РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАБЕЛЕЙ С ПОМОЩИ КВАЗИ-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

©АпыатаА.Д., Юрченко A.B., Мехтиен AJl. Мади П.Ш., Аймагамбетова Р.Ж. УДК 621.315.2-026.17:681.586.7

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАБЕЛЕЙ С ПОМОЩИ КВАЗИ-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ

Алькина А.ДЮрченко2 А.В2'3., Мехтиев А.Д4., Мади П.Ш1., Аймагамбетова Р.Ж.s

'НАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова»,

г. Караганда, Казахстан ^Национальный исследовательский Томский политехнический университет,

г. Томск, Россия 'Томский государственный университет, Томск, Россия 4Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, г. Астана, Республика Казахстан ^Казахстанский институт стандартизации и метрологии, г. Астана, Республика Казахстан

ORCID*: https://orcid.Org/0000-0001-5930-8112, регШтаИт

Резюме: АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящий момент времени у электроэнергетических предприятий Казахстана и других стран СНГ сформировалась реальная потребность в автоматических распределенных и квази-распределенных охранных системах, которые способны своевременно предупредить дежурный персонал и охранные структуры о попытки хищения с указанием места вторжения в охраняемый кабельный канал. Одним из решений является разработка автоматической системы контроля кабелей на основе квази-распределенных волоконно-оптических датчиков.

ЦЕЛЬ. Разработка автоматической системы контроля целостности силовых кабелей с помощью квази-распределенных волоконно-оптических датчиков способных своевременно предупредить дежурный персонал и охранные структуры о попытке хищения. Также имеется возможность установить место вторжения в охраняемый кабельный канал. Автоматическая система контроля кабелей позволяет частично решать проблемы безопасности охраняемого объекта в режиме реального времени. МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи применялся метод контроля интенсивности световой волны распространяющейся в оптическом волокне и сформированных дополнительных потерь при механическом воздействии на него. Дополнительные потери, можно численно преобразовать в картину изменения пикселей и далее уже в численные значения, РЕЗУЛЬТАТЫ. Результатом является разработка опытного образца автоматической системы охраны периметров с использованием волоконно-оптических датчиков и программного обеспечения. Программное обеспечение является важной частью, так как это основа предложенного метода интеллектуального пиксельного анализа светового пятна и определения дополнительных потерь в оптическом волокне. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Рассмотренный новый метод контроля позволяет преодолеть ряд недостатков известные методы оптической интерферометрии и рефлектометра и, а также волоконные решётки Брэгга, которые требуют достаточно дорогостоящих структурных компонентов автоматической системы контроля кабелей и специфического программного обеспечения на основе искусственного интеллекта. Предлагаемая автоматическая система контроля кабелей может стать альтернативой для замены устаревших систем охраны военных объектов, использующих электрические сигналы, при этом будет полностью исключаться блокировка и подавление специальными средствами.

Ключевые слова: система охраны; волоконно-оптический сенсор; несанкционированный доступ; оптическое волокно; охраняемый периметр.

Дня цитирования: Алькина А. Д., Юрченко A.B., Мехтиев А.Д., Мади П.Ш., Аймагамбетова Р.Ж. Разработка автоматической системы контроля кабелей с помощи квази-распределенных волоконно-оптических датчиков // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2023. Т. 15. №1 (57). С. 125-143.

DEVELOPMENT OF AN AUTOMATIC CABLE MONITORING SYSTEM USING QUASI-DISTRIBUTED FIBER-OPTIC SENSORS

AD. Alkina2, AV. Yurchenko2'3, D, Mekhtiyev4, PSh. Madi1, RZh, Aimagambetova5

XNJS «Karaganda Technical University named after Abylkas Saginov», Karaganda, Kazakhstan Republic of Kazakhstan 2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia 3Tomsk State University, Tomsk, Russia

4S. Seifullin Kazakh Agrotechnical University, Astana, Republic of Kazakhstan 5Kazakhstan Institute of Standardization and Metrology , Astana, Kazakhstan Republic of

Kazakhstan

ORCID*: https://orcid.Org/0000-000

Abstract: RELEVANCE. At the moment, the electric power enterprises of Kazakhstan and other CIS countries ha\'e a real need for automatic distributed and quasi-distributed security systems that are able to timely warn the on-duty personnel and security structures about an attempted theft, indicating the place of intrusion into the protected cable channel. One of the solutions is the development of an automatic cable monitoring system based on quasi-distributed fiber-optic sensors. THE PURPOSE. Development of an automatic system for monitoring the integrity of power cables using quasi-distributed fiber-optic sensors capable of timely warning the personnel on duty and security structures about the attempted theft and the place of intrusion into the protected cable channel. The automatic cable monitoring system allows you to partially solve the security problems of the guarded perimeter in real time. METHODS. In solving this problem, a method was used to control the intensity of the light wa\'e propagating in an optical fiber and the additional losses generated by mechanical action on it. Additional losses can be numerically converted into a picture of pixel changes and then into numerical values. RESULTS. The result is the development of a prototype of an automatic perimeter security system using fiber-optic conductors and software. The software is an important part, as it is the basis of the proposed method of intelligent pixel analysis of a light spot and determination of additional losses in an optical fiber. CONCLUSION. The considered new control method makes it possible to overcome a number of disadvantages of the well-known methods of optical interferometry and refiectometry, as well as Bragg fiber gratings, which require rather expensive structural components of an automatic cable control system and specific software based on artificial intelligence. The proposed automatic cable monitoring system can become an alternative to replace outdated security systems for military facilities using electrical signals, while blocking and suppression by special means will be completely excluded.

Keywordsi security system; fiber-optic sensor; unauthorized access; optical fiber; guarded perimeter.

For citation: Alkina AD, Yurchenko AV, Mekhtiyev D, Madi PSh, Aimagambetova RZh.

Development of an automatic cable monitoring system using quasi-distributed fiber-optic sensors. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2023;15:1(57):125-143.

Введение (Introduction)

В настоящее время в Казахстане существует определенная проблема связанная с надежностью работы распределительных сетей районной энергетической компании «Астана РЭК». Сущность проблемы заключается в том. что имеются случаи кражи силовых кабелей 0,4 кВ из кабельных каналов. Это достаточно серьезная проблема для электроэнергетиков, так как нарушается надежность электроснабжения потребителей. В настоящий момент данная проблема частично решается различными методами и средствами, но пока эффективных решений, удовлетворяющих всем требованиям производства, не найдено. Похищаются как кабели находящиеся под напряжением, так и резервные кабели. Значительная стоимость цветного метала способствует формированию определенных групп злоумышленников, которые организуют мобильные группы, у которых есть все необходимые инструменты и спецтехника. Также существует проблема кражи проводов воздушных линий электропередачи, проходящих по удаленным степным районам сельской местности. Ежегодно похищаются десятки километров электрических

проводников и наносится значительный вред энергетическим компаниям по всему Казахстану. В открытом доступе можно найти достаточно много информации, связанной с хищением проводов и кабелей, не только в Республике Казахстан, но и в других странах СНГ. Одним из методов борьбы с данным явлением является организация охраны кабельных линий с использованием как частных, так и ведомственных охранных структур. К решению проблемы привлекаются правоохранительные органы, которые предотвращают случаи воровства или ведут расследования при факте похищения силового кабеля. Целью проведения исследований является разработка автоматической системы контроля целостности силовых кабелей с помощи квази-распределенных волоконно-оптических датчиков для внедрения в производственный процесс энергетической компании «Астана РЭК», что позволит сократить производственные потери.

Научной и практической значимостью является получение новых результатов, которые позволяют разработать автоматическую систему контроля кабелей их целостности с помощью квази-распределенных волоконно-оптических датчиков для системы охраны электроэнергетических объектов. Значимостью данной работы является переход от традиционных систем сигнализации к использованию цифровых методов контроля основанных на основе волоконно-оптических технологий работающих в режиме реального времени. В настоящий момент времени у электроэнергетических предприятий Казахстана и других стран СНГ сформировалась реальная потребность в данных охранных системах. Данная система позволит зафиксировать не только факт вторжения в охраняемую зону, но точно установить место на всем протяжении кабельного канала. Вторым важным моментом для внедрения системы контроля является требование, связанное с внедрением цифровых технологий и использования Индустрии 4.0. Предлагаемый метод позволяет создать относительно не высокий по стоимости квази-распределенных волоконно-оптический датчик способный защищать кабельные линии на всем ее протяжении.

Литературный обзор

Литературный анализ и практика показывает, что усилиями полиции и охранных организаций, не получается решить проблему и эффективно бороться с данным явлением [1-2]. Злоумышленники находят различные способы, как обойти существующую охранную систему, установленную на трансформаторной подстанции, например, устраивают подкопы и проникают в кабельный канал минуя охраняемые участки. Руководство энергетических компаний принимает меры для недопущения кражи кабелей, создаются мобильные бригады, которые охраняют наиболее уязвимые участки электрической сети и делают периодическую проверку кабельных линий (KJ1). Помещения трансформаторных подстанций оборудуются охранными системами и ставится на круглосуточный контроль. Кражам подвергаются проводники тока не только действующих линий электропередач и подстанций, но и резервные линии, поэтому приходиться держать их под напряжением. Компания «Астана РЭК» вынуждена пускать часть своих средств не на развитие, а на ликвидацию последствий краж KJ1 на различных участках разветвлённой распределительной сети города Астана. В настоящий момент времени Астана переживает пик строительства, а так как коммуникации подводятся к зданиям и сооружениям в первую очередь, то какое-то время KJ1 не подключаются к фидерам трансформаторной подстанции (ТП). Отсутствие напряжения достаточно облегчает задачу для злоумышленников, намеренных извлечь KJ1 из кабельного канала. Кабельный канал является не защищенным охранной сигнализацией или иными техническими средствами и скрытый подкоп позволяет злоумышленникам проникнуть в него, где они уже могут осуществлять свою деятельность практически не замеченными. Существующие системы охраной сигнализации, реагирующую на проникновение внутрь помещения трансформаторной подстанции (ТП) или колодца [3], но не обеспечивают защиты кабельного канала от подкопа.

Использование оптического волокна позволяет создать квази-распределенный датчик значительной протяженности в десятки километров, что уже используется в охранных системах различных периметров [4]. Предлагается закреплять датчики непосредственно на самом кабеле и при попытке его хищения можно будет установить место механического воздействия на кабель. На рисунке 1 показан кабельный канал, проходящий от ТП до потребителей 0,4 кВ, подобные каналы проходят между отдельными ТП формируя единую электрическую сеть. Внутри кабельного канала имеется достаточно места для перемещения человека, что позволяет злоумышленникам путешествовать по всей системе каналов переходя от одной линии к другой. Обычно подкоп делается в малозаметном месте, где он не виден с поверхности земли при объезде представителями охранной структуры. Как показала практика, наблюдается слишком поздняя реакция со стороны служб охраны и полиции из-за отсутствия автоматических технических средств

противодействия этому явлению. Больше всего случаев кражи КЛ, которые находятся вдали от черты города для обеспечения электропитания отдаленных районов, там уже для проведения подкопа и вскрытия кабельного канала может использоваться тяжелая землеройная техника. Внутри города подкопы выполняются злоумышленниками вручную и маскируются, они получаются малозаметными и трудно обнаруживаемыми при объезде территории охранными службами. Это позволяет преступным сообществам процветать и практически безнаказанно продолжать свою деятельность [1-3].

В мире существует достаточно много систем охраны различного технического уровня и стоимости, которые используют различные принципы и методы в своей работе. Например, существуют инфракрасные, виброакустические, магнитометрические, емкостные, сейсмические и другие типы систем. Есть отдельный вид систем охраны, основанный на видеонаблюдении. Достоинства и недостатки указанных систем рассмотрены ранее [5]. Основной идеей данной работы является, использование волоконно-оптических датчиков, которые уже используются в системах охраны в различных областях промышленности, но при этом необходимо разработать аппаратно-програмный комплекс контроля и метод обработки данных. Анализ показывает, что актуальность использования данных систем охраны чрезвычайно высока, ежегодно растёт интерес к использованию оптических волокон в качестве датчиков с высокими метрологическими характеристиками. На основе ОВ можно создать распределенные системы охраны способные не только установить факт вторжения, но и определить точное место вторжения [5]. Задачей также является создать принципиально новую волоконно-оптическую систему охраны, имеющую значительно меньшую стоимость по сравнению с существующими аналогами, но полностью адаптированную к климатическим условиям города Астана и условиям эксплуатации Астана РЭК. Еще пожеланием производственников является определенная доля Казахстанского содержания для получения льгот и поддержки со стороны государства в реализации планов внедрения волоконно-оптических систем охраны.

Рис. 1. Кабельный канал, проходящий от ТП до Fig. 1. Cable channel from TP to consumers 0.4 kV потребителей 0,4 kB

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

Проведенный анализ литературы показал значительный интерес к использованию OB в охранных системах, например, на мировом рынке уже имеются, производятся и продаются охранные системы различных фирм. Первый обнаруженный патент по охранным системам данного типа был зарегистрирован в США в 1977 году, который стал основой последующих разработок. Основой является источник излучения, волоконно-оптический сенсор, фото приемник и устройство обработки данных [5,6]. Можно выделить ряд успешных разработок и лидеров в данной области, которые уже не сколько десятков лет присутствуют на рынке, например. Future Fibre Technologies FFT (Австралия); Remsdaq (Англия); TRANS Security Systems and Technology (TSS) (Израиль); Fiber SenSys (США); Alaga I (Израиль); Sen star-Stellar (Канада). Имеются из России, например, НПО Прикладная радиофизика «Ворон» (Россия); «Дунай» (Россия); «Гюрза» (Россия), можно привести еще с десяток примеров в какой той мере успешные проекты в области волоконно-оптических систем охраны. Отдельно можно отметить успехи разработчиков Yangtze Optical Fibre and Cable Company Ltd из Китая, которые производят достаточно недорогие системы на основе

разработок Fiber SenSys (США), но имеющие более низкую стоимость [6,7]. Каждый производитель использует свои научные разработки, методы и средства. При анализе доступных источников, данные разработки недостаточно освещены в открытой печати, а некоторые засекречены, можно сделать вывод, что между различными системами охраны есть ряд определенных сходств, объединяющих их в несколько групп [8-10]. Производители стремиться повысить технический уровень своей продукции и добиться определенного преимущества перед конкурентами, но есть обстоятельства, вызывающие ряд общих проблем, которые ограничивают их возможности применения и ведут к серьезному удорожанию [8-10]. В России сложился определённый рынок по продаже охранных систем для различных периметров функционирующие на основе волоконно-оптических технологий [11]. Обеспечение охраны объектов ограниченного доступа и опасных объектов государственного значения или просто частных территорий от несанкционированного доступа, которые занимают значительные площади, в отличие от локальных объектов требует больших затрат и сложных коммуникации для построения системы охраны и мониторинга периметра, это обстоятельство существенно повышает стоимость систем охраны. К примеру, охранная система «ВОРОН-ЗМ-К» (Россия) составляет примерно 10 млн. руб. - длина охраняемого периметра: 2400 м, длина зоны: 15 м. Продукция Fiber SenSys (США) стоит более чем в два раза дороже [5-11]. Проанализировав стоимость распределенной ВОСО «Ворон» [6,8], можно сказать, что наиболее выгодным вариантом по стоимости для заказчика является протяженность охраняемого периметра от 15 до 30 км, так как стоимость одного километра существенно снижается. Соответственно желательно иметь протяженные участки, чтобы снизить стоимость вложений. В работе [12] можно найти основные теоретические сведения о принципах работы волоконно-оптических датчиков созданных на основе оптического интерферометра. К примеру, использование принципов оптического интерферометра вызывает ряд проблем при возникновении помех из-за температурных воздействий на оптическое волокно. Поэтому полностью не решенные известные проблемы распределенных волоконно-оптических охранных систем и отсутствие доступной подробной информации об их устройстве, служат основанием для проведения дополнительных исследований и ознакомление широкой общественности с принципами их функционирования. Также необходимо проведение исследований для их совершенствования и снижения стоимости, что сделает их более доступными. Все достоинства и недостатки волоконно-оптических систем можно узнать в источниках [5, 6]. Основное преимущество таких систем, это их скрытность. На оптическое волокно не действуют электромагнитные помехи [11, 12]. Поэтому использование оптических волокон для построения пассивных систем охраны периметров и рубежей различных объектов — это крайне перспективное направление. Есть публикация, посвящённая использованию волоконно-оптических датчиков для контроля технического состояния шахтной крепи [13]. Есть научные работы, посвящённые датчикам используемых в горной промышленности. В итоге можно сказать, что оптическое волокно может служить одновременно, как направляющая система для передачи информации, так и измерительный датчик, практически любых параметров [12-15]. Имеется ряд зарубежных публикаций, в которых представлены результаты исследования волоконо-оптических датчиков, которые используются в системах охраны или в качестве датчиков различных физических величин [15]. Получена информация [13-15], что оптическое волокно и компоненты ежегодно дешевеют на рынке, например, стоимость оптического волокна составляет менее 10 долларов США. Оптическое волокно является искробезопасным, если световая энергия, передаваемая по волокну, находится на уровне или ниже определенного уровня мощности [13-15].Проведены полевые испытания распределенной оптоволоконной системы датчиков несанкционированного вторжения для протяженных периметров свыше 20 км [16]. Представлены результаты обработки сигналов, полученных от волоконно-оптических датчиков, а также представлены методы нормализации уровня счета нечувствительных к поляризации волоконно-оптических интерферометрических датчиков [17]. В данной работе учтен опыт разработки частотной волоконно-оптическая система сигнализации [18]. Есть публикация, посвященная оценки способности оптического волокна воспринимать акустические волны [19]. Результаты исследований представленные в работе [20], тоже подтверждают, что достаточно высокий уровень помех возникает в оптическом волокне при изменении его температуры. Передача сигнала на расстояние 100 км по волокну не проблема, при этом затраты энергии не сопоставимо низкие по сравнению с контрольными кабелями [20, 21]. В источниках [22] представлены методы борьбы с помехами и способы зашиты информации, передаваемой по оптическим волокнам. Оптические волокна не подвержены влиянию шума, молнии, помех от ВЧ, ЭДС, электромагнитных помех,

распространенных в горной промышленности. Анализ показал определенные преимущества оптического волокна для его использования в качестве чувствительного элемента автоматической системы контроля целостности силовых кабелей. На основе оптических волокон можно создать с помощи распределенные и квази-распределенные волоконно-оптические датчики для систем охраны кабельных каналов. Соответственно важным моментом является поиск новых решений для снижения стоимости волоконно-оптической сигнализации. Для ращения поставленных задач разработан собственный метод позволяющий решить данную проблему и разработать собственную конструкцию автоматической системы контроля целостности силовых кабелей с помощи квази-распределенных волоконно-оптических датчиков.

Материалы и методы (Materials and methods)

Разработан опытный образец автоматической системы контроля целостности силовых кабелей с помощи квази-распределенных волоконно-оптических датчиков, который прошел практическую апробацию в условиях «Астана РЭК». В качестве датчиков были использованы волоконно-оптические кабели марки КС - ОККО -А - 2 -G. 652.D - UCF и КС - FTTH - А - 2 -G.652.D - UCF. Волоконно-оптические датчики прокладывались в оба конца в кабельном канале от РП197 до ТП 3257, 3258 и 3259. Все объекты находяться на балансе Астана РЭК. Охраняемый участок разбивается на 4 зоны, на рисунке 2 показана условная схема прокладки волоконно-оптических датчиков.

221м 180 м 189м

ТП 3257 ТП 3258 5 ТП 3259 1 РП 179 \

— «— г—|

* 4 - -

V Г —

4 V 3

'у-- . и

..... 6 2

6 м 6 м 6 м 13 м

Рис. 2 - Условная схема прокладки волоконно- Fig. 2 - Fibre optic sensor layout

оптических датчиков 1 - Data processing unit; 2 - Channel 1; 3 - Channel

1 - Блок обработки данных; 2 - канал №1; 3 - 2; 4 - Channel 3; 5 - Channel 4, б - Cable channel

канал №2; 4 - канал №3; 5 - канал №4, б - symbol

условное обозначение кабельного канала

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

Один датчик содержит два OB, один называется прямым, второй обратным. По прямому ОВ свет распространяется от источника излучения до конечной точки канала, а по обратному возвращается к фото приемному устройству. ОВ каналов 1-4 подключаются к блоку обработки данных при помощи оптических коннекторов.

Натурные эксперименты проводились в условиях реальной электрической сети 10/0,4 кВ компании Астана РЭК. Трансформаторные подстанции (ТП 10/0,4 кВ) и распределительный пункт РП 10 кВ расположены в районе «Депутатский городок» город Астана, фото улицы с расположением ТП 10/0,4 кВ показано на рисунке 3.

Рис. 3 - Фото улицы с расположением ТП 10/0,4 Fig. 3 - Street photo with 10/0.4 kVTP location кВ

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

На рисунке 4 показана карта с указанием расположения ТП 10/0,4 кВ и РП 10 кВ «Депутатский городок» город Астана.

На рисунке 5 показано, как был установлен блок обработки данных внутри помещения РП 10 кВ, для обеспечения надежности работы системы охраны блок обработки данных оснащен бесперебойным источником питания. При срабатывании сигнала тревоги данные передаются по каналам сотовой связи при помощи радио модема 4G на пульт диспетчера компании Астана РЭК, там же установлен сервер для хранения информации, который выполнен на базе персонального компьютера. Также осуществляется передача сигнала тревоги службе безопасность путем рассылки сообщений в мессенджер «Telegram». Система смонтирована в универсальном настенном шкафе Spacial CRN 800x600x300 Schneider Electric.

На рисунке 6 представлен лабораторный образец автоматической системы контроля целостности силовых кабелей с помощи квази-распределенных волоконно-оптических датчиков. В лабораторных условиях была выполнена сборка 4 канальной системы. Все элементы схемы закреплены на общем металлическом основании, которое в последствии встраивается в универсальный настенный шкаф. Была произведена наладка системы для обеспечения срабатывания при механическом воздействии на охраняемый кабель.

Далее непосредственно на самом объекте были установлены волоконно-оптические датчики марки КС - ОККО - А - 2 -G.652.D - UCF и КС - FTTH - А - 2 -G.652.D - UCF, которые имеют защитную пластиковую оболочку и силовой элемент из кевларовой нити. Два различных типа OB были выбраны для сравнения их чувствительности в условиях кабельного канала.

Рис. 4 - Карта с указанием расположения ТП Fig. 4 -Map indicating location of 10/0.4 kVTP and 10/0,4 кВ и РП 10 кВ «Депутатский городок» 10 kVRP «Deputy Town» Astana город Астана

Источник: [https://2ps.kz'karagan<ki]Soiirce: [https://2gis.kz/karagand2].

Рис. 5. Универсальный настенный шкаф с блоком Fig. 5. Universal wall cabinet with processing unit обработки размещенный внутри помещения РП located inside the room RP 10 kV 10 кВ

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

Рис. 6. Лабораторный образец автоматической Fig. б. Laboratory sample of automatic integrity системы кошроля целостности силовых кабелей control system for power cables Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

На рисунке 7 показан процесс монтажа волоконно-оптических датчиков в кабельном канале работниками компании Астана РЭК

Рис. 7. Монтаж волоконно-оптических датчиков Fig. 7. Installation of fiber optic sensors

Источник: составлено авторам. Source: compiled by the author

Для удобства монтажа кабельный канал был вскрыт в трех местах, что позволило протащить волоконно-оптические датчики. При прокладки волоконно-оптических датчиков необходимо проявлять особую осторожность для исключения их излома и повреждения защитной оболочки. Автоматической системы контроля целостности силовых кабелей с помощи квази-распределенных волоконно-оптических датчиков далее АСКК в своей основе не использует известных методов и принципов работы, известных зарубежных аналогов [5, 6]. Так как информации в открытых источниках недостаточно для полного дублирования существующих охранных систем на основе ВОД принято решениие разработать принципиально новых метод контроля и обработки полученных данных. При обработке данных полученных от OB не используется известные методы и технические решения рассмотренные в работе [7-11]. Важным моментом практической реализации научной разработки и ее использования в дальнейшем, является условие выдвинутое энергетической компанией Астана РЭК, которая заключается в простоте конструкции и минимальной стоимости АСКК, а также должны быть незначительные материальные затраты на эксплуатацию.

Было принято решение не использовать известные методы оптической интерферометрии и рефлектометрии, а также волоконные решётки Брэгга. Данные методы достаточно изучены и рассмотрены в научной литературе [12-14]. Например, использование известного метода оптической интерферометрии обусловлен зависимостью фазы распространения световой волны от температуры, так как изменение температуры на 1 °С может вызвать ложное срабатывание при отсутствии механического воздействия на сенсор [5, 6]. Использование методов оптической рефлектометрии или решеток Брэгга обусловлено более высокой стоимостью комплектующих и необходимостью использования высокотехнологического оборудования, что увеличивает стоимость АСКК [6, 7]. Дтя реализации идей по созданию новой АСКК был разработан метод электронно-оптического анализа светового пятна, падающего на поверхность фотоматрицы высокого разрешения установленной на выходе из одномодового оптического волокна, которое используется в качестве датчика. При механическом воздействии на волоконно-оптический датчик АСКК возникает известный фотоупругий эффект, который вызывает изменение фазы распространения световой волны и изменения ее свойств, в частности интенсивности.

Механические воздействия на волоконно-оптический датчик приводят к изменению хода луча оптического интерферометра, на данном принципе построено множество АСКК, но у оптического интерферометра есть достаточно серьёзная проблема при колебаниях температуры наблюдается изменение фазы распространения световой волны в ОВ. Механические воздействия на волоконно-оптический датчик АСКК приводят к возникновению дополнительных потерь световой моды в ОВ, что можно зафиксировать и использовать данный эффект для работы АСКК. Наличие дополнительных потерь в ОВ фиксируется по изменению интенсивности светового пятна, падающего на поверхность фотоматрицы. Отличием является использование именно фотоматрицы высокого разрешения, а не одно пиксельного фотоприемника. Это позволяет производить анализ изменения картины пикселей светового пятна, в отличии от аналогов, где фиксируется изменение только амплитуды светового сигнала [12-14].

На рисунке 8 показана сущность метода контроля интенсивности и дополнительных потерь при помощи электронно-оптического анализа. Представлены два изображения светового пятна, позитив и негатив. На изображении негатива отмечены две зоны, под цифрой 1 показано изображение сердцевины оптического волокна, а под цифрой 2 показано изображение оболочки оптического волокна. Предлагаемый метод контролирует изменения святового пятна в области оболочки, а сердцевина из анализа исключается, так как при механическом воздействии световая волна выходит из сердцевины и попадает в оболочку. Далее уже световая волна распространяется по оболочке до фотоматрицы. Предлагаемый метод основан теории контроля дополнительный потерь в оптических волокнах. Теоретические основы данного метода уже опубликованы ранее и подробно рассмотрены в [12-14]. Пятно, которое схоже с известным изображением святового пятна Пуассона, падает на поверхность фотоматрицы, формируется картина, когда сердцевина более яркая, а оболочка более темная, так как в ней сосредоточены только потери световой волны, а соответственно можно зафиксировать их увеличение при механическом воздействии. Световое пятно подчиняется нормальному распределению Гаусса и содержит достаточно значительное количество шумов, сгенерированных источником излучения, для нивелирования помех используется программное обеспечение [12-14].

Позитив не используется, так как потери распространяются по оболочке, и она в позитивном изображении более тусклая. Сердцевина напротив более яркая, но не информативная, соответственно в негативе более яркая оболочка. Метод основан на контроле дополнительных потерь, формируемых в оболочке. Лазер должен быть когерентным с отклонением длины волны не более 5 нм. Теоретически длина волны может быть от 650 до 850 нм. Чем больше длина тем меньше затухание в оптическом волокне, что необходимо учитывать при увеличении длины волны волоконно-оптического датчика. Длина волны 650 нм достаточно для датчика протяженностью 20 км. В данном эксперименте использовалась длина волны 650 нм, так как длина волоконно-оптического датчика не значительна в п риделах 1 км. Принцип работы предлагаемой АСКК базируется на использовании источника света (лазерного излучения), одномодового или много мо доваго оптического волокна и фото приёмника [12-14]. Лазер установлен с одной стороны ОВ. а фото приемник с другой. Если на ОВ оказывается механическое или виброакустическое воздействие и это вызывает изменение свойств световой волны, распространяющейся по сердцевине, что фиксируется фото приемником высокого разрешения. Далее система обработки данных и принятия решений выдаст сигнал тревоги или игнорирует зафиксированные изменения и распознает случайные помехи. При механическом воздействии на волоконно-оптический датчик изменяется пиксельная картина светового пятна.

Рис. 8 - Форма светового пятна, падающего на Fig. 8 - Shape of the light spot falling on the surface поверхность фотоматрицы of the photomatrix

Источник: составлено авторш. Source: compiled by the author

133

Программа преобразовывает все изменения интенсивности светового пятна и возрастающие дополнительные потери в картину изменения пикселей. На рисунке 9 показан снимок с экрана компьютера, на котором приведены несколько вариантов изменения картины пикселей светового пятна и их перехода от черного к белому свету. Чем сильней воздействие на волоконно-оптический датчик тем больше изменения интенсивности светового пятна и больше возникающие дополнительные потери распространяющиеся по оболочке волоконно-оптический датчик, соответственно большее количество белых пикселей. При возникновении помехи количество пикселей увеличивается, позиция 1, но скорость их роста отличается и количество меньшее в сравнении с позицией 2 и 3 когда рост белых пикселей достаточно значительный, так как на волоконно-оптический датчик было оказано воздействие для имитации преодоления охраняемого периметра. Световое пятно проходит преобразование за счет программы от изображения на рисунке 8 до картины изменения пикселей, представленной на рисунке 9.

Рис. 9 - Снимок с экрана компьютера Fig. 9. Computer screen shot

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

На экране компьютера четко видно, как изменяется световое пятно, особенно на границе раздела ядра и оболочки оптического волокна. Программа позволяет различать воздействие на волоконно-оптический датчик и помехи, например, изменение внешней температуры или порывы ветра. Помехи всегда порождают меньшее количество белых пикселей по сравнению с воздействием при несанкционированном доступе к охраняемому кабелю. Программа анализирует изменение картины пикселей светового пятна и принимает решение о срабатывании сигнализации. Если воздействие было оказано несколько раз с определенной частотой, интенсивностью и периодичностью, то это воспринимается как вторжение. Более сильное воздействие вызывает большое изменения картины пикселей и провоцирует их переход от черного к белому цвету. Все изменения фиксируются системой и при нескольких воздействиях превышающих уставку система срабатывает. Программа ступенчато изменят свою чувствительность в случае возникновении помех, которые отличаются по частоте и скорости изменения интенсивности от воздействия на волоконно-оптический датчик. Метод позволяет контролировать скорости изменений производной интенсивности световой волны и потерь во времени, а также изменения формы пятна и перехода пикселей от белого к черному. Программа может распознавать шум, так как рост шума и механическое воздействие характерными разными показателями изменения интенсивности светового пятна. Также программа выполняет численную оценку уровня давления на OB при его изгибе. Все изменения светового пятна можно наблюдать в режиме реального времени. Опытный образец автоматической АСКК имеет в настоящий момент имеет пока 4 независимых канала, что на данный момент ограничено отсутствием необходимости увеличения числа каналов и программным обеспечением, но в дальнейшем количество каналов будет значительно увеличено.

На рисунке 10 показана структурная схема опытного образца АСКК. Предложенная АСКК устроена следующим образом, бесперебойный источник питания постоянного тока подключен к когерентному полупроводниковому лазеру 5 с длиной волны 650 нм, мощностью 30 мВт в зависимости от протяженности волоконно-оптических датчиков. Для снижения помех от источника излучения используется оптический разветвитель (сплиттер) 6. Оптическое излучение разделяется в пропорции 1А в оптическом кроссе для подключения оптических коннекторов 9. Каналы на схеме обозначены позицией 11.

Предложенная АСКК имеет 4 канала, в перспективе числом каналов будет увеличено до 64. Это позволит защищать участок длиной 16 км, который разделяется на отдельные зоны охраны протяженностью 500 м. Длина охраняемой зоны может быть от 20 до 500 метров в зависимости от ситуации и пожеланий заказчика. При необходимости на объекте можно установить два и более блоков обработки данных. Предельная дистанция действия до 20 км. АСКК содержит, источник питания лазера 5 который обеспечивает стабилизацию

параметров напряжения и тока, для снижения пульсации лазера, которая негативно отражается на работе системы и может стать источником помех. Полупроводниковый лазер работает на длине волны 650, его мощность составляет 30 мВт. Имеются устройства для согласования 3, оптический кросс для подключения оптических коннекторов 9. Оптический разветвитель разделяет луч на необходимое число лучей, но мощность распределяется между ними в равной пропорции.

Рис. 10. Структурная схема лабораторного Fig. 10. Diagram of laboratory sample

образца

1 - компьютер с программным обеспечением; 2 -соединительный кабель; 3 - устройство согласования с компьютером; 4 -микропроцессор предварительной обработки данных; 5 - полупроводниковый лазер с длиной волны в 650 нм; б - оптический разветвитель (сплиттер); 7 - фотоприемное устройство; 8 -оптические соединительные коннекторы; 9 -оптический кросс для подключения оптических коннекторов; 10 - корпус блока обработки данных; 11 - кабельный канал; 12 - одномодовый волоконно-оптический датчик (стандарта G652) Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

1 - computer with software; 2 - connecting cable; 3 -a device for coordination with a computer; 4 - a microprocessor of pre-processing data; 5 - a semiconductor laser with a wavelength of 650 nm; 6 - optical splitter (splitter); 7 - photo receiver; 8 -optical connectors; 9 - optical cross for connection of optical connectors; 10 - data processing unit housing; 11 - cable channel; 12 - single mode fiber optic sensor (G652 standard)

В качестве направляющей системы и датчика одновременно используется волоконно-оптический датчик 12, который размещается в кабельном канале. Волоконно-оптический датчик присоединяется к оптическому разветвителю 9 при помощи стандартных универсальных адаптеров 8 UPP 2.5 мм и оптических коннекторов типа SC 2.5 мм. Волоконно-оптический датчик 12 размещается в кабельном канале 11, а также разделяется условно на два направления движения световой волны «прямое» и «обратное». Ранее на рисунке 2 были показаны направления движения световой волны по волоконно-оптическим датчикам. Луч света проходит по всей длине одномодового волоконно-оптического датчика 12 и падает на поверхность фотоприемного устройства 7 установленной на его торце. Каждый канал содержит по одному фотоприемному устройству высокого разрешения. Все четыре фотоприемного устройства подключены в микропроцессорное устройство предварительной обработки данных 10. Далее уже электрический сигнал, через устройство согласования 3 поступает в компьютер 1 через соединительный кабель 2 для окончательной обработки и выдачи решения. Как показано ранее на рисунках 8,9 при механическом воздействии меняются параметры световой волны проходящей по сердцевине одномодового волоконно-оптического датчика 5, что и фиксируется АСКК.

Результаты (Results)

Результатом является разработка опытного образца автоматической системы охраны периметров с использованием волоконно-оптических датчиков и программного обеспечения. Программное обеспечение является важной частью, так как это основа предложенного метода интеллектуального пиксельного анализа светового пятна и определения дополнительных потерь в ОВ. Программа написана с использованием языка

программирования Python. На рисунке 11 показаны все варианты работы АСКК в различных режимах при воздействии на волоконно-оптического датчика и без воздействия.

запуск в фоне

Камера 1 Камера 2 Камера 3 Камера 4 Ю сколько брать кадров в одно средне« значение (картинку) 20 количество средни* пюказаммй{картинок) за п«риод 1Б ПОРОГ с какой яркости пиксели будут белыми от 0 до 255 2 количество движений подряд до срабатывания

5000 значение порога чувствительности регистрации движений 6 увелечения порога чувствительности

Настройки камеры запуск камеры в режиме отладки

I

Применить

22'44'24:В I 0 22:44:30:6ВД 22:44:29:ВБЗ Movement

22:44.03:219

2002 278,104

203В 2В4.064

2QO0 0

Время per итерации двк> Время регитсрацн» дай» время per итерации дай» ерамя регитсрации дай*

2243-53:635 22:43:36 399 22:44:25:701

22:43:57:692 22:44:24:610

22:43:36:956 22:43:37:527 22:43:40:319 22:43:40:860 22:43:41:441 22:43:42:001 22:43:46:470

2244:26:742 22:44:29:363

Рис.11. Окно программы

Источник составлено автором. Source: compiled by the author

Fig.ll. Program window

При включении «желтого» или «красного» указателя система автоматически сохраняет в памяти компьютера время срабатывания. Окно программы, которое можно разделить на три основные частив, слева блок настройки, справа шкала для оценки уровня воздействия на ВОС и количества воздействий за определённый период времени. В нижней части представлены индикаторы: зеленого цвета «нормальный режим», желтого цвета «вероятность вторжения» (предупреждение), красного цвета «тревога». Каждая из четырех зон имеет протяженность 500 метров. Пока опытный образец АСКК работает при протяженности каналов не более 1 км. Увеличить число охраняемых зон и дистанцию не имеет сложности и может быть легко реализовано. Предельная длина охраняемого периметра для одного блока обработки данных разработанной АСКК до 20 км. При подаче сигнала тревоги АСКК отправляет сообщения по каналам сотовой связи уполномоченным лицам для принятия решений. Исследование проводилось с использованием способа измерения дополнительных потерь при механическом воздействии и формировании изгиба на оптическом волокне. Способ основан на изменении свойств света, испускаемого от источника лазерного излучения. Источник лазерного излучения предтавляет собой лазерный диод с длиной волны 650 нм мощностью 30 мВт, принцип действия которого основан на возникновении изменения заселенности в области рп-перехода во время инжекции носителей заряда. При механическом воздействии излучаемый свет имеет свойство изменения светопропускания при прохождении через оптическое волокно. В случае микроизгиба возникает влияние фотоупругости, что приводит к изменению показателя преломления между оболочкой и сердечником. В случае микроизгиба дополнительные потери, возникающие в оптическом волокне при механическом воздействии на него, увеличиваются, а также происходят изменения интенсивности световой волны и фазы ее распространения. Может преобразовывать изменение фазы в изменение амплитуды. Следовательно, во время механического воздействия на оптическое волокно наблюдаются изменения в характере световых волн, проходящих через сердцевину оптического волокна и падающих на поверхность фото приемника, в котором регистрируются все изменения. Роль фотоприемника на выходе оптического волокна исполняет фотоэлектрическая матрица с графическим процессором измерительного канала для предварительной обработки сигналов высокого разрешения. На конце оптического волокна установлен оптоволоконный соединитель типа SC с наконечником диаметром 2,5 мм, а также установлен физический контактный разъем UPC Ultra. Это позволяет формировать более четкие пятна света в отличие от ситуации при резке оптических волокон ножом [12-14]. В процессе настройки определяется фокусное расстояние между концом разъема и поверхностью фотоматрицы. Эта настройка позволяет аппаратно-программному комплексу контроля записывать все изменения светового пятна при воздействии на оптическое волокно.

1019

На рисунке 12 представлено окно программы в котором имеются: 1) блок запуска в фоне, 2) блок настройки камер, 3) блок мониторинга активности, 4) кнопка сохранения настроек «Применить», 5) блок индикаторов состояния и сигналов, 6) блок регистрации движения с ведением логов по времени.

1

Камера 1 Камера 2 Камера 3 Камера 4 10 сколько брате • ад ров • от-о средни значение (картинку) 20 количество средник покаэамий(картимок) и период 15 ПОРОГ с какой аркости пиксели будут белыми от 0 до 255 2 количество движений подряд до срабатывание

5000 эначенме порога чувствительности регистрации движений в увелвчения порога чувствительности

Настройки камеры мпуск камеры а режим« отладки

2000 0%

2000 0%

2000 0%

Применить

5 Movement

STOP

SffM Р*ГИТСРЛЦИИ Л#И» Вр«М* рмИТераиИИ Л»И> Врем* риитсрвции Д1И) Время рмитсращм даю

Рис. 12. Главное окно АСКК Fig. 12. Alain window ofASCC

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

АСКК разработана используя элементы библиотеки OpenCV (Open Source Computer Vision Library) [22, 23]. OpenCV - эта библиотека компьютерного зрения с открытым исходным кодом. Эта библиотека алгоритмов теории и технологиии создания машин, которые могут производить обнаружение, отслеживание и классификацию объектов. OpenCV реализована на основании компилируемых статистически типизированных языках программирования, в данном комплексе используется версия для языка Python [23, 24]. Генерация и отображение графиков производится в библиотеке Matplotlib на языке программирования Python для визуализации данных с использованием двумерной (2D) графики (также поддерживается 3/>графика). Сгенерированное изображение может быть использовано в качестве иллюстрации в публикации. Интерфейс был реализован с помощью библиотеки Tkinter. Tkinter - кросс-платформенная событийно-ориентированная графическая библиотека на основе средств Тк [22-24], входит в стандартную библиотеку Python [25, 26].

Кнопка «Запуск в фоне», запускает программу в нормальном режиме. При запуске программы, берется эталонное изображения для сравнения всех следующих с ним для измерения изменений. В блоке кнопка «Стоп» - остановка программы. В блоке настройки камер существует четыре вкладки, для настройки каждого канала отдельно, в каждой вкладке имеется шесть полей ввода параметров и две функциональные кнопки, а также кнопка сохранения настроек кнопки «Применить». Кнопка «Применить» изменяет значения переменных и сохраняет их в файл «config.ini» который всегда должен находится в той же папке что и программа, при ее запуске все значения загружаются из этого файла. Кнопку «Применить» можно использовать при работающей программе, без остановки, для изменения параметров и чувствительности в реальном времени.

Количество кадров с камеры, которое будет усредненно в одно изображение, применяется снижения шумов камеры. Увеличение значения так же увеличивает время реакции детектирования. В среднем камера снимает 30 кадров в секунду. Например, при значении этого параметра равным 10 займет 10/30 = 1/3 = 0.33 секунды на каждое получение изображения. При изменении этого параметра в момент работы программы необходимо перезапустить программу (нажать стоп и запустить повторно) Прямо влияет на чувствительность детекции и время реакции. Количество изображений (измерений значений) за один период детекции. Служит для построения графиков скорости изменения и величин значений (белых пикселей) и указания периода - раз в сколько изображений (измерений значений) выявлять движение Минимальное значение = 2. Пороговое значение цвета пикселя в градациях серого (от 0 до 255), при котором произойдет срабатывание (превращение его в белый) для подсчета. О = черный 255 = белый 1-254 = оттенки серого. Прямо влияет на чувствительность детекции. Количество срабатываний (детекции

движения) подряд до сигнала «ТРЕВОГА». Значение порога срабатывания детекции движения (количество белых пикселей) при превышении которого будет зарегистрировано движение. Значение увеличения порога чувствительности на величину N. при регистрации движений подряд. При отсутствии движения значение будет сброшено к исходному значению из поля 6.

В блоке настройки камеры в каждой вкладке «Камера» имеются функциональные кнопки: 1) «Настройки камеры» и 2) «Запуск в режиме отладки». При нажатии кнопки «Настройки камеры» - открывается браузер с 1Р-адресом текущего канала для настройки 1Р-камеры в веб-интерфейсе для наладки аппаратных характеристик матрицы.

При нажатии кнопки «Запуск в режиме отладки» - запускается соответсвующий режим где отображаются окна режима показа поступающих и обрабатываемых данных. На рисунке 13 представлены изображение светового пятна и результатов обработки данных при помощи электронно-оптического анализа светового пятна.

Рис. 13. Режим показа обрабатываемых данных

поступающих и

Fig. 13. Mode of presentation of incoming and processed data

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

На рисунке 14 представлены графики. Первый график показывает разницу (мгновенную скорость изменения количества белых пикселей) между двумя последовательными значениями количества белых пикселей во времени. Второй график показывает общее количество белых пикселей в каждом последовательном изображении. Для остановки программы в режиме отладки, достаточно закрыть окно режима отладки.

Разница между кадрами

жюоо

. 75000

135 -М' 194 61

145 342

Г I 10 0

Количество пикселей

Рис. 14. Графики режимов показа поступающих и Fig. 14. Graphs of modes of presentation of обрабатываемых данных incoming and processed data

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

В блоке мониторинга активности показаны размеченные шкалы, соответственно для каждой камеры. Шкалы представляют собой: верхняя - количество белых пикселей, яркость которых выше заданного порога яркости, нижняя - изменения количества пикселей выше заданного порога яркости между двумя последовательными измерениями, шкала имеет лимит заданным полем «значение порога чувствительности регистрации движений». Шкала размечена через промежу тки 20% от максимума, с указанием числовых значений.

Блок индикаторов состояния и сигналов, представленный на рисунке 15 при запуске становится зеленым и надпись изменяется на LIVE, при движении или тревоге становится белым не изменяя надпись LIVE.

Movement

Movement

Movement

Movement

Alarm

Alarm

Alarm

Alarm

Рис. IS. Режим работы в включенном положении Fig. 15. Operating mode in the included position

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

Индикатор детекции движения, представленный на рисунке 16 при срабатывании становится желтым и надпись изменяется на точное время зарегистрированного движения, при отсутствии движения становится белым.

22:4353635 22:4349827 Movement

Movement

Alarm

Alarm

Alarm

Alarm

Рис.16. Режим срабатывания сигнала «движения» Fig. 16. Mode of operation of signal «movement»

Источник: соспювлеьо авторш. Source: compiled by the author

Индикатор детекции тревоги, представленный на рисунке 17 при срабатывании заданного количества сигналов «движение» становится красным и надпись изменяется на точное время зарегистрированной тревоги, при отсутствии тревоги становится белым.

22 44 24 810 22:44 30 693 22:44 29 863 Movement

22:4403:219

Alarm

Alarm

Рис. 17. Режим срабатывания сигнала «тревога» Fig. 17.. [lann mode «alami»

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

Блок регистрации движения, представленный на рисунке 18, с ведением логов по времени записывает все движения за текущий запуск, прокрутка осуществляется колесиком мыши.

Время регитсрации дви> Время регитсрации дви> Время регитсрации деи>

22:43:53:635 22 43:36:399 22:44:25:701

22:43:57:632 22 4336:958 22:44:26:742

22:44:24:810 22 43:37:527 22:44:29:863

22 43:40:319

22 4340:880

22 43:41:441

22 4342:001

22 43:46:470

Рис. 18. Блок регистрации движения с ведением Fig. 18. Traffic registration unit with logs by time логов по времени

Источник: составлено автором. Source: compiledby the author

Все блоки предоставляют полную информацию об изменениях абсолютных и скоростных изменения пятна в режиме реального времени с сохранением времени срабатывания сигналов возможностью полной настройки с мгновенным применением параметров. Вся информация о срабатывании АСКК хранятся на сервере до востребования. При срабатвании системы автоматически отправляется сообщение с помощью каналов сотовой связи.

Обсуждение

В нормальном режиме работы возможно возникновение помех, связанных с нарушением когерентности лазера, для их снижения необходима стабилизация параметров напряжения и тока, допустимые отклонения при длине волны 650 нм должны быть не более 5 нм. При проведении лабораторных экспериментов волоконно-оптичекий датчик нагревался до температуры от 23° до 50 °С, при этом ложного срабатывания ВОД не зафиксировано, соответственно предложенный метод контроля интенсивности светового пятня и дополнительных потерь более эффективный и менее зависим от колебания температуры, которая вызывает изменение коэффициента преломления ОВ. Анализ изображения рисунка 7 показывает, что достаточно высокая вероятность обнаружения вторжения в охраняемый периметр при воздействии на ОВ, так как система может четко распознавать вторжение и помехи. Картина изменения пикселей от черного к белому цвету при возникновении помех отличается от картины пикселей при вторжении и воздействии на ВОС. При отсутствии воздействия на ВОД их уровень произвольно возникающих белых пикселей достаточно низкий и может достигать значения в 1000 единиц, а при воздействии уже десятки тысяч.

Предложенный метод позволяет контролировать механическое воздействие на волоконно-оптический датчик по изменению уровня дополнительных потерь и изменению интенсивность световой волны, падающей на поверхность фотоприемника, а интеллектуальная обработка изображения пятна позволяет отслеживать изменения интенсивности отдельных пикселей. Нужно отметить, что падающий свет на поверхность фотоприемника содержит значительное количество шумов, это видно на рисунка 1 и 2, для снижения помех необходимо снизить шум и пульсацию источника излучения. Шум негативно влияет на работу системы, но интеллектуальная программа отслеживает динамику изменения формы светового пятна и способна отделять флюктуации, вызванные внешними факторами, например, внешними помехами, от полезных сигналов при воздействии на ОВ нарушителя. Важным моментом борьбы с ложными шумами является способность системы ступенчато изменять свою чувствительность, первоначально она настроена на максимальную чувствительность для контроля начальных смещений и подачи предупредительных сигналов оператору, после чего происходит автоматическое загрубение параметров для точности фиксации смещения и исключения ложного измерения.

Испытания системы показали достаточно высокую надежность срабатывания при воздействии на волоконно-оптический датчик. Значение вероятности срабатывания составили 0,87. В сравнении с зарубежными аналогами, у которых вероятность срабатывания составляет 0,9-0,95 при различных ситуациях, например, одиночный нарушитель, группа нарушителей или автотранспорт. В дальнейшем будет повышена вероятность срабатывания до 0,9, при снижении вероятности ложного срабатывания до 0,1.

Выводы

Цель научной работы реализована полностью, результатом является разработанный опытный образец автоматической системы охраны периметров с использование волоконно-оптических датчиков. Предложен новый метод позволяющий преодолеть ряд недостатков известные методы оптической интерферометрии и рефлектометрии, а также волоконные решётки Брэгга, которые требуют достаточно дорогостоящих структурных компонентов АСКК и специфического программного обеспечения на основе искусственного интеллекта. Формируется перспектива создания приемлемых по цене АСКК отечественного производства, а также волоконно-оптических датчиков для различных отраслей промышленности. Предлагаемая АСКК может стать альтернативой для замены устаревших систем охраны энергетических объектов, использующих электрические сигналы, при этом будет полностью исключатся блокировка и подавление специальными средствами.

Литература

1. Cable for 2 million tenge stolen in Astana. Available at: https://365info.kz/2016/04/kabel-na-2-mln-tenge-ukrali-v-astane.

2. Police detained suspected cable stealing in the amount of 1.5 million tenge. Available at: https://astana.gov.kz/ru/news/news/3724.

3. All rights reserved. Use an active reference to inform.kz ht^s://www.inform.kz/eri/podozrevaemye-v-krazhe-kabelya-na-devyat-inln-tenge-zaderzhany-v-nur-sultane_a3 782959

4. Perimeter detection tools based on the "Voron" technology. Available at: https://www.grand-prix.ru/upload/iblock/73e/voron.pdf

5. Yurchenko A, Mekhtiyev A, Bulatbayev F. Neshina Y, Alkina A 2018 The Model of a Fiber-Optic Sensor for Monitoring Mechanical Stresses in Mine Workings. Russian Journal of Nondestructive Testing 54(7) (528)-(533) doi.org/10.1134/S1061830918070094

6. Куликов A.B. Волоконно-оптическая система охраны периметра на брэгговских решетках, как перспективный метод мониторинга безопасности объекта. Ползуновский Альманах . 2010. №2 pp. 274-278

7. Иванов И В. 200 Охрана периметров-2 (Москва, Паритет граф).

8. Русанов Ю.А. Технологии «Ворон» для охраны периметров аэропортов. "Транспортная безопасность и технологии" №2 (33) 2013

9. Лавриненко А.В. Периметровые средства обнаружения: современное состояние // Специальная техника. 2001. № 5

10. Введенский Б Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра // Мир и безопасность. 2006. Vol.4-5

11. Свирский Ю. Рынок периметровых средств охранной сигнализации на пороге 3-го тысячелетия // Системы безопасности. 2001. № 38

12. Mekhtiyev A.D, Yurchenko, A.V., Neshina, E.G., Al'kina, A.D., Madi, P.S. Physical Principles of Developing Pressure Sensors Using Refractive Index Changes in Optical Fiber Microbending. Russian physics journal.63 (2020)№2, C.: 323-331. doi: 10.1007/sl 1182-0200203 8-y

13. Yugav V, Mekhtiyev A., Neshina. Y. Aubakirova, В., Aimagambetova, R., Kozhas, A., Alkina, A., Musagazhinov, M., Kovtun. A.Design of an information-measuring system for monitoring deformation and displacement of rock massif layers based on fiber-optic. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol. 6 (5 (114)), 2021. Pp. 12-27. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.244897

14. The use of optical fiber for the creation of security systems for electrical cables of distribution networks of 0.4 kV / Yugay, V.V., Mekhtiyev, A.D., Sh Madi. P., Alkina, A.D., Neshina, E.G.// Journal of Physics: Conference Series, 2021. 2140(1), 012002.

15. Angelo Catalano, Francesco Antonio Bruno. Carlo Galliano, Marco Pisco, Giovanni Vito Persiano, Antonello Cutolo, Andrea Cusano. An optical fiber intrusion detection system for railway security // Sensors and Actuators A: Physical Volume 253, 2017 Pages 91-100 https://doi.Org/i0.1016/j.sna.2016.ll.026.

16. Juarez J and Taylor H 2007 Field test of a distributed fiber-optic intrusion sensor system for long perimeters // Applied Optics 46(11) (1968)-(1971) doi.org/10.1364/A0 46.001968

17. Shih-Chu Huang and Hermann Lin 2006 Counting signal processing and counting level normalization techniques of polarization-insensitive fiber-optic Michelson interferometric sensors // Applied Optics 45(35) (8832)-(8838) doi.org/10.1364/A0.45.008832.

18. Polyakov A, Ksenofontov M 2007 Frequency fiber-optical alarm system // International Conference on Laser, Applications and Technologies Minsk, 28 May-1 June p. 93.

19. Iqbal M, Fathallali H, Belhadj N 2011 Optical fiber tapping: methods andprecautions Proc. of HONET (164)-(168) doi:10.1109/HONET.2011.6149809.

20. Peng Y, Sun Z, Du S et al.: 2011 Propagation of all-optical crosstalk attack intransparent optical networks. Opt. Eng., 50(8), p. 085002 doi: 10.1117 / 1.3607412

21. Winzer P, Gnauck A, Konczykowska A et al.: 2011 Penalties from in-bandcrosstalk for advanced optical modulation formats. Proc. European Conf. onOptical Communication (ECOC), paper Tu.5.B. 7 doi.org/10.1364/ECOC.2011.Tu.5.B.7

22. Bruno G, Camera M M 2014 Securing optical monitoring ports of transmissionnetwork elements'. Proc. Fotonica AEIT Italian Conference OfPhotonicsTechnologies pp. 1-3

23. https://docs.opencv.Org/4.x/d9/df8/tutorial_root.html

24. Сидорова, A. B. Python как инструментарий оптимизации режима ГЭС в составе ЭЭС / А.В. Сидорова, А. А. Черемных, А. Г. Русина // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2021. - Т. 13. - № 2(50). - С. 119-132.

25. Аппаратно-программный комплекс для контроля смещения бортов карьеров / П. Ш. Мади, А. Д. Алькина, А. В. Юрченко [и др.] // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2022. - Т. 14. - № 3(55). - С. 126-143. - EDN AEKTWH.

26. Доступно по: https://www.w3schools.com/python/matplotlib_pyplot.asp

27. Доступно по: https://python-scripts.com/tkinter-introduction

Авторы публикации

Алькина Алия Даулетхановна - магистр, старший преподаватель кафедры «Информационные технологии и безопасность» некоммерческое акционерное общество «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова», г. Караганда, Республика Казахстан.

Юрченко Алексей Васильевич - д-р техн. наук, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Национального исследовательского Томского политехнического университета, профессор Томского государственного университета, г. Томск, Россия.

Мехтиев Али Джаванширович - канд.техн. наук, ассоциированный профессор, профессор кафедры «Эксплуатация электрооборудования» Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина, г. Астана, Республика Казахстан.

Мади Перизат Шаймуратовна - магистр электроэнергетики, старший преподаватель кафедры «Энергетические системы» некоммерческое акционерное общество «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова» (КарТУ), г. Караганда, Республика Казахстан.

Аймагамбетова Раушан Жанатовна - магистр стандартизации, метрологии и сертификации, заместитель руководителя департамента стратегического развития и науки Казахстанского института стандартизации и метрологии Комитета технического регулирования и метрологии Министерства торговли и интеграции, г. Астана, Республика Казахстан.

References

1. Cable for 2 million tenge stolen in Astana. Available at: https://365info.kz/2016/04/kabel-na2-mln-tengeukrali-v-astane.

2. Police detained suspected cable stealing in the amount of 1.5 million tenge. Available at: https://astana.gov.kz/ru/news/news/news/3724.

3. All rights reserved. Use an active reference to inform.kz https://ww.inform.kz/en/podozrevaemye-vkrazhe-kabelna-devyat-mln-tenge-zaderzhany-v-sulnurtane_a3782959

4. Perimeter detection tools based on the «Voron» technology. Available at: https://ww.grand-prix.ru/upload/iblock/73e/voron.pdf

5. Yurchenko A, Mekhtiyev A, Bulatbayev F, Neshina Y, Alkina 2018 The Model of a Fiber-Optic Sensor for Monitoring Mechanical Stresses in Mine Workings. Russian Journal of Nondestructive Testing.2018;54(7):(52%) -(533) doi.org/10.1134/S1061830918070094

6. Kulikov AB. Fiber Optic Perimeter Protection System on Bragg Grids as a promising method of site security monitoring. Polzunovsky Almanac. 2010. pp. 274-278

7. Ivanov IB. Perimeter protection-2 (Moscow, Parity Count).

8. Rusanov YA. Technologies «Vorontm» for perimeter protection of airports. Transport Security and Technology. 2020:2 (33).

9. Lavreinenko AB. Perimeter detection equipment: current state. Special equipment 2001.V.5.

10. Introduced B. Fiber Optic Sensors in Perimeter Protection Systems. Peace and Security. 2006. V.4-5

11. Svir Yu 2001 Market of perimeter alarm devices at the threshold of the 3rd millennium.

Security systems. 2001. V.38

12. Mekhtiyev AD, Yurchenko AV, Neshina EG, et al. Physical Principles of Developing Pressure Refs Using Ractive Index Changes in Optical Fiber Microbending. Russian physics journal.63 (2020) 2: 323-331 doi: 10.1007/slll82-020-02038-y

13. Yugay V, Mekhtiyev A, Neshina Y, et al. System of information-monitoring deformation and displacement of rock massif layers based on fiber-optic. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2021;6(5(114)): 12-27. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.244897

14. Yugai W, Mehdiyev AD., W Madi. The use of optical fiber for the creation of security systems for electrical cables of distribution networks of 0.4 kV. Journal of Physics'. Series, 2021, 2140, 2002.)

15. Angelo Catalano, Francesco Antonio Bruno, Carlo Galliano, Marco Pisco, Giovanni Vito Persiano, Antonello Cutolo, Andrea Cusano. Optical Fiber Penetration Detection System for Railway Safety. Sensors and Actuators A: 2017;253:91-100 https://doi.Org/101016/j.sna.ll.026

16. Juarez J and Taylor H 2007 Field Trials of Distributed Fiber Optic Intrusion Sensor System for Long Perimeter. Applied Optics 46(11) (1968)-(1971) doi.org/10.1364/A0.46.001968

17. Shi-Chu Huang and Herman Lin 2006 Counting Signal Processing and Normalization Level Counting Methods of Polarization-Insensitive Fiber-Optic Interferometric Mithelson //Applied Optics 45(35) (8832)-(8838) doi.org/10.1364/0032.

18. Polyakov A, Xenophontov M 2007 Frequency Fiber Optic Signaling System. International Conference on Laser, Applications and Technologies Minsk, 28 May - 1 June pp. 93.19. Iqbal M, FathallahH, Belhadj N 2011

20. Peng Y, Sun Z, Du S et al.: 2011 Spread of all-optical cross-attack of intragenic optical networks, Opt. Eng., 50(8), p. 085002 Add: 10,1117 / 1,3607412

21. Winzer P, Gnauck A, Konczykowska A, etc.: 2011 Penalty from in-bandcrosstalk for advanced optical modulation formats. Proc. European Conf. onOptical Communication (ECOC), paper Tu.5.B. 7 doi.org/10.1364/ECOC.2011.Tu.5.B.7

22. Bruno G, Camera M M 2014 Provision of optical ports monitoring elements transmission network. Pr. Fotonica AEIT Italian conference OfPhotonicsTechnologies p. 1-323. https://docs.opencv.Org/4.x/d9/df8/tutorial_root.html

24. Sidorova AV, Cheremnykh AG, Rusin AG. Python as a tool to optimize the regime of hydroelectric power plants in the UES. Bulletin of Kazan State Energy University. 2021; 13:2(50): 119-132.

25. Hardware and software for controlling the displacement of the sides of the quarries / P.S. Madi, A.D. Alkin, A.V. Yurchenko [et al. ]. Bulletin of the Kazan State Energy University. 2022; 14:3(55): 126-143. EDN AEKTWH.

26. Available at: https://www.w3schools.com/python/matplotlib_pyplot.asp

27. Available at: https://python-scripts.com/tkinter-introduction

Authors of the publication

Ally a D. Alkina - Karaganda Technical University named after Abylkas Saginov, Karaganda, Republic of Kazakhstan.

Alexey V. Yurchenko - National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk State University, Tomsk, Russia.

AliD. Mekhtiyev - Kazakh Agrotechnical University named after S. Seifullin, Astana, Republic of Kazakhstan.

Perizat Sh. Madi - Karaganda Technical University named after Abylkas Saginov, Karaganda, Republic of Kazakhstan.

Raushan Zh. Aimagambetova - Ministry of Trade and Integration, Astana, Republic of Kazakhstan.

Получено 20.02.2023г.

Отредактировано 27.02.2023г.

Принято 09.03.2023г.