Teadmised

Enamiku inimeste jaoks on fiiberoptiline kaabel toru, mis liigutab Interneti-liiklust. Üha suuremale hulgale teadlastele ja linnaplaneerijatele on see ka andur. Venitage maetud kaablit mõne miljardik meetri võrra ja selle sees liikuv valgus muutub viisil, mida instrument suudab mõõta. See füüsiline fakt on aluseks ideele, mida praegu arutatakse selliste siltide all nagukõik{0}}optilise sensoriga linn: tänavate alla, sildade äärde ja tunnelite kaudu juba paigaldatud sidekiudude kasutamine{0}}ülelinnalise seirekihina maavärinate, torujuhtmekahjustuste, struktuuriprobleemide ja liiklusõnnetuste jaoks.

Shanghai on selles arutelus kõige sagedamini mainitud linn ja selle poliitiline suund on kirjas. Vallavalitsuse omauue taristu ehitamise tegevuskava (2023–2026)nõuab linna-tasemel suure-kiire-optilise andmetöötluse ringvõrku koos suure-mahuliste intelligentsete linnatuvastusseadmetega. Linna oma"Guangyao Shencheng" 10-gigabitise optilise võrgu tegevuskava, mille on välja andnud Shanghai kommunikatsiooniadministratsioon ning linnamajanduse ja informatiseerimise komisjon, läheb sammu kaugemale ning loetleb integreeritud side{0}}ja-anduri kiudu käsitlevad uuringud, alustades reaalajas-tuvastusest ja vigade täpsest lokaliseerimisest optilises võrgus.

Ambitsioonikad kirjeldused valmis „täielikult{0}}optiliste tundlike linnade kohta”, umbes tuhande kilomeetri pikkune taaskasutatud telekommunikatsioonikiudude võrk, mis väidetavalt tuvastab kõike alates väikestest maavärinatest ja lõpetades gaasilekkega, mis näitab, kuhu see trend liigub. Selle aluseks olev tehnoloogia on tõeline ja hästi dokumenteeritud. Enamikku sellistele kirjeldustele lisatud linnade{3}}mastaabinäitajatest pole aga ametlikud avalikud allikad kinnitatud. See artikkel eraldab need kaks: kuidas kiudoptiline andur töötab, mida linna{5}}mastaabis võrk reaalselt tuvastada suudab, miks olemasolev sidekiud on oluline ja millised väited vajavad veel kontrollimist.

Mis on kõik{0}}optilised andurid?

Täielikult-optiliselt tundev linn on linnapiirkond, kus kiudoptiline võrk, millest suur osa on juba maapinnas olevad tavalised sidekiud, täidab korraga kahte eesmärki: edastab andmeid ja toimib hajutatud andurite massiivina, mis registreerib oma marsruudil vibratsiooni, temperatuuri ja pingeid. Sama kontseptsioon ilmneb tööstuses integreeritud andur ja side kiudoptilise tuvastusena või lihtsalt linna-skaalal hajutatud fiiberoptilise sensorina.

Kaks hoiatust väärivad märkimist. Esiteks on see fraas pigem tööstuse ja meedia märgis kui standardiseeritud tehniline termin, nii et üks projekt võib tähendada pilootpiirkonda, teine ​​aga täielikku omavalitsuslikku katvust. Teiseks, kõik väited, et linn on "esimene", sõltuvad täielikult sellest, kes ja kuidas selle mõiste määratleb: esimene piloot, esimene kommertsteenus või esimene ülelinnaline kasutuselevõtt on väga erinevad verstapostid. Kasulik aruandlus peaks sisaldama ulatust, piirkondi, mitu kilomeetrit marsruudil, millised rakendused ja kes süsteemi haldab.

Kuidas kiudoptiline andur töötab

Tööhobuse tehnika onhajutatud akustiline andur (DAS). Instrument, mida nimetatakse päringuks, ühendub kiu ühe otsaga ja laseb korduvalt läbi klaasi lühikesi laserimpulsse. Kiu väikesed looduslikud puudused hajutavad väikese osa igast impulsist tagasi allika suunas, seda efekti nimetatakse Rayleighi tagasihajumiseks. Kui kaablit ümbritsev maapind vibreerib, venib kiud nanomeetrite võrra kokku ja tõmbub kokku, mis muudab seda tagasihajumismustrit. Võrreldes tagasitulevat impulssi impulsi järel, muudab süsteem iga paari meetri kaablit kümnete kilomeetrite kaugusel virtuaalseks vibratsioonianduriks.selgitas EarthScope'i konsortsium, mis haldab USA riikliku teadusfondi seismoloogiarajatist.

Oluline on see, et DAS töötab tavalisel{0}}ühemoodilisel telekommunikatsioonikiudvõrgul. Marsruudil pole elektroonikat vaja; luure istub ülekuulajas ja tarkvara selle taga. Selle võrrandi kiudude poole lähemalt vaatamiseks vaadake meie ülevaadetühemoodi{0}}kiudude rolli optilise anduri rakendustes.

Üks kaabeltee, mitu anduritehnoloogiat

"Fiiberoptiline andur" on katustermin. Üks kaablikoridor võib majutada mitut erinevat süsteemi, millest igaühel on oma riistvara ja füüsika:

• DAS vibratsiooni ja akustika jaoks.Tuvastab liiklust, kaevetöid, samme ja seismilisi laineid piki kiudu. See on enamiku maavärina{1}}seire ja torujuhtmete{2}}kaitse kasutusjuhtude aluseks olev tehnika.
• DTS, hajutatud temperatuuri jaoks.Kasutab Ramani hajumist, et lugeda marsruudil oleva temperatuuriprofiili, mis on kasulik tunneli tulekahju tuvastamiseks ja torude ümber olevate termiliste anomaaliate tuvastamiseks. Meie artikkel teemalkiud{0}}põhine temperatuuri jälgiminekäsitleb seda lähenemist põhjalikumalt.
• DSS, hajutatud pinge jaoks.Brillouin{0}}põhine aeglase deformatsiooni mõõtmine, mis sobib vajumise ja konstruktsiooni deformatsiooni jälgimiseks kuude ja aastate jooksul.
• FBG punktiandurid. Fiber Braggi restidon täppistundlikud elemendid, mis on kiududesse kirjutatud kindlatesse punktidesse, mida kasutatakse laialdaselt sildadel ja muudel struktuuridel, kus täpsed kalibreeritud näidud on olulised.
• Lasergaasispektroskoopia, näiteks TDLAS.Mõõdab gaasi kontsentratsiooni optiliselt, kuid vajab gaasiga kokkupuutes sensormooduleid. Maetud sidekiud ei "haista" metaani järele; parimal juhul võtab see vastu kaudsed lekkesignaalid, nagu väljavoolava gaasi akustiline müra või lokaalne temperatuurimuutus.

Seetõttu on pealkiri nagu "üks kiud tuvastab maavärinad ja gaasilekked" on parimal juhul stenogramm. Sama kaablikoridor võib toetada mõlemat rakendust, kuid need põhinevad erinevatel instrumentidel ja gaasi{1}}kontsentratsiooni otsene mõõtmine sõltub pigem spetsiaalsetest optilistest anduritest, mitte telekommunikatsioonikiust endast.

Mida saab linna{0}}lai fiiberopsidega võrk tuvastada?

Allolevas tabelis on peamised rakendused konservatiivselt kokku võetud. Tegelik jõudlus sõltub alati sellest, kuidas kaabel on paigaldatud, kui hästi see maaga ühendub ja kuidas signaali{1}}töötlustarkvara on häälestatud kohaliku mürakeskkonna jaoks.

Miks on olemasolev sidekiud oluline?

Katvus on esimene põhjus. Telekommunikatsioonivõrgud järgivad tänapäevases linnas juba peaaegu kõiki tänavaid, jõeületusi ja transiidiliine:maa-alused fiiberoptilised kaablidjookske samal ajal teede ja kõnniteede allADSS fiiberoptiline kaabel nutikates linnadesjärgib elektri- ja transpordikoridore pea kohal. Ükski otstarbel-ehitatud andurite võrk ei suuda selle jalajäljega kiiresti ühtida.

Majandusteadus on teine. Varukiudude (nn. tumekiudude) korduvkasutamine olemasolevates kaablites väldib suuremat osa kaeve- ja paigaldustöödest, mis domineerivad uute andurite võrkude hinnas. Müüjad reklaamivad sageli märkimisväärset kokkuhoidu võrreldes tuhandete punktandurite kasutuselevõtuga ja loogika on usaldusväärne. Tegelik arv sõltub aga sellest, kas õigetel marsruutidel on sobiv tume kiud, kui hästi need marsruudid on dokumenteeritud ning kui palju küsitlejad ja arvutustaristu maksavad. Konkreetsed protsendid peaksid tulema projekti eelarvetest, mitte pealkirjadest.

Kolmas põhjus on see, et kaablitehas ise on passiivne. Klaas ei vaja väljavoolu, patareisid ega teeäärset elektroonikat ning see talub tingimusi, mis lühendavad tavapäraste andurite eluiga. Aktiivtehnika on koondunud vähestesse seadmeruumidesse, kus seda saab tsentraalselt hooldada.

Siin kehtib ka üks hoiatus: mitte iga kaabel ei tee head andurit. Lõdvalt ühendatud kanalid, pikad õhuvahed ja halvasti dokumenteeritud ühenduspunktid halvendavad anduri jõudlust, seega on marsruudi hindamine tavaliselt iga kasutuselevõtu esimene samm.

Rakendusstsenaariumid koos vajalike hoiatustega

Maavärina jälgimine ja varane hoiatus

Uurimisrühmad üle maailma on registreerinud maavärinaid tavalistel telekommunikatsioonikiududel ja aUSA geoloogiakeskuse väljaanneon kaardistanud, kuidas DAS-andmed saaksid toita olemasolevaid varajasi{0}}hoiatussüsteeme, märkides, et massiivid peavad olema hästi ühendatud ja madala müratasemega ning täpsed deformatsiooniamplituudi{1}}vaatlused on endiselt põhinõue. Sellised süsteemid hoiatavad sekundid, mis pärinevad füüsikast, mis tuvastab esimesed seismilised lained enne tugevama värisemise saabumist, mitte maavärinate ennustamisest. Iga konkreetne väide, näiteks 0,5-suuruste sündmuste tuvastamine või fikseeritud 10–30-sekundilise hoiatuse edastamine, tuleb kinnitada konkreetse linna kiu marsruutide ja mürakeskkonna jaoks.

Gaasijuhtme ohutus

Torujuhtmete ümbruse kiudude tuvastamise parim-dokumenteeritud väärtus on kolmanda osapoole sekkumise tuvastamine: maetud liini kohal töötav ekskavaator tekitab juba ammu enne toru puudutamist iseloomuliku vibratsioonisignatuuri. Kaudsed lekkeindikaatorid, põgenemismüra ja temperatuurianomaaliad, lisage teine ​​kiht. Väited konkreetsete lekkekontsentratsioonide tuvastamise, lekete asukoha tuvastamise kohta arvesti piires või konkreetsete õnnetuste ärahoidmise kohta nõuavad enne kordamist kinnitust torujuhtme operaatorilt või kohalikult omavalitsuselt ning otsene kontsentratsiooni mõõtmine nõuab spetsiaalseid optilisi gaasiandureid, mitte sidekiudu.

Sillad, tunnelid ja konstruktsiooni tervis

Pidevad deformatsiooni- ja vibratsioonitrendid pigem täiendavad kui asendavad perioodilist konstruktsioonikontrolli. Fiber-põhine seire on atraktiivne pikkade tunnelite ja suurte sildade jaoks just seetõttu, et üks kaabel suudab katta selle, mis muidu vajaks sadu eraldiseisvaid gabariidid. Üldlauseid, et süsteem jälgib linnas iga silda, tuleks käsitleda eesmärkidena seni, kuni transpordiamet ulatuse kinnitab.

Teed, perimeetrid ja avalik ohutus

DAS võib klassifitseerida liiklusvoogu, registreerida mõjusid ja märgistada ebatavalist tegevust marsruudil. Sama põhimõtte üks küpsemaid kaubanduslikke kasutusviise onfiiberoptilise perimeetri turvalisusLennujaamade, depoode ja muude kriitiliste rajatiste läheduses tuletab meelde, et linna-skaala tuvastamine on juba praegu toimivate süsteemide laiendus, mitte hüpe tundmatusse.

Eelised võrreldes traditsiooniliste Smart City anduritega

• Pidev ruumiline katvus.Kiud tunnetab kogu oma marsruudi ulatuses, samas kui punktiandurid jätavad paigaldiste vahele tühimikud ja loovad pimeala.
• Olemasolevate varade taaskasutamine.Kaablitega sõitmise tuvastamine, mille ühenduvus on juba tasunud, mis võib lühendada kasutuselevõttu aastatelt kuudeni, kui tume kiud on saadaval.
• Passiivne välistaim.Kaabel ei vaja väljavoolu ega hoolduskülastusi; elektroonika jääb keskkontoritesse.
• Üks selgroog, palju rakendusi.Sama koridor võib teenindada seismilist, torujuhtme-, struktuuri- ja liiklusseiret, igaüks oma seadmekihi kaudu.

Ükski neist ei muuda tavapäraseid andureid aegunuks. Kaamerad, kalibreeritud gaasidetektorid ja seismomeetrid jäävad võrdlusinstrumendid; kiudude tuvastamine lisab nende vahele pideva, suhteliselt madala-kulukihi.

Piirangud ja avatud väljakutsed

Väljaspool üldistkiudoptilise kaabli piirangudLinna{0}}skaala tuvastamine ise seisab silmitsi väljakutsetega, mida iga tõsine hindamine peaks kaaluma:

• Linnamüra ja valehäired.Linn on akustiliselt vali. Aeglase gaasilekke eraldamiseks mööduvast trammist on vaja koolitatud klassifitseerimismudeleid ja vale{1}}häiresagedusi tuleb häälestada marsruudi kaupa.
• Sidestamine ja marsruudi sõltuvus.Matmissügavus, toru tüüp ja pinnase tingimused muudavad tundlikkust, nii et ühel tänaval demonstreeritud jõudlus ei kandu automaatselt üle teisele.
• Dünaamiline ulatus ja kalibreerimine.Väga tugev raputamine võib DAS-i mõõtmisi küllastada ja kiudude tüve muutmine tehnilisteks ühikuteks nõuab siiski hoolikat kalibreerimist.
• Andmemaht ja arvutuskulu.Üks päringuseade võib toota terabaiti andmeid päevas; ladustamine, töötlemine ja arhiveerimine on tegelikud tegevuskulud.
• Otsest gaasimõõtmist pole.Kontsentratsiooninäidud vajavad spetsiaalset optilist gaasiandurit; telekommunikatsioonikiud annab ainult kaudseid tõendeid.
• Juhtimine ja privaatsus.Võrgustik, mis suudab registreerida samme ja sõidukite liikumist, tõstatab poliitilisi küsimusi, millele linnad peavad avalikult vastama.

Mida see tulevaste nutikate linnade jaoks tähendab

Linnaoperaatorite jaoks on praktiline lahendus kiudoptilist võrku käsitleda tundliku varana: dokumenteerida marsruudid, säilitada tume kiud uuendamise ajal ja nõuda anduri jõudluse demonstreerimist tegelikes koridorides enne skaleerimist. Shanghai avaldatud plaanid, täielik -optiline selgroog, suuremahulised-linnaandurid ning integreeritud side-ja-andurikiudude uurimine näitavad, kuidas linn saab selle poole liikuda kontrollitavate etappide, mitte ühe pealkirjaga.

Võrguomanike ja kaablitarnijate jaoks tõstab trend paigalduskvaliteedi ja marsruudi arvestuse latti kõrgemale, sest halvasti dokumenteeritud kanal teeb kehva anduri. See viitab ka tulevikule, kus kaabli väärtust mõõdetakse mitte ainult gigabitites, mida see kannab, vaid ka infrastruktuuris, mida see jälgida saab.