Znanje

Za većinu ljudi optički kabl je cev koja pokreće internet saobraćaj. Za sve veći broj istraživača i urbanista, on je i senzor. Rastegnite zakopani kabl za nekoliko milijarditih delova metra i svetlost koja putuje unutar njega menja se na način na koji instrument može da meri. Ta fizička činjenica je osnova ideje o kojoj se sada raspravlja pod oznakama kao što susav-optički senzorski grad: korištenje komunikacijskog vlakna koji je već instaliran ispod ulica, duž mostova i kroz tunele kao -sloj za praćenje potresa, oštećenja cjevovoda, strukturalnih problema i saobraćajnih incidenata.

Šangaj je grad koji se najčešće spominje u ovoj diskusiji, a njegov smjer politike je u zapisniku. Opštinske vlastiakcioni plan za izgradnju nove infrastrukture (2023–2026)zahtijeva gradsku-veliku-brzinu svih{2}}optičkih računarskih prstenastih mreža zajedno sa velikim-inteligentnim gradskim senzorskim objektima. GradskiAkcioni plan "Guangyao Shencheng" 10-gigabitne optičke mreže, koju izdaju Šangajska uprava za komunikacije i Općinska komisija za privredu i informatizaciju, ide korak dalje i navodi istraživanja o integriranoj komunikaciji-i-senzirnim vlaknima, počevši od-detekcije u realnom vremenu i preciznog lokaliziranja kvarova na samoj optičkoj mreži.

Ambiciozni opisi gotovog "grada sa svim-optičkim senzorima", mreže od otprilike hiljadu kilometara ponovo korišćenih telekomunikacionih vlakana za koje se kaže da detektuje sve, od malih zemljotresa do curenja gasa sa rupama, otkrivaju kuda ovaj trend ide. Osnovna tehnologija je stvarna i dobro dokumentovana. Međutim, većina brojki gradskog{3}}razmjera priloženih takvim opisima nije potvrđena u zvaničnim javnim izvorima. Ovaj članak razdvaja to dvoje: kako funkcionira optičko svjetlo, šta gradska{5}}mreža može realno otkriti, zašto je postojeća komunikacijska vlakna bitna i koje tvrdnje još trebaju potvrditi.

Šta je sve-optički senzorski grad?

Potpuno{0}}opticki grad je urbano područje u kojem mreža optičkih vlakana, uglavnom obična komunikacijska vlakna koja su već u zemlji, služi u dvije svrhe odjednom: prenošenje podataka i djelovanje kao distribuirani senzorski niz koji registruje vibracije, temperaturu i naprezanje duž svoje rute. Isti koncept se pojavljuje u industriji kao integrirani senzor i komunikacija preko vlakana, ili jednostavno kao -distribuirani optički senzor u gradu.

Dva upozorenja vrijedi istaknuti unaprijed. Prvo, fraza je oznaka industrije i medija, a ne standardizovani tehnički termin, tako da jedan projekat može značiti pilot okrug, dok drugi znači punu pokrivenost opštine. Drugo, svaka tvrdnja da je grad "prvi" u potpunosti ovisi o tome ko definira pojam i kako: prvi pilot, prva komercijalna usluga ili prva implementacija u cijelom gradu su vrlo različite prekretnice. Korisno izvještavanje treba da navede opseg, koji okrug, koliko kilometara rute, koje aplikacije i ko upravlja sistemom.

Kako radi optička senzora

Tehnika radnog konja jedistribuirano akustičko sensiranje (DAS). Instrument koji se zove ispitivač povezuje se na jedan kraj vlakna i uzastopno ispaljuje kratke laserske impulse niz staklo. Sitne prirodne nesavršenosti u vlaknu raspršuju mali dio svakog impulsa natrag prema izvoru, efekat poznat kao Rayleighovo povratno raspršenje. Kada tlo oko kabla vibrira, vlakno se rasteže i sabija za nanometare, što mijenja taj obrazac povratnog raspršenja. Upoređujući povratni impuls za impulsom, sistem svakih nekoliko metara kabla pretvara u virtuelni senzor vibracije na udaljenostima od desetina kilometara, kaoobjasnio je EarthScope Consortium, koja upravlja seizmološkim postrojenjem američke Nacionalne naučne fondacije.

Ono što je najvažnije, DAS radi na standardnim jednim-modnim telekomunikacionim vlaknima. Na ruti nije potrebna elektronika; inteligencija se nalazi u ispitivaču i softver iza njega. Za bliži pogled na stranu vlakana ove jednačine, pogledajte naš pregleduloga jednog-modnog vlakna u aplikacijama optičkog senzora.

Jedna kablovska ruta, nekoliko senzorskih tehnologija

"Optički senzor" je krovni pojam. Jedan kablovski koridor može ugostiti nekoliko različitih sistema, svaki sa sopstvenim hardverom i fizikom:

• DAS, za vibracije i akustiku.Detektuje saobraćaj, iskope, korake i seizmičke talase duž vlakna. Ovo je tehnika koja stoji iza većine slučajeva upotrebe-nadgledanja i zaštite cjevovoda{2}}od potresa.
• DTS, za distribuiranu temperaturu.Koristi Ramanovo raspršivanje za očitavanje temperaturnog profila duž rute, što je korisno za otkrivanje požara u tunelima i za uočavanje termičkih anomalija oko cijevi. Naš članak opraćenje temperature na bazi vlakanadetaljnije pokriva ovaj pristup.
• DSS, za distribuirani soj.Brillouin{0}}bazirano mjerenje sporog naprezanja, pogodno za praćenje slijeganja i strukturne deformacije tokom mjeseci i godina.
• FBG točkasti senzori. Fiber Bragg rešetkesu precizni senzorski elementi upisani u vlakno na određenim tačkama, koji se široko koriste na mostovima i drugim strukturama gdje su bitna tačna, kalibrirana očitavanja.
• Laserska gasna spektroskopija, kao što je TDLAS.Mjeri koncentraciju plina optički, ali zahtijeva senzorske module u kontaktu s plinom. Zakopano komunikacijsko vlakno ne "miriše" metan; u najboljem slučaju hvata indirektne znakove curenja kao što su akustični šum izlazećeg gasa ili lokalna promena temperature.

Zbog toga je naslov poput "jedno vlakno otkriva zemljotrese i curenje gasa" u najboljem slučaju skraćenica. Isti koridor kablova može podržati obje aplikacije, ali se oslanjaju na različite instrumente, a direktno mjerenje{1}}koncentracije plina ovisi o namjenskim optičkim senzorima, a ne o samom telekomunikacionom vlaknu.

Šta može otkriti gradska-Wide Fiber Sensing mreža?

Tabela ispod konzervativno sumira glavne primjene. Stvarne performanse uvijek zavise od toga kako je kabl instaliran, koliko je dobro spojen sa zemljom i kako je softver za obradu signala{1}}podešen za lokalno okruženje buke.

Zašto su postojeća komunikacijska vlakna važna

Pokrivenost je prvi razlog. Telekom mreže već prate gotovo svaku ulicu, prijelaz rijeke i tranzitnu liniju u modernom gradu:podzemnih optičkih kablovatrčati ispod puteva i trotoara, dokADSS optički kabl u pametnim gradovimaprati elektro i transportne koridore iznad glave. Nikakva namjenski{1}}ugrađena senzorska mreža ne bi mogla brzo izjednačiti s tim otiskom.

Ekonomija je druga. Ponovna upotreba rezervnih žica, tako-zvanih tamnih vlakana, u postojećim kablovima izbjegava većinu radova na iskopavanju rovova i instalacije koji dominiraju troškovima novih senzorskih mreža. Prodavci često oglašavaju dramatične uštede u poređenju sa postavljanjem hiljada senzora tačaka, a logika je zdrava. Stvarni broj, međutim, zavisi od toga da li odgovarajuća tamna vlakna postoje na pravim rutama, koliko su te rute dobro dokumentovane i koliko koštaju ispitivači i računarska infrastruktura. Određeni procenti bi trebali doći iz budžeta projekta, a ne iz naslova.

Treći razlog je taj što je samo postrojenje kablova pasivno. Staklo ne treba napajanje na terenu, baterije ili elektroniku pored puta, i toleriše uslove koji skraćuju život konvencionalnih senzora. Aktivna oprema je koncentrisana u malom broju prostorija za opremu, gde se može centralno održavati.

I ovdje vrijedi jedno upozorenje: ne čini svaki kabel dobar senzor. Slabo spojeni kanali, dugi vazdušni rasponi i loše dokumentovane tačke spajanja smanjuju performanse sensinga, tako da je procena rute obično prvi korak u primeni.

Scenariji primjene, uz potrebna upozorenja

Praćenje potresa i rano upozorenje

Istraživački timovi širom svijeta snimili su potrese na običnim telekomunikacionim vlaknima, i aPublikacija američkog Geološkog zavodaje mapirao kako DAS podaci mogu hraniti postojeće sisteme ranog{0}}upozoravanja, napominjući da nizovi moraju biti dobro povezani i sa niskim nivoom buke, te da tačna zapažanja amplituda deformacije-i dalje ostaju ključni zahtjev. Sekunde upozorenja koje takvi sistemi pružaju dolaze od fizike, otkrivanja prvih seizmičkih talasa prije nego što stignu jači potres, a ne od predviđanja zemljotresa. Svaka specifična tvrdnja, kao što je otkrivanje događaja od 0,5 magnitude ili isporuka fiksnog upozorenja od 10 do 30 sekundi, mora biti potvrđena za određene rute vlakana i okruženje buke u dotičnom gradu.

Sigurnost gasovoda

Najbolja{0}}dokumentovana vrijednost senzora vlakana oko cjevovoda je otkrivanje interferencije-treće strane: bager koji radi iznad ukopane linije proizvodi prepoznatljiv vibracijski potpis mnogo prije nego što se cijev dodirne. Indirektni indikatori curenja, evakuacija buke i temperaturnih anomalija, dodajte drugi sloj. Tvrdnje o otkrivanju specifičnih koncentracija curenja, lociranju curenja unutar brojila ili sprečavanju određenih nesreća zahtijevaju potvrdu od operatera cjevovoda ili općinskih vlasti prije nego što se ponove, a direktno mjerenje koncentracije zahtijeva namjenske optičke senzore plina umjesto komunikacijskih vlakana.

Mostovi, tuneli i zdravlje konstrukcija

Kontinuirani trendovi naprezanja i vibracija dopunjuju, a ne zamjenjuju, periodične strukturalne inspekcije. Praćenje zasnovano na vlaknima{1}}atraktivno je za dugačke tunele i velike inventare mostova upravo zato što jedan kabl može pokriti ono što bi inače bilo potrebno na stotine diskretnih mjerača. Opće izjave da sistem nadgleda svaki most u gradu treba tretirati kao ciljeve dok transportna vlast ne potvrdi obim.

Putevi, perimetri i javna sigurnost

DAS može klasifikovati tok saobraćaja, registrovati uticaje i označiti neuobičajene aktivnosti duž rute. Jedna od najzrelijih komercijalnih upotreba istog principa jesigurnost perimetra od optičkih vlakanaoko aerodroma, depoa i drugih kritičnih objekata, podsjetnik da je otkrivanje na gradskoj{0}}razmjeri proširenje sistema koji već danas rade, a ne skok u nepoznato.

Prednosti u poređenju sa tradicionalnim senzorima pametnog grada

• Kontinuirana prostorna pokrivenost.Vlakno osjeti duž cijele rute, dok senzori točka ostavljaju praznine između instalacija i stvaraju mrtve tačke.
• Ponovno korištenje postojeće imovine.Sensing se kreće na kablovima koje je povezivanje već platilo, što može skratiti primenu sa godina na mesece kada su tamna vlakna dostupna.
• Pasivna vanjska biljka.Kabelu nije potrebno napajanje na terenu ili posete održavanja; elektronika ostaje u centralnim uredima.
• Jedna kičma, mnogo aplikacija.Isti koridor može služiti za seizmičko, cjevovodno, strukturalno i saobraćajno praćenje, svaki kroz svoj sloj instrumenta.

Ništa od ovoga ne čini konvencionalne senzore zastarjelim. Kamere, kalibrirani detektori gasa i seizmometri ostaju referentni instrumenti; Senzor vlakana dodaje kontinuirani, relativno jeftin-sloj između njih.

Ograničenja i otvoreni izazovi

Iznad generalaograničenja optičkog kablasamo po sebi, otkrivanje na gradskoj{0}}razmjeri suočava se s izazovima koje bi svaka ozbiljna procjena trebala težiti:

• Urbana buka i lažni alarmi.Grad je akustički glasan. Odvajanje sporog curenja gasa od tramvaja koji prolazi zahtijeva obučene modele klasifikacije, a stope lažnih-alarmana se moraju podešavati ruta po ruta.
• Povezivanje i zavisnost rute.Dubina zakopavanja, tip vodova i uslovi tla mijenjaju osjetljivost, tako da se performanse prikazane na jednoj ulici ne prenose automatski na drugu.
• Dinamički raspon i kalibracija.Vrlo snažno podrhtavanje može zasititi DAS mjerenja, a pretvaranje naprezanja vlakana u inženjerske jedinice i dalje zahtijeva pažljivu kalibraciju.
• Obim podataka i troškovi računarstva.Jedan ispitivač može proizvesti terabajte podataka dnevno; skladištenje, obrada i arhiviranje su stvarni operativni troškovi.
• Nema direktnog merenja gasa.Za očitavanje koncentracije potrebno je namjensko optičko sensiranje plina; telekomunikaciono vlakno doprinosi samo indirektnim dokazima.
• Upravljanje i privatnost.Mreža koja može da registruje korake i kretanje vozila postavlja pitanja politike na koja će gradovi morati da odgovore u javnosti.

Šta ovo znači za buduće pametne gradove

Za gradske operatere, praktičan zaključak je da se optička mreža tretira kao sredstvo za detekciju: dokumentuju rute, sačuvaju tamna vlakna tokom nadogradnje i zahtevaju da se performanse senzora demonstriraju na stvarnim hodnicima pre skaliranja. Objavljeni planovi Šangaja, cjelokupna-optička okosnica, veliki-objekata urbanog senzora i istraživanje integrirane komunikacije-i-senzirnih vlakana, pokazuju kako grad može graditi prema tome u provjerljivim fazama, a ne u jednom naslovu.

Za vlasnike mreža i dobavljače kablova, trend podiže ljestvicu kvaliteta instalacije i evidencije ruta, jer loše dokumentovani kanal čini loš senzor. Takođe ukazuje na budućnost u kojoj se vrednost kabla meri ne samo u gigabitima koje nosi, već i u infrastrukturi koju može da nadgleda.