IDC：光纖傳感解決方案的應(yīng)用

  光纜上的每一個(gè)點(diǎn)都是傳感器。長(zhǎng)期以來，人們一直使用非相干光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)來遠(yuǎn)程監(jiān)控光纜設(shè)施的質(zhì)量和完整性、定位海底光纜故障點(diǎn)。而通過在基礎(chǔ)設(shè)施周邊或頂部嵌入光纖，并結(jié)合相應(yīng)的算法，如人工智能增強(qiáng)算法，可以大幅提高光纖傳感檢測(cè)的準(zhǔn)確性(95%+)，同時(shí)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(jié)合人工智能及自學(xué)習(xí)算法從而保障結(jié)果的準(zhǔn)確性代表著這項(xiàng)技術(shù)具備廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

  據(jù)IDC預(yù)測(cè)，在2021-2025年期間，亞太地區(qū)(不包括日本)，公共服務(wù)、石油和天然氣、水資源、交通基礎(chǔ)設(shè)施和街道照明的互聯(lián)設(shè)備數(shù)量將保持每年9.15%的復(fù)合增長(zhǎng)率。這反映了在5年內(nèi)連接設(shè)備將從17億臺(tái)上升到25億臺(tái)。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(hù)和維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施變得尤其重要。由于交通、能源和通信領(lǐng)域需要建立有彈性和高可靠的基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)連接的需求爆炸式增長(zhǎng)。光纖已成為滿足這種不斷增長(zhǎng)的通信需求的首選基礎(chǔ)設(shè)施。2021-2025年，移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)的流量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)年復(fù)合增長(zhǎng)率為13.9%，意味著到2025年，總流量將達(dá)到801.6PB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2021年的476PB，大部分流量通過光纖網(wǎng)絡(luò)來傳輸。

  預(yù)計(jì)2021-2025年，光纖傳感器(FOS)市場(chǎng)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?；A(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)和檢測(cè)的巨大需求將大大促進(jìn)分布式光纖傳感的應(yīng)用。光纖能夠適應(yīng)各種挑戰(zhàn)環(huán)境，是推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的另一個(gè)因素。

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

  然而，僅靠光纖本身不足以提供易擴(kuò)展，可廣泛使用、并且高準(zhǔn)確率的解決方案。光纖傳感的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于光器件硬件與光感知算法的緊密結(jié)合。

  為什么基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)很重要

  傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)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(shè)地下設(shè)施來限制進(jìn)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(quán)宜之計(jì)。在基礎(chǔ)設(shè)施上嵌入監(jiān)控傳感器可能有用，但需要部署多個(gè)傳感器，才能全面監(jiān)測(cè)振動(dòng)、聲波、應(yīng)力和溫度。此外，必須為沿基礎(chǔ)設(shè)施安裝的傳感器提供通信覆蓋。隨著基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)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(gè)月一直在努力應(yīng)對(duì)COVID-19疫情的影響，他們正逐步借助數(shù)字化工具來幫助運(yùn)營(yíng)。對(duì)采礦業(yè)來說，其產(chǎn)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(jià)值的領(lǐng)域。為了創(chuàng)造這方面的價(jià)值，礦業(yè)組織打算投資自動(dòng)采礦設(shè)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(shè)計(jì)優(yōu)化的先進(jìn)預(yù)測(cè)工具。

  對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施的依賴

  監(jiān)測(cè)光纜完整性、預(yù)測(cè)光纜故障及損壞對(duì)于光纖通信系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。當(dāng)前大多數(shù)光纜監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠提供光纜被干擾的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息。這有利于進(jìn)一步監(jiān)測(cè)光纜周圍或光纜附著物的結(jié)構(gòu)或材料，如圍欄、物料運(yùn)輸管道(如石油、天然氣或水)和基礎(chǔ)設(shè)施(如道路、橋梁和樓宇)。這種技術(shù)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)光纖通信和傳感應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(cè)、油氣泄漏檢測(cè)、地表監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和入侵檢測(cè)。

  光纖不僅僅是信號(hào)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(zhì)穩(wěn)定傳輸。通過專業(yè)的光纖傳感儀器可以來監(jiān)測(cè)任何可能改變探測(cè)光特性(振幅、相位、波長(zhǎng)、偏振、模態(tài)分布和傳輸時(shí)間)的干擾，而這些特性改變與干擾大小相關(guān)。這種光的模型變化可以用來測(cè)量外部事件和條件變化，包括：應(yīng)力/殘留應(yīng)力、位移、損害、裂開、振動(dòng)/頻率、形變、影響、聲學(xué)信號(hào)、液面、壓力、溫度、載重。

  光纖傳感(FOS)的能力和應(yīng)用

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

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

  鑒于可預(yù)見的未來幾年AP領(lǐng)域互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量增長(zhǎng)，F(xiàn)OS的應(yīng)用可以擴(kuò)展到許多關(guān)鍵領(lǐng)域。比如管道監(jiān)測(cè)：

  1. 振動(dòng)感知

  2. 基礎(chǔ)設(shè)施安全

  3. 絕對(duì)位移/應(yīng)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(cè)的聲學(xué)信號(hào)感知

  6. 流體感知

  當(dāng)前越來越多的管道鋪設(shè)于環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)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(zhì)地的變化會(huì)增加管道的危險(xiǎn)性。第三方蓄意干擾或意外入侵是導(dǎo)致管道泄漏甚至爆炸的主要原因。對(duì)于長(zhǎng)距監(jiān)測(cè)和管道的線性特點(diǎn)，分布式光纖傳感技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)和能力，比如高精度檢測(cè)和定位干擾事件。此外，管道所有者/運(yùn)營(yíng)商將光纜沿著傳輸管道鋪設(shè)，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(cè)能力。

  如前所述，管道可以輸送石油、天然氣、水和其他物料，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。FOS的另一個(gè)重要應(yīng)用是周界防護(hù)。邊界需要管理和控制。部分園區(qū)需要管理關(guān)鍵區(qū)域，如機(jī)場(chǎng)、發(fā)電站和通信基礎(chǔ)設(shè)施，必須管理授權(quán)人員的通行許可。

  周界防護(hù)的技術(shù)監(jiān)測(cè)存在較多困難，如大風(fēng)、圍欄材料和野生動(dòng)物活動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致圍欄振動(dòng)。人工智能軟件能夠協(xié)同F(xiàn)OS系統(tǒng)工作，來監(jiān)測(cè)周界沿線每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)干擾。這種方法避免了進(jìn)入周界時(shí)產(chǎn)生的多重振動(dòng)干擾，可以顯著減少誤報(bào)。

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

  光纖傳感的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史，其主要問題是告警上報(bào)的準(zhǔn)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(yīng)用擴(kuò)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(yù)警解決方案。該解決方案包括部署于場(chǎng)站的DAS設(shè)備和感知算法服務(wù)器，兩個(gè)部署設(shè)備的站點(diǎn)之間最遠(yuǎn)距離可達(dá)100km。部署于指揮調(diào)度中心的集中管理平臺(tái)支持與GIS、視頻監(jiān)控或無人機(jī)、巡線系統(tǒng)等其他平臺(tái)對(duì)接，共同形成一個(gè)完整方案，融入生產(chǎn)流程，端到端閉環(huán)管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。該解決方案集成了光纖和傳感算法，以創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的環(huán)境。其次，該解決方案采用增強(qiáng)型oDSP算法消除監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，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(yù)警零漏報(bào)。再者，方案采用了32維振動(dòng)波形分析算法，用于過濾背景干擾和增強(qiáng)弱信號(hào)。最后，傳感算法支持自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化。在線學(xué)習(xí)本地樣本，快速調(diào)整算法模型，適應(yīng)新的環(huán)境和場(chǎng)景。這三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與光纖傳感結(jié)合應(yīng)用，在監(jiān)控的基礎(chǔ)設(shè)施范圍內(nèi)提供自適應(yīng)智能。

  結(jié)論

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

  使用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)和診斷管道的狀態(tài)和性能，可以為這些基礎(chǔ)設(shè)施的操作、維護(hù)、整修或更換以及延長(zhǎng)壽命提供堅(jiān)實(shí)的工程和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。避免、推遲整修或更換可能會(huì)省下一大筆錢。

  此外，光纖的高分辨率、抗電磁干擾、實(shí)時(shí)監(jiān)控能力和低成本，有望提高管道安全性和運(yùn)行，并造福于整個(gè)行業(yè)和社會(huì)。

  與傳統(tǒng)通信手段相比，光纖通信具有許多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在過去20年中光纖通信的性能不斷得到證明。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控光纜完整性以及光纜周圍或附著物的結(jié)構(gòu)或材料，這些系統(tǒng)產(chǎn)生的價(jià)值將不斷強(qiáng)化。

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