Волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) состоит из 3-х основных компонентов: анализатор, протяженный (непрерывный) волоконно-оптический сенсор и специализированное программное обеспечение. Диапазон действия одного анализатора, основанного на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), составляет до 80 км (длина сенсора), а с использованием встроенного оптического переключателя для последовательного опроса сенсора в обе стороны от анализатора – до 160 км. Использование внешнего оптического переключателя и топологии типа «звезда» позволяет увеличить число подключаемых к одному анализатору сенсоров до 21.
Сенсор представляет собой непрерывный волоконно-оптический кабель специальной конструкции в зависимости от назначения и условия применения. Сенсор является эквивалентом огромного количества точечных датчиков (исходя из пространственного разрешения анализатора можно считать, что каждые 50 см сенсора являются отдельным независимым точечным датчиком; таким образом участок сенсора длиной 50 км будет эквивалентом 100 000 !!! точечных датчиков). Сенсор – полностью пассивное устройство, подключается с одного или двух концов к анализатору и размещается вдоль всего объекта, который необходимо контролировать. Оптическое волокно внутри сенсора изменяет свои оптические характеристики при изменениях различных внешних параметров (температуры, растяжения/сжатия, акустического давления и т.д.). Отсюда вытекают и различные применения системы.
Возможность контролировать протяженный объект в каждой точке, где инсталлирован сенсор в совокупности с очень высокой точностью и автономной работой в режиме реального времени делают систему уникальной и безальтернативной для большого количества различных применений.
Рисунок 1 – Элементы системы ВОС ГТМ: А) стойка или шкаф с измерительным анализатором и вспомогательным оборудованием; Б) волоконно-оптический сенсор; В) специализированное программное обеспечение (ставится на сервер)
Постоянный мониторинг свода тоннеля необходим для контроля негативного (разрушающего) воздействия следующих основных факторов:
Программное обеспечение, которое входит в такие системы постоянного долговременного мониторинга за состоянием объекта, можно условно разделить на 3 блока:
Для контроля состояния свода туннеля обычно устанавливаются сенсоры вдоль тоннеля на внутренней поверхности свода. Устанавливаемые сенсоры не обязательно должны быть прямыми и могут огибать свод по его естественному искривлению. После их установки система в автоматическом режиме может контролировать различные параметры той части туннеля, на которой установлены сенсоры. Точность детектирования продольной (вдоль сенсора) составляющей деформации свода может достигать 0,05 мм.
Рисунок 2 – Пример расположения непрерывных волоконно-оптических сенсоров
Кроме долговременного постоянного мониторинга за состоянием тоннеля, волоконно-оптические сенсоры хорошо зарекомендовали себя для контроля начальной стадии поведения возводимой строительной конструкции. Встраиваемые на стадии строительства в бетон, такие системы дают точные данные по начальному расширению бетона вследствие нагрева из-за начала химической реакции, затем «влажной» усадке бетона и, наконец, «сухой» усадке бетона и деформациям вследствие внешних нагрузок.
Наконец, такие системы дают возможность контролировать взаимодействие (адгезию) материалов с различными свойствами и различного возраста (скала-бетон, кладка-торкретбетон, бетон-сталь, новый бетон — старый бетон и т.д.). Это дает полезную информацию для подбора и корректировки состава бетона для минимизации эффекта самодеформации и формирования трещин.
Для детектирования локального повышения температуры и возгораний вдоль всего тоннеля прокладывается непрерывный волоконно-оптический сенсор, представляющий обычный телекоммуникационный кабель либо специальный кабель (сенсор). Измерительный прибор подключен к одному из концов сенсора и может располагаться внутри, либо вне пределов туннеля. В результате, система позволяет следить в непрерывном режиме за температурным состоянием туннеля, показывает распределение температурного профиля по всей длине туннеля, выдает автоматические сигналы предупреждения (alarms) о превышении заданных пороговых значений температуры, локализуя события с точностью до 1м. При этом участок мониторинга может быть разбит на большое количество подучастков, на каждом из которых можно устанавливать индивидуальные пороговые значения выдачи сигналов предупреждения. Одна система покрывает участок до 40 км.
Рисунок 3 – Пример расположения непрерывных волоконно-оптических сенсоров температуры
Рисунок 4 – Примеры непрерывных волоконно-оптических сенсоров температуры
Рисунок 5 – Профиль распространения пожара (искусственно организованное возгорание), получаемый после обработки данных с потолочного (слева) и настенного (справа) сенсоров
Возможности данной системы мониторинга существенно превосходят способности систем традиционной пожарной сигнализации. Система не только быстро и достоверно распознает различные виды пламени, но и точно локализует пожар в радиусе менее 1 метра. Это происходит независимо от наличия ветра, поскольку учитывается не только конвекционное тепло, но и тепловое излучение. Кроме того, можно контролировать размер и направление распространения пламени в течении длительного времени, так как сенсорный кабель выдерживает температуру до 10000С (специальная конструкция кабеля), не теряя при этом работоспособности. Благодаря этому можно предоставлять в распоряжение оперативным службам ценные данные и таким образом предпринимать эффективные контрмеры.
При инсталляции на больших площадях сенсорный кабель пересекает различные зоны с часто меняющимися температурными условиями. Например, зоны вводов и выводов из туннелей более зависимы от суточных и сезонных колебаний температуры, чем внутренняя часть туннеля. Данная система позволяет настраивать разную чувствительность для разных участков объекта мониторинга путем использования нескольких критериев тревоги.
Основные особенности сенсорных кабелей:
Предупреждение и обнаружение протечки в своде тоннеля является проблемой, как пример можно привести случаи затопление в Санкт-Петербургском метрополитене — авария на перегоне между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества», происшедшая в результате разрушительного воздействия плывуна на тоннели, затопления в Московском метрополитене на перегоне «Царицыно» — «Орехово», возникшего из-за нарушения гидроизоляции.
На сегодняшний момент эта проблема решается установкой инструментальных колец с точечными датчиками. Применение системы мониторинга протечек с распределенным волоконно-оптическим датчиком температуры даст возможность своевременно обнаружить начало протечки и предотвратить аварию.