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基于分布式光纤传感的全厂数字在线监测设计

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vdianwang 发表于 2023-1-5 17:36:21 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

一、分布式光纤传感技术:

【1】光传输技术

        光纤是一种由玻璃或其他材料制作的光导纤维,简称光纤。光在光纤中传输,需要满足两个关键条件:全反射和相位匹配。

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光纤传输原理及特性

        全反射是当光从光密介质(折射率相对较高)入射到光疏介质(折射率相对较低)时,光不再发射折射,全部反射到原介质中去。光在光纤中传输,要满足全反射要求,光纤中的纤芯折射率要求大于包层折射率,以及控制好入射光方向,使反射角大于全反射临界角。

        光束由不同波长的光信号组成,其在光纤中传输时,各个波长光信号的光程差需要满足一定相位差。相位匹配条件就是让这系列平行光满足同相位,也就是BC和EF光程差走过的相位差要是2π的倍数。如果光纤确定的情况下(直径d和折射率n),不同的m值,会对应不同的入射角θi,这就是我们所说的多模(式)。

        光纤传输有两个重要的特性:光损耗和光色散。

        影响光损耗有吸收、弯曲、散射三个主要因素,其中散射与分布式光纤传感密切相关。

        影响光色散也有材料色散、模式色散、波导色散三个主要因素。

【2】光散射技术

        通过向光纤注入调制脉冲光束,实现光传输通信,遇到光纤中的杂质粒子发生散射,部分散射光沿光纤入射方向返回到入射点,称为散射回波,通过检测散射回波就能感知光纤各处振动、相位等信息。

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光散射后就光频率是否发生改变分为弹性散射和非弹性散射,弹性散射的入射光和散射光的光频率一致,即波长相同。非弹性散射的入射光和散射光的波长不同,由于光在散射时与内部光粒子发生能量跃迁,会出现波长增大或减少的情况,波长增大,称为斯托克斯现象,波长减少称为反斯托克斯现象。

        瑞利散射和米氏散射为典型的弹性散射,而拉曼散射和布里渊散射为非弹性散射。 瑞利散射是弹性散射的一种,通常需要满足的条件是微粒尺度远小于入射光波长,一般要小于波长的1/10,且各个方向的散射强度不一致。拉曼谱线由分子振动决定,与入射光频率无关。这意味着可以利用这一效应来检测和鉴定物质组成成分,包括鉴宝。

      【3】 分布式光纤传感技术发展

        目前国际国内的光纤传感技术已初步成型,正在步入市场大规模应用的启动阶段。与此同时,在光纤测温、测应变、测振方面的传感应用已经比较成熟和完善,尤其是在感知层,基于光纤的测温、测应变、测振动的传感器已经相对成熟。几乎所有光纤传感技术都是基于瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射的回波信息监测来实现,一般来说,瑞利偏测振、拉曼偏测温、布里渊能兼顾测温、测应变。

        当前光纤传感技术从原理上来划分:瑞利散射和背向散射-对应力有反应-测振;拉曼散射-主要是温度感知-测温;布里渊-对应力和温度有反应。光纤传感器应用的三大瓶颈:①误报率;②动态范围;③适应能力。

        【1】误报率,获取正确完整扰动信息的波形,使其高灵敏度匹配而强大算法支撑,业内主要从探测光源、光路结构、全频谱分析、智能算法四大关键性因素解决漏误报率的问题。目前市面上大部分厂家过分将关注重点聚焦于后端智能算法这一单一影响因素,而忽略探测光源“信息把关人”角色的作用,类比到整个系统运行中,探测光源只是简单收集并不准确的信号,只能判断扰动信号的有无,却无法获取完整扰动信息的波形,显然后端智能算法再强大也无法对不精确的信息做出更为准确的信号判断,这也是目前业内众多光纤传感产品漏误报率高的重要原因。但光纤传感产品有极高的灵敏度造就了该类周界产品的极大优势,然灵敏度亦是一把双刃剑,产品如若没有强大的技术支持,灵敏度则会转变成误报率。

        【2】动态范围,主要关注与空间采样间隔、时序采样频率、采集点定位精度的实现。

        【3】适应能力,要求产品能针对各行业场景、各环境场景提高信息采集对场景适应性及算法模型对场景适应性。

        近几年,得益于人工智能的快速发展,分布式光纤传感技术与人工智能技术密切结合,大幅降低了误报、漏报率,已达到实用化要求,加速推广应用。

        【4】分布式光纤传感技术应用

        光纤传感技术具有以下特点:

光纤既是传输媒介,又是探测器;

光纤不带电,本质安全,抗强干扰,防燃防爆,防腐蚀,耐高温;

单通道最大监测距离可达60公里,可利用已铺设光纤,建立监测系统;

精度高,寿命长,安装方便,无需保养。

        因此,光纤传感技术特别适合长距离、大范围监测,包括电缆、光缆、管道(油气水)、大坝、各种设备和环境的监测运维、周界防入侵等场景;尤其是那种环境恶略,供电及通信困难、维护困难等场景中,可以实现全场景的声音监测、温度检测。

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长距离边界的预警系统

        重要国境线、保税区隔离带、海关港口等长距离大范围防止侵入或越境的场所警戒,崇山峻岭、沙漠荒野、人工巡逻查检不便场所敷设光纤预警。

重要设施的周界安全防卫

        ·军事要地、国防设施:如部队、机场、军港、导弹/火箭发射基地、雷达、通讯站点;

        ·国民经济重要设施:电力站、变电所、文博馆、金融库房;

        ·易燃易爆场所的防卫:化工园区、油库、气站、油气储存罐区、炸药库等;

        ·重要安全防护场所:监狱、学校、水库、工业厂矿等。

城市管廊/石油天然气管道/通讯/电力线缆的防护(防开挖、防偷盗、防破坏)

基建设施如大桥、公路、铁路等钢筋混凝土结构的应变监测、防破坏。

大型设备如舰船、大型发电机组、化工生产设备等在线健康监测及预警。

【5】全厂(如化工、石化、能源等)在线监测设想

        在全厂全域部署分布式光纤传感系统,相当于给整个厂区植入了一套神经网络系统,实现对厂区各种参数全面、实时感知、监测和预警。

        该系统通过分布式光纤传感技术对线缆、设备、仓室等提前发现故障隐患,修复和处理故障,消除事故隐患,避免故障演变为严重故障,提高设施、装置、设备的完整性和安全运营,降低停机时间,并简化部署及节省整体运维成本。

        在某些大型厂区,将涉及数以百计的动力线缆、大型设备、管道、仓室等场景需要监测,系统将采用一条测量光纤实现覆盖多种监测场景的多个监测点,可通过光纤盘绕、超窄带激光、高频采集卡等手段提高空间采样精度及采样间隔精度。光纤振动主机具有多通道能力,可尽可能实现更少的主机覆盖更多监测场景。

        厂区内同样设备及类似监测点,其在不同使用场景下,其光纤振动的反馈可能不一样,针对具体特定场景设立针对的计算模型,即同一光纤或通道的各个监测点可以独立进行计算识别,允许各个监测点的参配信息(温湿度)、计算模型等不一致性及可配置。设备监测点的正常状态和异常状态在行业专家判定往往结合现场实际综合判定,即背景噪声也会作为判定识别计算模型输入信息的组成部分。

        由于某些厂区的环境要求,系统监测设备的设计满足温湿度、防爆、磁场等环境覆盖要求,如设备设计满足宽温工作温度。

二、全厂域在线监测系统设计

        【1】业务分析

        通过分布式光纤传感器产品,通过一台主机和一根普通光纤,用拉曼、瑞利、布里渊等光散射原理,可对光纤周边的温度、振动、声音、应变等信号进行实时采集监测,辅以部分点式数字监测传感器,具有传统传感技术无法比拟的技术优势。传统的传感器基于机械、电磁、化学反应等原理,只能实现“点”式测量,很难进行长距离、大范围的连续监测。分布式光纤传感器技术相当于给监测对象植入了神经网络系统,使它具有感知功能,既能实现“点”式测量,又能实现长距离连续性测量。由于分布式光纤传感技术难度大,其理论研究到实用化已历经数十年。近几年,得益于人工智能技术快速发展,分布式光纤传感技术与人工智能技术密切结合,大幅降低了误报、漏报率,已开始达到实用化要求,加速推广应用。

        当前厂域在运行维护中面临以下几个问题:

        工程实现性问题:存在众多供电设备、储能设备、动力电缆、大型机械设备等,数量多、布局复杂。传统单点传感器监管方式,同时涉及用电、通信等要求,安装使用复杂,占用资源严重,不易工程实施。

        故障定位问题:为了保证厂域安全,目前主要采用人工巡检的方式,成本高,运行风险高,而且面对数量繁多、贯穿全厂电缆以及部署在仓室的机械设备,要想实现故障定位仅依靠人工操作几乎是不可能的,必须对其运行状态进行实时监测。

        维护问题:部分厂域环境恶劣,设备容易损环且检修不便,必须精准监测设备状况、设施状况、环境状态。

        针对以上问题,提出全厂域数字在线运维监测解决方案,以分布式光纤测温产品、分布式光纤测振产品为主,以视频监控、数字在线监测为辅助手段,实现厂域设备设施运维的无人值守、智能巡检。采用光纤传感器产品为主要监测手段,相当于给厂区植入了一套神经网络系统,实现对厂区的设备设施的各种参数全面、实时感知、监测和预警,将大量节省传感器、通信设备、供电配套设备,并易于安装部署。

        在具体安装部署上,系统可以优先利用原有备用光缆,不易穿管布线的卡口处可以通过熔纤、连接器等完成布线(最大测量范围会稍有影响);产品线性监测距离远并支持多通道监测,通过多条纤芯和少量光纤传感主机接入即可实现全厂域全覆盖。

【2】技术架构

        基于分布式光纤传感的监测系统采用分布式光纤测温、测振产品为主,系统共用一条多芯光缆,分布式光纤测温、测振产品利用其中的内部纤芯做线性在线实时监测,也可以独立部署一条光纤,依附线缆表面、设备的待监测点表面等实现在线监测。感知光纤接入光纤主机,采集数据通过网络通讯最终汇聚在后台监控服务平台。后台监控服务平台主要围绕数据的转换、治理、传输、存储、分析、展示等进行数据场景应用与数据价值挖掘。

        目前正开展集分布式光纤测温、分布式光纤测振一体化装置以及产品小型化、芯片化的研究,测温、测振通用部件进行标准化设计,测温、测振特定部件及多通道支持板卡采用组件化、热插拔设计,实现多参变量综合监测。

        后台监控服务平台是用于应用管控、设备管理、设备运维、数据采集/转发/分析计算的服务平台,通过平台将测温设备、测振设备、视频设备、传感器等进行统一管理,实现多传感统一监控采集和态势感知,并为上层场景应用提供数据服务。平台提供了一站式的设备接入、设备管理、监控运维、数据流转、数据存储等服务,数据按照实例隔离,具备高可用性、高并发、高性价比的特性。

        分布式光纤传感在线监测将以标准化、系列化的IO模块连接区域网络,向上集成接入综合平台管理系统。

【3】系统功能

        系统通过光纤测温、光纤测振及声音等能力,实现厂域结构健康监测,动力系统、通信系统、作业系统等大型设施设备健康监测,语音回传,油气储存、储能配电系统安全监测等场景应用。

1)全域温度场实时监测及异常预警

        通过多条感温监测光缆覆盖到全域需要进行温度监测的采集点,感温光纤可采用缆线内置纤芯或独立紧贴被测物体表面敷设,用于实时感知物体表面温度。感温光缆既是温度传感探测器,也是温度信号的传输通道,感温光缆接入光纤测温主机。分布式光纤测温主机输出激光脉冲至感温光缆,采集由背向散射回包含温度信息的光信号,并进行光电转换及处理,还原被测物体的全程表面温度及对应空间位置。相关数据以以太网通信方式传输至后台监控服务。

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        后台服务依据采集数据以及线缆参数、环境参数综合计算分析获得电缆载流量、电缆内部温度等实时数据。

2)全厂域声场实时监测及异常预警

        光纤声音侦听技术利用通信光缆其中一根纤芯作为传感敏感元件和传输信号介质的传感声音的系统,可连续感知传输路径中振动声音动态参量的空间分布和时间变化信息,具有灵敏度高、全程无源,可监测线缆断纤、光衰、盘线等态势,实现通信线缆实时在线监测维护。

        分布式光纤振动主机通过在设备外壳缠绕振动传感光缆,实时采集设备正常运行状态的音频,对采集的音频进行降噪处理,通过时频变换方法提取音频规则特征,再通过人工智能识别算法,实时分析监测到的振动声音数据。当系统侦测到声音差异时,可及时报警,提前在故障发生前报警,通知设备维护人员到现场进行进一步详细检查设备,评估危害情况,做出相应应对措施。

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         光纤采集音频的系统,应保障高频部分,至少使用10khz的采样率。光缆总长不超过10km光斑宽度建议5米以内。采集信道宽度控制在2米为宜。采集方式使用盘绕式,建议6米以上10米以内。探测点与探测点隔离宽度也要在6-10米为宜。

3)支持监测点独立计算、配置及用户自行扩展功能用途

        在厂区内会涉及数以百计的作业设备需要监测,分布式光纤实现一条测量光纤能覆盖多种类型及多个设备的多个监测点,各个监测点可以独立进行计算识别,允许各个监测点的参配信息(温湿度)、计算模型等不一致性及可配置。

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         对于同类设备及类似监测点,其在不同使用场景下,其光纤传感信号的反馈可能不一样,产品只提供采集数据和训练平台,产品采集数据时不加任何修饰,直接保存文件,至于模型和后期分析,客户可针对具体特定场景,建立有针对的计算模型。

4)优化及满足使用场景适应性

        分布式光纤监测主机有多通道能力,尽可能更少的主机覆盖更多设备监测。多条光缆可以采用时分方式进行切换,但不建议超过四条。这样既可以保证数量更多,又不至于切换周期过长。将按行业应用标准进行预研,实现集合分布式光纤测温、测振一体化的综合监测主机,支持接入通道热插拔设计以及产品小型化、芯片化等。

        在设备环境适应要求方面,针对不同厂区外部环境的温湿度、防爆、磁场等不一致,设备需要有很好的宽温工作温度等,当前设备性能应该能够满足环境的要求。即便目前的系统会存在一些关键点的不符合,可以调整硬件方案,更新适应要求。

5)光纤传感测温、测振数据物模型化

        光纤传感测温、测振产品采集数据进行转换及处理,原生数据、孪生数据、处理结果、告警信息等以监测点独立输出,通过标注及映射到各个设施设备为对象的所属信息点或属性点,作为目标对象的态势或属性表征。

【4】技术特色

1)部署便捷

        采用长距离分布传感检测技术,利用一芯通信光纤作为传感系统,采用探测器单回路测量方式,实现对温度、振动信号的实时、分布式检测和识别,占用纤芯资源少,可留冗余备用,纤芯作为感知单元不带电,并施工简便、安装简单,成本低。视频监控、数字在线监测为可选辅助手段,在少量关键位置部署进行多手段互补。

2)声音还原及智能分析

        利用深度神经网络和长短记忆网络对光纤周边事件的声音数据进行处理,系统录入声音训练模型,经训练后可实现自主深度学习,针对现场的声音进行自动识别、分析并进行分级分类告警,精准判定事件信息。通过不断基于现场数与事件优化学习,系统逐渐逼近0误报。

3)可视化运维管理

        支持基于坐标信息化的3D显示的设备管理方式,设备运行状态、告警显示、状态统计、维护管理等功能,为监测监控系统运行提供高度集成化、高可靠性、易维护的配套能力。

三、分布式光纤传感产品

        【1】分布式光纤测振

        分布式光纤测振是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术,光纤即是传感元件又是传输元件,可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的振动参量进行连续测量,获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息,在无需供电的条件下最多能够获得双向100公里的声波(振动)信号,实现振动告警、事件识别、设备运行状态远程监测以及语音侦听功能。

        分布式光纤传感振动监测,基于光纤声波侦听技术,对全线的声音及振动信号进行分布式采集,并结合AI智能算法,分辨事件类型,第一时间发现问题并预警,极大提升巡检效率。将根据实际情况出发,设计成方便用户使用,健全巡检系统。以安全生产为前提,以方便设备检修维护为目标,同时设计有相关软件接口,可以接入上级综合监测系统。

        产品基于相干瑞利散射原理实现实时在线监测。当外界声波(振动)信号作用于传感光纤上时,由于弹光效应,光纤的折射率、长度将产生微小变化,从而导致光纤内传输信号的相位变化。通过采用高相干的脉冲光源以及相干接收技术,结合相应的信号处理算法,得到了振动引起的相位变化,实现了事件识别、设备运行状态远程监测以及语音侦听功能,并基于振动(声纹)信息进行智能分析实现各个监测场景下的事件判定及预警应用。

        【2】分布式光纤测温及应变

        分布式光纤测温及应变产品是一种实时监测温度场的空间连续分布系统。系统利用单根光缆实现温度监测和信号传输,综合利用光纤布里渊散射效应(Brillouin scattering)和光时域反射测量技术(OTDR)来获取空间温度分布信息。其中光纤布里渊散射效应(Brillouin scattering)用于实现温度测量,光时域反射测量技术(OTDR)用于实现温度定位。在无需供电条件下最多能够获得单向100公里(双向200公里)的光纤温度和应变传感信息,通过光纤传感的信息能够反映出光纤所处环境或结构体的温度变化或结构变形。

        布里渊散射光的频率偏离于入射光,偏离的频率差称为布里渊频移。当环境温度变化或光纤产生形变时,会影响光纤中的声速和光的折射率,从而使布里渊频移大小发生变化。布里渊频移变化量与光纤的温度变化和轴向应变成线性关系。

        通过光电信号处理技术,得到布里渊散射信号的频率信息。根据频率信息,得到光纤的温度和应变的变化信息。由于该频率对温度和应变同时敏感,项目中往往同时布置对小应变不敏感的温度光缆和预先加入应力的应变光缆。最后,通过光纤传感的信息能够得到光纤所处环境或结构体的温度变化和结构变形。

【3】分布式光纤产品厂区应用难点设想解决方案

        1)高噪声背景下分布式光纤探测问题

        声音拾取范围1hz~10khz,通过光纤侦听做到声纹无损拾取,支持多告警点(>1000个)同时监测和多AI(≥1000个)同时分析

        系统自带人工智能深度学习算法,利用深度神经网络和长短记忆网络算法分析声音信息(噪声背景按需降噪处理,也可作为特征部分),精准判定事件信息;声音还原,可实现远端监测点的声音在后台还原

        2)大型设备监测点布控固定稳定问题

        采用全覆盖胶封手段将感知光纤沿监测点在设备表面敷设固定

        在设备设计时,按监测要求设计沿监测点在设备表面敷设预设监测光缆,预留线缆接线口与监测光纤线缆对接。

        3)测量精度问题

在现场设备监测中,往往有些监测点相隔很近,会小于光纤振动的空间采样精度,可采取以下办法实现监测点覆盖和实施采集:

       a.盘绕;b.特制光纤;c.高采样精度采集卡;d.激光源选优

        光纤采集音频的系统,应保障高频部分,至少要使用10khz的采样率。光缆总长不超过10km光斑宽度建议5米以内。采集信道宽度控制在2米为宜。采集方式使用盘绕式,建议6米以上10米以内。探测点与探测点隔离宽度也要在6-10米为宜。

        4)测量设备覆盖问题

        在厂区会涉及数以千计的设备需要监测,需要实现一条测量光纤能覆盖多种类型及多个设备的多个监测点,空间采样间隔及采样频率较重要,而单台主机监测总长度往往不是要求重点统一光纤或通道的各个监测点可以独立进行计算识别,允许各个监测点的参配信息(温湿度)、计算模型等不一致性及可配置。光纤振动主机能有多通道能力,尽可能更少的主机覆盖更多设备监测。多条光缆可以采用时分方式进行切换,但不建议超过四条。这样既可以保证数量更多,又不至于切换周期过长。

        5)数据处理问题

        对于同型号设备及类似监测点,其在不同使用场景下,其光纤振动的反馈可能不一样,需要针对具体特定场景有针对的计算模型。厂家可以只提供原始数据,模型和后期分析方法,建议留给甲方。厂区设施设备监测点的正常状态和异常状态在行业专家判定往往结合现场实际综合判定,即背景噪声也会作为判定信息的组成部分。光纤能够收到的声音,产品方不加任何修饰,直接保存文件,提交甲方分析。

        6)产品空间、线缆占用等问题

        对分布式光纤传感主机进行产品小型化、板卡等高集成及芯片化改造,重新设计产品结构、外形、工艺,使其满足特定场景部署要求。

        未来分布式光纤测温、测应变、测振一体化设备,测温、测振通用部件进行标准化设计,测温、测振特定部件及多通道支持板卡采用组件化、热插拔设计。针对特定场景应用研究集供电、通信、测温测振及声音于一体的智能复合线缆及配套组件,线缆具备多种型号,并配套对应的连接器、分路器、盘线器件、分路器件、集成器件等器件及组件。

        7)环境适应问题

设施、设备在厂区环境适应要求,设备需要有很好的宽温工作温度、防爆特性等。产品方最好将产品送检船舶行业检验机构进行第三方检验确保满足行业适应使用要求。

        8)当前产品支持纤芯型号列表

        目前市面设备主要支持单模光纤,G.652 / G.653 / G.654 / G.655 / G.656 / G.657。在实际应用中,会存在一些问题。不同厂家的光纤,甚至同一厂家不同批次的光纤,其散射光信号的布里渊中心频率会存在比较大的差异;还有的厂家在光纤生产过程中有特殊的掺杂工艺,造成布里渊散射谱存在一些异常的峰值,这些峰值会影响到传感结果的准确性。

        对于新铺设的光缆,携手厂家一起对光纤提前测试。对于现有的旧光缆利用,如果遇到光谱特殊的光纤,需要在设备端校准应对。如果能够提前提供场景应用的具体光缆信息或者光缆样品的话,将能够提前测试光缆的可用性情况。






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