基于分布式光纤传感的全厂数字在线监测设计
??????? 一、分布式光纖傳感技術(shù)：
【1】光傳輸技術(shù)
????????光纖是一種由玻璃或其他材料制作的光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱光纖。光在光纖中傳輸，需要滿足兩個(gè)關(guān)鍵條件：全反射和相位匹配。
?光纖傳輸原理及特性
????????全反射是當(dāng)光從光密介質(zhì)（折射率相對(duì)較高）入射到光疏介質(zhì)（折射率相對(duì)較低）時(shí)，光不再發(fā)射折射，全部反射到原介質(zhì)中去。光在光纖中傳輸，要滿足全反射要求，光纖中的纖芯折射率要求大于包層折射率，以及控制好入射光方向，使反射角大于全反射臨界角。
????????光束由不同波長的光信號(hào)組成，其在光纖中傳輸時(shí)，各個(gè)波長光信號(hào)的光程差需要滿足一定相位差。相位匹配條件就是讓這系列平行光滿足同相位，也就是BC和EF光程差走過的相位差要是2π的倍數(shù)。如果光纖確定的情況下（直徑d和折射率n），不同的m值，會(huì)對(duì)應(yīng)不同的入射角θi，這就是我們所說的多模（式）。
????????光纖傳輸有兩個(gè)重要的特性：光損耗和光色散。
????????影響光損耗有吸收、彎曲、散射三個(gè)主要因素，其中散射與分布式光纖傳感密切相關(guān)。
????????影響光色散也有材料色散、模式色散、波導(dǎo)色散三個(gè)主要因素。
【2】光散射技術(shù)
????????通過向光纖注入調(diào)制脈沖光束，實(shí)現(xiàn)光傳輸通信，遇到光纖中的雜質(zhì)粒子發(fā)生散射，部分散射光沿光纖入射方向返回到入射點(diǎn)，稱為散射回波，通過檢測(cè)散射回波就能感知光纖各處振動(dòng)、相位等信息。
????????光散射后就光頻率是否發(fā)生改變分為彈性散射和非彈性散射，彈性散射的入射光和散射光的光頻率一致，即波長相同。非彈性散射的入射光和散射光的波長不同，由于光在散射時(shí)與內(nèi)部光粒子發(fā)生能量躍遷，會(huì)出現(xiàn)波長增大或減少的情況，波長增大，稱為斯托克斯現(xiàn)象，波長減少稱為反斯托克斯現(xiàn)象。
????????瑞利散射和米氏散射為典型的彈性散射，而拉曼散射和布里淵散射為非彈性散射。 瑞利散射是彈性散射的一種，通常需要滿足的條件是微粒尺度遠(yuǎn)小于入射光波長，一般要小于波長的1/10，且各個(gè)方向的散射強(qiáng)度不一致。拉曼譜線由分子振動(dòng)決定，與入射光頻率無關(guān)。這意味著可以利用這一效應(yīng)來檢測(cè)和鑒定物質(zhì)組成成分，包括鑒寶。
????? 【3】 分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展
????????目前國際國內(nèi)的光纖傳感技術(shù)已初步成型，正在步入市場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用的啟動(dòng)階段。與此同時(shí)，在光纖測(cè)溫、測(cè)應(yīng)變、測(cè)振方面的傳感應(yīng)用已經(jīng)比較成熟和完善，尤其是在感知層，基于光纖的測(cè)溫、測(cè)應(yīng)變、測(cè)振動(dòng)的傳感器已經(jīng)相對(duì)成熟。幾乎所有光纖傳感技術(shù)都是基于瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射的回波信息監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)，一般來說，瑞利偏測(cè)振、拉曼偏測(cè)溫、布里淵能兼顧測(cè)溫、測(cè)應(yīng)變。
????????當(dāng)前光纖傳感技術(shù)從原理上來劃分：瑞利散射和背向散射-對(duì)應(yīng)力有反應(yīng)-測(cè)振；拉曼散射-主要是溫度感知-測(cè)溫；布里淵-對(duì)應(yīng)力和溫度有反應(yīng)。光纖傳感器應(yīng)用的三大瓶頸：①誤報(bào)率;②動(dòng)態(tài)范圍;③適應(yīng)能力。
????????【1】誤報(bào)率，獲取正確完整擾動(dòng)信息的波形，使其高靈敏度匹配而強(qiáng)大算法支撐，業(yè)內(nèi)主要從探測(cè)光源、光路結(jié)構(gòu)、全頻譜分析、智能算法四大關(guān)鍵性因素解決漏誤報(bào)率的問題。目前市面上大部分廠家過分將關(guān)注重點(diǎn)聚焦于后端智能算法這一單一影響因素，而忽略探測(cè)光源“信息把關(guān)人”角色的作用，類比到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，探測(cè)光源只是簡(jiǎn)單收集并不準(zhǔn)確的信號(hào)，只能判斷擾動(dòng)信號(hào)的有無，卻無法獲取完整擾動(dòng)信息的波形，顯然后端智能算法再強(qiáng)大也無法對(duì)不精確的信息做出更為準(zhǔn)確的信號(hào)判斷，這也是目前業(yè)內(nèi)眾多光纖傳感產(chǎn)品漏誤報(bào)率高的重要原因。但光纖傳感產(chǎn)品有極高的靈敏度造就了該類周界產(chǎn)品的極大優(yōu)勢(shì)，然靈敏度亦是一把雙刃劍，產(chǎn)品如若沒有強(qiáng)大的技術(shù)支持，靈敏度則會(huì)轉(zhuǎn)變成誤報(bào)率。
????????【2】動(dòng)態(tài)范圍，主要關(guān)注與空間采樣間隔、時(shí)序采樣頻率、采集點(diǎn)定位精度的實(shí)現(xiàn)。
????????【3】適應(yīng)能力，要求產(chǎn)品能針對(duì)各行業(yè)場(chǎng)景、各環(huán)境場(chǎng)景提高信息采集對(duì)場(chǎng)景適應(yīng)性及算法模型對(duì)場(chǎng)景適應(yīng)性。
????????近幾年，得益于人工智能的快速發(fā)展，分布式光纖傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)密切結(jié)合，大幅降低了誤報(bào)、漏報(bào)率，已達(dá)到實(shí)用化要求，加速推廣應(yīng)用。
??????? 【4】分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用
????????光纖傳感技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
????????因此，光纖傳感技術(shù)特別適合長距離、大范圍監(jiān)測(cè)，包括電纜、光纜、管道（油氣水）、大壩、各種設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)測(cè)運(yùn)維、周界防入侵等場(chǎng)景；尤其是那種環(huán)境惡略，供電及通信困難、維護(hù)困難等場(chǎng)景中，可以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的聲音監(jiān)測(cè)、溫度檢測(cè)。
- 長距離邊界的預(yù)警系統(tǒng)
????????重要國境線、保稅區(qū)隔離帶、海關(guān)港口等長距離大范圍防止侵入或越境的場(chǎng)所警戒，崇山峻嶺、沙漠荒野、人工巡邏查檢不便場(chǎng)所敷設(shè)光纖預(yù)警。
- 重要設(shè)施的周界安全防衛(wèi)
????????·軍事要地、國防設(shè)施：如部隊(duì)、機(jī)場(chǎng)、軍港、導(dǎo)彈/火箭發(fā)射基地、雷達(dá)、通訊站點(diǎn)；
????????·國民經(jīng)濟(jì)重要設(shè)施：電力站、變電所、文博館、金融庫房；
????????·易燃易爆場(chǎng)所的防衛(wèi)：化工園區(qū)、油庫、氣站、油氣儲(chǔ)存罐區(qū)、炸藥庫等；
????????·重要安全防護(hù)場(chǎng)所：監(jiān)獄、學(xué)校、水庫、工業(yè)廠礦等。
- 城市管廊/石油天然氣管道/通訊/電力線纜的防護(hù)（防開挖、防偷盜、防破壞）
- 基建設(shè)施如大橋、公路、鐵路等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)、防破壞。
- 大型設(shè)備如艦船、大型發(fā)電機(jī)組、化工生產(chǎn)設(shè)備等在線健康監(jiān)測(cè)及預(yù)警。
【5】全廠（如化工、石化、能源等）在線監(jiān)測(cè)設(shè)想
????????在全廠全域部署分布式光纖傳感系統(tǒng)，相當(dāng)于給整個(gè)廠區(qū)植入了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)各種參數(shù)全面、實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)和預(yù)警。
??????? 該系統(tǒng)通過分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)線纜、設(shè)備、倉室等提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，修復(fù)和處理故障，消除事故隱患，避免故障演變?yōu)閲?yán)重故障，提高設(shè)施、裝置、設(shè)備的完整性和安全運(yùn)營，降低停機(jī)時(shí)間，并簡(jiǎn)化部署及節(jié)省整體運(yùn)維成本。
??????? 在某些大型廠區(qū)，將涉及數(shù)以百計(jì)的動(dòng)力線纜、大型設(shè)備、管道、倉室等場(chǎng)景需要監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)將采用一條測(cè)量光纖實(shí)現(xiàn)覆蓋多種監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可通過光纖盤繞、超窄帶激光、高頻采集卡等手段提高空間采樣精度及采樣間隔精度。光纖振動(dòng)主機(jī)具有多通道能力，可盡可能實(shí)現(xiàn)更少的主機(jī)覆蓋更多監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。
??????? 廠區(qū)內(nèi)同樣設(shè)備及類似監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其在不同使用場(chǎng)景下，其光纖振動(dòng)的反饋可能不一樣，針對(duì)具體特定場(chǎng)景設(shè)立針對(duì)的計(jì)算模型，即同一光纖或通道的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算識(shí)別，允許各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參配信息（溫濕度）、計(jì)算模型等不一致性及可配置。設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正常狀態(tài)和異常狀態(tài)在行業(yè)專家判定往往結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際綜合判定，即背景噪聲也會(huì)作為判定識(shí)別計(jì)算模型輸入信息的組成部分。
????????由于某些廠區(qū)的環(huán)境要求，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)滿足溫濕度、防爆、磁場(chǎng)等環(huán)境覆蓋要求，如設(shè)備設(shè)計(jì)滿足寬溫工作溫度。
二、全廠域在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??????? 【1】業(yè)務(wù)分析
????????通過分布式光纖傳感器產(chǎn)品，通過一臺(tái)主機(jī)和一根普通光纖，用拉曼、瑞利、布里淵等光散射原理，可對(duì)光纖周邊的溫度、振動(dòng)、聲音、應(yīng)變等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)，輔以部分點(diǎn)式數(shù)字監(jiān)測(cè)傳感器，具有傳統(tǒng)傳感技術(shù)無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的傳感器基于機(jī)械、電磁、化學(xué)反應(yīng)等原理，只能實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)”式測(cè)量，很難進(jìn)行長距離、大范圍的連續(xù)監(jiān)測(cè)。分布式光纖傳感器技術(shù)相當(dāng)于給監(jiān)測(cè)對(duì)象植入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使它具有感知功能，既能實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)”式測(cè)量，又能實(shí)現(xiàn)長距離連續(xù)性測(cè)量。由于分布式光纖傳感技術(shù)難度大，其理論研究到實(shí)用化已歷經(jīng)數(shù)十年。近幾年，得益于人工智能技術(shù)快速發(fā)展，分布式光纖傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)密切結(jié)合，大幅降低了誤報(bào)、漏報(bào)率，已開始達(dá)到實(shí)用化要求，加速推廣應(yīng)用。
??????? 當(dāng)前廠域在運(yùn)行維護(hù)中面臨以下幾個(gè)問題：
????????工程實(shí)現(xiàn)性問題：存在眾多供電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、動(dòng)力電纜、大型機(jī)械設(shè)備等，數(shù)量多、布局復(fù)雜。傳統(tǒng)單點(diǎn)傳感器監(jiān)管方式，同時(shí)涉及用電、通信等要求，安裝使用復(fù)雜，占用資源嚴(yán)重，不易工程實(shí)施。
??????? 故障定位問題：為了保證廠域安全，目前主要采用人工巡檢的方式，成本高，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，而且面對(duì)數(shù)量繁多、貫穿全廠電纜以及部署在倉室的機(jī)械設(shè)備，要想實(shí)現(xiàn)故障定位僅依靠人工操作幾乎是不可能的，必須對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
??????? 維護(hù)問題：部分廠域環(huán)境惡劣，設(shè)備容易損環(huán)且檢修不便，必須精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀況、設(shè)施狀況、環(huán)境狀態(tài)。
??????? 針對(duì)以上問題，提出全廠域數(shù)字在線運(yùn)維監(jiān)測(cè)解決方案，以分布式光纖測(cè)溫產(chǎn)品、分布式光纖測(cè)振產(chǎn)品為主，以視頻監(jiān)控、數(shù)字在線監(jiān)測(cè)為輔助手段，實(shí)現(xiàn)廠域設(shè)備設(shè)施運(yùn)維的無人值守、智能巡檢。采用光纖傳感器產(chǎn)品為主要監(jiān)測(cè)手段，相當(dāng)于給廠區(qū)植入了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)的設(shè)備設(shè)施的各種參數(shù)全面、實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)和預(yù)警，將大量節(jié)省傳感器、通信設(shè)備、供電配套設(shè)備，并易于安裝部署。
????????在具體安裝部署上，系統(tǒng)可以優(yōu)先利用原有備用光纜，不易穿管布線的卡口處可以通過熔纖、連接器等完成布線（最大測(cè)量范圍會(huì)稍有影響）；產(chǎn)品線性監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)并支持多通道監(jiān)測(cè)，通過多條纖芯和少量光纖傳感主機(jī)接入即可實(shí)現(xiàn)全廠域全覆蓋。
【2】技術(shù)架構(gòu)
????????基于分布式光纖傳感的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式光纖測(cè)溫、測(cè)振產(chǎn)品為主，系統(tǒng)共用一條多芯光纜，分布式光纖測(cè)溫、測(cè)振產(chǎn)品利用其中的內(nèi)部纖芯做線性在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可以獨(dú)立部署一條光纖，依附線纜表面、設(shè)備的待監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面等實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。感知光纖接入光纖主機(jī)，采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊最終匯聚在后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)。后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)主要圍繞數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、治理、傳輸、存儲(chǔ)、分析、展示等進(jìn)行數(shù)據(jù)場(chǎng)景應(yīng)用與數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘。
??????? 目前正開展集分布式光纖測(cè)溫、分布式光纖測(cè)振一體化裝置以及產(chǎn)品小型化、芯片化的研究，測(cè)溫、測(cè)振通用部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，測(cè)溫、測(cè)振特定部件及多通道支持板卡采用組件化、熱插拔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多參變量綜合監(jiān)測(cè)。
????????后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)是用于應(yīng)用管控、設(shè)備管理、設(shè)備運(yùn)維、數(shù)據(jù)采集/轉(zhuǎn)發(fā)/分析計(jì)算的服務(wù)平臺(tái)，通過平臺(tái)將測(cè)溫設(shè)備、測(cè)振設(shè)備、視頻設(shè)備、傳感器等進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)多傳感統(tǒng)一監(jiān)控采集和態(tài)勢(shì)感知，并為上層場(chǎng)景應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。平臺(tái)提供了一站式的設(shè)備接入、設(shè)備管理、監(jiān)控運(yùn)維、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等服務(wù)，數(shù)據(jù)按照實(shí)例隔離，具備高可用性、高并發(fā)、高性價(jià)比的特性。
????????分布式光纖傳感在線監(jiān)測(cè)將以標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的IO模塊連接區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，向上集成接入綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)。
【3】系統(tǒng)功能
??????? 系統(tǒng)通過光纖測(cè)溫、光纖測(cè)振及聲音等能力，實(shí)現(xiàn)廠域結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，動(dòng)力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)等大型設(shè)施設(shè)備健康監(jiān)測(cè)，語音回傳，油氣儲(chǔ)存、儲(chǔ)能配電系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景應(yīng)用。
1）全域溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及異常預(yù)警
??????? 通過多條感溫監(jiān)測(cè)光纜覆蓋到全域需要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的采集點(diǎn)，感溫光纖可采用纜線內(nèi)置纖芯或獨(dú)立緊貼被測(cè)物體表面敷設(shè)，用于實(shí)時(shí)感知物體表面溫度。感溫光纜既是溫度傳感探測(cè)器，也是溫度信號(hào)的傳輸通道，感溫光纜接入光纖測(cè)溫主機(jī)。分布式光纖測(cè)溫主機(jī)輸出激光脈沖至感溫光纜，采集由背向散射回包含溫度信息的光信號(hào)，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及處理，還原被測(cè)物體的全程表面溫度及對(duì)應(yīng)空間位置。相關(guān)數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)通信方式傳輸至后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)。
????????后臺(tái)服務(wù)依據(jù)采集數(shù)據(jù)以及線纜參數(shù)、環(huán)境參數(shù)綜合計(jì)算分析獲得電纜載流量、電纜內(nèi)部溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
2）全廠域聲場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及異常預(yù)警
????????光纖聲音偵聽技術(shù)利用通信光纜其中一根纖芯作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)的傳感聲音的系統(tǒng)，可連續(xù)感知傳輸路徑中振動(dòng)聲音動(dòng)態(tài)參量的空間分布和時(shí)間變化信息，具有靈敏度高、全程無源，可監(jiān)測(cè)線纜斷纖、光衰、盤線等態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)通信線纜實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)維護(hù)。
????????分布式光纖振動(dòng)主機(jī)通過在設(shè)備外殼纏繞振動(dòng)傳感光纜，實(shí)時(shí)采集設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)的音頻，對(duì)采集的音頻進(jìn)行降噪處理，通過時(shí)頻變換方法提取音頻規(guī)則特征，再通過人工智能識(shí)別算法，實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)聲音數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)偵測(cè)到聲音差異時(shí)，可及時(shí)報(bào)警，提前在故障發(fā)生前報(bào)警，通知設(shè)備維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)檢查設(shè)備，評(píng)估危害情況，做出相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施。
???????? 光纖采集音頻的系統(tǒng)，應(yīng)保障高頻部分，至少使用10khz的采樣率。光纜總長不超過10km光斑寬度建議5米以內(nèi)。采集信道寬度控制在2米為宜。采集方式使用盤繞式，建議6米以上10米以內(nèi)。探測(cè)點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)隔離寬度也要在6-10米為宜。
3）支持監(jiān)測(cè)點(diǎn)獨(dú)立計(jì)算、配置及用戶自行擴(kuò)展功能用途
????????在廠區(qū)內(nèi)會(huì)涉及數(shù)以百計(jì)的作業(yè)設(shè)備需要監(jiān)測(cè)，分布式光纖實(shí)現(xiàn)一條測(cè)量光纖能覆蓋多種類型及多個(gè)設(shè)備的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算識(shí)別，允許各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參配信息（溫濕度）、計(jì)算模型等不一致性及可配置。
???????? 對(duì)于同類設(shè)備及類似監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其在不同使用場(chǎng)景下，其光纖傳感信號(hào)的反饋可能不一樣，產(chǎn)品只提供采集數(shù)據(jù)和訓(xùn)練平臺(tái)，產(chǎn)品采集數(shù)據(jù)時(shí)不加任何修飾，直接保存文件，至于模型和后期分析，客戶可針對(duì)具體特定場(chǎng)景，建立有針對(duì)的計(jì)算模型。
4）優(yōu)化及滿足使用場(chǎng)景適應(yīng)性
????????分布式光纖監(jiān)測(cè)主機(jī)有多通道能力，盡可能更少的主機(jī)覆蓋更多設(shè)備監(jiān)測(cè)。多條光纜可以采用時(shí)分方式進(jìn)行切換，但不建議超過四條。這樣既可以保證數(shù)量更多，又不至于切換周期過長。將按行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)研，實(shí)現(xiàn)集合分布式光纖測(cè)溫、測(cè)振一體化的綜合監(jiān)測(cè)主機(jī)，支持接入通道熱插拔設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品小型化、芯片化等。
??????? 在設(shè)備環(huán)境適應(yīng)要求方面，針對(duì)不同廠區(qū)外部環(huán)境的溫濕度、防爆、磁場(chǎng)等不一致，設(shè)備需要有很好的寬溫工作溫度等，當(dāng)前設(shè)備性能應(yīng)該能夠滿足環(huán)境的要求。即便目前的系統(tǒng)會(huì)存在一些關(guān)鍵點(diǎn)的不符合，可以調(diào)整硬件方案，更新適應(yīng)要求。
5）光纖傳感測(cè)溫、測(cè)振數(shù)據(jù)物模型化
????????光纖傳感測(cè)溫、測(cè)振產(chǎn)品采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換及處理，原生數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)、處理結(jié)果、告警信息等以監(jiān)測(cè)點(diǎn)獨(dú)立輸出，通過標(biāo)注及映射到各個(gè)設(shè)施設(shè)備為對(duì)象的所屬信息點(diǎn)或?qū)傩渣c(diǎn)，作為目標(biāo)對(duì)象的態(tài)勢(shì)或?qū)傩员碚鳌?/p>
【4】技術(shù)特色
1）部署便捷
????????采用長距離分布傳感檢測(cè)技術(shù)，利用一芯通信光纖作為傳感系統(tǒng)，采用探測(cè)器單回路測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)、分布式檢測(cè)和識(shí)別，占用纖芯資源少，可留冗余備用，纖芯作為感知單元不帶電，并施工簡(jiǎn)便、安裝簡(jiǎn)單，成本低。視頻監(jiān)控、數(shù)字在線監(jiān)測(cè)為可選輔助手段，在少量關(guān)鍵位置部署進(jìn)行多手段互補(bǔ)。
2）聲音還原及智能分析
????????利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長短記憶網(wǎng)絡(luò)對(duì)光纖周邊事件的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，系統(tǒng)錄入聲音訓(xùn)練模型，經(jīng)訓(xùn)練后可實(shí)現(xiàn)自主深度學(xué)習(xí)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的聲音進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、分析并進(jìn)行分級(jí)分類告警，精準(zhǔn)判定事件信息。通過不斷基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)與事件優(yōu)化學(xué)習(xí)，系統(tǒng)逐漸逼近0誤報(bào)。
3）可視化運(yùn)維管理
????????支持基于坐標(biāo)信息化的3D顯示的設(shè)備管理方式，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、告警顯示、狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、維護(hù)管理等功能，為監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行提供高度集成化、高可靠性、易維護(hù)的配套能力。
三、分布式光纖傳感產(chǎn)品
??????? 【1】分布式光纖測(cè)振
????????分布式光纖測(cè)振是利用光纖的一維空間連續(xù)特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，光纖即是傳感元件又是傳輸元件，可以在整個(gè)光纖長度上對(duì)沿光纖分布的振動(dòng)參量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息，在無需供電的條件下最多能夠獲得雙向100公里的聲波（振動(dòng)）信號(hào)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)告警、事件識(shí)別、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及語音偵聽功能。
????????分布式光纖傳感振動(dòng)監(jiān)測(cè)，基于光纖聲波偵聽技術(shù)，對(duì)全線的聲音及振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分布式采集，并結(jié)合AI智能算法，分辨事件類型，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題并預(yù)警，極大提升巡檢效率。將根據(jù)實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)計(jì)成方便用戶使用，健全巡檢系統(tǒng)。以安全生產(chǎn)為前提，以方便設(shè)備檢修維護(hù)為目標(biāo)，同時(shí)設(shè)計(jì)有相關(guān)軟件接口，可以接入上級(jí)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
????????產(chǎn)品基于相干瑞利散射原理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。當(dāng)外界聲波（振動(dòng)）信號(hào)作用于傳感光纖上時(shí)，由于彈光效應(yīng)，光纖的折射率、長度將產(chǎn)生微小變化，從而導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸信號(hào)的相位變化。通過采用高相干的脈沖光源以及相干接收技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的信號(hào)處理算法，得到了振動(dòng)引起的相位變化，實(shí)現(xiàn)了事件識(shí)別、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及語音偵聽功能，并基于振動(dòng)(聲紋)信息進(jìn)行智能分析實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下的事件判定及預(yù)警應(yīng)用。
??????? 【2】分布式光纖測(cè)溫及應(yīng)變
??????? 分布式光纖測(cè)溫及應(yīng)變產(chǎn)品是一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度場(chǎng)的空間連續(xù)分布系統(tǒng)。系統(tǒng)利用單根光纜實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸，綜合利用光纖布里淵散射效應(yīng)（Brillouin scattering）和光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（OTDR）來獲取空間溫度分布信息。其中光纖布里淵散射效應(yīng)（Brillouin scattering）用于實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（OTDR）用于實(shí)現(xiàn)溫度定位。在無需供電條件下最多能夠獲得單向100公里（雙向200公里）的光纖溫度和應(yīng)變傳感信息，通過光纖傳感的信息能夠反映出光纖所處環(huán)境或結(jié)構(gòu)體的溫度變化或結(jié)構(gòu)變形。
????????布里淵散射光的頻率偏離于入射光，偏離的頻率差稱為布里淵頻移。當(dāng)環(huán)境溫度變化或光纖產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)影響光纖中的聲速和光的折射率，從而使布里淵頻移大小發(fā)生變化。布里淵頻移變化量與光纖的溫度變化和軸向應(yīng)變成線性關(guān)系。
????????通過光電信號(hào)處理技術(shù)，得到布里淵散射信號(hào)的頻率信息。根據(jù)頻率信息，得到光纖的溫度和應(yīng)變的變化信息。由于該頻率對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感，項(xiàng)目中往往同時(shí)布置對(duì)小應(yīng)變不敏感的溫度光纜和預(yù)先加入應(yīng)力的應(yīng)變光纜。最后，通過光纖傳感的信息能夠得到光纖所處環(huán)境或結(jié)構(gòu)體的溫度變化和結(jié)構(gòu)變形。
【3】分布式光纖產(chǎn)品廠區(qū)應(yīng)用難點(diǎn)設(shè)想解決方案
??????? 1）高噪聲背景下分布式光纖探測(cè)問題
- ????????聲音拾取范圍1hz~10khz,通過光纖偵聽做到聲紋無損拾取，支持多告警點(diǎn)（＞1000個(gè)）同時(shí)監(jiān)測(cè)和多AI（≥1000個(gè)）同時(shí)分析
- ????????系統(tǒng)自帶人工智能深度學(xué)習(xí)算法，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長短記憶網(wǎng)絡(luò)算法分析聲音信息（噪聲背景按需降噪處理，也可作為特征部分），精準(zhǔn)判定事件信息；聲音還原，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲音在后臺(tái)還原
????????2）大型設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)布控固定穩(wěn)定問題
- ??????? 采用全覆蓋膠封手段將感知光纖沿監(jiān)測(cè)點(diǎn)在設(shè)備表面敷設(shè)固定
- ??????? 在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，按監(jiān)測(cè)要求設(shè)計(jì)沿監(jiān)測(cè)點(diǎn)在設(shè)備表面敷設(shè)預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)光纜，預(yù)留線纜接線口與監(jiān)測(cè)光纖線纜對(duì)接。
??????? 3）測(cè)量精度問題
在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)中，往往有些監(jiān)測(cè)點(diǎn)相隔很近，會(huì)小于光纖振動(dòng)的空間采樣精度，可采取以下辦法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋和實(shí)施采集：
????????????????1）盤繞；2）特制光纖；3）高采樣精度采集卡；4）激光源選優(yōu)
????????光纖采集音頻的系統(tǒng)，應(yīng)保障高頻部分，至少要使用10khz的采樣率。光纜總長不超過10km光斑寬度建議5米以內(nèi)。采集信道寬度控制在2米為宜。采集方式使用盤繞式，建議6米以上10米以內(nèi)。探測(cè)點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)隔離寬度也要在6-10米為宜。
????????4）測(cè)量設(shè)備覆蓋問題
????????在廠區(qū)會(huì)涉及數(shù)以千計(jì)的設(shè)備需要監(jiān)測(cè)，需要實(shí)現(xiàn)一條測(cè)量光纖能覆蓋多種類型及多個(gè)設(shè)備的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，空間采樣間隔及采樣頻率較重要，而單臺(tái)主機(jī)監(jiān)測(cè)總長度往往不是要求重點(diǎn)統(tǒng)一光纖或通道的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算識(shí)別，允許各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參配信息（溫濕度）、計(jì)算模型等不一致性及可配置。光纖振動(dòng)主機(jī)能有多通道能力，盡可能更少的主機(jī)覆蓋更多設(shè)備監(jiān)測(cè)。多條光纜可以采用時(shí)分方式進(jìn)行切換，但不建議超過四條。這樣既可以保證數(shù)量更多，又不至于切換周期過長。
????????5）數(shù)據(jù)處理問題
??????? 對(duì)于同型號(hào)設(shè)備及類似監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其在不同使用場(chǎng)景下，其光纖振動(dòng)的反饋可能不一樣，需要針對(duì)具體特定場(chǎng)景有針對(duì)的計(jì)算模型。廠家可以只提供原始數(shù)據(jù)，模型和后期分析方法，建議留給甲方。廠區(qū)設(shè)施設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正常狀態(tài)和異常狀態(tài)在行業(yè)專家判定往往結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際綜合判定，即背景噪聲也會(huì)作為判定信息的組成部分。光纖能夠收到的聲音，產(chǎn)品方不加任何修飾，直接保存文件，提交甲方分析。
????????6）產(chǎn)品空間、線纜占用等問題
????????對(duì)分布式光纖傳感主機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品小型化、板卡等高集成及芯片化改造，重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形、工藝，使其滿足特定場(chǎng)景部署要求。
??????? 未來分布式光纖測(cè)溫、測(cè)應(yīng)變、測(cè)振一體化設(shè)備，測(cè)溫、測(cè)振通用部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，測(cè)溫、測(cè)振特定部件及多通道支持板卡采用組件化、熱插拔設(shè)計(jì)。針對(duì)特定場(chǎng)景應(yīng)用研究集供電、通信、測(cè)溫測(cè)振及聲音于一體的智能復(fù)合線纜及配套組件，線纜具備多種型號(hào)，并配套對(duì)應(yīng)的連接器、分路器、盤線器件、分路器件、集成器件等器件及組件。
??????? 7）環(huán)境適應(yīng)問題
設(shè)施、設(shè)備在廠區(qū)環(huán)境適應(yīng)要求，設(shè)備需要有很好的寬溫工作溫度、防爆特性等。產(chǎn)品方最好將產(chǎn)品送檢船舶行業(yè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行第三方檢驗(yàn)確保滿足行業(yè)適應(yīng)使用要求。
????????8）當(dāng)前產(chǎn)品支持纖芯型號(hào)列表
??????? 目前市面設(shè)備主要支持單模光纖，G.652?/ G.653 / G.654 / G.655 / G.656 / G.657。在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)存在一些問題。不同廠家的光纖，甚至同一廠家不同批次的光纖，其散射光信號(hào)的布里淵中心頻率會(huì)存在比較大的差異；還有的廠家在光纖生產(chǎn)過程中有特殊的摻雜工藝，造成布里淵散射譜存在一些異常的峰值，這些峰值會(huì)影響到傳感結(jié)果的準(zhǔn)確性。
??????? 對(duì)于新鋪設(shè)的光纜，攜手廠家一起對(duì)光纖提前測(cè)試。對(duì)于現(xiàn)有的舊光纜利用，如果遇到光譜特殊的光纖，需要在設(shè)備端校準(zhǔn)應(yīng)對(duì)。如果能夠提前提供場(chǎng)景應(yīng)用的具體光纜信息或者光纜樣品的話，將能夠提前測(cè)試光纜的可用性情況。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的基于分布式光纤传感的全厂数字在线监测设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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