CC BY
2УДК 621.315.2
А. Д. Алькина, А. В. Юрченко, А. Д. Мехтиев, П. Ш. Мади, Р. Ж. Аймагамбетова
РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
Алькина А. Д. - магистр, ст. преподаватель кафедры «Энергетические системы» некоммерческое акционерное общество «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова» (Караганда), e-mail: [email protected]; Юрченко А. В. - д-р техн. наук, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Национального исследовательского Томского политехнического университета (Томск), e-mail: [email protected]; Мехтиев А. Д. - канд. техн. наук, ассоциированный профессор, профессор кафедры «Эксплуатация электрооборудования» Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина (Астана), e-mail: [email protected]; Мади П. Ш. - магистр электроэнергетики, ст. преподаватель кафедры «Энергетические системы» некоммерческое акционерное общество «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова» (КарТУ), (Караганда), e-mail: [email protected]; Аймагамбетова Р. Ж. - 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 (Астана), e-mail: [email protected].
Актуальность использования данной системы на практике достаточно высока так как она обеспечивает контроль целостности волоконно-оптических кабелей, а также обеспечивает сохранность кабелей от хищения и осуществляет защиту от несанкционированного доступа информации. В данной статье рассматриваются некоторые вопросы связанные с разработкой автоматической системы контроля технического состояния и целостности оптических кабелей с использованием квазираспределенных оптоволоконных датчиков, которые могут своевременно предупреждать обслуживающий персонал и охранные структуры о попытках кражи или несанкционированного доступа. Система позволяет установить место несанкционированного доступа с разрешением от 100 до 500 м в зависимости от настройки. Система контроля технического состояния оптических кабелей позволяет частично решить проблему безопасности передачи информации по каналам связи. Данная система работает в режиме реального времени. Основой является метод контроля интенсивности световой волны распространяющихся в оптическом волокне и дополнительных потерь опической мощности при механическим воздействием на оптическое волокно. Результатом является разработка опытного образца автоматической системы несанкционированного доступа
© Алькина А. Д., Юрченко А. В., Мехтиев А. Д., Мади П. Ш., Аймагамбетова Р. Ж., 2023
ЗГ|
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
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. Рассматриваемый новый метод контроля системы технического состояния оптических кабелей позволяет преодолеть некоторые недостатки известных методов оптической интерферометрии и рефлектометрии, а также волоконных Брэгговских решеток, которые требуют довольно дорогих структурных компонентов автоматической системы контроля оптических кабелей и специфического программного обеспечения на основе искусственного интеллекта. Предлагаемая автоматическая система контроля технического состояния оптических кабелей может стать альтернативой для замены устаревших систем охраны электроэнергетических объектов, использующих электрические сигналы, при этом будет полностью исключаться блокировка и подавление специальными средствами.
Ключевые слова: система контроля, волоконно-оптический датчик, несанкционированный доступ, оптическое волокно, волоконно-оптический кабель.
Введение
Основная идея данной работы заключается в создании лабораторного образца на основе волоконно-оптических датчиков для проведения исследований, связанных с контролем технического состояния оптических кабелей. Разработка основана на методе контроля дополнительных потерь оптической мощности при механическом на воздействии на оптическое волокно. Особенностью предлагаемой системы контроля технического состояния оптических кабелей является специально разработанный аппаратно-программный комплекс (АПК), который позволяет контролировать параметры дополнительных потерь в режиме реального времени в полностью автоматическом режиме и при попытке несанкционированного доступа к кабелю будет подан тревожный сигнал оператору для принятия соответствующих решений. Ранее в работе [1] уже были опубликованы результаты разработки более ранней версии АПК, который предназначен для контроля горного давления и смещения пород кровли. Предлагаемый АПК имеет ряд принципиальных отличий и усовершенствований касающейся обработки данных, полученных от волоконно-оптических датчиков. Также существенно изменено программное обеспечение АПК, которая позволило ему повысить свою эффективность для системы контроля технического состояния оптических кабелей. Принципиальным отличием является то, что предлагаемый АПК использует метод оптико-электронного анализа изменения пиксельной картины светового пятна в отличии от более ранней версии АПК, в которой использовался метод оценки изменения интенсивности светового пятна на выходе из волокна.
Существует ряд проблем с хищением и механическим повреждением
волоконно-оптических кабелей. В настоящий момент времени существует ряд методов и средств позволяющих осуществлять конроль магистральных волоконно-оптических кабелей, но внутризоновых телекоммуникационных сетей города доступных по стоимости и по конструкции систем контроля пока нет. Существует несколько методов контроля для определения места повреждения кабеля, которые базируются на использование оптических рефлектометров [2]. Имеются случаи хищения кабеля, с этим явлением ведется опреленная борьба силами полиции и охранных организации [3,4]. Также существует проблема контроля технического состояния оптических кабелей при их повреждении вследствие проведения различных работ, например, строительных или ремонтных, которые проводятся без соответствующего согласования с АО «Казахтелеком». В настоящий момент времени национальный оператор АО «Казахтелеком» не располагает системой контроля технического состояния кабелей и охраны от несанкционированного доступа, работающих в режиме реального времени, а также использующий интеллектуальные методы обработки данных. Некоторые особенности работы волоконно-оптических датчиков рассмотрены ранее в работах [5]. Также не существующие системы не позволяют на ранних стадиях определить место несанкционированного доступа на начальном этапе вторжения. Достаточно много проблем существует на предприятиях, где магистральные оптические кабели имеют значительную протяженность.
В мире существует довольно много систем безопасности с разным техническим уровнем и стоимостью, а также разные принципы и методы. Например, инфракрасные, вибрационные, магнитные, емкостные и другие типы систем. Существует независимый тип системы безопасности, основанный на видеонаблюдении. Преимущества и недостатки этих систем уже обсуждались ранее [6]. Базой всех разработок системы безопасности является первый патент, основой которой являются источники излучения, волоконно-оптические датчики, фотоприемники и устройства обработки данных [7,8]. При анализе доступных источников данные разработки не были полностью освещены в публичных изданиях, а некоторые из них засекречены. Можно сделать вывод, что между различными системами безопасности существуют некоторые сходства, и эти системы объединяют их в несколько групп [9-11].
В странах СНГ, в частности в России, существует определенный рынок продаж систем безопасности для различных прилегающих территорий на основе волоконно-оптической технологии [12]. В [13] можно найти основную теоретическую информацию о принципе работы волоконно-оптических датчиков на основе оптических интерферометров. В данной работе не используются основные методы построения волоконно-оптических датчиков на основе интерферометров, рефлектометров или решеток Брэгга, так как уже известные методы имеют ряд определенных недостатков, а также высокую стоимость реализации системы контроля технического состояния оптических кабелей. Основанием выбора в качестве датчика оптического
ЗГ|
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
волокна ряд преимуществ описанные в работах [14,15].
В связи с этим целью является разработка опытного образца автоматической системы контроля технического состояния оптических кабелей для последующей практической апробации в условиях АО «Казахтелеком» (город Астана).
Материалы и методы
Как сказано ранее, основой предлагаемого метода контроля технического состояния оптических кабелей являются ранее полученные результаты исследования квази-распределенной системы измерения горного давления и смещения пород кровли, предназначенной для работы во взрывоопасной среде [1]. От предыдущей системы взят источник излучения, который посылает непрерывную световую волну по сердцевине оптического волокна, у которого на выходе установлено фотоприемное устройство. При механическом воздействии на оптическое волокно возникает известный фотоупругий эффект, при этом изменяется интенсивность светового пятна который фиксировался АПК. Исследования показали, что данный метод не пригоден для использования контроля технического состояния оптических кабелей из-за достаточно значительного количества ложных срабатываний и низкой помехоустойчивости. Учитывая все недостатки предыдущего АПК, был разработан новый метод контроля изменения интенсивности светового пятна. Принципиальным отличием является то, что световое пятно преобразуется первоначально в негативное изображение, а затем при помощи оптико-электронного анализа в картину изменения пикселей светового пятна. Чем выше уровень механического воздействия на оптический кабель, тем больше будет переход пикселей из черного цвета в белый.
На основе классических физических законов оптики был разработан метод контроля целостности кабелей по дополнительным потерям мощности. В качестве источника излучения используется полупроводниковый лазер с длиной волны 650 нм, мощностью 30 мВт. Световая волна проходит через ОВ и падает на поверхность фотоприемного устройства. Известно, что при механическом воздействии световая волна меняет фазу распространения и интенсивность, так как часть световой волны выходит за пределы сердцевины и теряется. Также известно, что в случае возникновения микроизгиба возникает эффект фотоупругости [16], что приводит к изменению показателя преломления между оболочкой и сердечником. При возникновении микроизгиба возникают дополнительные потери, которые можно зафиксировать и преобразовать в численные значения механического воздействия. Используя известный метод контроля дополнительных потерь можно установить факторы, связанные с техническим состоянием оптического кабеля или попытки несанкционированного доступа к информации.
Роль фотоприемного устройства исполняет КМОП-транзистор (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) с графическим процессором высокого разрешения, которая устанавливается на выходе из ОВ.
Световая волна падает на поверхность фотоприемного устройства с торца ферулы оптоволоконного коннектора типа SC с наконечником диаметром 2,5 мм, а также с полировкой типа UPC Ultra. Это позволяет формировать более четкое световое пятно. Формируемое световое пятно напоминает пятно Пуассона. Световое пятно представлено в черно-белом изображении (рис.1), где: а) - изображение светового пятна в оригинале, б) - преобразование изображение светового пятна в негатив, в) формирование пиксельной картины перехода от черного к белому при механическом воздействии на оптическое волокно.
Между яркой сердцевиной и менее яркой оболочкой существует граница раздела в виде перехода от области с большей интенсивностью к области меньшей интенсивностью. Представленному световому пятну свойственен достаточно значительный уровень шума и изменения интенсивности в зависимости от разных факторов, например от температуры, которая может носить определенные помехи. Также световое пятно изменяет свои контуры и интенсивность областей в зависимости от вида механического или виброакустического воздействия на ОВ.
#
\
ОС
а) б)
Рис. 1. Изображение светового пятна 1 - сердцевина, 2 - граница перехода, 3 - оболочка
в)
Изображенное световое пятно по своей сути является не информативным и содержит достаточно большой уровень шума. В нем отсутствует ин-терферентная картина, которая позволяет определить изменения фазы световой волны. В предложенном методе используется электронно-оптический анализ изменения интенсивности светового пятна, при помощи многоканального интеллектуального АПК, работающего в режиме реального времени. В качестве датчика используется одномодовое оптическое волокно стандарта 0.652, который имеет ступенчатый профиль, с яркой сердцевиной и менее яркой оболочкой. Световое пятно подчиняется закону распределения Гаусса. Характеристику светового пятна, его изображение и описание приведены в работах [13-16].
С помощью лабораторного образца системы контроля технического состояния оптических кабелей были проведены ряд экспериментов, которые позволили отработать реакции системы на механические воздействия. Стенд (рис.2) был специально сконструирован под соответствующие задачи,
связанные с возможностью определения места несанционированного доступа и повреждения оболочки кабеля. лабораторный образец. Позиции: 1 - персональный компьютер с аппаратно-программным комплексом; 2 - блок ВОС для обработки данных и генерации импульсов 3 - волоконно-оптический датчик; 4 - барабан с кабелем; 5 - основание для крепления барабана; 6 - волоконно-оптический коннектор.
ШШ
Рис. 2. Внешний вид опытного образца
Стенд имеет в своей основе основание 5, на которое устанавливается катушка с волоконно-оптическим кабелем 4. Длина кабеля составляет около 200м. Марка кабеля Shijia Optical Cable GYFJH-2B1.3 IEC60332-3-24 cat.c 2010/09/16N 01839 M. Тип ОВ, применяемого в данном кабеле G-652, однопо-довое ОВ. На основании была сформирована петля 3, на которую оказывалось воздействие и имитировалась попытка выполнения несанкционированного подключения. Система контроля технического состояния оптических кабелей настраивалась на тот случай, когда злоумышленник берет в руки кабель и пытается удалить верхнюю защитную оболочку для доступа к волоконно-оптическим проводникам. Также система способна контролировать целостность кабеля и при его обрыве подается сигнал дежурному оператору. Воздействия оказывалось на волоконно-оптическую петлю 3. Блок обработки данных 2 содержит полупроводниковый лазер с длиной волны 650 нм и мощностью 30 мВт. Источник излучения работает в видимом диапазоне красного цвета, поэтому не оказывает негативное влияние на работу самой направляющей системы передачи данных, т.к. передача данных осуществляется на длине волны
1310 нм и 1550 нм. Световая волна от блока обработки данных проходила по всей длине кабеля, соответственно через катушку 4 и петлю 3, сформированная из отрезка кабеля, после чего возвращалась к блоку обработки данных 2. Блок обработки данных содержит фотоприемное устройство, которое фиксирует все изменения интенсивности световой волны при механическом воздействии на кабель. Лабораторный образец содержит 2 входа и 2 выхода, соответственно имеет два независимых измерительных каналов. В процессе эксперимента использовался только 1 вход и 1 выход. Волоконно-оптический кабель подключается к блоку обработки данных 2 при помощи оптических адаптеров и коннекторов типа SC, диаметр ферулы 2.5 мм. Волоконно-оптические адаптеры и коннекторы могут быть любыми FC, LC и др. Разъемные соединения должны иметь оптические потери в пределах 0.3 дБ.
Важным моментом при проведении экспериментов является настройка АПК, который используется для контроля технического состояния кабелей. Роль АПК заключается в обработке полученных данных от волоконно-оптических датчиков и выдаче сигнала о срабатывании предупреждающего сигнала тревоги при механическом воздействии на кабель или его повреждении. АПК основан на использовании элементов из библиотеки Open CV (Open Source Computer Vision Library) [17]. Данная библиотека компьютерного зрения имеет открытый исходный код. Кроме того, содержит алгоритмы теории и технологии машинного зрения, которые позволяют обнаруживать, отслеживать и классифицировать объекты. Она реализована на основании компилируемых статистически типизированных языков программирования, в настоящей работе используется версия для языка Python [18,19]. АПК способен генерировать и отображать графики изменения параметров световой волны с использованием возможности языка программирования Python для визуализации данных, двухмерной (2D) или трехмерной 3D-графики. Интерфейс АПК является двухка-нальным (рис.2), но при необходимости количество каналов можно увеличить до 64 канала на один блок обработки данных. При проведении экспериментов на волоконно-оптический кабель оказывалось механическое воздействие, которое было зафиксировано АПК. В окне программы показаны различные блоки для настройки. В нормальном режиме загорается индикатор зеленого цвета, а при незначительном механическом воздействии, который можно оценить как помеху, загорается индикатор желтого цвета. Данный индикатор является предупреждающим сигналом. При однократном воздействии на волоконно-оптический кабель или повреждении его оболочки загорается индикатор красного цвета (рис.3). В окне программы показаны два динамических индикатора, которые приводят численные значения уровня механического воздействия, а также количество воздействия в течении определенного времени. АПК создан с помощью библиотеки Tkinter, которая является кроссплатфор-менной событийно-ориентированной графической библиотекой на основе средств Tk.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
Рис. 3. Интерфейс АПК
Заключение
Результатом работы является разработанный лабораторный образец системы контроля технического состояния оптических кабелей, который показал свою работоспособность. Также разработан АПК, основанный на методе оптико-электронного анализа изменения интенсивности светового пятна при механическом воздействии на оптический кабель. Предлагаемая конструкция лабораторного образца системы контроля технического состояния оптических кабелей с использованием АПК является достаточно простой по комплектующим деталям, что обеспечит доступную стоимость АПК для потребителей. Следующим этапом исследования будет отработка надежности работы АПК и оценка вероятности ложного срабатывания при возникновении различного рода помех.
Библиографические ссылки
1. Obespechenie bezopasnosti gomykh rabot s ispol'zovaniem volokonno-opticheskoy sis-temy / Mekhtiev A. D., Soldatov A. I., Neshina E. G. et al. // Vestnik Tikhookeanskogo gosu-darstvennogo universiteta. 2021. № 1. S. 13-22.
2. CHastotno-raznostnaya brillyuenovskaya reflektometriya parametrov opticheskogo vo-lokna / Bogachkov I., Gorlov N., Monastyrskaya T., Medvedeva N. // Materialy Mezhdunarod-noy konferentsii po prikladnym innovatsiyam v IT. 2022. T.10, Vypusk 1. S. 13-19.
3. Cable for 2 million tenge stolen in Astana. URL: https://365info.kz/2016/04/kabel-na-2-mln-tenge-ukrali-v-astane (дата обращения: 10.02.2023).
4. Police detained suspected cable stealing in the amount of 1.5 million tenge. URL: https://astana.gov.kz/ru/news/news/3724 (дата обращения: 10.02.2023).
5. The working roof rock massif displacement control system / Mekhtiyev A.D., Soldatov A.I., Neshina Y.G. et al. // News of the national academy of sciences of the republic of Kazakhstan series of geology and technical sciences. 2021. Vol. 5, № 449. P. 68-76.
6. Fiber-Optic System for Monitoring Pressure Changes on Mine Support Elements / Yugay V., Mekhtiyev A., Madi P. et al. // Sensors. 2022. № 22. P.1735. URL: https://doi.org/10.3390/s22051735 (дата обращения: 10.02.2023).
7. Kulikov A.V. Volokonno-opticheskaya sistema okhrany perimetra na breggovskikh reshetkakh, kak perspektivnyy metod monitoringa bezopasnosti ob"ekta // Polzunovskiy Al'manakh. 2010. № 2. P. 274-278.
8. Ivanov I.V. Okhrana perimetrov-2. Moskva: Paritet graf, 2000.
9. Rusanov YU.A. Tekhnologii «Vorontm» dlya okhrany perimetrov aeroportov // Transportnaya bezopasnost' i tekhnologii. 2013. № 2.
10. Lavrinenko A.V. Perimetrovye sredstva obnaruzheniya: sovremennoe sostoyanie // Spetsial'naya tekhnika. 2001. № 5.
11. Vvedenskiy B. Volokonno-opticheskie sensory v sistemakh okhrany pe-rimetra // Mir i bezopasnost. 2006. vol. 4-5.
12. Svirskiy YU. Rynok perimetrovykh sredstv okhrannoy signalizatsii na poroge 3-go ty-syacheletiya // Sistemy bezopasnosti. 2001. № 38.
13. Physical Principles of Developing Pressure Sensors Using Refractive Index Changes in Optical Fiber Microbending / Mekhtiyev A.D., Yurchenko A.V., Neshina E.G. et al. // Russian physics journal. 2020. № 2. S. 323-331. DOI: 10.1007/s11182-020-02038-y.
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., Madi P. et al. // Journal of Physics: Conference Series. 2021. 2140(1). 012002. DOI 10.1088/1742-6596/2140/1/012002.
15. Hardware-software Complex for Monitoring Incidental Losses Occurring in Optical Communication Cables under / Alkina A.D., Yurchenko A.V., Madi P.S. et al. // Mechanical Effect IEEE International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences, SIBIRCON 2022. P. 1800-1804.
16. A Fiber-Optic Long-Base Deformometer for a System for Monitoring Rocks on the Sides of Quarries / Mekhtiyev A.D., Yurchenko A.V., Kalytka V.A. et al. // Tech. Phys. Lett. 2022. URL: https://doi.org/10.1134/S1063785022070057 (дата обращения: 10.02.2023).
17. URL: https://docs.opencv.org/4.x/d9/df8/tutorial root.html (дата обращения: 10.02.2023).
18. Sidorova A.V., CHeremnykh A. A., Rusina A. G. Python kak instrumentariy optimi-zatsii rezhima GE'S v sostave E'E'S // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energetich-eskogo universiteta. 2021. T. 13, № 2. S. 119-132.
19. Apparatno-programmnyy kompleks dlya kontrolya smeshcheniya bortov kar'erov / P. SH. Madi, A. D. Alkina, A. V. YUrchenko [i dr.] // Vestnik Kazanskogo gosu-darstvennogo energeticheskogo universiteta. 2022. T. 14, № 3. S. 126-143.
Title: Development of a Laboratory Sample of a System for Monitoring the Optical Cables Technical Condition
Authors' affiliation:
Alkina A. D. - Abylkas Saginov Karaganda Technical University, Karaganda, Kazakhstan
3Tl
BECTHHK TOry. 2023. № 1 (68)
Yurchenko A. V. - National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk State University, Tomsk, Russia
Mekhtiev A. D. - S. Seifullin Kazakh Agrotechnical University, Astana, Kazakhstan Madi P. Sh. - Abylkas Saginov Karaganda Technical University, Karaganda, Kazakhstan
Aimagambetova R. Zh. - Kazakhstan Institute of Standardization and Metrology, Astana, Kazakhstan
Abstract: The relevance of using this system in practice is quite high, since it provides control of the integrity of fiber optic cables, as well as ensures the safety of cables from theft and protects against unauthorized access to information. In the article, the authors discuss some issues related to the development of an automatic system for monitoring the technical condition and integrity of optical cables using quasi-distributed fiber optic sensors, which can timely warn service personnel and security structures about attempts of theft or unauthorized access. The system allows one to determine the location of unauthorized access with a resolution from 100 to 500 m, depending on the setting. The system for monitoring the technical condition of optical cables partially solves the problem of the security of information transmission through communication channels. This system works in real time. The basis is a method for controlling the intensity of the light wave propagating in the optical fiber and additional losses of optical power under mechanical action on the optical fiber. The result is the development of a prototype of an automatic unauthorized access system using fiber-optic sensors and software. The software is an important part, as it is the basis of the proposed method of smart pixel analysis of a light spot and determination of additional losses in an optical fiber. The considered new method of monitoring the system of the technical condition of optical cables makes it possible to overcome some disadvantages of the known methods of optical interferometry and reflectometry, as well as fiber Bragg gratings, which require rather expensive structural components of an automatic optical cable monitoring system and specific software based on artificial intelligence. The proposed automatic system for monitoring the technical condition of optical cables can become an alternative for replacing outdated security systems for electrical energy facilities using electrical signals, while blocking and suppression by special means will be completely eliminated.
Keywords: control system, fiber-optic sensor, unauthorized access, optical fiber, fiber-optic cable.
