矿井光纤通信故障旁路设计方法分析

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［摘要］基于矿井光纤通信中传输链路可靠性的需求，设计了一种断电故障旁路方法。详细介绍了该方法的实现原理，实现了在单纤传输网络和双纤传输网络中的实际应用。实际测试结果表明，该设计方法可有效地将断电设备进行旁路，线路切换时间在3～4ms，具有较好的应用效果。

［关键词］矿井光纤；环形拓扑结构；链路形拓扑结构；故障旁路；光路切换

引言

矿井以太网光纤通信以其稳定性好、抗电磁干扰能力强、传输带宽高等优点，正在被广泛地应用［1］。矿井光纤通信网络中多以工业级以太网交换机为节点设备，各交换机之间通过矿用光缆相连，其网络拓扑结构可分为环形网络与链路形网络。环网网络为一种冗余结构，当环网中任一节点交换机故障或光缆断开时不影响其他节点交换机工作。在某些不适合以环网型式布置交换机的应用场合，光纤通信多以链路形布置。但当链路形布置中间某一交换机发生断电故障时，将导致该交换机后面所有通信中断。鉴此，开发了一种故障旁路设计，当网络中某一节点交换机发生断电故障时，通过旁路设计方法将该故障节点跳过，不影响节点后面交换机通信，使得光纤通信不会因某一节点的故障而全部中断。

1矿井光纤通信拓扑结构分析

目前广泛应用的矿山网络仍采用以有线网络为主、无线网络为辅的架构，井下网络多采用千兆工业以太网作为有线骨干网络［2-4］。除监测监控系统外，其他语音系统和工业电视等系统接入统一信息传输平台，多个系统数据在网络是同时传输［5］。主干传输网络的拓扑结构多为环形网络型式，网络中某个端口被指定为堵塞端口，当发生交换机故障或光缆连接故障时，该堵塞端口将迅速切换为正常通信接口，其恢复时间一般<50ms，基本不影响正常通信。在某些主干环网下分支以太网设备，如不具备环网构建条件，则多以链路型式存在。如工业电视监控系统中，矿用摄像仪一般以链路的形式从主干传输网络上引出，并通过光缆串接。在煤矿安全监控系统中，根据国家煤矿安监局印发的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中要求，分站至主干网络宜采工业以太网。由于以太网分站安装位置限制，多数以太网分站将采用链路的连接方式。综上所述，矿用光纤通信的拓扑结构可分为环网型式和链路型式，由于环网结构为安全冗余结构，建议具备条件的光纤通信采用环网型式。如不具备环网构建调节的光纤通信，采用链路型式结构时需充分考虑节点故障或光缆故障时快速处理措施，将故障影响降低到最低。

2故障旁路设计原理

光纤通信故障旁路设计方法需要在本地交换机设备内部加入控制光路通道的光开关，光开关是具有一个或多个可选通道的光传输器件，其作用是通过电流控制激光的传输路径，达到切换光传输路径的需求。本设计中选用了2×2式光开关，具有2路输入和2路输出，具有插入损耗低、适用波长范围宽、使用寿命长、切换时间短等特点。2×2式光开关具有P1~P4等4路光纤接口，若光开关的电源断开时，则P1与P3光路相通。若光开关电源存在情况下，则P1与P4、P2与P3光路相通。光开关参数如表1所示，光开关内部原理如图1所示。

2.1单纤传输网络中故障旁路设计

单纤传输网络中交换机之间通过单纤连接即可通信，即在1根光纤上实现数据的接收和发送，相对于多纤通信方案可节省一半的光纤量，适用于光纤资源比较紧张的应用场所。单纤传输网络中故障旁路设计方法如图2所示。图2中IN1和IN2为光开关的输入信号，用于连接远端相连接的2台交换机。OUT1和OUT2为光开关的输出信号，用于连接本地交换机的2个光口。当本地交换机电源供电正常，则光开关的通路情况如图2中实线所示，将本地交换机接入传输网络；若本地交换机发生断电故障，则光开关的通路情况如图2中虚线所示，直接将本地交换机旁路，光信号跳过本地交换机后直接与下一级交换机相连。

2.2双纤传输网络中故障旁路设计

由于单纤传输网络通信时需要区分光模块使用，并且存在较大的信号损耗，所以在矿用光纤传输网络中，多采用双纤传输。双纤传输中2台交换机之间通信需要2根光纤相连，1根为发送信号，另1根为接收信号。双纤传输网络中故障旁路设计方法中需要使用2个光开关，完成4路光通道的切换，设计方法如图3所示。图3中IN-TX1、IN-RX1、IN-TX2、IN-RX2为4路光开关的输入信号，其中TX1与RX1共同使用，TX2与RX2共同使用，分别连接远端的2台交换机。OUT-TX1、OUT-RX1、OUT-TX2、OUT-RX2为4路光开关的输出信号，用于连接本地交换机的2个光口。当本地交换机电源供电正常，则光开关的通路情况如图3中实线所示，远端交换机的光信号通过光开关后直接连到本地交换机的光口，将本地交换机接入传输网络；当本地交换机发送断电故障，则光开关的通路情况如图3中虚线所示，IN-TX1与IN-RX2相连，IN-RX1与IN-TX2相连，如此交叉连接可保证跳过本地交换机后，远端的2台交换机可正常通信。

3旁路设计试验结果

根据煤矿现场实际应用环境，搭建了如图4所示试验环境，对光纤通信故障旁路设计的实际效果进行了测试。图4中，交换机1和交换机2通过光缆与交换机相连，交换机2中加入旁路设计。交换机1和交换机2分别连接了计算机1和计算机2，试验时通过计算机1发出网络数据包，计算机2利用Wireshark软件抓取数据包。在试验过程中断开交换机2的电源，通过对比发出的数据包和抓取的数据包数量，可得到所丢失的数据包数量，然后根据数据包的时间间隔，可计算出旁路设计的故障时间。试验结果如表2所示。通过试验结果可知，该旁路设计的故障时间在3~4ms，远小于环形网络中环网切换时间50ms，对光纤通信中数据传输影响较小，满足光纤通信中实时性的要求。

4结语

分析了矿井光纤通信中常用的环形和链路形拓扑结构，介绍了一种矿井光纤通信中故障旁路的设计方法，该设计方法利用了光开关的光路切换功能，对掉电的交换机设备进行了旁路处理。实际测试结果表明，该设计方法可有效地将断电设备进行旁路，线路切换时间在3~4ms，具有较好的应用效果。

［参考文献］

［1］徐杰.矿用本安型网络接入器设计与应用［J］.工矿自动化，2016，42（2）:71-73.

［2］赵小虎，张凯，赵志凯，等.矿山物联网网络技术发展趋势与关键技术［J］.工矿自动化，2018，44（4）:1-7.

［3］何敏.智慧矿山重要特征与实现途径［J］.工矿自动化，2018，44（3）:31-35.

［4］阙建立.智能矿山平台建设与实现［J］.工矿自动化，2018，44（4）:90-94.

［5］李小四，马建民，王莹莹.智慧矿山建设的演进及发展趋势［J］.工矿自动化，2019，45（9）:65-69.

作者：姚超修 单位：天地（常州）自动化股份有限公司