IDC：光纖傳感解決方案的應用

  光纜上的每一個點都是傳感器。長期以來，人們一直使用非相干光時域反射(OTDR)技術來遠程監(jiān)控光纜設施的質量和完整性、定位海底光纜故障點。而通過在基礎設施周邊或頂部嵌入光纖，并結合相應的算法，如人工智能增強算法，可以大幅提高光纖傳感檢測的準確性(95%+)，同時提高其定位精度。雖然從光纜收集傳感數(shù)據(jù)并不是什么新鮮事，但結合人工智能及自學習算法從而保障結果的準確性代表著這項技術具備廣泛的應用場景。

  據(jù)IDC預測，在2021-2025年期間，亞太地區(qū)(不包括日本)，公共服務、石油和天然氣、水資源、交通基礎設施和街道照明的互聯(lián)設備數(shù)量將保持每年9.15%的復合增長率。這反映了在5年內連接設備將從17億臺上升到25億臺。到2025年，這一總數(shù)將占該地區(qū)連接終端總數(shù)的20%以上。近年來，由于COVID-19疫情，全球人民被迫改變工作和生活方式。于是，保護和維護基礎設施變得尤其重要。由于交通、能源和通信領域需要建立有彈性和高可靠的基礎設施，導致企業(yè)和家庭網(wǎng)絡連接的需求爆炸式增長。光纖已成為滿足這種不斷增長的通信需求的首選基礎設施。2021-2025年，移動和固定網(wǎng)絡的流量數(shù)據(jù)預測年復合增長率為13.9%，意味著到2025年，總流量將達到801.6PB，遠遠高于2021年的476PB，大部分流量通過光纖網(wǎng)絡來傳輸。

  預計2021-2025年，光纖傳感器(FOS)市場將呈指數(shù)級增長。基礎設施、公共服務和檢測的巨大需求將大大促進分布式光纖傳感的應用。光纖能夠適應各種挑戰(zhàn)環(huán)境，是推動市場增長的另一個因素。

  分布式光纖傳感(DFOS)迅速被接納，促使制造商和供應商大力投資研發(fā)，為客戶提供更好的產品。服務提供商嘗試控制效率和優(yōu)化生產工藝，以獲得最大的市場份額，并打敗光纖技術的其他競品。

  然而，僅靠光纖本身不足以提供易擴展，可廣泛使用、并且高準確率的解決方案。光纖傳感的核心競爭力在于光器件硬件與光感知算法的緊密結合。

  為什么基礎設施的監(jiān)測很重要

  傳統(tǒng)的監(jiān)測技術包括物理巡檢(通過視頻監(jiān)控或人員上站巡檢)，以及通過圍欄、隔離和建設地下設施來限制進出。例如，在鐵路監(jiān)控中，傳統(tǒng)的方法是沿軌道安裝傳感器。這種解決方案成本高和覆蓋距離有限，只能是權宜之計。在基礎設施上嵌入監(jiān)控傳感器可能有用，但需要部署多個傳感器，才能全面監(jiān)測振動、聲波、應力和溫度。此外，必須為沿基礎設施安裝的傳感器提供通信覆蓋。隨著基礎設施網(wǎng)絡更廣泛的部署，需要提供低成本、覆蓋全網(wǎng)的綜合性解決方案才能滿足需求。

  采礦和油氣行業(yè)在過去18個月一直在努力應對COVID-19疫情的影響，他們正逐步借助數(shù)字化工具來幫助運營。對采礦業(yè)來說，其產業(yè)鏈中的礦石開采(即采礦)是數(shù)字化可能創(chuàng)造最大價值的領域。為了創(chuàng)造這方面的價值，礦業(yè)組織打算投資自動采礦設備和采礦優(yōu)化系統(tǒng)，如短間隔控制系統(tǒng)，以及用于礦山設計優(yōu)化的先進預測工具。

  對通信基礎設施的依賴

  監(jiān)測光纜完整性、預測光纜故障及損壞對于光纖通信系統(tǒng)的可靠性至關重要。當前大多數(shù)光纜監(jiān)測技術能夠提供光纜被干擾的實時、準靜態(tài)和動態(tài)信息。這有利于進一步監(jiān)測光纜周圍或光纜附著物的結構或材料，如圍欄、物料運輸管道(如石油、天然氣或水)和基礎設施(如道路、橋梁和樓宇)。這種技術能夠同時實現(xiàn)光纖通信和傳感應用，如結構完整性監(jiān)測、油氣泄漏檢測、地表監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測和入侵檢測。

  光纖不僅僅是信號載體，除非受到外部環(huán)境影響，光在光纖中可以一直沿著介質穩(wěn)定傳輸。通過專業(yè)的光纖傳感儀器可以來監(jiān)測任何可能改變探測光特性(振幅、相位、波長、偏振、模態(tài)分布和傳輸時間)的干擾，而這些特性改變與干擾大小相關。這種光的模型變化可以用來測量外部事件和條件變化，包括：應力/殘留應力、位移、損害、裂開、振動/頻率、形變、影響、聲學信號、液面、壓力、溫度、載重。

  光纖傳感(FOS)的能力和應用

  光纖傳感器(FOS)可以內置也可以外置，這取決于光纖是傳感元件還是信息載體。當傳感用于離散區(qū)域時，光纖傳感器就相當于點式傳感器。如果傳感器能夠沿著整根光纖連續(xù)監(jiān)測變量，那么它就相當于分布式傳感器。

  不同于傳統(tǒng)傳感器(如電應變計和壓電傳感器)，光纖傳感器并不限于單一的應用。因此，光纖正逐步取代傳感應用中的傳統(tǒng)電氣設備，目前已經(jīng)有多種傳感技術和應用。

  鑒于可預見的未來幾年AP領域互聯(lián)基礎設施的數(shù)量增長，F(xiàn)OS的應用可以擴展到許多關鍵領域。比如管道監(jiān)測：

  1. 振動感知

  2. 基礎設施安全

  3. 絕對位移/應力感知

  4. 油氣管道的分布式溫度感知

  5. 用于管道泄漏檢測的聲學信號感知

  6. 流體感知

  當前越來越多的管道鋪設于環(huán)境惡劣的偏遠地區(qū)，管線需要穿過崎嶇不平的山區(qū)，且冬季和夏季土壤質地的變化會增加管道的危險性。第三方蓄意干擾或意外入侵是導致管道泄漏甚至爆炸的主要原因。對于長距監(jiān)測和管道的線性特點，分布式光纖傳感技術具有顯著的優(yōu)勢和能力，比如高精度檢測和定位干擾事件。此外，管道所有者/運營商將光纜沿著傳輸管道鋪設，不僅用于通信，還能夠在通信系統(tǒng)中增加低成本的監(jiān)測能力。

  如前所述，管道可以輸送石油、天然氣、水和其他物料，對現(xiàn)代社會的平穩(wěn)運轉至關重要。FOS的另一個重要應用是周界防護。邊界需要管理和控制。部分園區(qū)需要管理關鍵區(qū)域，如機場、發(fā)電站和通信基礎設施，必須管理授權人員的通行許可。

  周界防護的技術監(jiān)測存在較多困難，如大風、圍欄材料和野生動物活動等因素會導致圍欄振動。人工智能軟件能夠協(xié)同F(xiàn)OS系統(tǒng)工作，來監(jiān)測周界沿線每個點的振動干擾。這種方法避免了進入周界時產生的多重振動干擾，可以顯著減少誤報。

  FOS+人工智能與定期巡查、視頻監(jiān)控和無人機監(jiān)控融合，可以顯著降低周界的穿越幾率，并提升監(jiān)測區(qū)域內的安全水平。

  光纖傳感的應用已經(jīng)有幾十年的歷史，其主要問題是告警上報的準確性太低。光硬件和軟件算法的融合可以解決問題，并將FOS應用擴展到更多行業(yè)。

  集成FOS解決方案

  2021年，華為正式推出了油氣管道光纖預警解決方案。該解決方案包括部署于場站的DAS設備和感知算法服務器，兩個部署設備的站點之間最遠距離可達100km。部署于指揮調度中心的集中管理平臺支持與GIS、視頻監(jiān)控或無人機、巡線系統(tǒng)等其他平臺對接，共同形成一個完整方案，融入生產流程，端到端閉環(huán)管道的安全風險。該解決方案集成了光纖和傳感算法，以創(chuàng)建一個動態(tài)、自適應的環(huán)境。其次，該解決方案采用增強型oDSP算法消除監(jiān)測盲點，提升信噪比，為數(shù)據(jù)分析提供充分可信的信息輸入，支撐預警零漏報。再者，方案采用了32維振動波形分析算法，用于過濾背景干擾和增強弱信號。最后，傳感算法支持自學習和自優(yōu)化。在線學習本地樣本，快速調整算法模型，適應新的環(huán)境和場景。這三項關鍵技術與光纖傳感結合應用，在監(jiān)控的基礎設施范圍內提供自適應智能。

  結論

  FOS能力也可應用于監(jiān)測橋梁、隧道、路線和鐵路的應力，振動變大或應力變大可能預示著故障。同樣，管道可用于輸送石油、天然氣、水和其他流動性的物料，這意味著FOS也可用于檢測氣體泄漏和溫度變化。

  使用光纖傳感技術監(jiān)測和診斷管道的狀態(tài)和性能，可以為這些基礎設施的操作、維護、整修或更換以及延長壽命提供堅實的工程和經(jīng)濟基礎。避免、推遲整修或更換可能會省下一大筆錢。

  此外，光纖的高分辨率、抗電磁干擾、實時監(jiān)控能力和低成本，有望提高管道安全性和運行，并造福于整個行業(yè)和社會。

  與傳統(tǒng)通信手段相比，光纖通信具有許多特點和優(yōu)勢，在過去20年中光纖通信的性能不斷得到證明。通過實時監(jiān)控光纜完整性以及光纜周圍或附著物的結構或材料，這些系統(tǒng)產生的價值將不斷強化。

  文章作者：Hugh Ujhaz IDC物聯(lián)網(wǎng)和通訊業(yè)務副總裁