tuntemus

Useimmille ihmisille valokuitukaapeli on putki, joka siirtää Internet-liikennettä. Yhä useammalle tutkijalle ja kaupunkisuunnittelijalle se on myös anturi. Venytä upotettua kaapelia muutaman metrin miljardisosalla ja sen sisällä kulkeva valo muuttuu tavoilla, joilla instrumentti pystyy mittaamaan. Tämä fyysinen tosiasia on perusta idealle, josta nyt keskustellaan sellaisilla nimikkeillä kuinkaikki{0}}optinen tunnistuskaupunki: käyttämällä katujen alle, siltojen ja tunneleiden läpi jo asennettua viestintäkuitua{0}}kaupunginlaajuisena maanjäristysten, putkivaurioiden, rakenteellisten ongelmien ja liikennehäiriöiden valvontakerroksena.

Shanghai on tässä keskustelussa useimmin mainittu kaupunki, ja sen poliittinen suunta on kirjattu. Kuntahallituksenuuden infrastruktuurin rakentamisen toimintasuunnitelma (2023–2026)vaatii kaupunkitason-nopeaa-nopeaa kaikkia-optista laskentarengasta laajan-mittakaavan älykkäiden kaupunkien havainnointilaitteiden rinnalle. Kaupungin"Guangyao Shencheng" 10 gigabitin optisen verkon toimintasuunnitelma, Shanghai Communications Administrationin ja Municipal Commission of Economy and Informatization, menee askeleen pidemmälle ja luettelee integroitua tietoliikennettä-ja-anturikuitua koskevat tutkimukset alkaen reaaliaikaisesta-tunnistuksesta ja vikojen tarkasta paikallistamisesta itse optisessa verkossa.

Kunnianhimoiset kuvaukset valmiista "kaikki-optisista mittauskaupungeista", noin tuhannen kilometrin uudelleenkäytetyn tietoliikennekuidun verkostosta, jonka sanotaan havaitsevan kaikkea pienistä maanjäristyksistä reiän kaasuvuotojin, osoittavat, mihin tämä trendi on menossa. Taustalla oleva tekniikka on aito ja hyvin dokumentoitu. Suurin osa tällaisiin kuvauksiin liitetyistä kaupungin-mittakaavakeluvuista ei kuitenkaan ole vahvistettu virallisissa julkisissa lähteissä. Tässä artikkelissa erotetaan nämä kaksi: miten kuituoptinen tunnistus toimii, mitä kaupunki{5}}mittakaavainen verkko voi realistisesti havaita, miksi olemassa oleva viestintäkuitu on tärkeä ja mitkä väitteet tarvitsevat vielä vahvistusta.

Mikä on kaikki{0}}optinen anturikaupunki?

Täysin-optinen mittauskaupunki on kaupunkialue, jossa valokuituverkko, josta suurin osa on jo maassa olevaa tavallista viestintäkuitua, palvelee kahta tarkoitusta kerralla: kuljettaa tietoa ja toimii hajautettuna anturiryhmänä, joka rekisteröi värähtelyä, lämpötilaa ja rasitusta reitin varrella. Sama konsepti esiintyy teollisuudessa integroituna tunnistusna ja viestintänä kuidun kautta tai yksinkertaisesti kaupunki-mittakaavassa hajautettuna valokuitutunnistuksena.

Kaksi varoitusta kannattaa mainita etukäteen. Ensinnäkin ilmaus on alan ja median merkki eikä standardoitu tekninen termi, joten yksi hanke voi tarkoittaa pilottialuetta, kun taas toinen tarkoittaa täyttä kunnan kattavuutta. Toiseksi kaikki väitteet siitä, että kaupunki on "ensimmäinen", riippuvat täysin siitä, kuka määrittelee termin ja miten: ensimmäinen pilotti, ensimmäinen kaupallinen palvelu tai ensimmäinen kaupunkilaajuinen käyttöönotto ovat hyvin erilaisia ​​virstanpylväitä. Hyödyllisissä raporteissa tulee kertoa laajuus, mitkä piirit, kuinka monta reittikilometriä, mitkä sovellukset ja kuka järjestelmää ylläpitää.

Kuinka kuituoptinen anturi toimii

Työhevostekniikka onhajautettu akustinen tunnistus (DAS). Instrumentti, nimeltään kyselylaite, kytkeytyy kuidun toiseen päähän ja laukaisee toistuvasti lyhyitä laserpulsseja alas lasia pitkin. Pienet luonnolliset epätäydellisyydet kuidussa sirottavat pienen osan jokaisesta pulssista takaisin kohti lähdettä, mikä tunnetaan Rayleighin takaisinsironnana. Kun maa kaapelin ympärillä tärisee, kuitu venyy ja puristuu nanometreillä, mikä muuttaa takaisinsirontakuviota. Vertaamalla paluupulssia pulssin jälkeen järjestelmä muuttaa muutaman metrin kaapelin virtuaaliseksi tärinätunnistimeksi kymmenien kilometrien etäisyyksillä, kutenselittää EarthScope Consortium, joka ylläpitää Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön seismologista laitosta.

Tärkeää on, että DAS toimii tavallisella{0}}yhdenmuotoisella telekuidulla. Reitin varrella ei tarvita elektroniikkaa; tiedustelu on kuulustelussa ja ohjelmisto sen takana. Jos haluat tarkastella lähemmin tämän yhtälön kuitupuolta, katso yleiskatsausyksimuotokuidun roolista optisissa tunnistussovelluksissa.

Yksi kaapelireitti, useita tunnistustekniikoita

"Kuituoptinen tunnistus" on kattotermi. Yksi kaapelikäytävä voi isännöidä useita erillisiä järjestelmiä, joista jokaisella on oma laitteistonsa ja fysiikkansa:

• DAS, tärinää ja akustiikkaa varten.Havaitsee liikenteen, kaivaukset, askeleet ja seismiset aallot kuitua pitkin. Tämä tekniikka on useimpien maanjäristys{1}}seuranta- ja putkisuojaus{2}}käyttötapausten takana.
• DTS, hajautettuun lämpötilaan.Käyttää Raman-sironnaa lämpötilaprofiilin lukemiseen reitin varrelta, mikä on hyödyllistä tunnelipalon havaitsemiseen ja lämpöpoikkeamien havaitsemiseen putkien ympärillä. Artikkelimme aiheestakuitu{0}}pohjainen lämpötilan valvontakattaa tämän lähestymistavan syvällisemmin.
• DSS, hajautettua rasitusta varten.Brillouin{0}}pohjainen hitaan venymän mittaus, joka sopii painumien ja rakenteellisten muodonmuutosten seurantaan kuukausien ja vuosien aikana.
• FBG-pisteanturit. Fiber Bragg -ritilätovat tarkkuusanturielementtejä, jotka on kirjoitettu kuituun tiettyihin kohtiin, ja niitä käytetään laajalti silloissa ja muissa rakenteissa, joissa tarkat, kalibroidut lukemat ovat tärkeitä.
• Laserkaasuspektroskopia, kuten TDLAS.Mittaa kaasukonsentraation optisesti, mutta vaatii kaasun kanssa kosketuksissa olevia anturimoduuleja. Hautautunut viestintäkuitu ei "haise" metaanilta; Parhaimmillaan se poimii epäsuorat vuotomerkit, kuten karkaavan kaasun akustisen äänen tai paikallisen lämpötilan muutoksen.

Tästä syystä otsikko, kuten "yksi kuitu havaitsee maanjäristykset ja kaasuvuodot", on parhaimmillaan lyhenne. Sama kaapelikäytävä voi tukea molempia sovelluksia, mutta ne ovat riippuvaisia ​​erilaisista laitteista, ja suora kaasu{1}}pitoisuuden mittaus riippuu erillisistä optisista antureista eikä itse tietoliikennekuidusta.

Mitä kaupunki{0}}Wide Fiber Sensing -verkko voi havaita?

Alla olevassa taulukossa on konservatiivinen yhteenveto tärkeimmistä sovelluksista. Todellinen suorituskyky riippuu aina siitä, kuinka kaapeli on asennettu, kuinka hyvin se kytkeytyy maahan ja kuinka signaalinkäsittelyohjelmisto on viritetty paikallista meluympäristöä varten.

Miksi olemassa oleva viestintäkuitu on tärkeä?

Kattavuus on ensimmäinen syy. Televerkot seuraavat jo lähes jokaista katua, joen risteystä ja kauttakulkulinjaa modernissa kaupungissa:maanalaiset valokaapelitjuosta teiden ja jalkakäytävien alla samallaADSS-kuitukaapeli älykkäissä kaupungeissaseuraa sähkö- ja kuljetuskäytäviä yläpuolella. Mikään tarkoitukseen-rakennettu anturiverkko ei pystyisi vastaamaan tätä jalanjälkeä nopeasti.

Taloustiede on toinen. Varasäikeiden, niin sanottujen tummien kuitujen, uudelleenkäyttö olemassa olevissa kaapeleissa välttää suurimman osan uusien anturiverkkojen kustannuksia hallitsevista kaivamisesta ja asennustöistä. Toimittajat mainostavat usein dramaattisia säästöjä verrattuna tuhansien pisteantureiden käyttöön, ja logiikka on vakaa. Todellinen määrä riippuu kuitenkin siitä, onko oikeilla reiteillä sopivaa tummaa kuitua, kuinka hyvin nuo reitit on dokumentoitu ja mitä kyselylaitteet ja laskentainfrastruktuuri maksavat. Tiettyjen prosenttiosuuksien pitäisi tulla projektibudjeteista, ei otsikoista.

Kolmas syy on se, että itse kaapelilaitos on passiivinen. Lasi ei tarvitse kenttävoimaa, paristoja tai tienvarsielektroniikkaa, ja se kestää olosuhteita, jotka lyhentävät perinteisten antureiden käyttöikää. Aktiivilaitteet on keskitetty pieneen määrään laitehuoneita, joissa niitä voidaan huoltaa keskitetysti.

Yksi varoitus pätee myös tässä: jokainen kaapeli ei ole hyvä anturi. Löysästi kytketyt kanavat, pitkät antennivälit ja huonosti dokumentoidut liitoskohdat heikentävät tunnistuksen suorituskykyä, joten reitin arviointi on yleensä ensimmäinen askel käyttöönotossa.

Sovellusskenaariot tarvittavin varoin

Maanjäristysten seuranta ja ennakkovaroitus

Tutkimusryhmät ympäri maailmaa ovat tallentaneet maanjäristyksiä tavalliseen tietoliikennekuituun ja aUS Geological Survey -julkaisuon kartoittanut, kuinka DAS-tiedot voisivat syöttää olemassa olevia varhaisia{0}}varoitusjärjestelmiä. Huomioi, että ryhmien on oltava hyvin kytkettyjä ja hiljaisia ​​ja että tarkat jännitys{1}}amplitudihavainnot ovat edelleen keskeinen vaatimus. Tällaisten järjestelmien antamat sekunnit tulevat fysiikasta, joka havaitsee ensimmäiset seismiset aallot ennen voimakkaampaa tärinää, eivät maanjäristysten ennustamisesta. Kaikki tietyt väitteet, kuten 0,5 magnitudin tapahtumien havaitseminen tai kiinteän 10–30 sekunnin varoituksen antaminen, on validoitava kyseisen kaupungin tietyille kuitureiteille ja meluympäristölle.

Kaasuputken turvallisuus

Putkilinjojen ympärillä tapahtuvan kuiduntunnistuksen paras-dokumentoitu arvo on kolmannen osapuolen häiriön havaitseminen: haudatun linjan yläpuolella työskentelevä kaivinkone tuottaa erottuvan tärinämerkin kauan ennen kuin putkeen kosketetaan. Epäsuorat vuotoilmaisimet, pakomelu ja lämpötilapoikkeamat, lisää toinen kerros. Väitteet tiettyjen vuotopitoisuuksien havaitsemisesta, vuotojen paikantamisesta mittarin sisällä tai tiettyjen onnettomuuksien estämisestä vaativat putkilinjan operaattorin tai kunnallisen viranomaisen vahvistuksen ennen kuin ne pitäisi toistaa, ja suora pitoisuusmittaus vaatii optisia kaasuantureita viestintäkuitujen sijaan.

Sillat, tunnelit ja rakenteiden kunto

Jatkuvat jännitys- ja tärinätrendit täydentävät, eivät korvaa, määräaikaista rakennetarkastusta. Kuitu-pohjainen valvonta on houkutteleva pitkille tunneleille ja suurille siltavarastoille, koska yksi kaapeli voi peittää sen, mikä muuten tarvitsisi satoja erillisiä mittareita. Yleinen lausunto siitä, että järjestelmä valvoo jokaista kaupungin siltaa, tulee käsitellä tavoitteina, kunnes liikenneviranomainen vahvistaa laajuuden.

Tiet, rajat ja yleinen turvallisuus

DAS voi luokitella liikennevirran, rekisteröidä vaikutuksia ja merkitä epätavallista toimintaa reitin varrella. Yksi saman periaatteen kypsimmistä kaupallisista käyttötavoista onvalokuitukehän suojauslentokenttien, varikkojen ja muiden kriittisten tilojen ympärillä, muistutus siitä, että kaupunki{0}}mittakaavan tunnistus on jo käytössä olevien järjestelmien laajennus, ei hyppy tuntemattomaan.

Edut perinteisiin Smart City -sensoreihin verrattuna

• Jatkuva alueellinen peitto.Kuitu tunnistaa koko reittinsä, kun taas pisteanturit jättävät aukkoja asennusten väliin ja luovat kuolleita kulmia.
• Olemassa olevan omaisuuden uudelleenkäyttö.Tunnistetaan ajot kaapeleissa, jotka liitettävyys on jo maksanut, mikä voi lyhentää käyttöönottoa vuosista kuukausiin, kun tumma kuitu on saatavilla.
• Passiivinen ulkokasvi.Kaapeli ei vaadi kenttävoimaa tai huoltokäyntejä; elektroniikka pysyy keskustoimistoissa.
• Yksi runko, monta sovellusta.Sama käytävä voi palvella seismistä, putkisto-, rakenne- ja liikennevalvontaa kukin oman instrumenttikerroksensa kautta.

Tämä ei tee perinteisistä antureista vanhentuneita. Kamerat, kalibroidut kaasuilmaisimet ja seismometrit ovat edelleen vertailuinstrumentteja; kuitutunnistin lisää jatkuvan, suhteellisen alhaisen kustannustason- niiden väliin.

Rajoitukset ja avoimet haasteet

Kenraalin ylivalokuitukaapelin rajoituksetKaupunki{0}}mittakaavaanturi itsessään kohtaa haasteita, jotka jokaisen vakavan arvioinnin tulee punnita:

• Kaupunkien melu ja väärät hälytykset.Kaupunki on akustisesti äänekäs. Hitaan kaasuvuodon erottaminen ohi kulkevasta raitiovaunusta vaatii koulutettuja luokitusmalleja, ja vääriä{1}}hälytystiheyksiä on viritettävä reitti kerrallaan.
• Kytkentä- ja reittiriippuvuus.Hautaussyvyys, putkityyppi ja maaperän olosuhteet muuttavat herkkyyttä, joten yhdellä kadulla osoitettu suorituskyky ei siirry automaattisesti toiselle.
• Dynaaminen alue ja kalibrointi.Erittäin voimakas tärinä voi kyllästää DAS-mittauksia, ja kuidun venymän muuntaminen teknisiksi yksiköiksi vaatii silti huolellista kalibrointia.
• Tietojen määrä ja laskentakustannukset.Yksi kyselylaite voi tuottaa teratavuja dataa päivässä; varastointi, käsittely ja arkistointi ovat todellisia toimintakuluja.
• Ei suoraa kaasun mittausta.Pitoisuuslukemat vaativat erillisen optisen kaasutunnistuksen; telekuitu antaa vain epäsuoraa näyttöä.
• Hallinto ja yksityisyys.Verkosto, joka voi rekisteröidä askeleita ja ajoneuvojen liikkeitä, herättää poliittisia kysymyksiä, joihin kaupunkien on vastattava julkisesti.

Mitä tämä tarkoittaa tuleville älykkäille kaupungeille

Kaupunkien operaattoreille käytännöllinen keino on käsitellä kuituverkkoa tunnistusvoimana: dokumentoida reitit, säilyttää tumma kuitu päivitysten aikana ja vaatia tunnistussuorituskyvyn osoittamista oikeilla käytävillä ennen skaalausta. Shanghain julkaisemat suunnitelmat, täysin-optinen runko, suuret-kaupunkimittauslaitteet sekä integroitua viestintää-ja-anturikuitua koskeva tutkimus, osoittavat, kuinka kaupunki voi rakentaa tätä kohti todennettavissa olevissa vaiheissa yhden otsikon sijaan.

Verkon omistajille ja kaapelitoimittajille trendi nostaa rimaa asennuksen laadussa ja reittien kirjaamisessa, koska huonosti dokumentoidusta kanavasta tulee huono anturi. Se viittaa myös tulevaisuuteen, jossa kaapelin arvoa mitataan paitsi sen kuljettamissa gigabiteissä, myös infrastruktuurissa, jota se voi seurata.