光纤传感解决方案的应用

Hugh Ujhazy

物联网和通讯业务副总裁，IDC

光缆上的每一个点都是传感器。长期以来，人们一直使用非相干光时域反射（OTDR）技术来远程监控光缆设施的质量和完整性、定位海底光缆故障点。而通过在基础设施周边或顶部嵌入光纤，并结合相应的算法，如人工智能增强算法，可以大幅提高光纤传感检测的准确性（95%+），同时提高其定位精度。虽然从光缆收集传感数据并不是什么新鲜事，但结合人工智能及自学习算法从而保障结果的准确性代表着这项技术具备广泛的应用场景。

据IDC预测，在2021-2025年期间，亚太地区（不包括日本），公共服务、石油和天然气、水资源、交通基础设施和街道照明的互联设备数量将保持每年9.15%的复合增长率。这反映了在5年内连接设备将从17亿台上升到25亿台。到2025年，这一总数将占该地区连接终端总数的20%以上。近年来，由于COVID-19疫情，全球人民被迫改变工作和生活方式。于是，保护和维护基础设施变得尤其重要。由于交通、能源和通信领域需要建立有弹性和高可靠的基础设施，导致企业和家庭网络连接的需求爆炸式增长。光纤已成为满足这种不断增长的通信需求的首选基础设施。2021-2025年，移动和固定网络的流量数据预测年复合增长率为13.9%，意味着到2025年，总流量将达到801.6PB，远远高于2021年的476PB，大部分流量通过光纤网络来传输。

预计2021-2025年，光纤传感器（FOS）市场将呈指数级增长。基础设施、公共服务和检测的巨大需求将大大促进分布式光纤传感的应用。光纤能够适应各种挑战环境，是推动市场增长的另一个因素。

分布式光纤传感（DFOS）迅速被接纳，促使制造商和供应商大力投资研发，为客户提供更好的产品。服务提供商尝试控制效率和优化生产工艺，以获得最大的市场份额，并打败光纤技术的其他竞品。

然而，仅靠光纤本身不足以提供易扩展，可广泛使用、并且高准确率的解决方案。光纤传感的核心竞争力在于光器件硬件与光感知算法的紧密结合。

为什么基础设施的监测很重要

传统的监测技术包括物理巡检（通过视频监控或人员上站巡检），以及通过围栏、隔离和建设地下设施来限制进出。例如，在铁路监控中，传统的方法是沿轨道安装传感器。这种解决方案成本高和覆盖距离有限，只能是权宜之计。在基础设施上嵌入监控传感器可能有用，但需要部署多个传感器，才能全面监测振动、声波、应力和温度。此外，必须为沿基础设施安装的传感器提供通信覆盖。随着基础设施网络更广泛的部署，需要提供低成本、覆盖全网的综合性解决方案才能满足需求。

采矿和油气行业在过去18个月一直在努力应对COVID-19疫情的影响，他们正逐步借助数字化工具来帮助运营。对采矿业来说，其产业链中的矿石开采（即采矿）是数字化可能创造最大价值的领域。为了创造这方面的价值，矿业组织打算投资自动采矿设备和采矿优化系统，如短间隔控制系统，以及用于矿山设计优化的先进预测工具。

对通信基础设施的依赖

监测光缆完整性、预测光缆故障及损坏对于光纤通信系统的可靠性至关重要。当前大多数光缆监测技术能够提供光缆被干扰的实时、准静态和动态信息。这有利于进一步监测光缆周围或光缆附着物的结构或材料，如围栏、物料运输管道（如石油、天然气或水）和基础设施（如道路、桥梁和楼宇）。这种技术能够同时实现光纤通信和传感应用，如结构完整性监测、油气泄漏检测、地表监测、设备状态监测和入侵检测。

光纤不仅仅是信号载体，除非受到外部环境影响，光在光纤中可以一直沿着介质稳定传输。通过专业的光纤传感仪器可以来监测任何可能改变探测光特性（振幅、相位、波长、偏振、模态分布和传输时间）的干扰，而这些特性改变与干扰大小相关。这种光的模型变化可以用来测量外部事件和条件变化，包括：应力/残留应力、位移、损害、裂开、振动/频率、形变、影响、声学信号、液面、压力、温度、载重。

光纤传感（FOS）的能力和应用

光纤传感器（FOS）可以内置也可以外置，这取决于光纤是传感元件还是信息载体。当传感用于离散区域时，光纤传感器就相当于点式传感器。如果传感器能够沿着整根光纤连续监测变量，那么它就相当于分布式传感器。

不同于传统传感器（如电应变计和压电传感器），光纤传感器并不限于单一的应用。因此，光纤正逐步取代传感应用中的传统电气设备，目前已经有多种传感技术和应用。

鉴于可预见的未来几年AP领域互联基础设施的数量增长，FOS的应用可以扩展到许多关键领域。比如管道监测：

1. 振动感知

2. 基础设施安全

3. 绝对位移/应力感知

4. 油气管道的分布式温度感知

5. 用于管道泄漏检测的声学信号感知

6. 流体感知

当前越来越多的管道铺设于环境恶劣的偏远地区，管线需要穿过崎岖不平的山区，且冬季和夏季土壤质地的变化会增加管道的危险性。第三方蓄意干扰或意外入侵是导致管道泄漏甚至爆炸的主要原因。对于长距监测和管道的线性特点，分布式光纤传感技术具有显著的优势和能力，比如高精度检测和定位干扰事件。此外，管道所有者/运营商将光缆沿着传输管道铺设，不仅用于通信，还能够在通信系统中增加低成本的监测能力。

如前所述，管道可以输送石油、天然气、水和其他物料，对现代社会的平稳运转至关重要。FOS的另一个重要应用是周界防护。边界需要管理和控制。部分园区需要管理关键区域，如机场、发电站和通信基础设施，必须管理授权人员的通行许可。

周界防护的技术监测存在较多困难，如大风、围栏材料和野生动物活动等因素会导致围栏振动。人工智能软件能够协同FOS系统工作，来监测周界沿线每个点的振动干扰。这种方法避免了进入周界时产生的多重振动干扰，可以显著减少误报。

FOS+人工智能与定期巡查、视频监控和无人机监控融合，可以显著降低周界的穿越几率，并提升监测区域内的安全水平。

光纤传感的应用已经有几十年的历史，其主要问题是告警上报的准确性太低。光硬件和软件算法的融合可以解决问题，并将FOS应用扩展到更多行业。

集成FOS解决方案

2021年，华为正式推出了油气管道光纤预警解决方案。该解决方案包括部署于场站的DAS设备和感知算法服务器，两个部署设备的站点之间最远距离可达100km。部署于指挥调度中心的集中管理平台支持与GIS、视频监控或无人机、巡线系统等其他平台对接，共同形成一个完整方案，融入生产流程，端到端闭环管道的安全风险。该解决方案集成了光纤和传感算法，以创建一个动态、自适应的环境。其次，该解决方案采用增强型oDSP算法消除监测盲点，提升信噪比，为数据分析提供充分可信的信息输入，支撑预警零漏报。再者，方案采用了32维振动波形分析算法，用于过滤背景干扰和增强弱信号。最后，传感算法支持自学习和自优化。在线学习本地样本，快速调整算法模型，适应新的环境和场景。这三项关键技术与光纤传感结合应用，在监控的基础设施范围内提供自适应智能。

结论

FOS能力也可应用于监测桥梁、隧道、路线和铁路的应力，振动变大或应力变大可能预示着故障。同样，管道可用于输送石油、天然气、水和其他流动性的物料，这意味着FOS也可用于检测气体泄漏和温度变化。

使用光纤传感技术监测和诊断管道的状态和性能，可以为这些基础设施的操作、维护、整修或更换以及延长寿命提供坚实的工程和经济基础。避免、推迟整修或更换可能会省下一大笔钱。

此外，光纤的高分辨率、抗电磁干扰、实时监控能力和低成本，有望提高管道安全性和运行，并造福于整个行业和社会。

与传统通信手段相比，光纤通信具有许多特点和优势，在过去20年中光纤通信的性能不断得到证明。通过实时监控光缆完整性以及光缆周围或附着物的结构或材料，这些系统产生的价值将不断强化。

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