一、需求分析

近年(nián)來，城市的建設與變遷日新月異。随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)城市居住人員的增加、生(shēng)活需求的變化，城市中各種類型的管道，例如(rú) 供水、燃氣、電力、通信、智能(néng)交通控制等，通常需要(yào / yāo)大量的管線，由于(yú)城市的發(fā／fà)展，架空已經不再适應城市發(fā／fà)展需要(yào / yāo)。 與此同時，管網系統變更速度也在加快，随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)管網假設雜程度的提高，系統對(duì)智能(néng)化要(yào / yāo)求也越來越高，對(duì)管網系統的監 測需求也越來越高。

雲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(néng)完 備，随之配套的沿線電力、電信、自(zì)來水、煤氣、消防、雨污水管等地下(xià)管線的建設成爲一個附帶的重大問題。 

爲了杜絕由管線營運商自(zì)行(háng / xíng)開挖建設導緻的重複開挖、浪費地下(xià)空間資源、施工混亂等弊病，這兩條路的沿線管道 和線路在建設過(guò)程中采用(yòng)了新型綜合管溝技術，實現一次性挖埋，一次性建設，一次性安裝，減少了路面開挖次數，避 免由于(yú)開挖影響交通和居民出行(háng / xíng)，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，爲城市規劃發(fā／fà)展需要(yào / yāo)預 留了寶貴的地下(xià)空間。

這兩條路的沿線綜合管溝系統全長約34 公裏(lǐ)，管道内每隔400 米劃分爲一段。綜合管溝箱體采用(yòng)鋼筋混凝土單孔 矩形箱涵結構，标準斷面尺寸爲4.7 米×3 米，其(qí)内部淨尺寸爲4 米×2.3 米。綜合管溝設置了用(yòng)于(yú)通風的通風口、用(yòng)于(yú)放 入大型設備或材料的投料口、供人員進出到管溝内的出入口及各種支線引出口，能(néng)非常方便的将各種管線引入或引出到 綜合管溝内。通道内部獨立有出入口(供維護管理人員進出)、通風口及投料口(用(yòng)于(yú)設備搬運進出)。爲在控制中心内的智 能(néng)監控、狀态顯示、操作、維護、監視、通信以及資源共享等諸多功能(néng)，需要(yào / yāo)對(duì)管網的實際設備以及其(qí)他情況進行(háng / xíng)檢測。 

作爲沿線重要(yào / yāo)的電力、通訊系統的主要(yào / yāo)承載通道，綜合管溝内部的環境、設備工作狀況是否正常，影響到沿線的多 個子系統的正常工作。爲了實現管溝内部的設備綜合管理，對(duì)各區域實行(háng / xíng)統一監控、集中管理具有十(shí)分重要(yào / yāo)的意義。爲 此，建立一套多系統集成的多功能(néng)管理系統對(duì)維護管溝的正常運行(háng / xíng)十(shí)分重要(yào / yāo)。 

爲了實現綜合管理，在綜合管溝的内部每隔400 米設置有一道防火門，在兩防火門之間爲一個接入區域，每個區域 内需要(yào / yāo)與控制中心之間要(yào / yāo)求傳輸回視頻信号；區域内進出井蓋的狀态信号、出入門和防火門的按鈕的開關量信号、與中 心之間的IP 電話以及自(zì)動控制網絡的網絡信号。整個管理系統由集成平台負責協同運行(háng / xíng)，實現對(duì)各子系統的具體管理， 同時也提供一些擴展的功能(néng)，以滿足各子系統的功能(néng)需求，使整個系統能(néng)夠更加可(kě)靠、穩定的運行(háng / xíng)。 

爲了滿足沿線監控子系統的需求，本着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)多系統協同運行(háng / xíng)，一體化統籌傳輸的理念，爲監控子系統設計了98 個前端 監測區域，實際每個區域分别包含1~4 路視頻，共計255 路視頻。同時每個區域包含供出入口和防火門使用(yòng)的6 路正向 和2 路反向開關量信号、多路低速232/485 數據、以及供IP 電話和自(zì)動控制系統使用(yòng)的一個共享太網需要(yào / yāo)傳輸。 

可(kě)以看出，系統存在前端點位多，分布廣泛，附帶數據類型複雜，可(kě)用(yòng)光纖資源較少等困難，采用(yòng)傳統方式進行(háng / xíng)傳 輸的資源消耗非常大，因此，亟待一種高效、可(kě)靠的新型傳輸方式來滿足該次建設的需求。

二、設計思路
根據本項目的特點，前端環境溫濕度可(kě)控性不夠，實現前端監測點錄像較大困難，因此設計将所(suǒ)有視頻和控制數據 需要(yào / yāo)實時傳輸到中心進行(háng / xíng)觀看和錄像，監測區域與中心之間的以太網數據和開關量控制數據也需要(yào / yāo)同時傳輸到控制中心。 由于(yú)前端數量多，對(duì)系統傳輸方案的有比較嚴格的要(yào / yāo)求。
在傳輸方案選擇上，通常有以下(xià)幾種方式可(kě)以選擇：
1.   用(yòng)點對(duì)點光端機進行(háng / xíng)傳輸

按照系統需求，前端監測區域包含98 個，可(kě)以爲各個節點分别配置相應的視頻/數據複用(yòng)光端機。但是，該方案需要(yào / yāo)的光纖資源占用(yòng)非常嚴重。幾乎可(kě)以不考慮該方式。 

同時，由于(yú)前端設備差異較大，即使建成一套點對(duì)點傳輸系統，也将存在系統故障排查困難等等一系列問題。此外， 由于(yú)傳統點對(duì)點光端機通常路數較少，系統的中心設備管理維護将十(shí)分耗費人力資源。

2.   采用(yòng)波分複用(yòng)技術進行(háng / xíng)逐點插入傳輸

爲了節約光纖資源，現有的光傳輸技術水平可(kě)以采用(yòng)粗波分複用(yòng)技術，不同的光端機在一芯光纖内使用(yòng)不同的波長 進行(háng / xíng)傳輸。

在本項目中，可(kě)以将每個前端監測點的視頻、數據等采用(yòng)一個波長傳回中心，這樣各個前端節點回傳到中心的視頻 将互不幹擾。将中心回傳的數據等采用(yòng)統一的波長進行(háng / xíng)回傳，由各個前端節點進行(háng / xíng)接收，即可(kě)實現。 

但是，由于(yú)工程中所(suǒ)使用(yòng)光纖的局限，常規的G.652 标準光纖通常隻能(néng)使用(yòng)8 個左右波長(通常爲1470~1610um)，因 此，該方式仍然存在前端節點數量的限制，通常前端節點數量在8 個左右，光纖占用(yòng)量也較大。 

此外，采用(yòng)該方式進行(háng / xíng)傳輸，前端設備的傳輸波長以及設備本身通常爲定制産品，存在嚴重的前端設備不可(kě)互換的 問題，系統故障恢複時間較長，嚴重受制于(yú)維修周期；采用(yòng)備件的方式又存在設備的統一性問題，仍然嚴重阻礙着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)這一 方式的實際應用(yòng)。 

3.   采用(yòng)時分複用(yòng)技術進行(háng / xíng)節點插入傳輸

爲了解決前端維護以及設備互換性的問題，恩斯迈公司率先推出了基于(yú)時分複用(yòng)技術的節點光端機。采用(yòng)時分複用(yòng) 技術的光端機，使用(yòng)分割時隙的方式完成多路視頻的複用(yòng)傳輸。采用(yòng)該技術，可(kě)以在一芯光纖上同時接入多個節點，每 個節點通過(guò)分配到的時隙，将視頻在中心接收機進行(háng / xíng)統一輸出，從而(ér)完成實時視頻、數據等的傳輸。 

得(dé / de / děi)益于(yú)時分複用(yòng)技術，該類型的前端節點光端機隻需要(yào / yāo)分配到時隙即可(kě)實現圖像的傳輸。因此，其(qí)前端節點可(kě)以進 行(háng / xíng)任意互換。方便了系統管理。同時，恩斯迈公司充分從用(yòng)戶的實際情況出發(fā／fà)，在該系列光傳輸系統上集成了網管功能(néng)， 設備運行(háng / xíng)情況目了然，極大的節省了人力資源成本。 

目前恩斯迈推出的節點插入式光端機分爲十(shí)節點和百節點兩類。十(shí)節點光端機針對(duì)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 個節點插入傳輸。百節點光端機支持大100 個節點進行(háng / xíng)插入式傳 輸，每個節點支持1~4 路視頻接入，大可(kě)擴展至20 路視頻接入，全網系統支持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 系列百節點光端機支持環型、相切環、鏈型、星型等多種拓撲結構，支持采用(yòng)環網的方式進行(háng / xíng)傳輸， 大大提高了系統的可(kě)靠性。

以 Infinova N3795 系列百節點自(zì)愈環光端機爲例，該型号光端機具備多達100 個節點強大接入能(néng)力，适用(yòng)于(yú)光纖資 源有限的逐點插入特性的應用(yòng)場合采用(yòng)冗餘環狀拓撲結構，具有極高系統安全性；每個環路多可(kě)接入100 個前端接入 設備，中心交換設備可(kě)切換輸出128 路視頻，每個節點可(kě)接入1-4 路視頻帶二路雙向數據、二路反向數據和1 路百兆以 太網信号(單節點可(kě)擴展至大20 路視頻、10 路雙向數據、10 路反向數據和1 路以太網信号)，整體系統傳輸交換能(néng)力爲 2000X128，支持操作鍵盤實現切換2000 路接入視頻到128 路輸出視頻的全交叉調用(yòng)。 

考慮到本系統中大量視頻圖像需要(yào / yāo)實時傳回中心，進行(háng / xíng)實時圖像錄像，因此，要(yào / yāo)求傳輸系統具備強大的傳輸容量， 同時，要(yào / yāo)求系統具備多個節點插入傳輸，并且具備盡量少的光纖資源占用(yòng)，因此，我們選用(yòng)了恩斯迈公司的百節點光端 機來完成多節點的視頻圖像以及相關數據的傳輸。 

綜合本系統實際，我們根據系統視頻、數據接入的位置和系統的光纖資源分布，爲系統分别配置了98 台百節點接 入光端機。由于(yú)管理中心設置于(yú)兩條路的中心交叉附近，管理中心與系統前端之間設置了4 條光纖環路，每條環路采用(yòng) 兩芯主幹光纖，使系統的任意一條環路都具備了在光纖出現單點斷裂的情況下(xià)正常工作的能(néng)力。 

節點式傳輸中，由于(yú)鏈路較長，對(duì)光纖資源的可(kě)靠性要(yào / yāo)求也逐漸增加。相對(duì)于(yú)點對(duì)點光端機來講，某點光纖斷裂帶 來的影響也可(kě)能(néng)更大。除此之外，節點機的供電等情況也将影響到系統的可(kě)靠性。因此，采用(yòng)光路保護功能(néng)是必要(yào / yāo)的。

圖一是光路保護功能(néng)的示意：

在某個點出現掉電故障後(hòu)，設備内置的光路保護功能(néng)，将使得(dé / de / děi)光路可(kě)以跳過(guò)該節點，不影響其(qí)它節點圖像的傳輸。 在故障節點恢複供電後(hòu)，該節點的圖像可(kě)以自(zì)動恢複，無需人工幹預，大大提高了系統的可(kě)靠性。因此，在本項目中爲 用(yòng)戶的前端節點機添加了光路保護功能(néng)，以防止個别前端供電不正常而(ér)導緻系統不能(néng)正常使用(yòng)。

對(duì)于(yú)點對(duì)點光端機，如(rú)果某點光纖斷開，僅僅會(huì)導緻某個點不能(néng)傳輸。而(ér)對(duì)于(yú)節點機來講，如(rú)果出現光纖斷裂，如(rú) 圖二所(suǒ)示：

在這樣的情況下(xià)，處于(yú)斷裂點之後(hòu)的節點圖像将不能(néng)上傳。

因此，在該系統中采取了組環的方式進行(háng / xíng)傳輸，環路具備自(zì)愈功能(néng)，在任意點出現光纖斷裂，系統均可(kě)以重新分配 所(suǒ)使用(yòng)的光線路徑，從而(ér)達到不間斷傳輸的功能(néng)。與此同時，系統中心的網管軟件可(kě)以根據故障情況進行(háng / xíng)提示，提醒用(yòng) 戶對(duì)出現異常的光路進行(háng / xíng)檢查。

本系統中，同時采用(yòng)了組環和光路保護功能(néng)，可(kě)以屏蔽任意節點斷電故障，并具備在鏈路上單點光纖斷裂仍可(kě)以正 常運行(háng / xíng)的能(néng)力，大大提高了系統可(kě)靠性。
三、設計及實現
考慮本次項目使用(yòng)的98 台前端節點發(fā／fà)射機，使用(yòng)4 套百節點接收機，98 台開關量采集器，總共組成4 套傳輸鏈路， 實現255 路視頻、網絡以及開光量信号的傳輸。每套百節點光端機均采用(yòng)兩芯主幹光纖形成自(zì)愈環，同時爲節點發(fā／fà)射機 選用(yòng)光路保護功能(néng)，大限度節約光纖資源的同時也爲系統的穩定運行(háng / xíng)提供強有力的安全保障，具備抵抗光纖出現單點 斷裂情況下(xià)，即使某個設備出現故障或者出現斷電情況下(xià)，系統仍然可(kě)以正常運行(háng / xíng)，保證了任何節點的傳輸設備損壞或 任何一點光纖斷開都不會(huì)影響其(qí)他節點設備和中心的使用(yòng)。

本次采用(yòng)兩芯光纖組成單纖自(zì)愈環網，由于(yú)節點數量較多，爲了平衡每個節點間以及節點到中心的距離，所(suǒ)以沒有 采用(yòng)在1 芯光纖上逐點接入的方式，而(ér)是采用(yòng)在2 芯光纖上跳接設備的方式，保證了傳輸結構合理，兩條光纖在遠端 彙合于(yú)節點設備上，合理的分布了設備之間的鏈路中繼距離，其(qí)結構示意如(rú)下(xià)圖四：

本系統中所(suǒ)有前端圖像經過(guò)前端節點發(fā／fà)射機接入主幹光纖，每個節點光端機大接入4 路視頻圖像，提供反向的2 路共享RS422 信道，用(yòng)于(yú)傳輸前端快球的控制信号。同時每個節點構建2 路雙向獨立數據信道供前端控制設備與中心進 行(háng / xíng)連接，本系統中其(qí)中1 路用(yòng)于(yú)傳輸開關量信号。前端的開關量信号通過(guò)開關量采集器，轉換爲RS422 信号進入百節點 光端機進行(háng / xíng)統一傳輸。每個節點機提供的100M 共享以太網用(yòng)于(yú)傳輸自(zì)控系統的控制信号和IP 電話信号。

如(rú)圖五所(suǒ)示，所(suǒ)有前端接入信号在中心接收機上進行(háng / xíng)統一輸出，在中心接收機上通過(guò)相應的闆卡來提供相應的接口。 在系統容量需要(yào / yāo)增減時，通過(guò)增加前端發(fā／fà)射機以及中心闆卡，即可(kě)實現任意鏈路的視頻、數據、音頻、電話、開關量的 增減，如(rú)圖六所(suǒ)示。

系統中共有4 套64 節點光傳輸接收設備，視頻信号從64 節點接收機8 路視頻輸出闆輸出到視頻分配器，共使用(yòng)16 台視頻分配器對(duì)255 路視頻進行(háng / xíng)複制分配，一組輸出到硬盤錄像機進行(háng / xíng)錄像，另一組輸出到矩陣，供電視牆使用(yòng)。矩陣 通過(guò)模拟鍵盤進行(háng / xíng)切換控制，硬盤錄像機通過(guò)客戶端軟件浏覽實時視頻及錄像資料。

攝像機的PTZ 控制信号在中心通過(guò)多協議轉換器進行(háng / xíng)連接，4 台接收機的控制端口與多協議轉換器控制輸出口相連， 多協議轉換器支持多種協議輸入，可(kě)實現多種設備控制前端攝像機，也就(jiù)是說通過(guò)矩陣和硬盤錄像機都可(kě)對(duì)可(kě)控攝像機 進行(háng / xíng)PTZ 控制，可(kě)以爲後(hòu)台客戶端通過(guò)網絡方式訪問到系統圖像。

系統的 4 台節點傳輸系統接收端的網絡信号連接到交換機，通過(guò)交換機接入到自(zì)控系統電腦以及IP 電話服務器。報 警信号由4 台64 節點接收機全輸出到開關量采集器的接收機，将前端的開關量信号輸出給報警系統主機，由報警主機實 現系統的布防、撤防以及聲光聯動。通過(guò)報警碼轉換器将報警主機的報警碼轉換爲矩陣能(néng)夠識别的報警信号，由矩陣實 現圖像聯動報警，當綜合管溝内部發(fā／fà)生(shēng)報警時，報警區域附近的攝像機圖像在指定的布防監視器上自(zì)動彈出。

四、結語 

城市綜合管網的應用(yòng)，可(kě)以大大改善城市建設中多系統管網并存情況下(xià)建設困難、維護困難、統一管理困難等一系 列問題。通過(guò)該系統，可(kě)以爲市政、供水、供電、通信等一系列部分構建良好的平台。但是，由于(yú)管網本身的特性，其(qí) 綜合數據複雜，系統節點數量多，分布情況複雜，同時，傳輸鏈路資源有限，能(néng)夠利用(yòng)的傳輸資源是有限的，如(rú)何能(néng)夠 在現有的資源情況下(xià)，拓展更多更強的業務應用(yòng)，是在綜合管網設計和建設中首先需要(yào / yāo)解決的一道難題。

恩斯迈新推出的百節點自(zì)愈環光端機，能(néng)夠極大的利用(yòng)有限的光纖資源，通過(guò)在2 芯光纖上插入100 個節點，大 接入2000 路視頻資源，大同時傳輸128 路視頻，附帶的通道可(kě)以支持128 路以上的低速數據，同時可(kě)以選擇支持128 路雙向語音信号，并可(kě)以爲每個節點提供1 路100M 共享以太網通道。此外，通過(guò)附加設備或者增加相應的闆卡，可(kě)以 實現開關量、E1 等常用(yòng)數據格式通過(guò)光纖環路進行(háng / xíng)附加傳輸，能(néng)夠有效解決類似的光纖資源有限，節點分散，前端數據 傳輸複雜的應用(yòng)，爲智能(néng)化傳輸系統的建設開辟了一條新思路。