xiàn)任意鏈路的視頻、數(shù)據(jù)、音頻、電話、開關(guān)量的 增減，如圖六所示。

系統(tǒng)中共有4 套64 節(jié)點光傳輸接收設(shè)備，視頻信號從64 節(jié)點接收機8 路視頻輸出板輸出到視頻分配器，共使用16 臺視頻分配器對255 路視頻進行復制分配，一組輸出到硬盤錄像機進行錄像，另一組輸出到矩陣，供電視墻使用。矩陣 通過模擬鍵盤進行切換控制，硬盤錄像機通過客戶端軟件瀏覽實時視頻及錄像資料。

攝像機的PTZ 控制信號在中心通過多協(xié)議轉(zhuǎn)換器進行連接，4 臺接收機的控制端口與多協(xié)議轉(zhuǎn)換器控制輸出口相連， 多協(xié)議轉(zhuǎn)換器支持多種協(xié)議輸入，可實現(xiàn)多種設(shè)備控制前端攝像機，也就是說通過矩陣和硬盤錄像機都可對可控攝像機 進行PTZ 控制，可以為后臺客戶端通過網(wǎng)絡(luò)方式訪問到系統(tǒng)圖像。

系統(tǒng)的 4 臺節(jié)點傳輸系統(tǒng)接收端的網(wǎng)絡(luò)信號連接到交換機，通過交換機接入到自控系統(tǒng)電腦以及IP 電話服務器。報 警信號由4 臺64 節(jié)點接收機全輸出到開關(guān)量采集器的接收機，將前端的開關(guān)量信號輸出給報警系統(tǒng)主機，由報警主機實 現(xiàn)系統(tǒng)的布防、撤防以及聲光聯(lián)動。通過報警碼轉(zhuǎn)換器將報警主機的報警碼轉(zhuǎn)換為矩陣能夠識別的報警信號，由矩陣實 現(xiàn)圖像聯(lián)動報警，當綜合管溝內(nèi)部發(fā)生報警時，報警區(qū)域附近的攝像機圖像在指定的布防監(jiān)視器上自動彈出。

四、結(jié)語 

城市綜合管網(wǎng)的應用，可以大大改善城市建設(shè)中多系統(tǒng)管網(wǎng)并存情況下建設(shè)困難、維護困難、統(tǒng)一管理困難等一系 列問題。通過該系統(tǒng)，可以為市政、供水、供電、通信等一系列部分構(gòu)建良好的平臺。但是，由于管網(wǎng)本身的特性，其 綜合數(shù)據(jù)復雜，系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量多，分布情況復雜，同時，傳輸鏈路資源有限，能夠利用的傳輸資源是有限的，如何能夠 在現(xiàn)有的資源情況下，拓展更多更強的業(yè)務應用，是在綜合管網(wǎng)設(shè)計和建設(shè)中首先需要解決的一道難題。

英飛拓新推出的百節(jié)點自愈環(huán)光端機，能夠極大的利用有限的光纖資源，通過在2 芯光纖上插入100 個節(jié)點，大 接入2000 路視頻資源，大同時傳輸128 路視頻，附帶的通道可以支持128 路以上的低速數(shù)據(jù)，同時可以選擇支持128 路雙向語音信號，并可以為每個節(jié)點提供1 路100M 共享以太網(wǎng)通道。此外，通過附加設(shè)備或者增加相應的板卡，可以 實現(xiàn)開關(guān)量、E1 等常用數(shù)據(jù)格式通過光纖環(huán)路進行附加傳輸，能夠有效解決類似的光纖資源有限，節(jié)點分散，前端數(shù)據(jù) 傳輸復雜的應用，為智能化傳輸系統(tǒng)的建設(shè)開辟了一條新思路。