作者：李智炯 单位：中国神华神东煤炭集团地测公司
矿山测量理论发展
随着电子计算机的软硬件发展，以及各种测量计算分析软件的推出，计算机已成为测量控制网优化设计、测量数据处理、自动化成图最有效和必不可少的工具。相对于以前测量工作人员在小型计算器上编程进行简单的数据处理或者进行简单的平差数据处理，现在的测量数据处理则体现出智能化、自动化和可视化，且数据处理理论得到了更深入的发展。灰色理论、小波分析、人工神经网络模型等新的理论大量应用于矿山工程测量数据处理中，单一模型的变形预测与组合模型的变形预测均得到了发展。以公路勘测数据处理系统为例，这个数据处理系统主要包括3部分:1)数据获取和处理模块;2)数字地面模型模块;3)绘图与设计应用模块。矿山测量控制网优化设计测量方案的设计以前都是凭经验进行的。随着计算机技术的应用，设计正在向着更科学的方向发展。优化设计是在现有人力、物力和财力条件下，使矿山工程控制网具有较高的精度。而在满足控制网的精度和可靠性的前提下，使成本最低。网的优化设计是一个迭代求解过程，它包括以下内容:1)提出设计任务。由测量人员与应用单位共同拟定，通常是后者提出要求，前者对其具体化，每一个优化任务都必须表示为数值上的要求。2)制定设计方案。包括网的图形和观测方案，观测方案指每个点上所有可能的观测，通过室内设计和野外踏勘来制定。3)进行方案评价。按精度和可靠性准则进行，同时考虑费用和灵敏度。4)进行方案优化。对网的设计进行修改，以期得到一个接近理想的优化设计方案。矿山测量信息管理随着矿山测量数据采集和数据处理的逐步自动化、数字化，测量工作者更好地使用和管理海量矿山测量信息的最有效途径是建立矿山测量数据库或与GIS技术结合建立各种矿山信息系统。目前，矿山测量部门已经建立了各种用途的数据库和信息系统，为矿山管理部门进行信息、数据检索与使用管理的科学化、实时化和现代化创造了条件。目前，矿山测量人员对这个问题都很重视，并且正在参与和从事各种信息的收集、传递和管理工作，建立矿山信息系统、矿山生活区信息系统、矿区信息系统以及土地信息系统等。煤矿开采沉陷预计理论开采沉陷预计理论按采用方法的基础可分为:经验方法、分布函数、理论模型法三大类。而常用的预计方法主要有:概率积分法、负指数函数法、典型曲线法、威布尔分布法、样条函数法、皮尔森函数法、山区地表移动变形预计法、基于托板理论的条带开采的预计法、力学预计法和有限元法。近年来，随着变形理论的深入发展，灰色系统理论预计法和神将网络预计法被应用到了沉陷预计领域，并有了一定的实践进展。同时，基于地质观点的沉陷预计方法也有相应报道。
3S技术在采煤地质灾害监测中的应用
以计算机技术为核心，结合数据库技术、地图可视化技术和空间分析技术，建立对包含空间定位和属性关联的问题进行计算机化处理，进而提供辅助决策的功能系统。目前，GIS已经广泛应用于地质灾害数据管理、地质灾害风险性分析和地质灾害预警等防灾减灾工作当中。由于GIS系统具有强大的空间分析能力，因此，其不再局限于某种地质灾害的分布显示，而可提供综合多种地质灾害，并能进行区域划分的功能。RS技术的应用RS(遥感技术)作为一门新兴的高新技术手段，近几年迅速在众多领域得到了广泛的使用，而应用遥感技术进行地质灾害监测的文章也多不胜数。总结归纳，遥感技术用于地质灾害监测是可行的，也是必要、可推广的。从地质灾害监测与防治的角度来看，遥感技术贯穿地质灾害调查、监测、预警、评估的全过程，为地质灾害防治提供了很好的决策参考。随着遥感技术在理论上、技术上和实际应用上的逐步发展，遥感数据源向着高分辨率遥感影像过渡，其不仅具有精确的空间分辨率，更重要的是拥有丰富的光谱信息，使具有特殊光谱特征的地物探测成为可能。这也必将使得遥感技术在地质灾害宏观调查、灾体动态监测和灾情评估中大显身手，成为地质灾害监测与防治的重要手段之一。GPS技术的应用煤炭开采中，大量的采空区随之出现，给采煤区居民的生活带来了很大的影响，而因此诱发的大量的地面塌陷灾害更给采煤区的经济带来了巨大损失。以采空区为变形体所进行的沉陷观测，受采空区自身沉陷影响，很难找到稳定的地点埋设监测基点。同时，在对沉陷引起的地裂缝进行监测时，需掌握其空间位置，针对上述工作，如果采用传统测量方法，必将面临诸多不便与不利因素。作为新一代空间定位技术的代表—GPS技术，经众多技术人员从实践角度和众多学者从理论角度的验证，其不仅可以满足沉陷观测的精度要求，而且可以实现监测工作的自动化与实时化。目前，GPS技术已广泛应用于各类变形监测项目中。而动态差分GPS技术的出现，更为地质调查、灾害地点确定等实时、高精度定位工作提供了有力支持。
随着科学技术发展，各行各业的技术进步已是日新月异，测量技术也取得了长足的进步，如今，全站仪、测量机器人、电子水准仪、激光准直仪、激光扫平仪等在工程测量中已广泛应用，不仅大幅降低了工程测量的工作强度，更为工程测量向自动化、数字化方面的发展提供了坚实的基础。同时，新装备的应用，也改变了工程测量的技术手段和作业流程，如改变了传统的工程控制网布网、地形测量、施工测量、变形监测等的作业方法，GPS测量控制网、测距导线网成为控制网布设的首选，GPS高程测定、光电测距三角高程导线已可以代替三、四等水准测量，具有连续定位功能的全站仪或RTK用于施工放样测量和碎部测量，免棱镜测距仪减轻了工程测量的工作强度，具有自动跟踪测量功能的测量机器人为碎部测量提供了理想的仪器；另外，测量数据处理的手段也发生了根本的改变，数据采集甚至实现了自动化，手工绘图已成为历史，数据计算已经全面电子化。
2、GPS定位技术在工程测量中发挥的作用
GPS技术的出现和广泛应用，是测量技术的重大变革，它改变了许多工程测量的方法和手段，大大减轻了工程测量的难度、工作量和工作强度。GPS技术具有全天候、海陆空均可进行三维定位的能力，利用GPS定位技术，在工程测量时可以方便快捷地测定高精度的三维坐标，具有高速度、高精度、操作简单、方便灵活的特点。当前，GPS定位技术已经应用到各行各业，在工程测量中，无论是各等级控制网的建立与改造，还是在单点定位、地形图测绘、线路施工、变形监测、地球板块监测、海岛海礁测量等，都具有得天独厚的优势和便利性。随着我国各地大范围、高密度CORS基准网的全面建设完成，利用GPS差分定位技术和RTK实时差分定位，单点定位技术和精度不断提高，GPS技术在工程测量中控制网布设、碎部点测绘、施工放样、变形监测、高程测定等方面已经全面应用于实际工作中。同时，利用GPS定位技术连续、实时、自动测量的特点，加上自动化处理技术，工程测量中自动测量、实时处理、连续监测的应用将有很大的发展空间。
3、RS技术已是地形图测绘的重要手段之一
RS（遥感）技术在测量中的应用有着悠久的历史，并发挥着巨大的作用。RS技术的特点是不需要接触观测目标、直接通过遥感信息对其各项特征信息进行解译处理，提取有用信息。利用RS技术获取的信息（如遥感影像等），通过纠正定位，可以获取准确的地理空间信息，因此广泛应用到工程测量中。当前，随着高质量、高精度、高效率、低成本的遥感测量仪器的不断推出，结合计算机技术中的应用，RS技术已经能够提供完全、实时、大范围的三维空间地理信息，特别是广泛应用于地形图测绘中。RS技术的广泛应用，降低了测量成本，减少了外业工作量，缩短了测量周期，具有测量高效、高精度，成果品种多、直观性强等特点。在地形测绘、线路勘选、变形监测、文物保护等工作中起到了巨大的作用。如今，全数字摄影测量系统、集群式数字摄影工作站等新技术已经全面应用，为RS技术应用提供了更为高效的技术手段和方法，也使得RS技术在工程测量中发挥了极其重要的作用。
4、数字化技术成为工程测量中的主流
大比例尺地形图测绘是工程测量的重要内容，以往常规的模拟成图方法靠模拟采集、现场手工绘制、事后整理整饰，是一项脑力劳动和体力劳动结合的艰苦的野外工作，而且手工描绘成图周期长，产品形式单一，专题成果制作困难，成果应用不能实现多样化，难以适应现代化工程建设对地形图多样化的需要。随着全站仪、RTK等数字化测量仪器的广泛应用和数字化专业成图系统的出现，工程测量从模拟时代进入到数字化时代，它把野外数据采集、计算机数据处理、数字制图、成果分类分层存放等优势有机结合起来，形成了内外业一体化的数字化成图系统。况且数字化测绘技术产品成果多样，能够轻松制作不同用途的专题产品，能够轻松应对各类工程测量中的多样化需求，同时还能有效提高工作效率，成果存储、管理应用、转移等方便易行。如今，数字化测绘技术在工程测量领域已是广泛应用，大比例尺测图技术及其产品已经实现了数字化、信息化、多样化。随着专业数字化成图系统的不断发展，一些工程图纸（如纵横断面图、宗地图等）实现了自动绘制，有效提高了工程测量的工作效率。数字化的专业成图系统不仅可直接提供纸图，还可以建立专业数据库，为基础地理信息的多样化应用和服务自动化、网络化、社会化打下良好的基础。
5、GIS技术在工程测量成果应用服务中渐成主流
随着数字化技术在工程测量中全面普及，测量数据采集与处理已实现数字化，工程测量进入了全数字化时代。然而，大量测量成果如何更好地服务于社会发展和工程建设，是必须解决的问题。面对海量的地理信息成果数据，怎样管理和应用工程测量成果，目前最好、最有效的方法就是利用数据库技术和GIS技术。具体地说，就是将测量成果进行标准化、规范化的处理，通过建立地理信息数据库及其应用管理的信息系统，有效管理、存储和处理测量成果；利用GIS的统计和分析更能，提供针对性强、满足专题应用的图件和统计结果，更好的应用测量成果；同时利用网络技术，实现测量成果服务应用和定向分发的网络化和自动化，更好地应用到科学管理和科学决策中。GIS管理应用系统建设是一项复杂、庞大的系统工程，不仅需要较大的资金投入，也需要网络等基础设施的支撑，更需要技术人才的培养，才能发挥其巨大的作用。如今，GIS技术已经得到政府部门的高度重视，在专业部门得到推广应用，并已成为信息产业的重要组成部分，地理信息产业的发展，也迎来了良好的发展局面。
6、InSar技术逐渐被重视
合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是近期才发展起来的一项新的对地测量技术，它是以合成孔径雷达复影像数据中提取的相位信息作为数据源，通过整合处理和运算，获取地表三维信息和及其变化信息，精度高、范围广，且InSAR技术具有全天候、全天时和一定的透视性的优势和特点，这种技术已经引起了世界各国的广泛关注和深入研究。目前，这种技术的应用已经十分的广泛，比如：在监测地震变形中的有着重要的应用，在大范围检测监测厘米级或更微小量级的地球表面形变中也起着越来越重要的作用，在形变灾害监测领域和滑坡形变监测中也有着不可替代的优势和作用，等。正因如此，InSar技术在工程测量中也逐渐得到重视，应用前景和发展前景十分广泛。
7、结语
关键词:网络性能测量技术性能指标分析与研究
1.引言
随着Internet技术和网络业务的飞速发展，用户对网络资源的需求空前增长，网络也变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用，导致网络负担沉重，网络设备超负荷运转，从而引起网络性能下降。这就需要对网络的性能指标进行提取与分析，对网络性能进行改善和提高。因此网络性能测量便应运而生。发现网络瓶颈,优化网络配置,并进一步发现网络中可能存在的潜在危险，更加有效地进行网络性能管理，提供网络服务质量的验证和控制，对服务提供商的服务质量指标进行量化、比较和验证，是网络性能测量的主要目的。
2.网络性能测量的概念
2.1网络性能的概念
网络性能可以采用以下方式定义[1]:网络性能是对一系列对于运营商有意义的，并可用于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果。可见，网络性能是与终端性能以及用户的操作无关的，是网络本身特性的体现，可以由一系列的性能参数来测量和描述。
2.2网络性能参数的概念
对网络性能进行度量和描述的工具就是网络性能参数。IETF和ITU-T都各自定义了一套性能参数，并且还在不断的补充和修订之中。
2.2.1性能参数的制定原则
网络性能参数的制定必须遵循如下几个原则：
1)性能参数必须是具体的和有明确定义的；
2)性能参数的测量方法对于同一参数必须具有可重复性，即在相同条件下多次使用该方法所获得的测量结果应该相同；
3)性能参数必须具有公平性，即对同种网络的测量结果不应有差异而对不同网络的测量结果则应出现差异；
4)性能参数必须有助于用户和运营商了解他们所使用或提供的IP网络性能；
5)性能参数必须排除人为因素；
2.2.2ITU-T定义的IP网络性能参数
ITU-T对IP网络性能参数的定义[2]包括：
1)IP包传输延迟(PacketTransferDelay,IPTD)
2)IP包时延变化(IPPacketDelayVariation,IPDV)
3)IP包误差率(IPPacketErrorRateIPER)
4)IP包丢失率(IPPacketLassRate,IPLR)
5)虚假IP包率(SpuriousIPPacketRate)
6)流量参数(Flowrelatedparameters)
7)业务可用性(IPServiceAvailability)
2.2.3IETF定义的IP网络性能参数
IETF将性能参数[3]称为“度量(Metric)。由IPPM(IPPerformanceMetrics)工作组来负责网络性能方面的研究及性能参数的制定。IETF对IP网络性能参数的定义包括：
1)IP连接性
2)IP包传送时延
3)IP包丢失率
4)IP包时延变化
5)流量参数
2.3网络性能结构模型
从空间的角度来看，网络整体性能可以分为两种结构：立体结构模型和水平结构模型。
2.3.1立体结构模型
IP网络就其协议栈来说是一个层次化的网络，因此，对IP网络性能的研究也可以按照一种自上而下的方法进行。可以以IP层的性能为基础，来研究IP层不同性能与上层不同应用性能之间的映射关系。
2.3.2水平结构模型
对于网络的性能，用户主要关心的是端到端的性能，因此从用户的角度来看，可以利用水平结构模型来对IP网络的端到端性能进行分析。
3.网络性能测量的方法
网络性能测量涉及到许多内容，如采用主动方式还是被动方式进行测量；发送测量包的类型；发送与截取测量包的采样方式；所采用的测量体系结构是集中式还是分布式等等。
3.1测量包
网络性能测量中，影响测量结果的一个重要因素就是测量数据包的类型。
3.1.1P类型包
类型P是对IP包类型的一种通用的声明。只要一个性能参数的值取决于对测量中采用的包的类型，那么参数的名称一定要包含一个具体的类型声明。
3.1.2标准形式的测量包
在定义一个网络性能参数时，应默认测量中使用的是标准类型的包。比如可以定义一个IP连通性度量为：“IP某字段为0的标准形式的P类型IP连通性”。在实际测量中，很多情况下包长会影响绝大多数性能参数的测量结果，包长的变化对于不同目的的测量来说影响也会不一样。3.2主动测量与被动测量方式
最常见的IP网络性能测量方法有两类:主动测量和被动测量。这两种方法的作用和特点不同，可以相互作为补充。
3.2.1主动测量
主动测量是在选定的测量点上利用测量工具有目的地主动产生测量流量，注入网络，并根据测量数据流的传送情况来分析网络的性能。主动测量的优点是对测量过程的可控性比较高，灵活、机动，易于进行端到端的性能测量；缺点是注入的测量流量会改变网络本身的运行情况，使得测量的结果与实际情况存在一定的偏差，而且测量流量还会增加网络负担。主动测量在性能参数的测量中应用十分广泛，目前大多数测量系统都涉及到主动测量。
要对一个网络进行主动测量，需要一个测量系统，这种主动测量系统一般包括以下四个部分:测量节点（探针）、中心服务器、中心数据库和分析服务器。有中心服务器对测量节点进行控制，由测量节点执行测量任务，测量数据由中心数据库保存，数据分析则由分析服务器完成。
3.2.2被动测量
被动测量是指在链路或设备(如路由器，交换机等)上利用测量设备对网络进行监测，而不需要产生多余流量的测量方法。被动测量的优点在于理论上它不产生多余流量，不会增加网络负担；其缺点在于被动测量基本上是基于对单个设备的监测，很难对网络端到端的性能进行分析，并且可能实时采集的数据量过大，另外还存在用户数据泄漏等安全性和隐私问题。
被动测量非常适合用来进行流量测量。
3.2.3主动测量与被动测量的结合
主动测量与被动测量各有其优、缺点，而且对于不同的性能参数来说，主动测量和被动测量也都有其各自的用途。因此，将主动测量与被动测量相结合将会给网络性能测量带来新的发展。
3.3测量中的抽样
3.3.1抽样概念
抽样，也叫采样，抽样的特性是由抽样过程所服从的分布函数所决定的。研究抽样，主要就是研究其分布函数。对于主动测量，其抽样是指发送测量数据包的过程；对于被动测量来说，抽样则是指从业务流量中采集测量数据的过程。
3.3.2抽样方法
依据抽样时间间隔所服从的分布，抽样方法可分为很多种，目前比较常用的抽样方法是周期抽样、随机附加抽样和泊松抽样[4]。周期抽样是一种最简单的抽样方式，每隔固定时间产生一次抽样。因为简单，所以应用的很多。但它存在以下一些缺点:测量容易具有周期性、具有很强的可预测性、会使被测网络陷入一种同步状态。随机附加抽样的抽样间隔的产生是相互独立的，并服从某种分布函数，这种抽样方法的优劣取决于分布函数：当时间间隔以概率1取某个常数，那么该抽样就退化为周期抽样。随机附加抽样的主要优点在于其抽样间隔是随机产生的，因此可以避免对网络产生同步效应，它的主要缺点是由于抽样不是以固定间隔进行，从而导致频域分析复杂化。
在RFC2330中，推荐泊松抽样，它的时间间隔符合泊松分布，它的优点是：能够实现对测量结果的无偏估计、测量结果不可预测、不会产生同步现象。但是，由于指数函数是无界的，因此泊松抽样有可能产生很长的抽样间隔，因此，实际应用中可以限定一个最大间隔值，以加速抽样过程的收敛。
4.性能指标的测量与分析
4.1连接性
连接性[5]也称可用性、连通性或者可达性，严格说应该是网络的基本能力或属性，不能称为性能，但ITU-T建议可以用一些方法进行定量的测量。目前还提出了连通率的概念，根据连通率的分布状况建立拟合模型。
4.2延迟
延迟的定义是[6]：IP包穿越一个或多个网段所经历的时间。延迟由固定延迟和可变延迟两部分组成[7][8]。固定延迟基本不变，由传播延迟和传输延迟构成；可变延迟由中间路由器处理延迟和排队等待延迟两部分构成。对于单向延迟测量要求时钟严格同步，这在实际的测量中很难做到，许多测量方案都采用往返延迟，以避开时钟同步问题。
往返延迟的测量方法是：入口路由器将测量包打上时戳后，发送到出口路由器。出口路由器一接收到测量包便打上时戳，随后立即使该数据包原路返回。入口路由器接收到返回的数据包之后就可以评估路径的端到端时延。4.3丢包率
丢包率的定义是[9]：丢失的IP包与所有的IP包的比值。许多因素会导致数据包在网络上传输时被丢弃，例如数据包的大小以及数据发送时链路的拥塞状况等。
为了评估网络的丢包率，一般采用直接发送测量包来进行测量。对丢包率进行准确的评估与预测则需要一定的数学模型。目前评估网络丢包率的模型主要有贝努利模型、马尔可夫模型和隐马尔可夫模型等等[10]。贝努利模型是基于独立同分布的，即假定每个数据包在网络上传输时被丢弃的概率是不相关的，因此它比较简单但预测的准确度以及可靠性都不太理想。但是，由于先进先出的排队方式的采用，使得包丢失之间有很强的相关性，即在传输过程中，包被丢失受上一个包丢失的影响相当大。假定用随机变量Xi代表包的丢失事件，Xi=0表示包丢失，而Xi=1表
示包未丢失。则第i个包丢失的概率为P[Xi|Xi-1,Xi-2,…Xi-n],Xi-1,Xi-2,...Xi-n取所有的组合情况。当N=2时，该Markov链退化为著名的Gilbert模型。隐马尔可夫模型是对马尔可夫模型的改进。
MayaYajnik等人所作的172小时的测量试验[11]结果表明，在不同的数据采样间隔下（20ms,40ms,80ms,160ms）采用三种不同的丢包率分析模型进行分析得到的结果完全不同，在不同的估计精确度的要求下实验结果也各有不同。因此，目前需要能够精确描述丢包率的数学模型。
4.4带宽
带宽一般分为瓶颈带宽和可用带宽。瓶颈带宽是指当一条路径（通路）中没有其它背景流量时，网络能够提供的最大的吞吐量。对瓶颈带宽的测量一般采用包对(packetpair)技术，但是由于交叉流量的存在会出现“时间压缩”或“时间延伸”现象，从而会引起瓶颈带宽的高估或低估。另外，还有包列等其它测量技术。
可用带宽是指在网络路径（通路）存在背景流量的情况下，能够提供给某个业务的最大吞吐量。因为背景流量的出现与否及其占用的带宽都是随机的，所以可用带宽的测量比较困难。一般采用根据单向延迟变化情况可用带宽进行逼近。其基本思想是：当以大于可用带宽的速率发送测量包时，单向延迟会呈现增大趋势，而以小于可用带宽的速率发送测量包时，单向延迟不会变化。所以，发送端可以根据上一次发送测量包时单向延迟的变化情况动态调整此次发送测量包的速率，直到单向延迟不再发生增大趋势为止，然后用最近两次发送测量包速率的平均值来估计可用带宽
瓶颈带宽反映了路径的静态特征，而可用带宽真正反映了在某一段时间内链路的实际通信能力，所以可用带宽的测量具有更重要的意义。
4.5流量参数
ITU-T提出两种流量参数作为参考：一种是以一段时间间隔内在测量点上观测到的所有传输成功的IP包数量除以时间间隔，即包吞吐量；另一种是基于字节吞吐量：用传输成功的IP包中总字节数除以时间间隔。
Internet业务量的高突发性以及网络的异构性，使得网络呈现复杂的非线性，建立流量模型越发变得重要。早期的网络流量模型，是经典流量模型，也即借鉴PSTN的流量模型，用poisson模型描述数据网络的流量,以及后来的分组火车模型，Markov模型等等。随着网络流量子相似性的发现，基于自相似模型的流量建模研究也取得了不少进展和得到了广泛的应用,譬如分形布朗运动模型和分形高斯噪声模型以及小波理论分析等等。高速网络技术的发展使得对巨大的网络流量进行直接测量几乎不可能，同时，大量的流量日志也使流量分析变得相当困难。为了解决这一问题，近几年，流量抽样测量研究已成为高速网络流量测量的研究重点。
5．网络性能测量的展望
网络性能测量中还有许多关键技术值得研究。例如：单向测量中的时钟同步问题；主动测量与被动测量的抽样算法研究；多种测量工具之间的协同工作；网络测量体系结构的搭建；性能指标的量化问题；性能指标的模型化分析[12]～[16]；对网络未来状况进行趋势预测；对海量测量数据进行数据挖掘或者利用已有的模型(Petri网、自相似性、排队论)研究其自相似性特征[17]~[19]；测量与分析结果的可视化，以及由测量所引起的安全性问题等等都是目前和今后所要研究的重要内容。随着网络性能相关理论、测量方法、分析模型研究的逐渐深入、各种测量工具的不断出现以及大型测量项目的不断开展，人们对网络的认识会越来越深刻，从而不断地推动网络技术向前发展。6．结束语：
本文对目前网络性能测量技术的主要方面进行了介绍和分析并对未来网络性能测量的研究重点进行了展望。
参考文献
[1]ITU-T建议1.350
[2]ITU-T，建议Y1540
[3]IETF,RFC2330,"FrameworkforIPPerformanceMetrics"TableofContents6
[4]IETF,RFC2330,"FrameworkforIPPerformanceMetrics"TableofContents11
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[5]IETF,RFC2679,"AOne-wayDelayMetricforIPPM"
[6]IETF,RFC2681,"ARound-tripDelayMetricforIPPM"
[7]IETF.RFC3393,"IPPacketDelayVariationMetricforIPPM"
PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建
[8]IETF,RFC2680,"AOne-wayPacketLossMetricforIPPM"
[9]H.SanneckandG.CarleGMDFokus,Kaiserin-Augusta-Allee31,D-10589Berlin,Germany,"AFramework
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[10]MayaYajnik,SueMoon,JimKuroseandDonTowsley,"MeasurementandModellingoftheTemporal
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由于小功率信号计量校准技术非常成熟，测量方法和测量设备都非常完善，测量不确定度也很小。相比小功率信号，大功率信号热效应显著、非线性特性显著，模型很难建立。大功率部件稳定性差，离散性大，直接校准非常困难，因此如何把大功率信号不失真地转化为标准的小功率信号，利用已建立的小功率计量标准开展精确量传就成为关键问题。首先，我们需要研究和分析定向耦合器链路的温度特性、电性能特性。3．1定向耦合器功率－温度特性实验我们利用功率计、定向耦合器、大功率负载、功率放大器、非接触温度测量仪等构建了一套简单的功率－温度特性实验系统。给系统加不同的功率，在此功率下稳定一段时间，监测定向耦合器输入端、耦合端、输出端和负载输入端附件的温度。实验数据见表2。从实验分析可以得出以下结论。1)整个链路施加功率时，定向耦合器整体发热量很小，温升变化(21℃～26℃)，温度变化很小;2)系统选用的27000(同轴)500W定向耦合器，在常温下，链路承受功率小于50W时，链路上各监测点的温度都变化不大，在5min内都达到了温度平衡状态;3)链路功率大于50W时，链路上定向耦合器各监测点的温度变化不大，但负载检测点温度变化较大，需要15min才能达到热平衡;4)链路上热量主要集中在负载部位，负载的材料的热导率很高，导热效果很好，但对邻近的定向耦合器输出端口温度影响很小，因此定向耦合器的小功率和大功率状态下的温度比较稳定。3．2定向耦合器电性能－温度特性实验根据定向耦合器功率－温度特性实验中，系统加不同功率功率后稳定的温度，我们利用矢量网络分析仪、定向耦合器、大功率负载、温箱等构建了一套简单的电特性－温度特性实验系统，进行环境模拟实验，实验的温度箱设置温度按照上面的大功率实验获取的链路温度来设定，实验温度变化间隔一般小于5℃，以获取大功率计量校准链路温度变化对电参数特性的影响，测量耦合度和驻波比等性能来评估系统。校准矢量网络分析仪，把待测定向耦合器连接大功率负载放入温箱，温箱外的矢量网络分析仪通过长电缆连接到被测件的输入端和耦合端。根据功率－温度特性实验中定向耦合器温度变化，设置温箱温度22℃和26℃，在此温度下稳定15min，监测定向耦合器耦合端驻波、输入端驻波和耦合度的变化。实验数据如图3至图5所示。下面进行大功率负载温度实验，把待测大功率负载放入温箱，温箱外的矢量网络分析仪通过长电缆连接到被测件的输入端。根据功率－温度特性实验中大功率负载的温度变化，设置温箱温度22℃～60℃，监大功率负载输入端驻波的变化。实验数据图6所示。定向耦合器电性能－温度特性实验可知，大功率校准系统具有链路发热量小，热分布均匀，后级大功率负载产生的热量对定向耦合器耦合度基本不产生影响，电性能都最接近常温下的小功率状态。因此常温小功率状态下的校准数据在大功率状态下仍然准确、有效。
2控制软件工作原理
测量控制使用软件负反馈方法对功率放大器输出功率进行定标，具体实现方法为设置信号源CW模式、频率和输出幅度。根据具体标定功率设置合适的系统耦合度(包括定向耦合器耦合度+程控衰减器B的衰减量+钢电缆插损，统一整体标定)，设置程控衰减器A控制功率放大器输入功率。程控衰减器的设置原则是使标准功率计F1109和M1110测量功率在最佳测量范围，即(0～+10)dBm。打开信号源输出，软件系统测量到输出功率，并与标定功率取差，将该差值作为信号源的幅度变化量，进入循环，跳出循环的条件是该差值绝对值小于等于0．02dB。在给信号源幅度重新赋值之前，判断将要赋的值，若过大，启动保护程序，跳出循环，若合适，则继续，直到跳出循环完成设置。此时读出输入功率和输出功率，通过类似步骤，即可完成功率放大器额定功率、增益、1dB压缩点输出功率和最大功率等下面的校准，大功率计量校准软件框图如图7所示。
3测量不确定度评定实例
热模拟测量法并非直接的测量,而是通过模拟绕组与变压器油之间的温度差来测量变压器的温升平均值。其工作原理是加热电流流经一个电热元件,产生了附加升温,再使用电流匹配器进行调节,使所升高的温度恰好与绕组油的温差相同。这种方法的缺点是受外界环境影响较大,必须在规定的环境条件下进行测量。并且,这种方法只能模拟平均温升,而无法获知最高温度。另外,电流回路还会增加设备维护的难度,安全措施难以做好。
2间接计算法
这种方法需要获知几种变压器其绕组的热点温度,通过套入公式来间接计算需要测量的变压器的温度。这种计算方法的模型有三种,分别基于技术标准、热路和热阻。这种方法的优点是计算结果准确,实用性非常强。
3在线测量技术的优越性
上文中提到,直接测量法成本高昂且结果不精准,光纤光栅法结果精准,但成本高昂,而热模拟法虽然在日德等许多国家都有应用,但理论分析与实际情况有着巨大差别,导致了测量结果的较大偏差。仅间接计算法按照《油浸式变压器负载导则》中提到的计算公式[2],可以较准确地计算出变压器的热点温度。间接计算法经济实用、操作简便的优越性使其在变压器测温方面得到了广泛应用。由于间接计算法要通过几种变压器来间接获得最终结果,计算过程耗费时间较长,对计算机运算能力要求极高,待结果得出后向有关部门反应,有关部门再派出维护人员进行维修,这使得间接计算法暴露出一个非常明显的缺点——计算复杂、反应不及时。为此,业界许多研究人员对变压器的温度测量方法进行了深入的研究,目前已经取得了一定的研究成果,制作出一种在线监测仪器。这种仪器基于负载导则,模型依循旧版导则的简单计算公式,受到外界影响的可能非常小,结果的精确度非常高。由于计算公式涉及到的温度是稳态温度,不必考虑不同时间段温度的变化会对最终结果造成影响。在线监测仪器内置GPRS模块,可以与距离较远的变电站实现远程监测与控制。
4在线测量系统
4.1在线测量系统的工作原理
在线测量系统包括上位机、下位机、传感器和变压器本身。电力人员在油浸式变压器内安装在线监测仪器,在线监测仪器包括N个温度传感器,传感器在变压器温度上升时通过下位机中内置的GPRS模块将信息传送至变电站的控制中心,变电站的工作人员通过上位机获得变压器的温变信息,可以及时快速地安排人员前去维护。下位机的主要部件有温度传感器与单片机处理单元。下位机在变压器上只需安置五个检测点,即可对变压器的底部、油面、顶部、箱体以及环境五处温度进行及时的监测。下位机内置微处理器,与传感器相连,通过液晶屏显示即时温度。五处检测点,有任何一点的温度值超过内置的温度标准,将会引发微处理器发生报警信息。下位机通过内置的GPRS模块将信息传输至变电站内的上位机,上位机内的相关软件通过代码编译,迅速显示出工作人员可以理解的曲线和数据结果,并作出音像报警和故障分析。
4.2硬件
4.2.1下位机下位机的温度传感器通常为产自美国Dallas公司的DS18-B20半导体,微处理器一般为Atmel公司生产的AT89-S52。这种微处理器的串口可以跨越较远的距离,与GPRS模块进行数据传输。YM-12684液晶屏可以显示温度信息与故障代码。温度传感器通过屏蔽双绞线将温度信号传送至单片机中,鉴于屏蔽双绞线的特性,有效距离最多为50m。4.2.2GPRS模块GPRS模块是远距离无线通信的核心,通过TCP/IP协议,数据可以畅通到达终端设备处。
4.3软件
4.3.1通信协议在线测量系统的通信协议就是上文所提到的TCP/IP协议,AT指令集也能支持。4.3.2上位机和下位机软件上位机的软件可以借助GPRS模块查询到来自下位机的变压器温度信息,并显示温变数据、绘制温度曲线、打印温度报表、做出音像报警、记录故障信息、分析故障原因。下位机的软件依托于C语言指令,循环读取各个端口的温度信息,依照内置命令完成监控、报警功能。
5结语
首先将已标定过的螺线管和HWR腔安装就位，并且用三维可调机构反复调节各元件至理论位置，其实际安装精度见表1．然后将测微准直望远镜所用十字丝目标及其支架，安装在冷质量元件上，并将其对准至设计位置．
2配置偏心距和旋转角
由于测微准直望远镜低温下监测，只能透过观察窗向真空室内部的光学靶观测．而光的传播存在折射和衍射，会对光学观测产生误差．采用数字水平仪调平望远镜的视准轴，并且借助激光跟踪仪事先将远近两处的基准靶和望远镜的视准轴中心调整至统一高程面，可以消弱光透过空气和玻璃观察窗不同介质时的折射误差．为了避免光的衍射误差，可以人为将不同十字丝目标的上下左右配置在±0．2mm以内不同偏心距上（见图4）．由于六个十字丝之间间隔太小，为了便于观测，可以将不同十字丝目标配置不同的旋转角（30度和60度），间隔放置在螺线管和超导腔下方（见图4）．
3理论模拟
在低温压力容器的元件中，除了承受由载荷（压力、外载）产生的机械应力外，由于在运行过程中元件的温度场发生变化，还将承受热应力的作用［5］．为了确定腔体、磁体、支撑以及氦容器在重力和冷缩变形时的补偿量和热应力，以减小或消除应力和变形．必须采用有限元方法，模拟低温下所有冷质量组件的热应力和冷缩变形．本文采用SOLID－WORKS建模，使用ANSYS进行热应力模拟．
3．1有限元模型及其材料属性
冷质量及其支撑组件的有限元模型如图3所示．模型中磁体、氦槽及其本身焊接连接支架采用316LSS不锈钢材料，HWR腔及其本身焊接连接支架为钛材，冷质量支撑组件和腔体的6根横梁采用钛材料，准直支架及十字丝目标采用G10材料．模型中支撑杆室温端为球铰接，支撑杆低温端与钛架之间为绑定．不同接触材料之间采用螺栓连接，模拟为不同接触材料之间可相互滑动且不分离．所有冷质量材料的机械特性见表2．
3．2边界条件与模拟结果
实测的两次试验采用液氮降温，模型中支撑室温端球铰链接触面为300K室温，所建模型腔体、氦容器以及超导磁体接触面处为80K，80K表面热负荷0．1W／m2．80K下竖直和横向位移计算结果见表3，螺线管和HWR底部上移约2．0mm，横向向中心收缩约1mm．
4实测分析
4．1低温监测
先用WYLER电子水平仪，将测微准直望远镜的视准轴调平，精度控制在0．05mm／m内［6］．再调焦至远处基准靶，使用旋转按钮，摆动镜筒使其对齐远处目标中心（见图5第1步）；然后调整焦距瞄准近处基准靶，使用平移工作台，移动镜筒至近处目标中心（见图5第2步）．重复上述两步“远旋转移”多次，调整镜筒至两基准靶偏心线上，控制其直线度误差在0．1mm以内．图5中虚线矩形框代表已旋转的测微准直望远镜，实线矩形框代表已平移的测微准直望远镜，圆形目标为MAT基准靶．由于同轴十字丝目标存在加工误差，所以需要使用测微准直望远镜，借助可调丝扣，调整六个十字丝中心上下左右至设计偏心线位置．由于光学仪器不可避免地存在瞄准误差，而且瞄准误差的大小与距离成正比，呈正态分布．所以为了提高测量精度，应该采用多次测量取平均值，和尽量缩短瞄准距离的方法［7］．
4．2数据分析
两次试验降至液氮温区时跟踪仪和望远镜监测数据见图6和7．80K时竖直方向上跟踪仪监测到2号螺线管向上移动1．8mm，望远镜监测到2号螺线管向上移动1．9mm；80K时横向跟踪仪监测到2号螺线管向中心移动1mm，望远镜监测到2号螺线管向中心移动0．9mm．
5结论
信息时代信息爆炸导致通信带宽需求或通信网络容量爆增。如近期北美骨干网的业务量约6-9个月翻一番，达到了所谓的“光速经济”的时期，它比微电子芯片性能发展的摩尔法则（约18个月翻一番）快2-3倍，而且迄今这种发展势头不减。面对这种发展趋势，各个通信发达国家都在积极研究设计新的宽带网络，如可持续发展网络CUN、下一代网络NGN、新公众网NPN、一体化网UN等，但其基础传输媒质的物理层都是密集光波分复用（DWDM）的光传送网OTN。不如此就不可能提供巨大的通信带宽，高度可靠的传输性能，足够的业务承载容量以及低廉的使用费用，确保网络的可持续发展，支持当前和未来的任何业务信号的传送要求。
1密集光波分复用（DWDM）系统
DWDM系统主要由光合波器、光分波器和掺铒光纤放大器（EDFA）组成。其中EDFA的作用是由比信号波长低的高能量光泵源将能量辐射进一段掺铒光纤中，当载有净负荷的光波通过此段光纤一起传播时，完成光能量的转移，使在1530-1565m波长范围内各个光波承载的净负荷信号全都得到放大，弥补了光纤线路的能量损失。这样，当用EDFA代替传统的光通信链路中的中继段设备时，就能以最少的费用直接通过增加波长数增大传输容量，使整个光通信系统的结构和设计都大大简化，并便于施工维护。
EDFA在DWDM系统中实际应用时又分为功放或后置放大器（BA），预放或前置放大器（PA）和线路放大器（LA）3种，但有的公司为了简化，尽量减少设备品种，统一为OA，以便于维护。
目前商用的DWDM系统的每个波长的数据速率是2.5Gbps，或10Gbps，波长数为4、8、16、32等；40、80甚至132个波长的DWDM系统也已有产品。常用的有两类配置。一类是在光合波器前与在光分波器后设置波长转换器（WavelengthTransponder）OTU。这一类配置是开放式的，采用这种可以使用现有的1310nm和1550nm波长区的任一厂家的光发送与光接收机模块；波长转换器将这些非标准的光波长信号变换到1550nm窗口中规定的标准光波长信号，以便在DWDM系统中传输。美国的Ciena公司、欧洲的pirelli公司采用这类配置，他们是生产光器件的公司，通常，所生产的光分波合波器有较好的光学性能参数。如Ciena公司采用的信道波长间隔为0.8nm，对应100GHz的带宽，在1545.3-1557.4nm波长范围内提供16个光波信道或光路。但他们没有SDH传输设备，因此，在系统配置、网络管理方面不能统一考虑。此类配置的优点是应用灵活、通用性强，缺点是增加波长转换器、成本较高。另一类配置是不用波长转换器，将波分复用、解复用部分和传输系统产品集成在一起，这一类配置是一体的或集成的，这样简化了系统结构、降低了成本，而且便于将SDH传输设备和DWDM设备在同一网管平台上进行管理操作。这类配置的生产厂家如Lucent、Siemens、Nortel等，他们是SDH传输系统设备供应商，有条件这样做。他们在做4×2.5G32bpsDWDM系统设计时就考虑与4×10Gbps速率的兼容，考虑增加至8个波长、16个波长、基至40个波长、80个波长，以及2.5Gbps和10Gbps的混合应用，确保系统在线不断扩容，平滑过渡，不影响通信网的业务。当然，他们也提供开放式配置，或发送是开放式，接收为一体式的DWDM系统设备。
由于初期商用的EDFA带宽平坦范围在1540-1560nm，故早期使用的DWDM系统的复用光波长多在1550nm附近。后来实际EDFA的增益谱宽为35nm，约4.2THz，其中增益起伏小于1dB的谱宽在1539-1565nm之间，若以1.6nm（对应200GHz）的波长间隔，则最少可实现8波长，乃至16波长的同步放大；若以0.8nm（对应100GHz）的波长间隔，则最少可实现16个波长，乃至32个波长的DWDM系统，再加上EDFA约40dB的高增益，大于100mW的高输出功率，以及4-5dB的低噪声值等优越性能，故极大地促进了DWDM系统的快速发展。
正如电放大器那样，光放大器在放大光信号的同时也要引入噪声。它由光子的自发幅射（SpontaneousEmission）产生。此种噪声和光信号在光放大器中一起放大，并逐级积累形成干扰信号，即熟知的放大自发辐射（AmplifiedSpontaneousEmission，简写为ASE）干扰信号。这种ASE干扰信号经多经光放积累的功率会大到1-2mW，其频谱分布与波长增益谱对应。
这就是为什么经过若干个OLA放大后必须经过光电变换，分别取出各波长光路的电信号进行定时、整形与再生（3R），完成光数字信号处理的主要原因，它决定了电中继段或复用段的最大距离或最大光中继段数。当然，其他因素例如允许的总的色散值也决定此电中继段的最大距离，这要由系统设计作光功率预算时，哪个因素要求最严格来确定。
2DWDM系统的测试要求
以SDH终端设备为基础的多波长密集光波分复用系统和单波长SDH系统的测试要求差别很大。首先，单波长光通信系统的精确波长测试是不重要的，只需用普通的光功率计测量了光功率值就可判断光系统是否正常了。设置光功率计到一个特定的波长值，例如是1310nm还是1550nm，仅用作不同波长区光系统光源发光功率测试的较准与修正，因为对宽光谱的功率计而言，光源波长差几十nm时测出的光功率值的差别也不大。可是，对DWDM系统就完全不同了，系统有很多波长，很多光路，要分别测出系统中每个光路的波长值与光功率大小，才能共发判断出是哪个波长，哪个光路系统出了问题。由于各个光路的波长间隔通常是1.6nm（200GHz）、0.8nm（GHz），甚至0.4nm（50GHz），故必须有波长选择性的光功率计，即波长计或光谱分析仪才能测出系统的各个光路的波长值和光功率的大小，因此，用一般的光功率计测出系统的总光功率值是不解决问题。其次，为了平滑地增加波长、扩大DWDM系统容量，或为了灵活地调度、调整电路和网络的容量，需要减少某个DWDM系统的波长数，即要求DWDM系统在增加或减少波长数时，总的输出光功率基本稳定。这样，当有某个光路、某个净负荷载体，即光波长或光载频失效时，又用普通光功率计测量总光功率值是无法发现问题的，因为一两个光载频功率大大降低或失效，对总的光功率值影响很小。此时，必须对各个光载频的功率进行选择性测量，不仅测出光功率电平值，而且还准确地测出具体的波长数值后，才能确切知道是哪个波长哪条光路出了问题。这不仅在判断光路故障时非常必要，而且在系统安装、调测和日常维护时也很重要。
此外，为了测量光放大器增益光谱特性，尤其是增益平坦度，需找出各波长或各光路的功率电平差值时，也必须测量出各光路的波长值和光功率值。
为便于查寻光线路放大器的故障，除测量各个光路的波长值和光功率外，还要测量出各个光路的信噪比（OSNR）。这里，在测量OSNR时要注意测量仪表的噪声带宽。例如用HP70952B光谱分析仪（噪声带宽1nm）测量的OSNR要比用Agilent86121AWDM光路分析仪（噪声带宽0.1nm）测量出的OSNR低约10dB；这是因为前者取出的噪声功率是后者取出的噪声功率的10倍，自然，前者测出的OSNR要低约10db（因光信号功率测量有差别）。
由于DWDM系统有n个波长，n个光路，等效于n个虚SDH光通信系统，故在系统的重要测量点必须有光分路器（分光器），以避免在做波长和功率测量时中断系统，造成大量业务丢失。
为便于比较对照，将OSP-102/OMS-100组合测试仪和一个典型的实验室用光谱分析仪OSA的技术规范列在一起。
3可调谐光滤波器
为使具有光谱分析仪功能的仪表适合现场测试，需要有轻便灵巧的可调谐光滤波器选择光波长。它是一个可调法布里-泊罗（Fabry-Perot）滤波腔体，它的基本结构是由两块部分镀银的板构成反射平面，两块板相对分开的距离是可普的。其滤波原理是：对某个波长的光，当调节两块板之间的距离，使在两块板之间反射引起的部分射线在相位上完全重叠时，滤波器对该波长的光是直通的，而对其他波长的光会引入很大的衰减。
这种可调谐光滤波器与光分度计或旋转干涉滤波器相比有很多优点。它没有轴承、轴、马达等，不存在由于连续持久的操作引起磨损、破裂等问题；结构非常坚实，对振动不敏感。它是不可逆的光器件，无论是衰减，还是通常波长均与输入光波的射线极化无关；这一优点在有几个波长激光器都调整到有相同输出光功率时尤其重要。
4便携式光谱分析仪
适用于DWSM系统现场安装调测与日常维护的便携式光谱分析仪，除去前已介绍的HP70952B,Agilent86121A外，现举OSP-102插件和OMS-100主机配合专用于DWDM系统测试的便携式光谱分析仪为例，说明采用可调谐光滤波器一方面使成本显著降低，一方面使重量减轻。体积缩小，有利于便携。为便于使用，还增加了下述分立的应用方式。
（1）光谱分析仪方式
用可调谐光滤波器沿着要选测的波长范围调整移动，将以图形方式显示测量结果，可用游标定位估计波长、功率数值，以及各波长和功率差值的测试数据。还可用存储器存储两个光谱的测试数据进行比较。
（2）光纤系统方式
用表列出直到16个光路或波信道的被测试的波长、功率和S/N。这种应用方式对光纤通信系统的日常维护测试特别有用。因为在DWDM系统的运行过程中，通常不希望光载频信号的功率超过规定的容限。
（3）光功率计方式
可调谐光滤波器固定调整到所选的波长，以数字显示该波长的光功率，就可以用来检测该光路或信道光载频功率随时间的变化，即稳定程度。这一方式在检测中断故障时尤其有用。
（4）监视器输出方式
将被滤出的光信号的一部分送到监视器输出，就能在不影响其他光路或波信道业务的条件下对DWDM系统的某指定波信道进行比特误码率测试，也可具体检测出哪一个波信道传输有问题。
