Сотрудники Новосибирского государственного университета совместно с компанией «Т8» провели эксперимент по использованию существующей оптоволоконной линии связи для мониторинга объектов университетского кампуса. В рамках эксперимента специалисты проверяли, можно ли использовать проложенный волоконный кабель как распределённый датчик вибраций и с помощью методов искусственного интеллекта распознавать события в окружающей среде. В перспективе технология может применяться для мониторинга производственной и городской инфраструктуры.
Для проекта используется программно-аппаратный комплекс оптоволоконной распределённой системы «Дунай». Его ключевой элемент — интеррогатор, прибор, который подключается к оптоволоконной линии и анализирует обратное рассеяние света в волокне. Вибрации и деформации волокна, вызванные происходящими рядом событиями, изменяют характеристики этого рассеянного сигнала. Анализируя такие изменения, система может определить место и характер воздействия на оптоволоконную линию.
В пилотном проекте задействована служебная оптоволоконная линия длиной 4,3 км, проложенная на территории Новосибирского научного центра между НГУ и «Академпарком». При регистрации вибраций с пространственным шагом около 10 м она фактически превращается примерно в 400 распределённых точек наблюдения. В отличие от традиционных систем мониторинга, где отдельный сейсмометр или вибродатчик устанавливается в каждой точке наблюдения, здесь сенсорную функцию выполняет уже существующее оптическое волокно.
— Можно подключить специальный прибор к существующей оптоволоконной линии и использовать само волокно в качестве распределённого датчика, не прокладывая новую сенсорную линию, — рассказал старший научный сотрудник НГУ, научный сотрудник Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН Пётр Дергач.
Получаемые данные поступают на сервер Центра искусственного интеллекта НГУ, где алгоритмы машинного обучения классифицируют зарегистрированные вибрационные сигналы. Система позволяет распознавать различные события, например, проезд автомобиля, ходьбу человека или проведение земляных работ. Для каждого обнаруженного события определяются время и примерное место его возникновения, после чего информация отображается в интерфейсе системы мониторинга.
В зависимости от задачи такая система может использоваться для охраны периметра, контроля строительных работ и дорожного движения, а также для наблюдения за состоянием зданий и инженерных сооружений. Изменения вибрационного фона и характера колебаний могут свидетельствовать о необычных нагрузках, изменениях условий эксплуатации или работе оборудования в нештатном режиме. Это открывает возможности использовать оптоволоконную линию как инструмент раннего обнаружения аномалий и дополнительного контроля состояния инфраструктуры.
Отдельный сценарий применения технологии — мониторинг сейсмической активности. Распределённый оптоволоконный датчик способен регистрировать колебания, связанные с прохождением сейсмических волн, и определять их характеристики и место регистрации вдоль линии. При этом оптоволоконная система не обязательно должна полностью заменять традиционные сейсмометры: её данные могут дополнять показания отдельных датчиков и за счёт распределённого измерения расширять зону наблюдения.
— Система получает непрерывный поток вибрационных сигналов, среди которых искусственный интеллект распознаёт характерные признаки различных событий и позволяет определить, что произошло и где примерно это произошло, — пояснил ведущий научный сотрудник Центра искусственного интеллекта, заведующий лабораторией технологий фотоники и машинного обучения для сенсорных систем НГУ, Алексей Редюк.
В проекте участвуют специалисты НГУ, Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ) СО РАН, Центра искусственного интеллекта НГУ и компании «Т8». Компания предоставляет интеррогатор и участвует в его подключении к линии и сборе данных, а университетская команда отвечает за серверную инфраструктуру, программное обеспечение, визуализацию и алгоритмы обработки данных. Для сопоставления результатов распределённого оптоволоконного датчика с показаниями традиционных одиночных датчиков сбор данных проводится совместно с компанией «Индастриал Мониторинг». Все оборудование, участвующее в эксперименте, включая программно-аппаратный комплекс «Дунай», было интегрировано в действующую систему вибрационного мониторинга кампуса НГУ, разработанную сотрудниками и студентами Передовой инженерной школы НГУ.
— Мы проверяем концепцию пере-использования уже существующей оптоволоконной инфраструктуры. Для систем мониторинга можно прокладывать специальные сенсорные линии, но в городской среде уже существует большое количество оптоволоконных линий связи, которые потенциально можно дополнительно использовать в качестве распределённых датчиков, — отметил Пётр Дергач.
Распределённое акустическое зондирование основано на анализе обратного рассеяния света в оптическом волокне. Интеррогатор направляет в волокно короткие лазерные импульсы, а небольшая часть света рассеивается обратно из-за естественных неоднородностей оптического волокна. Вибрации и деформации волокна изменяют характеристики рассеянного сигнала. Анализ этих изменений позволяет получать информацию о динамической деформации волокна на разных участках линии и определять место возникновения воздействия. Подобный подход в мире уже исследуется для мониторинга дорог, мостов, трубопроводов, железных дорог и других протяжённых объектов.
У технологии есть ограничения. По некоторым параметрам традиционные сейсмометры могут обеспечивать более высокую чувствительность, тогда как характеристики оптоволоконного датчика во многом зависят от способа прокладки линии и её механической связи с окружающей средой. Например, слабый контакт с грунтом, провисание волокна или прохождение кабеля через колодцы могут снижать эффективность регистрации вибраций. При этом распределённый характер измерений и возможность использовать уже существующую инфраструктуру позволяют частично компенсировать эти ограничения.
Первые данные уже собраны, и теперь разработчики
проверяют, насколько точно алгоритмы могут распознавать различные события по
вибрациям оптического волокна. Следующий этап — расширить набор данных и
протестировать систему в разных условиях. Если результаты подтвердят
работоспособность подхода, команда планирует перейти к новым испытаниям на
городских и промышленных объектах, где существующая оптоволоконная
инфраструктура может одновременно использоваться для передачи данных и
мониторинга окружающей среды.
