礦井光纖通信故障旁路設計方法分析
礦井以太網光纖通信以其穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強、傳輸帶寬高等優(yōu)點，正在被廣泛地應用[1]。礦井光纖通信網絡中多以工業(yè)級以太網交換機為節(jié)點設備，各交換機之間通過礦用光纜相連，其網絡拓撲結構可分為環(huán)形網絡與鏈路形網絡。環(huán)網網絡為一種冗余結構，當環(huán)網中任一節(jié)點交換機故障或光纜斷開時不影響其他節(jié)點交換機工作。在某些不適合以環(huán)網型式布置交換機的應用場合，光纖通信多以鏈路形布置。但當鏈路形布置中間某一交換機發(fā)生斷電故障時，將導致該交換機后面所有通信中斷。鑒此，開發(fā)了一種故障旁路設計，當網絡中某一節(jié)點交換機發(fā)生斷電故障時，通過旁路設計方法將該故障節(jié)點跳過，不影響節(jié)點后面交換機通信，使得光纖通信不會因某一節(jié)點的故障而全部中斷。
1礦井光纖通信拓撲結構分析
目前廣泛應用的礦山網絡仍采用以有線網絡為主、無線網絡為輔的架構，井下網絡多采用千兆工業(yè)以太網作為有線骨干網絡[2-4]。除監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)外，其他語音系統(tǒng)和工業(yè)電視等系統(tǒng)接入統(tǒng)一信息傳輸平臺，多個系統(tǒng)數據在網絡是同時傳輸[5]。主干傳輸網絡的拓撲結構多為環(huán)形網絡型式，網絡中某個端口被指定為堵塞端口，當發(fā)生交換機故障或光纜連接故障時，該堵塞端口將迅速切換為正常通信接口，其恢復時間一般<50ms，基本不影響正常通信。在某些主干環(huán)網下分支以太網設備，如不具備環(huán)網構建條件，則多以鏈路型式存在。如工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)中，礦用攝像儀一般以鏈路的形式從主干傳輸網絡上引出，并通過光纜串接。在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，根據國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》中要求，分站至主干網絡宜采工業(yè)以太網。由于以太網分站安裝位置限制，多數以太網分站將采用鏈路的連接方式。綜上所述，礦用光纖通信的拓撲結構可分為環(huán)網型式和鏈路型式，由于環(huán)網結構為安全冗余結構，建議具備條件的光纖通信采用環(huán)網型式。如不具備環(huán)網構建調節(jié)的光纖通信，采用鏈路型式結構時需充分考慮節(jié)點故障或光纜故障時快速處理措施，將故障影響降低到最低。
2故障旁路設計原理
光纖通信故障旁路設計方法需要在本地交換機設備內部加入控制光路通道的光開關，光開關是具有一個或多個可選通道的光傳輸器件，其作用是通過電流控制激光的傳輸路徑，達到切換光傳輸路徑的需求。本設計中選用了2×2式光開關，具有2路輸入和2路輸出，具有插入損耗低、適用波長范圍寬、使用壽命長、切換時間短等特點。2×2式光開關具有P1~P4等4路光纖接口，若光開關的電源斷開時，則P1與P3光路相通。若光開關電源存在情況下，則P1與P4、P2與P3光路相通。光開關參數如表1所示，光開關內部原理如圖1所示。
2.1單纖傳輸網絡中故障旁路設計
單纖傳輸網絡中交換機之間通過單纖連接即可通信，即在1根光纖上實現數據的接收和發(fā)送，相對于多纖通信方案可節(jié)省一半的光纖量，適用于光纖資源比較緊張的應用場所。單纖傳輸網絡中故障旁路設計方法如圖2所示。圖2中IN1和IN2為光開關的輸入信號，用于連接遠端相連接的2臺交換機。OUT1和OUT2為光開關的輸出信號，用于連接本地交換機的2個光口。當本地交換機電源供電正常，則光開關的通路情況如圖2中實線所示，將本地交換機接入傳輸網絡;若本地交換機發(fā)生斷電故障，則光開關的通路情況如圖2中虛線所示，直接將本地交換機旁路，光信號跳過本地交換機后直接與下一級交換機相連。
2.2雙纖傳輸網絡中故障旁路設計
由于單纖傳輸網絡通信時需要區(qū)分光模塊使用，并且存在較大的信號損耗，所以在礦用光纖傳輸網絡中，多采用雙纖傳輸。雙纖傳輸中2臺交換機之間通信需要2根光纖相連，1根為發(fā)送信號，另1根為接收信號。雙纖傳輸網絡中故障旁路設計方法中需要使用2個光開關，完成4路光通道的切換，設計方法如圖3所示。圖3中IN-TX1、IN-RX1、IN-TX2、IN-RX2為4路光開關的輸入信號，其中TX1與RX1共同使用，TX2與RX2共同使用，分別連接遠端的2臺交換機。OUT-TX1、OUT-RX1、OUT-TX2、OUT-RX2為4路光開關的輸出信號，用于連接本地交換機的2個光口。當本地交換機電源供電正常，則光開關的通路情況如圖3中實線所示，遠端交換機的光信號通過光開關后直接連到本地交換機的光口，將本地交換機接入傳輸網絡;當本地交換機發(fā)送斷電故障，則光開關的通路情況如圖3中虛線所示，IN-TX1與IN-RX2相連，IN-RX1與IN-TX2相連，如此交叉連接可保證跳過本地交換機后，遠端的2臺交換機可正常通信。
3旁路設計試驗結果
根據煤礦現場實際應用環(huán)境，搭建了如圖4所示試驗環(huán)境，對光纖通信故障旁路設計的實際效果進行了測試。圖4中，交換機1和交換機2通過光纜與交換機相連，交換機2中加入旁路設計。交換機1和交換機2分別連接了計算機1和計算機2，試驗時通過計算機1發(fā)出網絡數據包，計算機2利用Wireshark軟件抓取數據包。在試驗過程中斷開交換機2的電源，通過對比發(fā)出的數據包和抓取的數據包數量，可得到所丟失的數據包數量，然后根據數據包的時間間隔，可計算出旁路設計的故障時間。試驗結果如表2所示。通過試驗結果可知，該旁路設計的故障時間在3~4ms，遠小于環(huán)形網絡中環(huán)網切換時間50ms，對光纖通信中數據傳輸影響較小，滿足光纖通信中實時性的要求。
4結語
分析了礦井光纖通信中常用的環(huán)形和鏈路形拓撲結構，介紹了一種礦井光纖通信中故障旁路的設計方法，該設計方法利用了光開關的光路切換功能，對掉電的交換機設備進行了旁路處理。實際測試結果表明，該設計方法可有效地將斷電設備進行旁路，線路切換時間在3~4ms，具有較好的應用效果。
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《礦井光纖通信故障旁路設計方法分析》來源：《能源技術與管理》，作者：姚超修
