針對電力通信光纜易受外界破壞、業(yè)務(wù)恢復耗時(shí)長(cháng)的行業(yè)痛點(diǎn)，國網(wǎng)四川廣安供電公司的技術(shù)團隊在2019年公開(kāi)了一項創(chuàng )新專(zhuān)利——矩陣光開(kāi)關(guān)及智能跳纖系統。

在電力通信系統中，光纜承載著(zhù)信息、調度、保護等多種關(guān)鍵業(yè)務(wù)，一旦光纜出現故障，傳統處理方式往往需要多組人員奔赴現場(chǎng)，手動(dòng)跳纖恢復業(yè)務(wù)，不僅耗時(shí)長(cháng)、成本高，而且受地理與協(xié)調手續的限制，嚴重影響通信恢復效率。

為此，一項名為“矩陣光開(kāi)關(guān)及智能跳纖系統”的專(zhuān)利技術(shù)應運而生。該技術(shù)通過(guò)構建矩陣式光開(kāi)關(guān)結構，結合智能控制與雙網(wǎng)冗余通信，實(shí)現了對光纜連接的遠程、快速、安全重構。

傳統光纜維護的兩難困境

在電力通信網(wǎng)絡(luò )中，光纜是信息傳輸的“大動(dòng)脈”，承載著(zhù)調度數據、保護信號、安控指令等關(guān)鍵業(yè)務(wù)。然而光纜常因施工挖斷、動(dòng)物啃咬、電化學(xué)腐蝕、人為破壞等原因導致部分纖芯損壞。

故障往往不會(huì )導致整條光纜完全中斷，而只是部分纖芯損耗過(guò)大或中斷，其余纖芯仍可正常使用。傳統處理方式主要有兩種，但各存在明顯短板。

一種是純人工現場(chǎng)處理：運維人員在接到故障通知后，需分赴光纜兩端站點(diǎn)，通過(guò)測試定位損壞纖芯，再通過(guò)光纖配線(xiàn)架進(jìn)行手動(dòng)跳接。流程繁瑣、協(xié)調復雜，尤其在偏遠山區，恢復業(yè)務(wù)常常需要數小時(shí)甚至更長(cháng)時(shí)間。

另一種是依賴(lài)SDH傳輸設備：將所有纖芯接入SDH設備，通過(guò)板卡進(jìn)行業(yè)務(wù)分配與保護。這種方式雖能實(shí)現快速切換，但需投入大量SDH光板與交叉板資源，成本高昂，且一旦設備管理通道中斷，靈活性將大大降低。

無(wú)論是人工方式的時(shí)間成本，還是SDH方案的經(jīng)濟成本，都難以滿(mǎn)足電力通信系統對“快速恢復、降本增效”的迫切需求。

矩陣光開(kāi)關(guān)，實(shí)現光路的靈活重構

該技術(shù)的核心硬件創(chuàng )新在于提出了一種“矩陣式光開(kāi)關(guān)”結構。這是一種可實(shí)現任意輸入與任意輸出之間光路連接的開(kāi)關(guān)陣列。

具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)N×N矩陣光開(kāi)關(guān)包含n路輸入、n路輸出以及n2個(gè)獨立的光開(kāi)關(guān)單元。每一路輸入光纖都并聯(lián)著(zhù)n個(gè)光開(kāi)關(guān)，而這n個(gè)開(kāi)關(guān)的另一端分別連接至n路不同的輸出光纖。

圖1：3×3矩陣光開(kāi)關(guān)結構示意圖

每個(gè)光開(kāi)關(guān)單元都配有獨立的驅動(dòng)電路，通過(guò)接收“0”或“1”的控制信號，來(lái)決定開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)。當某個(gè)開(kāi)關(guān)導通時(shí)，對應的輸入與輸出光路即被連通。

這種結構就像一個(gè)大號的“電話(huà)總機”，通過(guò)控制不同“接線(xiàn)柱”（光開(kāi)關(guān)）的通斷，就能靈活地將任何一路來(lái)電（輸入光信號）轉接到任何一路目標分機（輸出端口）上。

專(zhuān)利中建議采用反射式光開(kāi)關(guān)，這類(lèi)開(kāi)關(guān)具有穩定性高、損耗低的特點(diǎn)。更重要的是，驅動(dòng)電路設計有狀態(tài)保持功能，即使控制信號暫時(shí)丟失，開(kāi)關(guān)也能維持原有狀態(tài)，極大提升了系統的可靠性。

系統設計，智能跳纖的遠程控制

僅有硬件矩陣還不夠，如何遠程、安全、可靠地控制這些開(kāi)關(guān)，才是實(shí)現智能跳纖的關(guān)鍵。專(zhuān)利提出了一套完整的“智能跳纖系統”設計方案。

系統在每一個(gè)通信站點(diǎn)部署一個(gè)“智能光配線(xiàn)架”，其核心就是上述的矩陣光開(kāi)關(guān)。所有進(jìn)站光纜首先接入該架，輸出則分配給不同的業(yè)務(wù)設備。

系統的“大腦”是一個(gè)微控制器（MCU），它負責接收遠程指令，并翻譯成對矩陣中每一個(gè)光開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路的控制信號。

圖2：?jiǎn)温饭忾_(kāi)關(guān)單元控制電路示意圖

為實(shí)現遠程控制，MCU集成了以太網(wǎng)模塊，并同時(shí)接入兩張網(wǎng)絡(luò )：通信以太網(wǎng)和信息內網(wǎng)（綜合數據網(wǎng)）。在中心機房，則部署一臺雙網(wǎng)卡的跳纖主服務(wù)器，它也同時(shí)連接這兩張網(wǎng)絡(luò )。

于是，任何一臺授權的內容電腦，都可以通過(guò)信息內網(wǎng)或通信以太網(wǎng)，遠程登錄到這臺主服務(wù)器，進(jìn)而對轄區內所有站點(diǎn)的矩陣光開(kāi)關(guān)進(jìn)行統一指揮和配置，實(shí)現“一鍵跳纖”。

雙網(wǎng)冗余與安全機制，保障控制萬(wàn)無(wú)一失

將控制網(wǎng)絡(luò )暴露在內網(wǎng)中，必然引入安全風(fēng)險。為此，專(zhuān)利設計了一套嚴密的雙網(wǎng)冗余通信與安全訪(fǎng)問(wèn)機制。

首先，跳纖主服務(wù)器通過(guò)VPN接入信息內網(wǎng)，并設置了基于MAC地址的白名單訪(fǎng)問(wèn)控制，非授權設備無(wú)法連接，從入口處筑牢安全防線(xiàn)。

更重要的是其智能化的雙網(wǎng)切換邏輯：

• 正常情況下，所有控制命令優(yōu)先通過(guò)通信以太網(wǎng)傳輸，這條通道更專(zhuān)業(yè)、更穩定。

• 當某兩個(gè)站點(diǎn)（假設為A站和B站）之間的通信以太網(wǎng)因光纜故障而中斷時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)檢測到這一情況。

• 此時(shí)，A站的光開(kāi)關(guān)仍由通信以太網(wǎng)控制（因其與主站的通道可能未中斷）。主服務(wù)器對B站的控制命令，會(huì )先通過(guò)通信網(wǎng)發(fā)送至A站，再由A站通過(guò)仍然可用的信息內網(wǎng)通道“接力”轉發(fā)給B站。

圖3：智能跳纖系統組網(wǎng)方案示意圖

為了保證接力傳輸的安全，A站和B站之間會(huì )預先約定一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的“串碼”，用于身份校驗。這個(gè)串碼只在兩站之間同步，不上傳至主服務(wù)器，即使控制信道被竊聽(tīng)，也難以偽造合法控制指令。

初始狀態(tài)與矩陣控制算法，杜絕業(yè)務(wù)全中斷風(fēng)險

對于一個(gè)n×n的開(kāi)關(guān)矩陣，如果控制不當或發(fā)生故障（如驅動(dòng)電路掉電），可能導致所有開(kāi)關(guān)同時(shí)斷開(kāi)，造成業(yè)務(wù)全中斷的災難性后果。專(zhuān)利通過(guò)巧妙的初始狀態(tài)設計與控制算法規避了這一風(fēng)險。

系統將矩陣光開(kāi)關(guān)的初始狀態(tài)設置為“單位矩陣”模式，即只有正對角線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)處于默認的“常閉”狀態(tài)，其他所有開(kāi)關(guān)均為“常開(kāi)”狀態(tài)。

這意味著(zhù)，在設備上電但未收到任何控制指令時(shí)，第1路輸入自動(dòng)連通第1路輸出，第2路輸入自動(dòng)連通第2路輸出……以此類(lèi)推，業(yè)務(wù)保持原路徑通行，系統是安全、可用的。

當需要進(jìn)行跳纖時(shí)，主服務(wù)器會(huì )計算一個(gè)“目標矩陣O”，它描述了跳纖后所有開(kāi)關(guān)應有的狀態(tài)。再根據初始狀態(tài)矩陣S，通過(guò)邏輯“異或”運算，反推出需要下發(fā)的“控制矩陣C”。

控制矩陣C=目標矩陣O的對角線(xiàn)取反。這套算法確保了控制過(guò)程的數學(xué)嚴謹性和結果的可預測性，從邏輯層面杜絕了誤操作導致業(yè)務(wù)全斷的可能。

效益對比，智能系統如何顯著(zhù)提升效率？

為了量化智能跳纖系統的優(yōu)勢，專(zhuān)利中建立了一個(gè)數學(xué)模型，對比了傳統人工方式與遠程智能方式的平均業(yè)務(wù)恢復時(shí)間。

假設A站與B站間光纜中斷，中心站到A站距離L1，A、B站間距L2。模型中考慮了光纜完全中斷與部分斷芯的概率、車(chē)輛速度、手續辦理時(shí)間、現場(chǎng)操作時(shí)間、熔接時(shí)間等多種因素。

圖4：跳纖系統光纜中斷分析示意圖

代入某供電公司的實(shí)際參數（如L1=100km，L2=15km，纖芯數n=24等）進(jìn)行計算后，得出結論：

• 傳統人工處理平均耗時(shí)T1≈192分鐘

• 智能遠程跳纖平均耗時(shí)T2≈77.6分鐘

智能系統將業(yè)務(wù)平均恢復時(shí)間縮短了近60%。這不僅是時(shí)間的節省，更意味著(zhù)電網(wǎng)調度、保護等重要業(yè)務(wù)中斷風(fēng)險的顯著(zhù)降低，以及人力、車(chē)輛等運維成本的大幅節約。

這項專(zhuān)利技術(shù)將傳統的靜態(tài)光配線(xiàn)架升級為可軟件定義的智能光交換節點(diǎn)。如今，隨著(zhù)光纖網(wǎng)絡(luò )規模不斷擴大，運維復雜性與日俱增，具備遠程、自動(dòng)、智能調度能力的光纖基礎設施已成為行業(yè)剛需。

從電力通信到數據中心光互聯(lián)，從5G前傳到企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)，矩陣光開(kāi)關(guān)所代表的靈活光連接理念正在滲透更多場(chǎng)景。它不僅是一套故障恢復工具，更是構建彈性、自適應光網(wǎng)絡(luò )的基石。

當光纜不再脆弱，當中斷不再漫長(cháng)，隱藏在光纖中的數字洪流，才能真正暢通無(wú)阻地奔赴未來(lái)。

擇合適的光開(kāi)關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設備是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關(guān)鍵參數，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專(zhuān)業(yè)的合作伙伴。

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（注：本文部分內容由AI協(xié)助習作，僅供參考）