ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Т Е Х Н И Ч Е С К И Е

НАУКИ

А.В. Киктева, А.А. Киктев ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ

Материал статьи знакомит с условиями прогноза оптического волокна на предмет отсутствия отказов при работе на протяжении гарантированного производителем эксплуатационного срока и возможности подтвердить гарантию качества. Нельзя упускать того, что стадия разработки изделий из оптоволокна должна создать условия надежной работы, не нарушить функциональности, чтобы эксплуатант использовал волокно, руководствуясь заданным режимом и регламентированным как гарантийным временным интервалом.

Ключевые слова: прогнозирование, отказы, оптическое волокно.

Постановка задачи: Вопрос о безотказности раскрыт в нормах ГОСТ 27.002-89, где закреплено, что условие требует от изделия не утрачивать работоспособности, при этом срок ограничен датой от момента выпуска или часами наработки. Разнообразная кабельная продукция признается безотказной, если учитывать два критерия: наработка до наступления отказа и характер отказ с точки зрения интенсивности. Говоря о наработке до отказа, рассматривают, насколько высоки риски того, что вероятность безотказной работы окажется крайне низкой.

Совокупность предпосылок, ведущих к возникающим отказам оптического волокна (ОВ), связана с целым рядом аспектов:

•Конструктивного плана - проект, конструкция выполнены недостаточно совершенно, не соблюдены установленные правила;

•Производственного ракурса - возникли из-за выпуска кабельной продукции с несоблюдением безупречно отлаженной технологии, а также из-за отклонений от стандартов производственных операций;

•Эксплуатационно-обусловленные - имеют место из-за того, что эксплуатант не придерживался правил, режима, условий, используя волокно;

•Возникшие как следствие деградации - из-за того, что старение изделия наступает из-за естественных причин, материал изнашивается, страдает от коррозионных процессов и усталости.

© Киктева А.В., Киктев А.А., 2021.

Научный руководитель: Горлов Николай Ильич - доктор технический наук, профессор, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Россия.

Фокус современного исследователя направлен именно на отказы, природа которых относится к де-градационной из-за закономерности явления, тогда как прочие типы возникают из-за форс-мажорных обстоятельств. Обозначив задачу создать модель кабеля из оптоволокна с высокой степенью надежности (ОК), нужно определить выражение функции надежности всех составленных в систему элементов P(t), где вероятность работы без отказов ОК рассматривается на протяжении периода t и определяется по слагаемым, каждый из которых обладает собственной функцией надежности. В настоящий момент оптоволокно как изделие должно быть прочным настолько, чтобы данный параметр позволял эксплуатировать волоконно-оптические линейные коммуникации (ВОЛС) на протяжении 25 лет [1].

Результаты работы: сегодня системно изучают структуру и сопровождающие работу свойства ОВ из-за того, что каждая из групп нуждается по поэлементной оценке того, насколько из-за отказавшего элемента перестанет работать система, наступит ее отказ. В структуре ВОЛС кабель из оптического волокна представляет важнейшее слагаемое, но и само изделие включает более мелкие компоненты, каждый из которых по критерию надежности вносит лепту в безотказность ВОЛС. Значит, вопрос об ОК как надежном объекте актуализирует потенциальную способность динамики базовых свойств стабильности и прочности по работе каждого их конструктивных элементов, несмотря на разно-факторные воздействия, способные кардинально изменить изделие в плане безотказности.

Точные требования к показателю надежности ОК, еще получившего название индекса затухания, оговорены в технической документации. Значит, кабель является настолько оптически целостным, если от начала до конца строительной длины по оптоволоконному кабелю проходит без каких-либо препятствий оптический сигнал.

Оболочка кабеля выполнена из полимера, из-за чего подвергается тепловому старению, а эти процессы также фиксируются в защитных шлангах. Но ппоказатель как определяющий не характеризуется. Напомним, что оптическое волокно необратимо повреждается влагой и механическими факторами. При условии, что проект и выпуск кабеля из оптоволокна не отклоняются от технологии ни вода, ни напряжение механической природы не навредит ОВ. Нельзя забывать о том, что эксплуатант нередко пользуется ОВ в условиях, где конструктивные элементы подвержены факторам, влекущим изменения. После нарушенной целостности оболочки отказа ОК не наступает, но из-за влаги эксплуатационные качества ОВ падают до отказа. Если атрибуты обеспечивающих усиление элементов изменены (приложена нагрузка, ставшая причиной относительного удлинения), из-за чего возрастает показатель механического напряжения в ОВ, а ресурс работоспособности снижается [2].

В настоящее время проблема световодов из волоконных материалов раскрыта многими исследователями, изучавшими прочность и долговечность. По такому оптоволоконному изделию оптическое излучение передается как по направляющему каналу. Свет идет потоком по сердцевине, вокруг которой располагаются оболочки с функцией отражения. По сути, строение ОВ позволяет заявить, что на такой световод из волоконных материалов нанесено защитное покрытие. Авторы проявили интерес к тому, какие причины разрушения кабельных изделий превалируют: механические факторы, коррозия или термофлуктуации.

Изучив волоконные световоды на предмет прочности, выявлен целый ряд предпосылок к отказу, самыми частыми из которых являются дефекты (поверхностные, объемные), равно как и трещины из-за того, что в производство запущена заготовка с дефектом, а также на кварцевое тело повлиял абразив. Нагрузка на ОВ приводит к тому, что любой из дефектов проявляет себя как концентратор напряжения. Разрушение может течь с той или иной скоростью, на что влияют такие факторы как: •точные параметры вызванного нагрузкой состояния; •динамичность воздействия нагрузки; •ситуация в макросреде; •волоконная структура.

Идею о том, как представить разрушение с точки зрения механической концепции разрушения, сформулирована в работе Гриффитса. Исследователь рассуждал об оптическом волокне как о твердотельной среде, пронизанную микроскопическими трещинами, тогда как растяжение заставляет ранее существовавшую трещину расширяться, возникает поперечный разрыв, при этом трещина растет от момента, когда перейден порог. Гриффитс изложил уникальный принцип и акцентировал, что разрушение является катастрофическим и необратимым, если перейдено пороговое напряжение, а рост трещины торможению не подлежит, рост происходит на пределе скорости. Гриффитс раскрыл механизм разрушения, но упустил фактор тепловых флуктуаций на атомарном уровне в материале, при этом начало процесса начинается уже на 0К, равно как и в случае, если нагружение является высокоскоростным. Против иных подходов кинетический уникален тем, что разрыв пояснен как термофлуктуационный, а химические связи, несмотря на напряжение, могут восстанавливаться.

Из-за напряжения ожидания того, что связи разорвутся, сбываются с растущей вероятностью, но маловероятно надеяться зафиксировать восстановление. Если на материал нагрузка не выше, чем предел прочности, то сила напряжения слаба для того, чтобы напрямую разорвать связи на атомарном и молекулярном уровне, но поднимает ожидания в том, что произойдет разрыв связей, если достаточно сильными будут тепловые флуктуации. Материал, разрушающийся по термофлуктуационному механизму, поддается влиянию не только градиентов температур, но и напряжений. Журков сформулировал закон долговечности, чтобы перевести кинетическую концепцию в количественные величины.

Речь о разрушении на основании коррозионного механизма идет в том случае, если возникшая между молекулами ОВ связь разрывается, начиная с верхней точки существующих микротрещин в связи с тем, что факторы макросреды вступают в контакт с оптоволоконным изделием. Рассматривая причины падения прочности ОВ, как самую серьезную предпосылку практики называют влагу. При этом коррозия становится причиной разрушений с определенной скоростью из-за того, что в трещину проникает влага и провоцирует ее рост, а при этом разрушение носит природу термофлуктуационную.

Процесс водной коррозии подразумевает, что подвергнувшееся напряжению кварцевое стекло, вступает в реакцию гидролиза, из-за чего гораздо меньше энергии затрачивается на то, чтобы разорвать химическую связь кислорода и кремния (106 ккал/моль). С началом гидролиза в реакцию вовлекается водород, присутствующий в молекулярной структуре воды, а кислород, находящийся как сочленение в цепочке -Si-O-Si-, что ведет к формированию водородной связи. Вода, где при атоме кислорода пару электронов не разделили, начинает ковалентным способом взаимодействовать с кремнием, где свободны 3d-орбитали. После протон покидает молекулу воды протона и присоединяется к включенному в стекло кислороду, тогда как еще один электрон покидает кислород и присоединяется к кремнию. Известно, что слабость водородной связи не препятствует тому, чтобы из-за тепловых движений атомарных частиц наступает разрыв. Процесс активируется под воздействием энергии U~29 ккал/моль, тогда как связанные Si-O разъединяются, если связь достигнет вчетверо меньшего порога.

Сегодня в научном сообществе как общепринятая не вызывает споров феноменологическая теория, объясняющая смоделированное разрушение оптоволоконных материалов через эмпирические данные о том, насколько велика степенная зависимость, с которой углубляются микротрещины V, против коэффициента, отражающего насколько интенсивны напряжения при растяжении K1 в верхней точке. Такая величина, по сути, характеризует, насколько высоко сопротивление старению из-за усталости материала. При этом важно не упускать в расчетах константу, связанную с материалом, его свойствами и влиянием среды его эксплуатации.

По итогам замеров дефектов на предмет скорости роста, а также с целью дать определение ОВ как способному долговечно сопротивляться нагрузке, противостоять разрушающим напряжениям, информативными являются динамические испытания из-за того, что практики получают приемлемую точность уравнений с аппроксимацией, основой для вывода которых стал настоящий закон. При этом, попытка прогнозировать кабелю долговечность, способность устоять от вызывающих разрушение нагрузок формирует ряд итогов, явно показывающих близость к экспериментальным значениям, при условии, что в уравнения подставлены переменные A и n, зафиксированные в среде, аналогичной текущей экспериментальной.

Однако ученые усмотрели в теории противоречивость из-за того, что на усталость материала указывает переменная n, однако величина не имеет характер константы, ее значение динамично изменяется из-за того, насколько нагружен световод и каким методом проводились опыты. Но не исключено, что наступят перемены в состоянии покрытия кабеля из-за физических и механических агентов, из-за чего реагенты проникают в пространство трещины и служат катализаторами ее роста. Немаловажно, что кабельное изделие в связи с конструктивными особенностями также в большей или меньшей долговечно.

Анализ полученных результатов: Сегодня актуализируется вопрос о внезапно наступающих отказах. Определим, что внезапность отказа для линии PON проявляет характер функции, выведенной от того, насколько активно воздействует извне среда, в которой эксплуатант разместил для применения составляющие сеть элементы. Отказы как более или менее прогнозируются на предмет интенсивности через аппроксимацию применительно к указанной функции. Вопрос наиболее верно решается с применением искусственного интеллекта [4].

Первоначально с этой целью смоделирована, а затем обучена нейронная сеть в пространстве среды STATISTICA 10. Обучающая фаза проведена на основании известных и применяемых функций активации: гиперболический тангенс, логистическая, софтмакс, линейная, экспоненциальная, единичная сумма, синус. Перейдя к обучению, обратились с современным методам: по Кохонену и Левенбергу-Маркару, по Квази-Ньютоновскому методу, через регрессию, из радиально отобранной выборки, путем обратно распространяемой ошибки, через сопряженные градиенты, а также через обобщение и регрессию [3].

■Кабель

■ Сплиттер

Сварное соединение оптических волокон

■ Мех анич е ский со едгааттель оптических волокон

■ Разъемный с о едгааттель оптических волокон

Рис. 1. Результаты первичного обучения нейронных сетей

Чтобы начать обучение нейросети, следует в набор исходных данных включить такую первичную информацию:

•точка, где установлены элементы сети;

•насколько густо населена территория, охваченная искусственной нейросетью; •эффективно ли работают коммуникации в секторе покрытия; •насколько изношено жилье;

•собрана ли нейросеть из стойких элементов, готовых противостоять воздействию механических факторов;

•погоду и климат;

•активность криминальных элементов; •насыщенность территории конкурентами.

Фаза обучения на первоначальной стадии показала, что отдельные факторы влияют слабо, а по весу возникающие коэффициенты не выходили за около нулевые значения. В таком случае в выборке их не учитывали. В наборе исходных сведений признаны неприемлемыми значения крайне далекие от сектора значений, типичных для разряда классификатора, а затем проведена еще одна обучающая фаза для сети (формат повторной).

■ Кабель

■ Сплиттер

Сварное соединение оптических волокон

■ Механический соединитель оптических волокон

■ Разъемный соединитель оптических волокон

Рис. 2. Результаты повторного обучения

После повтора как стадии обучении сети стали ошибаться реже. Положительную тенденцию поясним тем, что в исходных данных высок уровень зашумленности, а также мало достоверными были исключенные перед повторным обучением факторы. Как видим из результатов, методика является адекватной по качеству для дальнейшего применения.

Библиографический список

1. Косяков И.О., Липская М.А., Мекебаева А.К., Матаева А.Б. Возможность увеличения срока службы волоконно-оптических линий связи // Приборостроение. 2015. №7. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vozmozhnost-uvelicheniya-sroka-sluzhby-volokonno-opticheskih-liniy-svyazi (дата обращения: 07.07.2021).

40,0054 35,00%

30,00% 25,00%

20,00% 15,00%

10,00% 5,00%

43Г97Н

за,ео?£

31.30К '

29.55К

Процент ошибкиприирогноироБаыш интенсивности внезапных отказов

2. Овчинникова, И. Определение надежности оптических кабелей [Текст] / Овчинникова, И. // Технологии и средства связи. - 2009. - n 3 : - с. 39-41. - С. 2009

3.Пирмагомедов Р.Я. Прогнозирование интенсивности отказов физического канала пассивных оптических сетей // Портал научно-практических публикаций [Электронный ресурс]. URL: https://portalnp.snauka.ru/2014/01/1739 (дата обращения: 07.07.2021)

4. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс. Пер. с англ./ С. Хайкин - М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. - 1104 с.

КИКТЕВА АНАСТАСИЯ ВЯЧЕСЛАВОВНА - бакалавр, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Россия.