一、需求分析

近年来，城市的建设与变迁日新月异。随着城市居住人员的增加、生活需求的变化，城市中各种类型的管道，例如 供水、燃气、电力、通信、智能交通控制等，通常需要大量的管线，由于城市的发展，架空已经不再适应城市发展需要。 与此同时，管网系统变更速度也在加快，随着管网假设杂程度的提高，系统对智能化要求也越来越高，对管网系统的监 测需求也越来越高。

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成为一个附带的重大问题。 

为了杜绝由管线营运商自行开挖建设导致的重复开挖、浪费地下空间资源、施工混乱等弊病，这两条路的沿线管道 和线路在建设过程中采用了新型综合管沟技术，实现一次性挖埋，一次性建设，一次性安装，减少了路面开挖次数，避 免由于开挖影响交通和居民出行，增加了路面的完整性和工程管线的耐久性，保持了街貌美观，为城市规划发展需要预 留了宝贵的地下空间。

这两条路的沿线综合管沟系统全长约34 公里，管道内每隔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。综合管沟设置了用于通风的通风口、用于放 入大型设备或材料的投料口、供人员进出到管沟内的出入口及各种支线引出口，能非常方便的将各种管线引入或引出到 综合管沟内。通道内部独立有出入口(供维护管理人员进出)、通风口及投料口(用于设备搬运进出)。为在控制中心内的智 能监控、状态显示、操作、维护、监视、通信以及资源共享等诸多功能，需要对管网的实际设备以及其他情况进行检测。 

作为沿线重要的电力、通讯系统的主要承载通道，综合管沟内部的环境、设备工作状况是否正常，影响到沿线的多 个子系统的正常工作。为了实现管沟内部的设备综合管理，对各区域实行统一监控、集中管理具有十分重要的意义。为 此，建立一套多系统集成的多功能管理系统对维护管沟的正常运行十分重要。 

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 内需要与控制中心之间要求传输回视频信号；区域内进出井盖的状态信号、出入门和防火门的按钮的开关量信号、与中 心之间的IP 电话以及自动控制网络的网络信号。整个管理系统由集成平台负责协同运行，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、稳定的运行。 

为了满足沿线监控子系统的需求，本着多系统协同运行，一体化统筹传输的理念，为监控子系统设计了98 个前端 监测区域，实际每个区域分别包含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、以及供IP 电话和自动控制系统使用的一个共享太网需要传输。 

可以看出，系统存在前端点位多，分布广泛，附带数据类型复杂，可用光纤资源较少等困难，采用传统方式进行传 输的资源消耗非常大，因此，亟待一种高效、可靠的新型传输方式来满足该次建设的需求。

二、设计思路
根据本项目的特点，前端环境温湿度可控性不够，实现前端监测点录像较大困难，因此设计将所有视频和控制数据 需要实时传输到中心进行观看和录像，监测区域与中心之间的以太网数据和开关量控制数据也需要同时传输到控制中心。 由于前端数量多，对系统传输方案的有比较严格的要求。
在传输方案选择上，通常有以下几种方式可以选择：
1.   用点对点光端机进行传输

按照系统需求，前端监测区域包含98 个，可以为各个节点分别配置相应的视频/数据复用光端机。但是，该方案需要的光纤资源占用非常严重。几乎可以不考虑该方式。 

同时，由于前端设备差异较大，即使建成一套点对点传输系统，也将存在系统故障排查困难等等一系列问题。此外， 由于传统点对点光端机通常路数较少，系统的中心设备管理维护将十分耗费人力资源。

2.   采用波分复用技术进行逐点[敏感词]传输

为了节约光纤资源，现有的光传输技术水平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视频 将互不干扰。将中心回传的数据等采用统一的波长进行回传，由各个前端节点进行接收，即可实现。 

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，光纤占用量也较大。 

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，存在严重的前端设备不可互换的 问题，系统故障恢复时间较长，严重受制于维修周期；采用备件的方式又存在设备的统一性问题，仍然严重阻碍着这一 方式的实际应用。 

3.   采用时分复用技术进行节点[敏感词]传输

为了解决前端维护以及设备互换性的问题，英飞拓公司率先推出了基于时分复用技术的节点光端机。采用时分复用 技术的光端机，使用分割时隙的方式完成多路视频的复用传输。采用该技术，可以在一芯光纤上同时接入多个节点，每 个节点通过分配到的时隙，将视频在中心接收机进行统一输出，从而完成实时视频、数据等的传输。 

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图像的传输。因此，其前端节点可以进 行任意互换。方便了系统管理。同时，英飞拓公司充分从用户的实际情况出发，在该系列光传输系统上集成了网管功能， 设备运行情况目了然，极大的节省了人力资源成本。 

目前英飞拓推出的节点[敏感词]式光端机分为十节点和百节点两类。十节点光端机针对部分光纤资源紧张的情况，支持 在一芯光纤中同时传输10 路视频图像，大支持10 个节点[敏感词]传输。百节点光端机支持大100 个节点进行[敏感词]式传 输，每个节点支持1~4 路视频接入，大可扩展至20 路视频接入，全网系统支持2000 路视频接入，大同时传输128 路无损视频图像至中心接收端。 

此外，Infinova 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 Infinova N3795 系列百节点自愈环光端机为例，该型号光端机具备多达100 个节点强大接入能力，适用于光纤资 源有限的逐点[敏感词]特性的应用场合采用冗余环状拓扑结构，具有极高系统安全性；每个环路多可接入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，因此，要求传输系统具备强大的传输容量， 同时，要求系统具备多个节点[敏感词]传输，并且具备尽量少的光纤资源占用，因此，我们选用了英飞拓公司的百节点光端 机来完成多节点的视频图像以及相关数据的传输。 

综合本系统实际，我们根据系统视频、数据接入的位置和系统的光纤资源分布，为系统分别配置了98 台百节点接 入光端机。由于管理中心设置于两条路的中心交叉附近，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正常工作的能力。 

节点式传输中，由于链路较长，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来讲，某点光纤断裂带 来的影响也可能更大。除此之外，节点机的供电等情况也将影响到系统的可靠性。因此，采用光路保护功能是必要的。

图一是光路保护功能的示意：

在某个点出现掉电故障后，设备内置的光路保护功能，将使得光路可以跳过该节点，不影响其它节点图像的传输。 在故障节点恢复供电后，该节点的图像可以自动恢复，无需人工干预，大大提高了系统的可靠性。因此，在本项目中为 用户的前端节点机添加了光路保护功能，以防止个别前端供电不正常而导致系统不能正常使用。

对于点对点光端机，如果某点光纤断开，仅仅会导致某个点不能传输。而对于节点机来讲，如果出现光纤断裂，如 图二所示：

在这样的情况下，处于断裂点之后的节点图像将不能上传。

因此，在该系统中采取了组环的方式进行传输，环路具备自愈功能，在任意点出现光纤断裂，系统均可以重新分配 所使用的光线路径，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。

本系统中，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仍可以正 常运行的能力，大大提高了系统可靠性。
三、设计及实现
考虑本次项目使用的98 台前端节点发射机，使用4 套百节点接收机，98 台开关量采集器，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，同时为节点发射机 选用光路保护功能，大限度节约光纤资源的同时也为系统的稳定运行提供强有力的安全保障，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使用。

本次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，保证了传输结构合理，两条光纤在远端 汇合于节点设备上，合理的分布了设备之间的链路中继距离，其结构示意如下图四：

本系统中所有前端图像经过前端节点发射机接入主干光纤，每个节点光端机大接入4 路视频图像，提供反向的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的控制信号和IP 电话信号。

如图五所示，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，即可实现任意链路的视频、数据、音频、电话、开关量的 增减，如图六所示。

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 进行PTZ 控制，可以为后台客户端通过网络方式访问到系统图像。

系统的 4 台节点传输系统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的布防监视器上自动弹出。

四、结语 

城市综合管网的应用，可以大大改善城市建设中多系统管网并存情况下建设困难、维护困难、统一管理困难等一系 列问题。通过该系统，可以为市政、供水、供电、通信等一系列部分构建良好的平台。但是，由于管网本身的特性，其 综合数据复杂，系统节点数量多，分布情况复杂，同时，传输链路资源有限，能够利用的传输资源是有限的，如何能够 在现有的资源情况下，拓展更多更强的业务应用，是在综合管网设计和建设中首先需要解决的一道难题。

英飞拓新推出的百节点自愈环光端机，能够极大的利用有限的光纤资源，通过在2 芯光纤上[敏感词]100 个节点，大 接入2000 路视频资源，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，通过附加设备或者增加相应的板卡，可以 实现开关量、E1 等常用数据格式通过光纤环路进行附加传输，能够有效解决类似的光纤资源有限，节点分散，前端数据 传输复杂的应用，为智能化传输系统的建设开辟了一条新思路。