針對電力通信光纜易受外界破壞、業(yè)務恢復耗時長的行業(yè)痛點，國網(wǎng)四川廣安供電公司的技術團隊在2019年公開了一項創(chuàng)新專利——矩陣光開關及智能跳纖系統(tǒng)。

在電力通信系統(tǒng)中，光纜承載著信息、調(diào)度、保護等多種關鍵業(yè)務，一旦光纜出現(xiàn)故障，傳統(tǒng)處理方式往往需要多組人員奔赴現(xiàn)場，手動跳纖恢復業(yè)務，不僅耗時長、成本高，而且受地理與協(xié)調(diào)手續(xù)的限制，嚴重影響通信恢復效率。

為此，一項名為“矩陣光開關及智能跳纖系統(tǒng)”的專利技術應運而生。該技術通過構建矩陣式光開關結(jié)構，結(jié)合智能控制與雙網(wǎng)冗余通信，實現(xiàn)了對光纜連接的遠程、快速、安全重構。

傳統(tǒng)光纜維護的兩難困境

在電力通信網(wǎng)絡中，光纜是信息傳輸?shù)摹按髣用}”，承載著調(diào)度數(shù)據(jù)、保護信號、安控指令等關鍵業(yè)務。然而光纜常因施工挖斷、動物啃咬、電化學腐蝕、人為破壞等原因?qū)е虏糠掷w芯損壞。

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

一種是純?nèi)斯がF(xiàn)場處理：運維人員在接到故障通知后，需分赴光纜兩端站點，通過測試定位損壞纖芯，再通過光纖配線架進行手動跳接。流程繁瑣、協(xié)調(diào)復雜，尤其在偏遠山區(qū)，恢復業(yè)務常常需要數(shù)小時甚至更長時間。

另一種是依賴SDH傳輸設備：將所有纖芯接入SDH設備，通過板卡進行業(yè)務分配與保護。這種方式雖能實現(xiàn)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。

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

矩陣光開關，實現(xiàn)光路的靈活重構

該技術的核心硬件創(chuàng)新在于提出了一種“矩陣式光開關”結(jié)構。這是一種可實現(xiàn)任意輸入與任意輸出之間光路連接的開關陣列。

具體來說，一個N×N矩陣光開關包含n路輸入、n路輸出以及n2個獨立的光開關單元。每一路輸入光纖都并聯(lián)著n個光開關，而這n個開關的另一端分別連接至n路不同的輸出光纖。

圖1：3×3矩陣光開關結(jié)構示意圖

每個光開關單元都配有獨立的驅(qū)動電路，通過接收“0”或“1”的控制信號，來決定開關的“開”或“關”狀態(tài)。當某個開關導通時，對應的輸入與輸出光路即被連通。

這種結(jié)構就像一個大號的“電話總機”，通過控制不同“接線柱”（光開關）的通斷，就能靈活地將任何一路來電（輸入光信號）轉(zhuǎn)接到任何一路目標分機（輸出端口）上。

專利中建議采用反射式光開關，這類開關具有穩(wěn)定性高、損耗低的特點。更重要的是，驅(qū)動電路設計有狀態(tài)保持功能，即使控制信號暫時丟失，開關也能維持原有狀態(tài)，極大提升了系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)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、可靠地控制這些開關，才是實現(xiàn)智能跳纖的關鍵。專利提出了一套完整的“智能跳纖系統(tǒng)”設計方案。

系統(tǒng)在每一個通信站點部署一個“智能光配線架”，其核心就是上述的矩陣光開關。所有進站光纜首先接入該架，輸出則分配給不同的業(yè)務設備。

系統(tǒng)的“大腦”是一個微控制器（MCU），它負責接收遠程指令，并翻譯成對矩陣中每一個光開關驅(qū)動電路的控制信號。

圖2：單路光開關單元控制電路示意圖

為實現(xiàn)遠程控制，MCU集成了以太網(wǎng)模塊，并同時接入兩張網(wǎng)絡：通信以太網(wǎng)和信息內(nèi)網(wǎng)（綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)）。在中心機房，則部署一臺雙網(wǎng)卡的跳纖主服務器，它也同時連接這兩張網(wǎng)絡。

于是，任何一臺授權的內(nèi)容電腦，都可以通過信息內(nèi)網(wǎng)或通信以太網(wǎng)，遠程登錄到這臺主服務器，進而對轄區(qū)內(nèi)所有站點的矩陣光開關進行統(tǒng)一指揮和配置，實現(xiàn)“一鍵跳纖”。

雙網(wǎng)冗余與安全機制，保障控制萬無一失

將控制網(wǎng)絡暴露在內(nèi)網(wǎng)中，必然引入安全風險。為此，專利設計了一套嚴密的雙網(wǎng)冗余通信與安全訪問機制。

首先，跳纖主服務器通過VPN接入信息內(nèi)網(wǎng)，并設置了基于MAC地址的白名單訪問控制，非授權設備無法連接，從入口處筑牢安全防線。

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)先通過通信以太網(wǎng)傳輸，這條通道更專業(yè)、更穩(wěn)定。

• 當某兩個站點（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，系統(tǒng)會自動檢測到這一情況。

• 此時，A站的光開關仍由通信以太網(wǎng)控制（因其與主站的通道可能未中斷）。主服務器對B站的控制命令，會先通過通信網(wǎng)發(fā)送至A站，再由A站通過仍然可用的信息內(nèi)網(wǎng)通道“接力”轉(zhuǎn)發(fā)給B站。

圖3：智能跳纖系統(tǒng)組網(wǎng)方案示意圖

為了保證接力傳輸?shù)陌踩珹站和B站之間會預先約定一個動態(tài)變化的“串碼”，用于身份校驗。這個串碼只在兩站之間同步，不上傳至主服務器，即使控制信道被竊聽，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)務全中斷風險

對于一個n×n的開關矩陣，如果控制不當或發(fā)生故障（如驅(qū)動電路掉電），可能導致所有開關同時斷開，造成業(yè)務全中斷的災難性后果。專利通過巧妙的初始狀態(tài)設計與控制算法規(guī)避了這一風險。

系統(tǒng)將矩陣光開關的初始狀態(tài)設置為“單位矩陣”模式，即只有正對角線上的開關處于默認的“常閉”狀態(tài)，其他所有開關均為“常開”狀態(tài)。

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

當需要進行跳纖時，主服務器會計算一個“目標矩陣O”，它描述了跳纖后所有開關應有的狀態(tài)。再根據(jù)初始狀態(tài)矩陣S，通過邏輯“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的對角線取反。這套算法確保了控制過程的數(shù)學嚴謹性和結(jié)果的可預測性，從邏輯層面杜絕了誤操作導致業(yè)務全斷的可能。

效益對比，智能系統(tǒng)如何顯著提升效率？

為了量化智能跳纖系統(tǒng)的優(yōu)勢，專利中建立了一個數(shù)學模型，對比了傳統(tǒng)人工方式與遠程智能方式的平均業(yè)務恢復時間。

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、車輛速度、手續(xù)辦理時間、現(xiàn)場操作時間、熔接時間等多種因素。

圖4：跳纖系統(tǒng)光纜中斷分析示意圖

代入某供電公司的實際參數(shù)（如L1=100km，L2=15km，纖芯數(shù)n=24等）進行計算后，得出結(jié)論：

• 傳統(tǒng)人工處理平均耗時T1≈192分鐘

• 智能遠程跳纖平均耗時T2≈77.6分鐘

智能系統(tǒng)將業(yè)務平均恢復時間縮短了近60%。這不僅是時間的節(jié)省，更意味著電網(wǎng)調(diào)度、保護等重要業(yè)務中斷風險的顯著降低，以及人力、車輛等運維成本的大幅節(jié)約。

這項專利技術將傳統(tǒng)的靜態(tài)光配線架升級為可軟件定義的智能光交換節(jié)點。如今，隨著光纖網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，運維復雜性與日俱增，具備遠程、自動、智能調(diào)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(shù)據(jù)中心光互聯(lián)，從5G前傳到企業(yè)專網(wǎng)，矩陣光開關所代表的靈活光連接理念正在滲透更多場景。它不僅是一套故障恢復工具，更是構建彈性、自適應光網(wǎng)絡的基石。

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

擇合適的光開關等光學器件及光學設備是一項需要綜合考量技術、性能、成本和供應商實力的工作。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，詳細對比關鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術扎實、質(zhì)量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。

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（注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習作，僅供參考）