Hiểu biết

Đối với hầu hết mọi người, cáp quang là một đường ống di chuyển lưu lượng truy cập internet. Đối với ngày càng nhiều nhà nghiên cứu và nhà quy hoạch thành phố, nó cũng là một cảm biến. Kéo căng một sợi cáp chôn dưới đất thêm vài phần tỷ mét và ánh sáng truyền bên trong nó sẽ thay đổi theo cách mà một dụng cụ có thể đo được. Thực tế vật lý đó là cơ sở của một ý tưởng hiện đang được thảo luận dưới các nhãn hiệu nhưtất cả-thành phố cảm biến quang học: sử dụng cáp quang truyền thông đã được lắp đặt dưới các đường phố, dọc các cây cầu và xuyên qua các đường hầm làm lớp giám sát trên toàn thành phố{0}}để phát hiện các trận động đất, hư hỏng đường ống, các vấn đề về kết cấu và sự cố giao thông.

Thượng Hải là thành phố thường được nhắc đến nhiều nhất trong cuộc thảo luận này và định hướng chính sách của thành phố này đã được ghi nhận. của chính quyền thành phốkế hoạch hành động xây dựng cơ sở hạ tầng mới (2023–2026)kêu gọi một mạng vòng điện toán quang học-tốc độ cao-toàn bộ{2}}cấp thành phố cùng với các cơ sở cảm biến đô thị thông minh-quy mô lớn. của thành phốKế hoạch hành động mạng quang 10 gigabit "Guangyao Shen Cheng", do Cục Quản lý Truyền thông Thượng Hải và Ủy ban Kinh tế và Thông tin Thành phố ban hành, tiến thêm một bước nữa và liệt kê nghiên cứu về sợi quang truyền thông-và-cảm biến tích hợp, bắt đầu bằng việc phát hiện-thời gian thực và định vị chính xác các lỗi trên chính mạng quang.

Những mô tả đầy tham vọng về một "thành phố cảm biến quang học" hoàn chỉnh, một mạng lưới khoảng một nghìn km cáp viễn thông được tái sử dụng được cho là có khả năng phát hiện mọi thứ từ các trận động đất nhỏ đến rò rỉ khí lỗ kim, nắm bắt xu hướng này đang hướng tới đâu. Công nghệ cơ bản là có thật và được ghi chép đầy đủ. Tuy nhiên, hầu hết các số liệu về hiệu suất ở quy mô thành phố-được đính kèm với các mô tả đó đều chưa được xác nhận trong các nguồn công khai chính thức. Bài viết này phân biệt hai vấn đề: cảm biến sợi quang hoạt động như thế nào, mạng lưới-quy mô thành phố có thể phát hiện những gì trên thực tế, tại sao sợi liên lạc hiện tại lại quan trọng và những tuyên bố nào vẫn cần được xác minh.

Thành phố cảm biến quang học-là gì?

Một-thành phố cảm biến quang học là một khu đô thị nơi mạng cáp quang, phần lớn là cáp quang thông thường đã có sẵn trong lòng đất, phục vụ hai mục đích cùng một lúc: truyền dữ liệu và hoạt động như một mảng cảm biến phân tán ghi lại độ rung, nhiệt độ và độ căng dọc theo tuyến đường của nó. Khái niệm tương tự xuất hiện trong ngành dưới dạng cảm biến tích hợp và truyền thông qua cáp quang hoặc đơn giản là cảm biến cáp quang phân tán ở quy mô thành phố-.

Hai lưu ý đáng được nêu lên phía trước. Đầu tiên, cụm từ này là nhãn hiệu của ngành và phương tiện truyền thông chứ không phải là thuật ngữ kỹ thuật được tiêu chuẩn hóa, vì vậy một dự án có thể có nghĩa là một quận thí điểm trong khi một dự án khác có nghĩa là phủ sóng toàn thành phố. Thứ hai, bất kỳ tuyên bố nào cho rằng thành phố là "đầu tiên" đều phụ thuộc hoàn toàn vào người định nghĩa thuật ngữ và cách thức định nghĩa: thí điểm đầu tiên, dịch vụ thương mại đầu tiên hoặc triển khai toàn thành phố đầu tiên là những cột mốc rất khác nhau. Báo cáo hữu ích nên nêu rõ phạm vi, quận nào, bao nhiêu km tuyến đường, ứng dụng nào và ai vận hành hệ thống.

Cảm biến sợi quang hoạt động như thế nào

Kỹ thuật ngựa lao động làcảm biến âm thanh phân tán (DAS). Một thiết bị gọi là máy dò tín hiệu kết nối với một đầu của sợi quang và liên tục bắn các xung laser ngắn xuống kính. Những khiếm khuyết tự nhiên rất nhỏ trong sợi quang sẽ phân tán một phần nhỏ của mỗi xung trở lại nguồn, một hiệu ứng được gọi là tán xạ ngược Rayleigh. Khi mặt đất xung quanh cáp rung, sợi quang sẽ giãn ra và nén lại theo nanomet, điều này làm thay đổi mô hình tán xạ ngược đó. Bằng cách so sánh các xung trả về, hệ thống biến mỗi vài mét cáp thành một cảm biến rung ảo trên khoảng cách hàng chục km, nhưđược giải thích bởi Hiệp hội EarthScope, cơ quan vận hành cơ sở địa chấn của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.

Điều quan trọng là DAS hoạt động trên cáp viễn thông-chế độ đơn tiêu chuẩn. Không cần thiết bị điện tử dọc tuyến đường; thông tin tình báo nằm trong bộ thẩm vấn và phần mềm đằng sau nó. Để có cái nhìn sâu hơn về khía cạnh sợi quang của phương trình này, hãy xem tổng quan của chúng tôi vềvai trò của sợi quang đơn mode trong các ứng dụng cảm biến quang học.

Một tuyến cáp, một số công nghệ cảm biến

"Cảm biến sợi quang" là một thuật ngữ chung. Một hành lang cáp có thể lưu trữ một số hệ thống riêng biệt, mỗi hệ thống có phần cứng và vật lý riêng:

• DAS, cho độ rung và âm thanh.Phát hiện giao thông, đào bới, bước chân và sóng địa chấn dọc theo sợi quang. Đây là kỹ thuật đằng sau hầu hết các trường hợp sử dụng-giám sát động đất và bảo vệ đường ống-.
• DTS, cho nhiệt độ phân bố.Sử dụng tán xạ Raman để đọc biểu đồ nhiệt độ dọc theo tuyến đường, rất hữu ích cho việc phát hiện cháy đường hầm và phát hiện các điểm bất thường về nhiệt xung quanh đường ống. Bài viết của chúng tôi vềgiám sát nhiệt độ dựa trên sợi quang-trình bày sâu hơn về cách tiếp cận này.
• DSS, cho chủng phân tán.Phép đo biến dạng chậm dựa trên-Brillouin, phù hợp để theo dõi độ lún và biến dạng cấu trúc qua nhiều tháng và nhiều năm.
• Cảm biến điểm FBG Lưới sợi Bragglà các phần tử cảm biến chính xác được ghi vào sợi quang tại các điểm cụ thể, được sử dụng rộng rãi trên các cây cầu và các công trình khác, nơi cần có số đọc chính xác, hiệu chỉnh.
• Quang phổ khí laser, chẳng hạn như TDLAS.Đo nồng độ khí bằng phương pháp quang học, nhưng yêu cầu mô-đun cảm biến tiếp xúc với khí. Sợi thông tin được chôn dưới đất không "ngửi thấy" khí mê-tan; tốt nhất là nó thu được các dấu hiệu rò rỉ gián tiếp như tiếng ồn âm thanh của khí thoát ra hoặc sự thay đổi nhiệt độ cục bộ.

Đây là lý do tại sao dòng tiêu đề như "một sợi phát hiện động đất và rò rỉ khí đốt" lại là cách viết tắt tốt nhất. Cùng một hành lang cáp có thể hỗ trợ cả hai ứng dụng nhưng chúng dựa vào các thiết bị khác nhau và phép đo-nồng độ khí trực tiếp phụ thuộc vào cảm biến quang chuyên dụng thay vì chính sợi quang viễn thông.

Mạng cảm biến sợi quang rộng-của một thành phố có thể phát hiện được điều gì?

Bảng dưới đây tóm tắt các ứng dụng chính một cách thận trọng. Hiệu suất thực tế luôn phụ thuộc vào cách lắp đặt cáp, mức độ kết nối với mặt đất và cách điều chỉnh phần mềm xử lý tín hiệu-cho môi trường nhiễu cục bộ.

Tại sao sợi quang truyền thông hiện tại lại quan trọng

Bảo hiểm là lý do đầu tiên. Mạng lưới viễn thông đã phủ sóng gần như mọi con phố, đường sông và đường chuyển tuyến trong một thành phố hiện đại:cáp quang ngầmchạy bên dưới đường và vỉa hè, trong khiCáp quang ADSS tại thành phố thông minhđi theo các hành lang điện và vận tải trên cao. Lưới cảm biến được xây dựng không có mục đích-có thể nhanh chóng phù hợp với dấu chân đó.

Kinh tế là thứ hai. Việc tái sử dụng các sợi dự phòng,-được gọi là sợi tối, trong các loại cáp hiện có sẽ tránh được hầu hết công việc đào rãnh và lắp đặt vốn chiếm chi phí lớn cho các mạng cảm biến mới. Các nhà cung cấp thường quảng cáo mức tiết kiệm đáng kể so với việc triển khai hàng nghìn cảm biến điểm và logic là hợp lý. Tuy nhiên, con số thực phụ thuộc vào việc liệu sợi tối phù hợp có tồn tại trên các tuyến phù hợp hay không, các tuyến đường đó được ghi lại tốt như thế nào và chi phí của các thiết bị thẩm vấn và cơ sở hạ tầng máy tính là bao nhiêu. Tỷ lệ phần trăm cụ thể phải đến từ ngân sách dự án chứ không phải từ tiêu đề.

Nguyên nhân thứ ba là bản thân nhà máy cáp còn bị động. Kính không cần nguồn điện, pin hoặc thiết bị điện tử bên đường và nó chịu được các điều kiện làm giảm tuổi thọ của cảm biến thông thường. Các thiết bị đang hoạt động tập trung ở một số ít phòng thiết bị, nơi nó có thể được bảo trì tập trung.

Một lưu ý cũng được áp dụng ở đây: không phải sợi cáp nào cũng tạo ra cảm biến tốt. Các ống dẫn được ghép nối lỏng lẻo, nhịp trên không dài và các điểm nối được ghi chép kém đều làm giảm hiệu suất cảm biến, do đó, đánh giá tuyến đường thường là bước đầu tiên của bất kỳ hoạt động triển khai nào.

Các kịch bản ứng dụng, với những cảnh báo cần thiết

Giám sát động đất và cảnh báo sớm

Các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã ghi lại các trận động đất trên cáp quang thông thường vàẤn phẩm khảo sát địa chất Hoa Kỳđã vạch ra cách dữ liệu DAS có thể cung cấp cho các hệ thống cảnh báo sớm-hiện có, lưu ý rằng các mảng phải được ghép nối tốt và độ ồn thấp, đồng thời việc quan sát biên độ biến dạng-chính xác vẫn là một yêu cầu quan trọng. Những giây cảnh báo mà các hệ thống như vậy cung cấp đến từ vật lý, phát hiện các sóng địa chấn đầu tiên trước khi có rung chuyển mạnh hơn, chứ không phải từ việc dự đoán động đất. Bất kỳ tuyên bố cụ thể nào, chẳng hạn như phát hiện các sự kiện có cường độ 0,5 hoặc đưa ra cảnh báo cố định từ 10 đến 30 giây, đều phải được xác thực đối với các tuyến cáp quang cụ thể và môi trường tiếng ồn của thành phố được đề cập.

An toàn đường ống dẫn khí

Giá trị-được ghi nhận tốt nhất của cảm biến sợi quang xung quanh đường ống là phát hiện sự can thiệp của bên thứ ba-: máy xúc làm việc phía trên đường ống bị chôn vùi tạo ra dấu hiệu rung động đặc biệt từ rất lâu trước khi chạm vào đường ống. Các chỉ báo rò rỉ gián tiếp, tiếng ồn thoát ra và sự bất thường về nhiệt độ, thêm lớp thứ hai. Các tuyên bố về việc phát hiện nồng độ rò rỉ cụ thể, xác định vị trí rò rỉ trong phạm vi đồng hồ đo hoặc ngăn ngừa các tai nạn cụ thể cần có xác nhận từ nhà điều hành đường ống hoặc chính quyền thành phố trước khi chúng được lặp lại và phép đo nồng độ trực tiếp yêu cầu cảm biến khí quang chuyên dụng thay vì cáp truyền thông.

Cầu, đường hầm và sức khỏe kết cấu

Xu hướng biến dạng và rung động liên tục bổ sung thay vì thay thế việc kiểm tra kết cấu định kỳ. Việc giám sát dựa trên sợi quang-rất hấp dẫn đối với các đường hầm dài và lượng cầu lớn vì một cáp có thể bao phủ những gì lẽ ra cần đến hàng trăm đồng hồ đo riêng biệt. Tuyên bố chung rằng hệ thống giám sát mọi cây cầu trong thành phố phải được coi là mục tiêu cho đến khi cơ quan giao thông vận tải xác nhận phạm vi.

Đường, vành đai và an toàn công cộng

DAS có thể phân loại luồng giao thông, ghi lại tác động và gắn cờ hoạt động bất thường dọc theo tuyến đường. Một trong những ứng dụng thương mại thuần thục nhất của nguyên tắc tương tự làan ninh vành đai cáp quangxung quanh sân bay, kho chứa và các cơ sở quan trọng khác, xin nhắc nhở rằng cảm biến ở quy mô thành phố{0}}là một phần mở rộng của các hệ thống đã hoạt động ngày nay chứ không phải là một bước nhảy vọt vào những điều chưa biết.

Lợi ích so với cảm biến thành phố thông minh truyền thống

• Bao phủ không gian liên tục.Sợi quang sẽ cảm nhận dọc theo toàn bộ tuyến đường của nó, trong khi các cảm biến điểm để lại khoảng trống giữa các hệ thống lắp đặt và tạo ra các điểm mù.
• Tái sử dụng tài sản hiện có.Cảm biến di chuyển trên các dây cáp đã được trả phí kết nối, điều này có thể rút ngắn thời gian triển khai từ nhiều năm xuống còn vài tháng khi có cáp quang tối.
• Một nhà máy thụ động bên ngoài.Cáp không cần nguồn điện từ trường hoặc các chuyến thăm bảo trì; các thiết bị điện tử ở trong văn phòng trung tâm.
• Một xương sống, nhiều ứng dụng.Hành lang tương tự có thể phục vụ giám sát địa chấn, đường ống, kết cấu và giao thông, mỗi hành lang thông qua lớp công cụ riêng.

Không điều nào trong số này làm cho các cảm biến thông thường trở nên lỗi thời. Máy ảnh, máy dò khí đã hiệu chuẩn và máy đo địa chấn vẫn là những thiết bị tham khảo; cảm biến sợi quang bổ sung thêm một lớp chi phí-liên tục, tương đối thấp giữa chúng.

Hạn chế và thách thức mở

Ngoài cái chunghạn chế của cáp quangBản thân việc cảm biến ở quy mô thành phố{0}}phải đối mặt với những thách thức mà bất kỳ đánh giá nghiêm túc nào cũng phải cân nhắc:

• Tiếng ồn đô thị và báo động sai.Một thành phố ồn ào về mặt âm thanh. Việc tách biệt rò rỉ khí chậm khỏi xe điện chạy qua cần có các mô hình phân loại đã được huấn luyện và-tỷ lệ cảnh báo sai phải được điều chỉnh theo từng tuyến đường.
• Khớp nối và phụ thuộc tuyến đường.Độ sâu chôn lấp, loại ống dẫn và điều kiện đất đều thay đổi độ nhạy, do đó hiệu suất thể hiện trên một đường phố không tự động chuyển sang đường khác.
• Phạm vi động và hiệu chuẩn.Rung lắc rất mạnh có thể làm bão hòa các phép đo DAS và việc chuyển đổi biến dạng sợi thành các đơn vị kỹ thuật vẫn cần phải hiệu chuẩn cẩn thận.
• Khối lượng dữ liệu và chi phí tính toán.Một máy dò tín hiệu có thể tạo ra hàng terabyte dữ liệu mỗi ngày; lưu trữ, xử lý và lưu trữ là chi phí hoạt động thực tế.
• Không đo khí trực tiếp.Chỉ số nồng độ cần có cảm biến khí quang học chuyên dụng; cáp viễn thông chỉ đóng góp bằng chứng gián tiếp.
• Quản trị và quyền riêng tư.Một mạng lưới có thể đăng ký bước chân và chuyển động của phương tiện đặt ra các câu hỏi về chính sách mà các thành phố sẽ cần phải trả lời công khai.

Điều này có ý nghĩa gì đối với các thành phố thông minh trong tương lai

Đối với các nhà điều hành thành phố, bài học thực tế là coi mạng cáp quang như một tài sản cảm biến: ghi lại các tuyến đường, bảo toàn sợi tối trong quá trình nâng cấp và yêu cầu hiệu suất cảm biến phải được thể hiện trên các hành lang thực trước khi mở rộng quy mô. Các kế hoạch đã công bố của Thượng Hải, một-xương sống quang học, các cơ sở cảm biến đô thị-quy mô lớn và nghiên cứu về truyền thông tích hợp-và-sợi cảm biến, cho thấy cách một thành phố có thể phát triển theo hướng này trong các giai đoạn có thể kiểm chứng thay vì chỉ trong một tiêu đề duy nhất.

Đối với chủ sở hữu mạng và nhà cung cấp cáp, xu hướng này nâng cao tiêu chuẩn về chất lượng lắp đặt và hồ sơ tuyến đường, vì ống dẫn được ghi chép kém sẽ tạo ra cảm biến kém. Nó cũng chỉ ra một tương lai trong đó giá trị của cáp không chỉ được đo bằng gigabit mà nó mang theo mà còn ở cơ sở hạ tầng mà nó có thể giám sát.