Системы распределенного акустического зондирования (DAS) измеряют колебания оптоволокона, чтобы обнаруживать землетрясения и даже насекомых. Могут ли эти инструменты помочь повысить безопасность железнодорожного движения?
Простираясь на многие тысячи километров под нашими ногами, оптоволоконные сети слышат, что происходит вокруг. Не важно, идете ли вы по асфальту вдоль подземной оптоволоконной магистрали или едете на машине – все движения, происходящие на поверхности, создают характерные вибрации, которые немножко воздействуют на траекторию движения светового сигнала по кабелю. Используя правильное оборудование, ученые могут провести анализ этих вибраций, чтобы определить их источник и точное время, когда они произошли.
Этот стремительно распространяющийся метод известен как распределенное акустическое зондирование или DAS, и его чувствительность настолько высока, что недавно группе ученых удалось "услышать" с его помощью массовое нашествие цикад. Другие исследователи используют оптоволоконные кабели в качестве сверхчувствительного детектора извержений вулканов и землетрясений – в отличие от обычного сейсмометра, который постоянно находится в одном месте, оптоволоконная сеть может покрывать весь исследуемый район, обеспечивая передачу детальных данных о ропоте Земли в разных точках.
Теперь ученые решили поэкспериментировать с применением DAS на железной дороге. Когда поезд движется по путям, создаются вибрации, за которыми можно наблюдать, а если сигнал внезапно меняется, то это может указывать на возникновение трещин в рельсах или дефектов шпал. В горных районах, например, если на железнодорожные пути сошел оползень, то DAS тоже "услышит" это и предупредит диспетчеров о проблеме, которую человек еще не успел увидеть воочию. Постепенные изменения сигнала могут быть признаком прогрессирующего смещения пути.
Так совпало, что многие оптоволоконные линии проходят вдоль железнодорожных путей и используются для подключения сигнального и телекоммуникационного оборудования. "То есть для мониторинга используются уже существующие объекты и инфраструктура, что помогает сократить затраты", рассказывает инженер Хоссейн Тахери из Университета Джорджия Саутерн, который изучает возможность применения метода распределенного акустического зондирования для мониторинга состояния путей. "Само собой, оптоволокно не проложено вдоль абсолютно всех железных дорог, поэтому его придется укладывать дополнительно, но большинство железнодорожных магистралей уже оснащены оптоволоконной линией".
Чтобы получить доступ к оптоволоконному кабелю и использовать его для этих целей необходимо специальное устройство – запросчик. Он посылает лазерные импульсы вдоль кабелей и анализирует кванты света, которые возвращаются назад. К примеру, в 30 километрах от запросчика на пути упал огромный камень. Из-за этого возникли характерные вибрации грунта, которые также распространились на оптоволоконный кабель, проходящий вдоль данного участка пути. Эти вибрации видны по световому сигналу, полученному запросчиком. Поскольку скорость света известна, ученые могут точно измерить время, за которое сигнал вернулся к устройству, благодаря чему можно рассчитать расстояние до места возникновения вибраций с точностью до 10 метров.
Если взять конкретный участок пути, который уже анализируется системой DAS в течение определенного периода, то для него можно построить вибрационный профиль, который станет эталоном нормального "здорового" состояния железной дороги. Если сигнал DAS внезапно начнет сильно отличаться от этого эталона, то это может быть признаком проблемы. Аналогичным образом работает электрокардиограмма, с помощью которой врачи узнают о проблемах с сердцем пациента. "Мы строим профиль пути и ищем изменения в акустической сигнатуре", объясняет Дэниель Пайк, железнодорожный эксперт и представитель компании Sensonic, которая занимается внедрением технологии распределенного акустического зондирования на железных дорогах. "Мы знаем, как должен звучать путь, и мы знаем, как должен звучать поезд. Также нам известно, что если это звучание меняется, скажем из-за разбалтывания рельсового стыка, то нужно выполнить ремонт, пока это не привело к проблемам".
По словам Пайка, система Sensonic может отслеживать состояние путей на расстоянии 40 километров в обоих направлениях от запросчика. Он добавил, что благодаря непрерывному функционированию такого типа систем возможно сократить трудовые затраты на диагностику состояния железных дорог во всем мире, что является очень опасной работой, если учесть, что вокруг работают огромные машины. Система Sensonic может даже обнаружить, если кто-то попытается похитить медные кабели с целью их сбыта, или если человек просто идет пешком по путям, нарушая границы зоны транспортной безопасности.
Каким бы странным это не показалось, в Индии система Sensonic используется для детекции движения слонов вблизи железных дорог с целью защиты как этих огромных животных, так и пассажиров поездов. В случае приближения слона к путям срабатывает сигнализация, оповещающая работников о возможном столкновении. "Нам даже пришлось "нанять" слона и отправить его бродить у железной дороги", рассказал Пайк. "Наверное, это была одна из самых необычных статей расходов за все время работы".
Одна из трудностей при использовании системы распределенного акустического зондирования заключается в слишком большом объеме получаемых данных. Вместо единичного датчика, установленного в определенном месте вблизи железной дороги, кабель простирается на километры вдоль пути, поэтому данные непрерывно поступают с каждой мельчайшей точки оптоволокна.
"Размер генерируемых файлов огромен, поэтому для автоматизации процесса необходимо использовать алгоритмы машинного обучения", объясняет инженер-разработчик Саутгемптонского университета Дэвид Милн, изучающий возможности внедрения систем DAS на железных дорогах. "Данных будет очень много. Если не использовать компьютер для их обработки, то система вряд ли покажется простой в использовании или экономичной".
Специалисты Sensonic обучили искусственный интеллект, использовав данные о реальном участке железной дороги, чтобы среди всего шума он мог обнаруживать такие события, как оползни. После этого система может отправить предупреждение работникам железной дороги, размер которого не превышает несколько килобайт. "Алгоритмы машинного обучения и модели искусственного интеллекта, применяемые для обнаружения таких событий, непрерывно улучшаются с целью повышения их чувствительности и сокращения числа ложных предупреждений", объяснил Пайк.
Сейчас предпринимаются лишь первые попытки применения систем DAS в разных сферах, в том числе и на железных дорогах, поэтому исследователи все еще отлаживают их работу. "Распределенное акустическое зондирование – это один из методов, который в настоящее время оценивается с точки зрения повышения безопасности перевозок", отмечает Джессика Кахане, представитель Ассоциации американских железных дорог. "При испытании новых технологий на железных дорогах изучается не только способность систем справиться с необходимой задачей в лабораторных условиях, но и их пригодность для работы в суровой эксплуатационной среде железнодорожной сети, простирающейся по всему континенту".
Подводя итог, можно сказать, что в ближайшем будущем мы еще не раз услышим о технологии DAS, какой бы ни была сфера ее применения.
